应用WRF-Chem模式研究气溶胶与气象参数在天气时间尺度上的相互作用

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大气气溶胶作为大气中的重要组成部分,通过直接和间接辐射效应影响天气,能够减少太阳辐射从而使地面气温降低。气象参数的变化同样也能够影响气溶胶浓度,例如静稳的天气系统导致了强灰霾事件的发生,而灰霾中高浓度的气溶胶的辐射效应对气象参数的影响又能进一步加重灰霾污染。本论文应用WRF-Chem(the Weather Research and Forecasting Model)模式研究中国东部地区气溶胶与气象参数的相互作用。  本论文首先研究了中国东部地区气溶胶及其部分组分(硫酸盐、硝酸盐和黑碳气溶胶)在天气时间尺度下的辐射强迫和对地面气温的影响。5个无明显降水时间段(2006年08月23~25日,2008年11月10~12日,2008年12月16~18日,2009年01月15~17日和2009年04月27~29日)的模拟显示,气溶胶浓度呈现显著的白天低,夜间高的日变化特征,且北方区域(29.8°~42.6°N,110.2°~120.3°E)平均PM2.5近地面浓度(40~80μgm-3)高于南方区域(22.3°~29.9°N,109.7°~120.2°E,30~47μg m-3)。气溶胶对地面2m温度(地面气温)有明显的降温效果,在早上8时和下午17时左右最为显著,最高可降低约0.2~1K,同时气溶胶的参与改善了模式对地面气温的模拟。本论文还通过对2006年8月23~25日一次个例的模拟,定量分析了气溶胶及其部分组分(硫酸盐、硝酸盐和黑碳气溶胶)的总天气效应(直接效应+间接效应)、直接效应和间接效应分别对到达地面的短波辐射和地面气温的影响。北方区域平均气溶胶直接效应所造成的短波辐射强迫要高于南方区域,分别为-11.3Wm-2和-5.8Wm-2,导致地面气温分别降低了0.074K和0.039K。南方区域平均气溶胶间接效应所产的短波辐射强迫高于北方区域,分别为-14.4Wm-2和-12.4Wm-2,引起的地面气温的改变分别为-0.094 K和-0.035K。对于气溶胶组分,硫酸盐气溶胶的直接效应和间接效应的作用相当,其总效应在北方和南方区域平均短波辐射强迫分别为-7.0Wm-2和-10.5Wm-2,对地面气温的影响为-0.062K和-0.074K,而硝酸盐气溶胶的作用略小。黑碳气溶胶使得北方和南方区域平均到达地表的太阳短波辐射分别减少了6.5Wm-2和5.8Wm-2,而地表气温则分别增加了0.053K和0.017K。  论文的第二部分研究了2013年1月11~14日期间,中国东部地区尤其是华北东部,河南,山东等地区(31.6°~41.0°N,112.0°~119.4°E)爆发的一次严重的灰霾污染。由于排放清单对黑碳和有机碳排放的低估,我们把黑碳和有机碳的排放均乘以4倍。较低的近地面风速(平均约3.9ms-1),较低的边界层高度(平均约300m),高相对湿度(平均约71.8%)和逆温等气象条件对这次灰霾的形成起到了重要作用。PM2.5,黑碳气溶胶和散射性气溶胶浓度在14日达到最高,最高值分别为195μg m-3,51μg m-3和144μg m-3,气溶胶短波辐射强迫约为-101~-41Wm-2,使得地面气温降低了约0.81K。散射性气溶胶使地面气温降低而黑碳气溶胶使边界层高度大气增温的现象导致了逆温的加剧,而这进一步导致了边界层高度的降低(最高约188m),从而引起了污染的加剧。气溶胶及其中的黑碳气溶胶和散射性气溶胶反馈分别使PM2.5浓度最高增加了约25μgm-3(18%),20μgm-3(14%)和6μgm-3(5%)。  论文的第三部分研究工作定量分析这次灰霾事件中黑碳气溶胶辐射效应对气溶胶浓度的影响。控制试验(CTRL)中模式模拟的黑碳气溶胶和PM2.5平均近地面质量浓度的最高值分别约为8~16μg m-3和80~100μgm-3。随着黑碳排放相对于CTRL试验分别乘以2(2BC),3(3BC)和4倍(4BC),黑碳气溶胶浓度逐渐增高,其辐射效应导致逆温逐渐增强,边界层高度逐渐减低,并在4BC中最为显著。黑碳气溶胶辐射效应使气溶胶浓度在天津(Dom1)和河南南部(Dom3)区域显著升高,但是在河北南部(Dom2)区域降低。相对于CTRL试验,4BC中PM2.5浓度在Dom1,Dom2和Dom3中的平均变化分别为+18.6μg m-3(+32.3%),-5.7μgm-3(-7.3%)和+7.2μgm-3(+12.6%)。黑碳气溶胶的增加导致边界层高度的降低(约30~40m)是Dom1和Dom2区域PM2.5浓度升高的主要因素。Dom2区域气溶胶浓度的降低比较复杂,850hpa风场幅合的减少使得所有气溶胶物种浓度均有减少,并且近地面臭氧和相对湿度的降低(约3 ppb和1.5~2.0%)也对硫酸盐和硝酸盐气溶胶的降低起到了一定的作用。
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