长三角地区霾天气形成机理和预报方法研究
发布时间：2020-06-09 22:13
【摘要】：霾天气是一种由大量极细微的均匀悬浮在空气中的尘粒导致空气混浊和能见度下降的城市和区域性的污染现象,对大气环境、能见度、人体健康、区域及全球气候变化都有重要的影响,近年来受到越来越多的关注。随着社会经济的快速发展和城市化进程的不断加快,长三角地区已经成为中国的主要霾污染区之一,且霾天气有逐渐增多的趋势。因此,开展长三角地区霾天气演变规律和预报方法研究具有重要的理论意义和实用价值。本文在对区域大气环境模拟系统RegAEMS改进的基础上建立了区域霾天气预报系统,结合资料分析研究了长三角地区霾天气的形成机理和时空分布特征,并针对霾天气开展了数值预报研究。主要研究结果如下： 首先,研究了长三角地区典型城市(南京、上海、杭州、合肥)能见度特征及其与影响因子的关系。分析表明,2004-2009年长三角地区各城市低能见度天气(能见度小于10km)所占比例为44.22%-83.41%,近年来呈上升趋势(0.8%/a-2.5%/a)。低能见度天气在清晨的发生比例最高(50%-90%),午后最低(20%-70%),当主导风向为偏西北风时该地区更容易出现低能见度。特别地,对南京市霾天气特征进行了重点分析,能见度年均值为8.8km,表现出明显的日变化和季节变化特征：早晨最低(6.6kmm),下午最高(10.7km)；冬季最低(8.1km),夏季最高(9.8km)。能见度不存在明显的“周末效应”,存在明显的天气尺度(2-4天)和准双周尺度(8-16天)的周期变化特征。消光系数与PM10、相对湿度、风速、温度和地表气压的相关系数分别为0.371、0.666、-0.290、0.152和-0.280。天气尺度过程对能见度有明显的影响。2008-2009年南京细颗粒物PM25浓度均值为73μg/m3,能见度与PM2.5呈负相关关系。 通过统计分析给出了长三角地区霾天气的判定指标：能见度小于10km,相对湿度小于80%,PM25浓度大于80μg/m3。根据水平能见度建立了霾天气的分级指标：超重度霾(能见度小于2km)、重度霾(能见度大于2km且小于4km)、中度霾(能见度大于4km且小于7km)和轻霾(能见度大于7km且小于10km)。 其次,针对2009年10月14-31日发生在长三角地区的一次持续霾天气过程特征及形成机理进行了研究。结果表明,本次污染影响范围很广,以较高的颗粒物浓度、较低的能见度和较低的相对湿度为主要特征,污染最严重的地区主要为南京、扬州、徐州、宿迁和合肥等位于长三角地区中部和北部的城市,其平均API都超过100。持续霾天气期间南京平均相对湿度为61%,PM25和PM1o的平均浓度分别为95-136μtg/m3和192-244μg/m3,比非霾天气期间分别高64%-143%和92%-94%。高空稳定的大气环流形势,地面高压均压场的持续控制,近地面的逆温层,较低的大气边界层高度、持续的静小风、低湿环境和垂直方向上下沉气流的主导作用为本次持续霾污染天气的形成提供了有利的气象条件,秸秆燃烧等外来源的贡献则为此次霾天气提供了可能的污染条件。 第三,为了精确模拟细颗粒物及前体物,建立了包含非均相化学过程和液相化学过程的箱模式,并通过敏感性试验研究影响多相化学过程的主要因子。结果表明：非均相化学过程的作用会降低除NO2外的其它微量气体浓度,增加SO42-、N03-和NH4+等二次气溶胶浓度。影响非均相化学过程的主要因子包括粒子浓度和气体吸附系数,粒子浓度和气体吸附系数越大,非均相化学过程的作用越显著,而温度的影响相对较小。由于液相化学过程的作用,SO2、NO2、O3和H202等气体浓度都有不同程度的减少,而SO42-、NO3和NH4+等气溶胶的浓度都有不同程度的增加。影响液相化学过程的主要因子包括液水含量、液滴半径、液水温度和气体初始浓度。液水含量越高、液滴半径越小、液水温度越低,气体初始浓度越高,离子浓度就越高。 