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细颗粒物湍流通量获取方法与应用

细颗粒物通量，莫宁奥布霍夫相似性，湍流扩散系数，雾霾污染，华北平原

细颗粒物湍流输送是污染天气过程研究的重要内容，准确估算细颗粒物浓度湍流通量不仅有助于精确计算源排放和污染物输送与沉降，优化污染源排放参数化方案，也有助于改善霾污染天气数值模拟的边界层参数化方案，提高霾污染天气预报水平。目前对细颗粒物湍流输送的研究报道相对较少。与水汽、二氧化碳等物质不同，细颗粒物湍流输送的研究主要集中在它的数浓度。但细颗粒物的质量浓度湍流通量直接反映了污染物物质情况，有更广泛的适用性。细颗粒物的数浓度通量的大小往往被高浓度的较小的颗粒物所主导，因此不能直接将其等同于质量通量。本文采用超声风温仪（IRGASON, Campbell Scientific, Inc., USA）、细颗粒物连续测量仪E-sampler（Met One, Inc., USA）、改进的高频散射消光系数仪CS120A（Campbell Scientific, Inc., USA）构建新的细颗粒物浓度湍流通量测量系统（PMFlux）。通过涡动相关法获取细颗粒物的湍流通量。该方法操作简单，实施性强，可与现有水热通量观测系统配套，也可单独构成观测系统，观测数据处理成熟。将PMFlux 系统应用到德州、保定、任丘和坨南等观测站中开展长期观测，获取污染阶段的细颗粒物湍流特征。实验结果表明：2018年12月27日-2019年1月7日实验期间，德州地区细颗粒物浓度湍流通量平均值为0.022 μg m^-2 s^-1，整体呈现细颗粒物源特征；实验期间5次污染天气过程的细颗粒物浓度湍流通量数值分别为：-0.015 μg m^-2 s^-1、-0.030 μg m^-2 s^-1、0.053 μg m^-2 s^-1、0.023 μg m^-2 s^-1和0.075 μg m^-2 s^-1，表明不同污染天气过程的污染源-汇属性有不同。不同地区细颗粒物浓度归一化标准差与稳定度参数ζ的关系遵循-1/3幂次关系，系数存在差异，与下垫面特征有关，德州、坨南、保定、任丘分别为：、、、。与风速和温度类似，细颗粒物浓度湍流宏观统计特征和微观特征满足Kolomovgov统计规律，细颗粒物浓度脉动方差谱曲线在惯性副区满足-2/3幂次率，细颗粒物浓度和垂直速度协方差谱曲线在惯性副区满足-4/3幂指数率。拓展Monin-Obukhov相似性理论使用范围，给出不同下垫面德州、坨南、保定和任丘的细颗粒物浓度通量-廓线关系的普适函数与稳定度参数ζ的关系，不稳定条件下分别为：、、和；稳定条件下分别为：、、和。同时计算了细颗粒物浓度湍流扩散系数K_C，计算结果显示细颗粒物浓度湍流扩散系数K_C有明显的日变化特征，其数值与细颗粒物浓度之间存在很好的反相关关系，其数值与热量湍流扩散系数K_H的关系没有呈现一定规律。该结果弥补了现有空气质量预报模式使用热量湍流扩散系数K_H替换细颗粒物浓度K_C存在的不足。