任燕 李倩惠 张宏升,† 康凌

PM2.5浓度湍流特征和通量获取的实验研究

任燕1,2李倩惠1张宏升1,†康凌3

1.北京大学物理学院大气与海洋科学系, 气候与海‒气实验室, 北京 100871; 2.兰州大学西部生态安全省部共建协同创新中心, 兰州 730000; 3.环境模拟与污染控制国家重点联合实验室, 北京大学环境科学与工程学院, 北京 100871; †通信作者, E-mail: hsdq@pku.edu.cn

利用 PM2.5质量浓度测量仪 E-Sampler 的 1Hz 高频采样功能, 采用涡动相关法, 计算山东省德州大气环境实验站 2018 年 12 月 27 日至 2019 年 1 月 7 日多次污染事件的 PM2.5浓度脉动和湍流通量, 探讨 PM2.5浓度湍流特征。结果表明, 实验观测期间 PM2.5浓度湍流通量均值为 0.026μg/(m2·s); 不同污染过程中 PM2.5浓度湍流通量传输方向不同, 表明不同污染过程的污染源汇属性不同。随着湍流统计特征量(如湍流动能、水平风速标准差、垂直风速标准差、水平风速、动量通量和感热通量)增大, PM2.5湍流垂直通量呈现指数型减小的趋势, 即先急剧减小, 然后随各变量的增长变化不大。随着 PM2.5浓度增大, 其湍流通量绝对值呈现增加趋势, 因此 PM2.5浓度湍流通量的大小与 PM2.5浓度和湍流强弱有关。不稳定条件下, PM2.5浓度归一化标准差与稳定度参数=/遵循−1/3 幂次关系, 即c/*= 6.7(‒ζ)‒1/3; 稳定条件下, 实验结果相对离散。另外, PM2.5浓度脉动方差谱曲线在高频段满足−2/3 幂指数率, PM2.5浓度脉动与垂直速度脉动的协方差谱曲线在高频段满足 −4/3 幂指数率。研究结果表明, 利用 E-Sampler 的 PM2.5浓度 1Hz 高频采样功能可以得到连续且有效的PM2.5浓度湍流通量。

PM2.5浓度湍流通量; 湍流统计特征; 湍流能谱; 污染过程