青藏高原气溶胶分布、来源和辐射效应的数值模拟

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:liongliong419
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青藏高原是全球气候变化的驱动机和放大器,以其巨大的动力和热力作用对区域乃至全球气候系统和环境产生了深远的影响。人为辐射强迫是气候变化的主要驱动因子,人类活动导致的温室气体大幅度增强了温室效应,而气溶胶可以抵消部分由温室气体造成的全球平均辐射强迫。但是,由于模式与观测之间存在的差异,气溶胶辐射强迫仍是气候变化人为强迫中最不确定的部分。本研究首先通过数据同化(WRF-3DVar)和更新下垫面土地利用数据,改进了WRF模式对气象场的模拟精度;然后比较WRF-Chem中不同气相化学方案和气溶胶方案对高原气溶胶模拟的影响;选择一组对气溶胶浓度模拟精度较好的方案,研究气溶胶与气象条件间的反馈关系,通过不同敏感试验,揭示了人类活动对青藏高原气溶胶的影响。主要结论如下:  (1)数据同化和下垫面修改提高了WRF模拟青藏高原气象场的精度  利用WRF-3DVar系统同化卫星数据后,模式对青藏高原东北部两次大降水事件的模拟精度均有提高。同时,以对流性降水事件A为例,分析了数据同化对降水过程的影响。结果发现,DA试验在初始场改进后,在研究区内模拟的降水量更大的区域,对流运动更强烈而且相对湿度更大。利用黑河流域4个站点的陆面过程和近地面气象观测数据,分析了改进的土地利用类型对WRF模拟近地面气象场的影响,发现使用新的MODIS土地利用类型后,植被指数减小,冠层导度减小,植物蒸腾作用减弱,地表水气减小,感热和地表热通量增加,使得地表温度升高,饱和水汽压更高,从而相对湿度比控制试验更低。同时,考虑次网格地形后,表面风速的模拟精度也有提高。  (2)RS试验中CBM-Z气相化学方案和MOSAIC气溶胶方案对青藏高原气溶胶浓度和光学性质具有更高的模拟精度  相比于CBM-Z气相化学方案,RADM2气相化学方案给出了更高的近地面O3浓度和更低的近地面NO2浓度,因为RADM2方案对O3和NO的滴定反应效率有所低估。而且,更低的反应率常数导致RADM2方案模拟的HNO3浓度更低,从而导致RS试验模拟的硝酸盐浓度更低。RS试验中氧化反应对表面SO2浓度具有更强烈的影响,氧化剂H2O2浓度更低也证明了这一点,从而导致SO4的浓度更高。RS模拟的相对湿度明显高于CB试验,在相对湿度高于液化临界点时,MADE气溶胶方案在硝酸到硝酸铵之间表现出更有效的热力学平衡。因此RS试验在南亚地区模拟NH4盐浓度更高。另外CB试验模拟的BC和OC在大部分区域内都比RS的模拟值高。与RS试验相比,CB试验模拟的气溶胶光学厚度值更高,更接近站点观测值。这主要是因为CB试验的气溶胶浓度更高,CB试验中MOSAIC气溶胶方案把气溶胶的粒径划分得更细致,而小粒径气溶胶粒子可以在空气中存在更长时间,这就使得CB试验中的气溶胶浓度更高,同时CB试验中更高的硝酸盐、BC和OC浓度也增加了气溶胶的浓度。  (3)与低海拔地区(印度北部的恒河平原IGP)不同,青藏高原气溶胶与气象条件间存在着负反馈关系。  这一部分用WRF-Chem模式评估了高原上气溶胶与气象要素间的相互关系模拟时段为2009年3月,其中选择一次大的污染事件(3月13-19日)进行了详细分析,结果表明,07:00-19:00在印度恒河平原(IGP)气溶胶导致明显的负辐射强迫(-120 to-80 W m-2)和温度下降(1-3℃),以及相对湿度增加(最大增加10%)。垂直位温EPT剖面说明气溶胶导致IGP地区的边界层更稳定。在TP地区,受气溶胶影响,大气稳定度并没有明显改变,气溶胶导致的辐射强迫在-60-40W m-2之间,近地面温度稍微下降(小于1℃)和相对湿度减小了8%。另外IGP地区气溶胶对10-m风速和边界层高度的影响要大于TP地区。由于受改变的气象条件影响,IGP地区近地面平均PM2.5浓度在3月13日-19日这段时间显著增加,最大增量为21μg m-3(15%),这是因为气溶胶导致该地区的大气层结更稳定,稳定的层结不利于污染物扩散。相反,在TP地区近地面PM2.5浓度显著下降,由于气溶胶引起的更低湿度不利于气溶胶凝结核增长,气溶胶浓度最大下降17μgm-3(13%)。这说明在IGP地区,气溶胶浓度与气象条件间存在着正反馈关系,这与我国华北地区的研究结果类似;而在TP地区,气溶胶浓度与气象条件是负反馈关系。这种差异性对理解青藏高原和其周围地区污染物对大气环境的影响有重要意义。  (4)青藏高原近地面的人为BC气溶胶主要来自南亚,对高原近地面表现出降温效应,而对中高层大气表现出增温效应。  青藏高原近地面人为BC主要来自于周围地区,以南亚地区的人为源贡献最多,其次为中国东部地区的人为源。其中南亚人为BC影响到了高原大部分地区的近地面BC浓度,而高原以东的人为源主要是影响到了高原东部地区的近地面BC浓度。在季风期,高原近地面BC的人为贡献率较季风前减小,这主要是因为在季风期,对高原近地面人为BC贡献最大的南亚BC源中,人为源对南亚的贡献率下降10%左右,从而导致高原大部分地区近地面BC的人为贡献率在季风期下降。高原以西的中亚地区,主要是通过西风将BC气溶胶传输到高原上,无论是季风前和季风期。高原以南的南亚地区是高原表面人为BC的主要来源地,相比于季风前,季风期高原以南地区中低层存在辐合上升气流,将中下层的BC向上运移,然后在中高层受南风影响,将南亚的BC传输到高原上,导致高原上空在季风期BC浓度明显高原季风前,BC在整个空气柱上的光学厚度也证明了这一点。研究区内人为BC对近地面的辐射强迫基本为负,表面温度也相应的减小,只是在季风前期,高原北部部分地区,表现为正的辐射强迫。对中高层大气,BC表现出明显的增温效应,而且温度变化与BC浓度也有较好的对应关系,由于季风期的BC浓度在中高层更高,相应的增温效应也更明显。
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