苏州城市灰霾和臭氧相互作用的观测与模拟研究

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灰霾和臭氧污染已经成为中国城市的主要空气污染问题,对灰霾与臭氧相互作用的研究,有助于理解城市灰霾、光化学污染形成机制以及提高城市空气质量和灰霾的数值预报水平。本文结合苏州地区观测资料和南京大学城市空气质量预报系统(NJUCAQPS 4.3)对苏州城市灰霾与臭氧之间的相互作用进行分析,研究二者相互作用的典型个例,并评估冬夏两季各相互作用对颗粒物和气态污染物浓度变化的影响及相对重要性。颗粒物与O3存在着复杂的相互作用,O3影响二次气溶胶的形成,颗粒物通过辐射效应、光化学效应和非均相效应对O3造成影响。辐射效应是气溶胶通过直接气候效应改变气象场,从而影响O3的输送扩散等过程;光化学效应是气溶胶影响太阳辐射,从而直接影响光化学过程中的气态成分光解率;非均相效应是通过气溶胶的非均相过程影响O3;直接辐射强迫效应综合考虑辐射效应和光化学效应。苏州市颗粒物和O3浓度具有明显季节变化和日变化特征,其变化规律主要受到天气形势、汽车尾气排放以及光化学反应等影响。研究表明细颗粒物PM2.5与NO2、CO和Ox均成显著正相关,说明汽车尾气排放以及光化学反应对PM2.5浓度有显著贡献;PM10和PM2.5与晴空指数CI呈显著负相关,表明颗粒物对太阳向下短波辐射有显著衰减作用,且随着相对湿度的增加,衰减越明显;O3与向下短波辐射DSR呈显著正相关,表明O3的光化学属性以及对太阳辐射的依赖;PM10和PM2.5与O3呈负相关,表明颗粒物对O3浓度存在衰减作用。在2014年12月13~14日个例中,PM10和PM2.5日间平均浓度分别由104.3μg·m-3 和 57.2μg·m-3 上升至 137.3μg·m-3 和 99.9μg.m-3,DSR 由 438.4W·m-2下降至394.8W·m-2,O3浓度从43.7μg·m-3降至33.1μg·m-3,表明颗粒物通过对太阳辐射的消光作用,造成到达地面的向下短波辐射减弱,O3浓度降低。在2014年11月10~13日个例中,PM10和PM2.5日间平均浓度分别由97.8μg·m-3和91.9μg.m-3 上升至 199.6μg·m-3 和 179.6μg.m-3,DSR 变化不大,O3 浓度从 82.5μg·m-3降至49.9μg·m-3,表明在到达地面的向下短波辐射几乎不变的情况下,颗粒物与O3之间发生非均相化学反应,造成O3浓度降低。通过对冬季个例的模拟发现颗粒物的辐射效应造成模拟区域向下短波辐射减小5.4%~22%;近地面气温降低0.25℃~0.48℃;湍流动能和城区风速减小;日间边界层高度降低4%;PM10、PM2.5、硫酸盐和硝酸盐城区平均增幅为1.01%、1.01%、1.11%和 1.01%;O3、NO2、NO、NOx和SO2 城区平均变幅为-0.99%、0.48%、1.58%、0.73%和0.71%。颗粒物的光化学效应造成硫酸盐和硝酸盐城区平均变幅为-0.07%和-0.26%,O3、NO2、NO和NOx城区平均变幅分别为-4.33%、3.59%、-8.09%和0.95%。颗粒物的非均相效应造成硫酸盐和硝酸盐城区平均增幅为 22.07%和 6.93%;O3、NO2、NO、NOx和SO2 城区平均变化幅度为-4.67%、-1.08%、3.08%、-0.32%和-13.38%。颗粒物的光化学效应对 O3、NO、NO2 和 NOx的影响大于辐射效应,二者在颗粒物和SO2浓度变化中的作用相反。直接辐射强迫效应(光化学效应和辐射效应)在NO2、NO、NOx的浓度变化中占主导作用,非均相效应在颗粒物和SO2的浓度变化中占主导作用,二者在O3浓度变化中作用相当。夏季个例结论与冬季相似,但颗粒物的辐射效应对NO的影响大于光化学效应,光化学效应对颗粒物尤其是二次无机气溶胶的影响大于辐射效应。
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