关中地区黑碳的时空变化及其成因—外场观测与数值模拟

发布时间：2018-04-09 15:29

本文选题：黑碳　切入点：时空变化　出处：《中国科学院研究生院(地球环境研究所)》2015年博士论文

【摘要】：关中地区是国家“三区十群”大气污染重点防控区之一,颗粒物污染十分严重。黑碳作为该地区细颗粒物的重要组分,与人为活动和能源利用密切相关,且对气候、环境和人体健康均有重要作用,所以对其时空变化及其形成原因的研究十分必要。本论文基于中尺度区域动力-化学模式WRF-Chem(Weather Research and Forecasting with Chemistry)和西安市及关中其他地区的黑碳观测资料,首先通过对比模拟结果和观测资料来验证模式的可靠性,然后探讨了该地区黑碳年际和季节变化以及冬季重污染事件中黑碳浓度演变的形成原因,初步得出以下几点结论:1.WRF-Chem模式验证:模拟值和实测值在时空分布上比较一致,模拟值能够反映出城市地区的黑碳浓度要高于乡村地区和背景点,其中背景点浓度比城市地区低约0.5-1.5个量级,冬季浓度要明显高于其他季节,但量值有所差异。城市地区和背景点的模拟与观测值较为接近,乡村站点模拟值较观测值有明显低估。2.关中地区黑碳年际和季节变化的形成原因:该地区季节性平均风速与黑碳浓度呈显著反相关关系,当风速从1.0 m/s增加至2.0 m/s,黑碳浓度从20μg/m3降低至7μg/m3。季节性边界层高度与黑碳浓度的非线性反相关性表明当边界层高度超过阈值高度(800 m),就不会出现高浓度黑碳。2003-2006年,冬季平均黑碳浓度的明显降低与该季节风速和边界层高度均没有明显关系,主要是该季节黑碳排放的减少所致。WRF-Chem敏感性试验表明,局地排放的季节变化是控制该地区黑碳浓度季节变化的主要因素,且局地排放是该地区每个季节黑碳浓度的主要贡献者,冬季74.0%的黑碳浓度源自局地排放,春、夏、秋季分别为56.1%,38.1%和54.4%;区域输送次之,比例在22.2%-34.4%之间,冬季关中地区北部和西北部是区域输送的主要贡献者;其他季节关中地区东北部的山西省和东部的河南省的输送非常显著;局地气象条件对每个季节黑碳浓度的贡献在3.8%-27.5%之间,冬季关中地区的静风或微风易造成污染物的累积;春季的辐合风易导致污染物在此聚集;夏季关中中部的城市群对风速有削减作用,会减缓污染物的输送;秋季与春季类似,但风速较小,污染物聚集度要比春季高。3.西安冬季重污染期间黑碳浓度的演变成因:西安冬季重污染天气与大尺度天气系统的活动密切相关。强冷高压过境时伴随的大风可使得黑碳浓度迅速降低;当冷高压减弱,与低压交替影响时,黑碳在气流汇合处明显聚集,浓度持续升高;当弱低压消失,冷高压加强控制后,地面为静风或者微风时,黑碳迅速累积至最高值。WRF-Chem模式敏感性试验表明局地气象条件极不利于西安市污染物的扩散传输,污染物大多停留在源地附近,扩散传输十分微弱;重污染期间西安市黑碳浓度明显受到秦岭山脉的地形影响,且在不同天气条件下,地形的影响作用也明显不同。秦岭山脉对北风或东北风的显著阻挡使得污染物聚集在秦岭北麓山脚,所以当西安市盛行北风时,黑碳浓度迅速升高;当风向转为平直东风时,气流沿着河谷自东向西运动,河谷对流出气流的加速作用会加强西安市黑碳向下风方输送,黑碳浓度迅速降低;当静风或微风控制下,局地扩散微弱,地形激发的强山风吹向城市,但影响范围较小,黑碳高值区虽向城市东北部移动,但依然有明显的累积。终上所述,在大尺度天气系统较为稳定时,秦岭山脉的地形作用对西安市重污染天气的形成有显著影响,地形阻挡和山风效应均不利于污染物的扩散与传输。目前对于关中地区空气污染的防治和区域空气质量的改善还缺乏科学、有效的解决途径和措施,主要是对于污染的来源和成因缺乏本质认识。本研究分析了影响黑碳气溶胶季节变化的因素以及重污染期间黑碳浓度的演变成因,这对于一次污染物的控制和防治有借鉴意义,但大气中污染物种类繁多且形成机理复杂,尤其是二次污染物,所以对于其他污染物的成因分析和数值模拟还需加强。
[Abstract]:The results are as follows : 1.WRF - Chem mode verifies that the seasonal variation of black carbon concentration in urban areas is higher than that in other seasons . This paper analyzes the factors affecting the seasonal variation of black carbon aerosol and the evolution of black carbon concentration during heavy pollution .

【学位授予单位】：中国科学院研究生院(地球环境研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X513;X831

【参考文献】