京津冀气溶胶污染对气象要素的影响模拟研究

来源 :安徽农业科学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:dixg03
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
  摘要利用 WRFchem 空气质量模式对2010年四季代表月份 1、4、7、10 月进行情景分析,并分析北京、天津、石家庄三市API月均值与气象要素的相关性。结果表明,在气溶胶污染的影响下,2010年四季代表月份 1、4、7、10 月的月均太阳辐射量分别下降 18.15、18.50、17.64、23.15 W/m2,月均温度分别下降 0.26、0.17、0.09、0.28 ℃,月均大气边界层(PBL)高度分别下降 15.36、21.70、15.48、29.73 m,可见气溶胶污染可造成太阳辐射量、温度、PBL 高度以及风速等的降低;三市API与水汽压、平均气温和相对湿度呈负相关,与气压和平均风速呈正相关。
  关键词气溶胶;气溶胶辐射强迫效应;京津冀;API; 气象要素; WRFchem
  中图分类号S161文献标识码
  A文章编号0517-6611(2015)25-207-04
  AbstractThis paper investigated the effect of aerosol pollution on meteorological factors in BeijingTianjinShijiazhuang. The fully coupled online air quality model Weather Research Forecasting Model with chemistry (WRFchem) is applied to do the simulation word and the scenario analysis methods is applied to do quantitative assessment work. The scenario analysis result of January, April, July, October in 2010 show that, monthlyaverage solar radiation decrease 18.15, 18.50, 17.64, 23.15 W/m2, monthlyaverage temperature decrease 0.26, 0.17, 0.09, 0.28 ℃, monthlyaverage PBL high decrease 15.36, 21.70, 15.48, 29.73 m in January, April, July, October, which are caused by aerosol pollution. Analysis of three cities of Beijing, Tianjin, Shijiazhuang API on the correlation between the mean and meteorological elements, the results show that three API and vapor pressure and negatively correlated with the average temperature and relative humidity, and air pressure and average wind speed were positively correlated.
  Key wordsAerosol; Aerosol radiative forcing effect; BeijingTianjinHebei; API; Meteorological factors; WRFchem
  随着经济的快速发展、工农业活动的加剧以及城市化进程的加快,环境压力日益加重,空气污染和气候变化问题成为制约经济和社会可持续发展的重大因素。京津冀的气候变化有着敏感和脆弱的特点,该地区气候灾害时常发生,也是我国受气候变化影响最为严重的地区之一。大量的化石燃料和生物质的燃烧使得多地区大范围被大气气溶胶污染物所覆盖,大气气溶胶污染上升趋势明显,其不仅造成了严重的空气污染且具有明显的气候效应,空气污染与气候变化间的相互影响和反馈是当前世界上最受关注的重大环境问题之一[1-4]。IPCC第三次评估报告指出,气溶胶对气候的影响不可忽视[5]。人为排放的气溶胶污染作为最不确定和最有待深入研究的气候变化影响因子,其不仅对区域大气灰霾现象的形成发挥主导作用,还在气候的变化中起重要作用[6-7]。
  针对气溶胶气候效应对区域气候及气象条件的影响已在全球多个地区开展[8-12]。北太平洋[9]和印度洋[10]观测试验发现,由于气溶胶直接效应的作用,短波辐射量明显的下降,且由雾霾引起的地表太阳辐射削减量是大气顶在晴天反射的太阳辐射量的3倍。马欣等[13]利用WRFchem模式模拟研究2006年夏季代表月份7月的气溶胶污染对京津冀地区气象条件的影响,结果显示在气溶胶的气候效应下,京津冀地区的平均温度和PBL高度有不同程度的下降,而风速和降水量均有所增加。Wang等[14]利用WRFchem模式模拟研究了城市化背景下气象条件与气溶胶污染间的相互影响,结果显示在夏季和冬季气溶胶可使太阳辐射量减少9%和16%,温度分别下降0.37和0.16 ℃。目前,国内外主要利用美国国家和海洋局(NOAA)研发的空气质量模型WRF-chem开展大气污染的模拟研究,该模式将气象模式与大气化学传输模式完全的耦合。