基于WRF-HYSPLIT模型分析东亚背景点位大气污染物传输特征

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伴随着经济的快速发展和经济规模的扩大,东亚地区大气环境越来越呈现出区域性污染的特点,空气污染物的远距离跨国界传输问题日益引起东亚各国的关注。然而目前,国内外对该问题的研究还十分有限,尤其是对污染物跨界传输的路径和方式,传输通量等问题的认识不清,这也影响了东亚各国污染控制责任的分配等涉及环境外交政策的问题。我国由于受自身经济发展水平和总体污染排放量大等因素的制约,在东亚地区污染物跨界输送问题上一直比较被动。弄清东亚地区污染物的传输特征对于大区域环境污染联防联控、缓解全球气候变化危机和改善我国的环境外交关系都具有重要意义。2011年3月14日至4月24日“东亚地区大气污染物跨界输送及其相互影响与应对策略研究(简称ITP)”项目在东亚地区下风向区域背景点-洪泽湖地面站进行了为期42天的加强观测。本研究借助此次观测的数据分析该区域背景点位污染物的传输特征,主要完成了以下工作:  1.实现了WRF-HYSPLIT模式的耦合。  在结合观测数据研究污染物传输时,目前使用最多的方法是气团轨迹分析或气团轨迹分析与其它方法并用。传统的借助气团轨迹模式分析污染物传输的研究多直接使用NOAA提供的水平分辨率为1.5°×1.5°的气象场数据,因为数据分辨率低,模拟气团轨迹不足以代表污染物的真实传输路径。本研究成功地把新一代中尺度天气研究与预测模型WRF模拟的高分辨率的气象场数据转换为气团轨迹模式HYSPLIT可用的格式,并用来模拟污染气团的传输路径,分析东亚背景点位大气污染物的传输特征,具有重要的方法学意义。  2.分析了观测期间东亚背景点的污染特征。观测期间洪泽湖区域背景点氮氧化物和二氧化硫的浓度较低,颗粒物、黑碳和臭氧的浓度都较高,受周边大区域排放影响比较大,表现出明显的复合型区域污染特征。由于受大风时周边裸地扬尘和沙尘天气影响,观测期间粗粒子比例较高。在偏北大风情况下,其它污染物的浓度会因被大风吹散而降低,但PMl0的浓度则会陡然升高。在晴天、高温、低湿和持续偏南风的条件下,来自东南和西南方向的污染物会在观测区域累积,并发生二次转化,导致严重污染事件的发生。  3.分析了观测期间该背景点位污染物的传输特征。  根据WRF-HYSPLIT模式的模拟结果,分析不同气团影响时的污染物浓度发现,各类气团污染物浓度除受来源方向污染排放强度的影响外,风速是影响污染物浓度的重要因素。除PM10外,当受到来自东北和西北方向传输速度较快的气团影响时污染物的浓度较低;当受到来自西南和长三角方向移动速度较慢气团影响时污染物的浓度较高。受北方沙尘天气影响,西北内陆方向气团PM10的浓度最高;以煤炭为主要能源使得京津地区SO2排放量较大,因此西北内陆气团也表现出较高的SO2浓度。长三角地区城市群排放的大量一次污染物(二氧化硫,氮氧化物,BC等)为二次反应提供了充足的前体物,使得长三角地区气团的一次和二次污染物浓度都很高。西南内陆气团主要受风速较小影响,各污染物浓度较高。来自东北方向的气团因为传输速度快,经过地区污染排放较少,表现出相对最低的污染物浓度。观测期间洪泽湖区域背景点向日韩方向输送的轨迹占所有输出轨迹的31%,这些输日韩轨迹大部分源自污染物浓度较低的偏北气流,因此观测期间东亚中纬度地区输送到日韩方向的气团大部分时段所携带污染物浓度并不高。  由于时间和其它条件的限制,研究中模型模拟的范围较小,建议后续研究扩大WRF高分辨率数据的模拟范围和HYSPLIT轨迹的积分时间,并将分析时段扩展到一年或以上,以更好的评估我国与东亚其它国家之前大气污染物传输的相互影响。
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