华北地区强霾污染的人为源贡献及其对天气的反馈作用研究

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2013年2月,华北地区遭遇严重霾污染。源排放、地形条件、气象因子及其与霾污染的相互作用是诱发华北地区强霾污染形成的重要原因。由于人为源排放产生霾污染及其与气象因子的双向反馈同时存在,使得削减人为源排放对于减缓或防范区域污染具有双重作用。因此,将人为源排放对霾生成的贡献及霾污染所引发的天气学效应结合起来研究,对于深入认识霾的形成具有重要的科学意义。本文利用在线耦合的大气化学模式WRF-Chem V3.6,基于大气环境和气象观测数据,利用清华大学中国多尺度排放清单模型(MEIC)提供的2010年逐月人为排放清单和模式提供的在线计算的自然源清单,在完成大气化学方案优选的基础上,研究了华北地区一次重霾污染过程(2013年2月15-17日)的人为源贡献及其对天气的反馈作用。重点关注包括一次颗粒物(Primary Particles,简称PPs)、无机气态成分(Inorganic Gaseous Compositions,简称IGCs)和挥发性有机污染物(Volatile organic Compositions,简称VOCs)的综合排放及三者分别对PM2.5生成的贡献,以及由此引发的气象要素的变化。同时,通过关闭WRF-Chem的反馈作用来定量讨论气溶胶的总反馈效应、辐射效应(直接和半直接效应)和间接效应分别对气象要素和污染物浓度的影响。模拟结果显示:  (1)上述3种人为源的综合排放对华北地区PM2.5浓度的平均贡献率为91.27%,其中对北京、秦皇岛和沧州的贡献率分别达96.9%,95.9%和97.2%。其中,对PM2.5的浓度贡献最大的是PPs,最小的是VOCs;对硫酸盐、硝酸盐的浓度贡献最大的是IGCs,最小的是PPs;对SOA的浓度贡献最大的是VOCs,最小的是IGCs。  (2)3种人为源的综合排放对气象要素的反馈作用使日均区域地面太阳向下短波辐射降低近15.99%,区域平均地面辐射强迫达-26.51W m-2,由此导致地面温度下降0.14℃(3.68%),逆温增强,垂直温度梯度((6)T/(6)z)升高0.026 K/km,边界层高度降低18.92 m(8.77%),平均风速减少约0.014 m s-1(0.35%),相对湿度绝对值升高0.51%,地面平均气压降低0.86 Pa。3种源分别对短波辐射、2m温度、边界层高度、10m风速以及相对湿度的影响及分布与3种源的综合排放的影响和分布大致相同,只有气压有不同,PPs使气压略降低,IGCs和VOCs使气压略升高。除气压,3者对其余5种气象要素的贡献大小都为PPs>IGCs>VOCs。  (3)若排放源不改变,只关闭气溶胶对气象的反馈效应,发现气溶胶的反馈效应使区域2月16日日均平均短波辐射减少31.10 W m2(18.76%)、2m温度降低0.17℃(4.5%)、边界层高度降低22.23 m(10.3%)、10m风速减小4.37 cm/s(1.06%)。其中气溶胶间接效应对四者的影响很小,几乎全部来自于气溶胶的直接和半直接效应。气溶胶的直接半直接效应使污染较严重的河北南部相对湿度升高、气压降低、降水增加。间接效应使其湿度升高、气压升高、降水减少。气溶胶的直接和半直接效应使区域平均硫酸盐、硝酸盐、SOA、PM2.5的浓度增加,且增加的程度依次增大;间接效应也使硫酸盐、硝酸盐、SOA、PM25的浓度整体有不同程度的增加,但增加的程度依次减小。  上述结果暗示,霾污染过程所引发的气象条件向不利于污染物扩散方向改变,这将会促进污染物的局地累积、增强污染程度并延长区域内重污染的持续时间。若忽略气溶胶的反馈效应,会造成模式对PM2.5浓度一定程度的低估。因此,模拟时加入气溶胶的反馈作用对于使模拟值更加接近观测值是十分必要的,同时在探讨区域性霾污染成因时,霾通过自身的辐射强迫作用对大气的调节也是不可忽视的影响因素。
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