关中盆地气溶胶变化特征及其与气象因子关系

发布时间：2020-10-27 14:31

　　 中国是全球陆地区域持续出现高值气溶胶光学厚度区域之一,高浓度细颗粒物所导致的灰霾污染,是我国目前城市和区域大气污染所面临的最突出问题。并且这种大气污染现象的年均天数在逐步增加,污染过程持续时间不断加长,范围愈发扩大,形成京津冀、长三角、珠三角、四川以及陕西关中五个最为严重的灰霾区域。在关中地区开展气溶胶基本特征及其与气象要素的相互关系研究,对于更深一步的理解关中地区大气污染的成因有着重要的意义。本研究利用MODIS卫星气溶胶产品、地基观测的大气颗粒物和气溶胶光学厚度资料以及关中地区常规气象观测资料分析了关中地区气溶胶的时空分布特征,讨论了关中地区长时间序列能见度、太阳辐射、日照时数、降水的变化及其与气溶胶变化的关系,同时利用大气颗粒物数谱分布数据对西安地区大气颗粒的基本特征、西安与北京颗粒物特征的差异以及近三年污染天气过程颗粒物粒径演变进行了重点分析,从大气颗粒物的角度探讨了西安地区大气污染的成因。取得的主要结论有:(1)关中2000-2010年之间气溶胶光学厚度呈现东部高、西部偏低的空间分布,光学厚度高值中心主要位于西安和渭南南部,关中夏季光学厚度值较高,秋季光学厚度值较低,不同季节高值中心存在一定的偏移,高值区受自然源产生的粗粒子气溶胶和人为源产生的细粒子气溶胶共同影响。地基观测得到的光学厚度变化趋势与MODIS监测结果类似,也是夏季光学厚度值最高,秋季最低。泾河的光学厚度变化进一步表明,影响气溶胶光学厚度的因子较多,沙尘、冬季燃煤供暖硫化物的释放、夏季秸秆焚烧造成的烟尘以及高相对湿度,都会对气溶胶光学厚度产生较大的影响。2000-2010年间关中东部地区气溶胶光学厚度呈现出弱的增加趋势,细粒子气溶胶污染有逐年加重的趋势。(2)西安地区地基观测的细粒子谱分布和数浓度变化特征表明,西安大气颗粒物平均数浓度低于北京、上海等城市区域,与济南地区夏季和上甸子地区观测量级相当。夏季粒子谱主要分布在67.3 nm附近,春季和秋季主要分布在80 nm附近,冬季则主要分布在90 nm附近。夏季颗粒物数浓度受光化学反应和新颗粒物生成事件影响明显。西安地区四个季节颗粒物数浓度早晚峰值受交通排放影响明显,中午峰值主要与新颗粒物生成有关。观测时段内累计出现了66次新颗粒物生成过程,均出现在白天,其中5月和10月观测到的新颗粒物生成事件较多,2月未观测到新颗粒物生成事件。新颗粒物生成事件主要发生在西北风条件下(占总数的85%)。西安地区新颗粒生成事件主要分为有持续增长过程和无持续增长过程两类,两类过程中温度和湿度的变化无明显差异,只是有持续增长过程中伴有风向的改变。(3)对比西安地区2014年6月大气颗粒物与北京地区2013年5月大气颗粒物的观测结果,发现:两个地区10-500 nm颗粒物数浓度均以爱根核模态粒子为主,北京地区观测期间颗粒物总数浓度是西安地区的2倍,主要是大于30 nm的颗粒物的贡献。北京地区的平均粒径为西安地区的1.4倍,北京地区的凝结汇明显高于西安地区。高凝结汇抑制了新颗粒物的生成,观测时段内北京地区仅观测到7次新颗粒物生成过程,西安观测到13次。两个地区均存在有持续增长和无持续增长两种新颗粒物生成事件。且成核事件开始后一小时内新成核粒子的平均数浓度谱分布均呈现明显的双峰特征,西安地区第二个峰值出现在爱根核模态,而北京地区第二个峰值则经常出现在积聚模态。新颗粒物生成事件发生时伴有颗粒物的总表面积下降和总散射系数降低的现象。凝结汇对新颗粒物生成事件的影响高于相对湿度。(4)本研究统计分析了关中地区能见度、日照时数、太阳辐射和陕西省的降水变化特征,结果表明,能见度与污染指数呈现明显的负相关,关中地区部分城市能见度的降低,从侧面反映了气溶胶的增加趋势,日照时数和太阳辐射的波动下降趋势,应该与关中地区气溶胶增加所造成的直接辐射效应有关。陕西省全年总雨量以及小于5 mm降水的减少可能与气溶胶的抑制以及整层大气可降水量的减少有关,雨季大于10 mm降水增加与气溶胶对降水的促进作用有关。西北风有利于关中地区气溶胶的扩散与输送,东南暖湿气流会加重大气污染,同时也会将外部的污染向关中地区输送,低边界层高度对大气污染的扩散不利。(5)2014-2016年西安地区总污染天数分别为:175,104和138天,其中中度以上污染所占总污染日数的比例分别39.1%,35.1%和53.6%。对比西安地区污染日和非污染日大气颗粒物特征,发现污染日10-500 nm大气颗粒物平均数浓度为10348 cm~(-3),为非污染日大气颗粒物数浓度的1.25倍,污染发生时,100-200 nm和200-500 nm粒径段颗粒物数浓度增加明显,分别为非污染日的1.64和2.91倍。污染日和非污染日10-500 nm颗粒物体积浓度和表面积浓度分别为:34.9μm~3/cm~3,792μm~2/cm~3和15μm~3/cm~3,430μm~2/cm~3。随着污染的加重,小于50 nm颗粒物数浓度逐渐减少,大于100 nm颗粒物数浓度逐渐增加,表明污染的发生不仅与大气颗粒物数浓度增加有关,与大气颗粒物粒子谱分布的改变也有着重要的关系。污染发生时,西安地区数浓度、表面积浓度和体积浓度的日变化仍受早晚人类活动高峰排放影响明显。不同程度污染个例分析表明,积聚模态颗粒物(N_(100-500nm))数浓度与空气质量指数AQI和PM_(2.5)呈现显著的正相关关系,积聚态颗粒物数浓度的增加和维持,是西安地区大气污染产生的重要原因。低温、高湿、低风速气团控制,是西安地区大气污染发生和维持的重要气象条件。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院地球环境研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：X513;X16
【部分图文】：