第四,基于美国环保局EPA的AP-42方法和欧洲环保局EEA的COPERTIV机动车排放模型,分别建立了2006-2008年长三角地区以城市为单位的铺装道路扬尘排放清单和机动车污染物的分省排放清单,并给出了其相应的空间分布,为霾天气预报提供了数据基础。结果表明,2008年长三角地区铺装道路扬尘中PM2.5、PM10和TSP的排放量分别为53.9、216.5和538.8万吨,且城市铺装道路扬尘的排放量呈现随时间明显增加的趋势(15.6%/a)。2008年长三角地区机动车PM10、PM2.5、 BC、OC、SO2和NOx的排放总量分别为5.62、4.89、2.17、1.64、96.04和5.89万吨。道路扬尘和机动车排放存在明显的空间分布差异,高值主要集中在江苏南部以及上海等经济较发达地区。 最后,对区域大气环境模拟系统RegAEMS进行了改进,包括加入大气多相化学过程模块和能见度计算模块,对人为排放源进行更新,建立了长三角区域霾天气预报系统。通过对2009年长三角地区的回顾性预报,对改进的模式系统进行了性能检验,结果表明霾天气预报系统对长三角地区的气象场、颗粒物和能见度具有较好的预报性能,等级预报准确率达到70.8%,不分等级和分等级的霾天气预报TS评分分别为73.2%和70.2%。此外,研究发现长三角地区的霾天气呈现显著的时空分布特征,主要出现在泰州、扬州和苏州等江苏中南部地区,秋季霾天气最为严重,影响区域范围最广,夏季霾天气强度最小,范围也较小。预报系统对2009年10月14-31日的持续霾天气具有较好的预报性能,能够预报出该过程的气象要素、PM2.5浓度和能见度的时间变化特征。
【图文】：
地区一次典型的霾天气过程。根据上述的具体研究内容，设计了本文研究的技术路线，如图1.1所示。本文第二章介绍了区域大气环境模拟系统及本文对系统的相关改进；第三章研究了长三角地区能见度的主要特征及其与影响因子的相互关系，，并根据统计结果给出了长三角地区霾天气的判别标准和分级指标；第四章研究了长三角地区一次典型的持续性霾天气过程的污染和天气特征，并探讨其形成机理；第五章建立箱模式并利用敏感性试验的方法研究了多相化学过程对大气细颗粒及前体物的影响机理；第六章建立了长三角地区铺装道路扬尘和机动车排放的清单并给出其空间分布；第七章对建立的区域霾天气预报系统的预报性能进行检验；最后第八章对本文的主要工作及创新点进行了总结，并指出了本文的不足之处及未来的进一步研究方向。, >研究 H 标 1‘ ^ I 士* f J iI"""■ III ‘ ‘ ‘ "I ： f" I基猫栜调查 i ： 1? 1 ： L,_221_pj : 特妊分拆 I : I\ I .L从州’在A I ！ I——I ？能免度与其影I ！ I 1 i：I猫敢因子祸定I丨nmwi m i 能见度 ；U氁蜃又啵
本文编号：2705335
【图文】：
地区一次典型的霾天气过程。根据上述的具体研究内容，设计了本文研究的技术路线，如图1.1所示。本文第二章介绍了区域大气环境模拟系统及本文对系统的相关改进；第三章研究了长三角地区能见度的主要特征及其与影响因子的相互关系，，并根据统计结果给出了长三角地区霾天气的判别标准和分级指标；第四章研究了长三角地区一次典型的持续性霾天气过程的污染和天气特征，并探讨其形成机理；第五章建立箱模式并利用敏感性试验的方法研究了多相化学过程对大气细颗粒及前体物的影响机理；第六章建立了长三角地区铺装道路扬尘和机动车排放的清单并给出其空间分布；第七章对建立的区域霾天气预报系统的预报性能进行检验；最后第八章对本文的主要工作及创新点进行了总结，并指出了本文的不足之处及未来的进一步研究方向。, >研究 H 标 1‘ ^ I 士* f J iI"""■ III ‘ ‘ ‘ "I ： f" I基猫栜调查 i ： 1? 1 ： L,_221_pj : 特妊分拆 I : I\ I .L从州’在A I ！ I——I ？能免度与其影I ！ I 1 i：I猫敢因子祸定I丨nmwi m i 能见度 ；U氁蜃又啵
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