第 2 章 观测实验与研究方法关中地区气溶胶与气象因子相互作用研究，需要利用卫星观测基观测气溶胶资料，以及常规气象站观测资料、再分析资料、指数资料等大量的数据，同时也需要有适当的研究方法，本章中所使用的数据资料及其来源，并给出了相应的分析方法。区域简介盆地位于我国西北地区东部的陕西省，素有―八百里秦川‖之称，积和黄土堆积形成的平原和黄土台原所构成，南依秦岭，北靠 360 千米，南北宽约 30-80 千米，为东宽西窄的喇叭口地形（图

第 2 章 观测实验与研究方法2.2.5 数据质量控制本研究所使用的长期气象观测数据均为经过陕西省气象信息中心数据保障和管理科工作人员根据中国气象局数据质量控制要求审核和筛选过的数据。光度计数据和颗粒物观测数据在进行研究时进行逐一筛选，对于超出观测范围内的数据以及部分野点子数据进行逐一的剔除，对于剔除的数据，本研究利用该点相邻两点的数据的均值进行补差。本研究使用的能见度数据为人工观测数据，为了确保其观测质量可靠，本研究利用2000-2010年间MODIS卫星观测得到的光学厚度数据和同期9个观测站 14 时能见度观测数据进行了比对（图 2.3）。

关中盆地气溶胶变化特征及其与气象因子关系区主要集中在关中东部。其可能原因如下：（1）地形限制，关中地区为喇叭口狭长地形，其中西安、渭南南部处于海拔较低的盆地区域，而宝鸡北部、咸阳、铜川、渭南北部区域处于相对海拔较高的黄土高原区域，关中东部为近地层大气污染物向下游传输扩散的出口，特殊的地形使得气溶胶粒子在关中地区大气边界层内部的扩散受到抑制；（2）盛行风向限制（图 3.1d），近 30 年主导风向和平均风速的变化特征表明，关中地区西部盛行偏西风，东部盛行偏东风，且偏东风的风速略高，偏西风使得由宝鸡方向来的污染物向东部输送，而东部的偏东风一方面使得本地的污染物不能及时向外扩散输送，另一方面还将外部的污染物向关中盆地内输入，从而导致人为源和自然源共同产生的大气污染物在关中东部地区堆积，形成该区域内气溶胶光学厚度值偏高。
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