《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》在环境重点领域研究中指出,加强全球环境公约履约对策与气候变化科学不确定性及其影响研究,加强应对气候变化重大战略与政策研究,围绕气候变化领域热点问题深入开展应对措施研究,为国家应对气候变化提供支撑。应对气候变化的问题之一是气溶胶通过气候效应对区域气候和气象要素的影响。京津冀作为我国经济发展和城市化速度最快的地区之一,同样也是大气污染最严重的地区之一,该地区大气污染物的分布特征和演变规律以及大气污染物的控制对策已经成为专家研究和公众关注的热点问题[15]。鉴于此,该研究选取WRFchem空气质量模型模拟研究京津冀地区气溶胶污染对气象条件的影响。   1资料与方法
  1.1模型设置
  通过开启和关闭气候效应反馈设置2套模拟情景来更好地反映气溶胶对气象条件的影响。情景一开启气候效应反馈,模拟气溶胶污染和气象因子间的相互反馈、污染物化学变化过程;情景二去除气溶胶排放和气体转化为二次气溶胶的化学变化过程。2套情景其余参数均相同。情景参数设置如表1所示。
  1.2模拟区域和时间
  研究区域为京津冀地区,包含山东、辽宁、山西、内蒙古及河南部分区域(图1),以39°N、109°E为中心,东西网格数为16,南北网格数为22,网格分辨率54 km×54 km,垂直方向划分28个垂直层,顶层压力5 kPa,模拟时间段选择2010年1、4、7、10月份作为代表月份。
  1.3基础数据
  气象初始场和侧边界资料采用美国国家环境预测中心(NCEP)发布的1°×1°再分析数据,边界条件6 h更新一次。污染源排放清单采用清华大学2010年中国多尺度排放清单MEIC(Multiresolution Emission Inventy for China,http://www.meicmodel.org),该清单共包括电力源、工业源、居民源、交通源及农业源五大行业。气象要素监测值来源于气象信息综合分析处理系统(MICAPS),污染物监测值来自北京、天津和石家庄3个城市的平均监测值。京津冀空气质量数据主要来自国家环保部和各地方环保系统公布的大气污染物监测数据(http://datacenter.mep.gov.cn/report/air_daily/air_dairy.jsp、http://aqicn.org)。
  1.4模型验证
  为了验证WRFchem空气质量模型对污染物及气象要素的模拟效果,考虑到数据的可获得性,选取PM10评估模型对气溶胶的模拟效果,选取地面2 m温度(T2)、地面10 m风速、降水量3个气象要素评估模型对气象要素的模拟效果。从WRFchem模型模拟的北京、石家庄2个城市PM10、T2、地面10 m风速、降水量的日平均值与监测值对比(图2)可以看出,监测值和模拟值的趋势及浓度有较好的一致性,说明WRFchem模型能够很好地对颗粒物和气象要素进行模拟。
  2结果与分析
  2.1气溶胶对气象要素变化
  由于气溶胶气候效应,气溶胶污染造成 2010 年四季节代表月份月均太阳辐射量、地面2 m温度(T2)、大气边界层(PBL)高度下降,年均太阳辐射量下降 18.52 W/m2,T2 下降 0.15 ℃,PBL 高度下降 17.35 m。京津冀南部地区气溶胶污染的影响最为显著,该地区月均颗粒物浓度高于空气质量二级标准。
  2.1.1太阳辐射量。
  从图3可看出,受气溶胶污染影响,2010 年四季节代表月份 1、4、7、10月的月均太阳辐射量分别下降 18.15、18.50、17.64、23.15 W/m2,颗粒物浓度较高的地区太阳辐射量受气溶胶污染影响最为显著。四季节气溶胶污染对太阳辐射量影响大体上一致。冬季、春季和夏季在下降的平均值上接近,秋季偏高。太阳辐射量下降最显著的区域集中在河北南部地区邯郸、邢台、衡水等地,下降量为 30~45 W/m2;冬季和夏季太阳辐射量下降显著区域大于春季和秋季。
  2.1.2T2温度和PBL高度。从月均 T2 和 PBL 高度变化(图4~5)可看出,2010年 1、4、7、10月月均T2分别下降 0.26、0.17、0.09、0.28 ℃,月均 PBL 高度分别下降 15.36、21.70、15.48、29.73 m。与月均太阳辐射量变化相似,河北南部地区月均 T2和 PBL 高度下降最显著;北部地区月均 T2 和 PBL 高度受气溶胶污染影响较轻,T2 下降量不足 0.04 ℃,PBL 高度下降量不足 5 m。气溶胶气候效应对秋季和冬季月均温度影响更加显著,对春季和秋季 PBL 高度影响更加显著。
  2.1.3降水。受颗粒物气溶胶气候效应影响,四季节月均降水量均升高(图6)。冬季和春季气溶胶气候效应影响地区降水量有所增加,增加量<0.2 mm;秋季月均降水量升高的区域出现在北京北部地区,降水量增加 0.2 mm 以上;冬季污染严重区域降水均出现不同程度的增加,但北京、天津、张家口等地区的降水变化出现严重反差,原因为2010年1月份华北地区出现一次强降雪。
  2.2API与气象要素关系分析影响空气污染的因素众多,主要包括污染源及其强度、气象条件和地形等自然因子以及城市交通等人文因素,其中气象条件对空气污染的影响最为复杂多变。在此通过计算北京、天津和石家庄三市空气污染指数(API)的各月均值,分别研究三市的气象要素与API之间的相关关系。结果(表2)表明,北京月均API与降水量、平均气压和平均风速呈正相关,相关系数分别为0.233、0.204、0.446;与平均气温、平均水汽压和平均相对湿度呈负相关,相关系数分别为-0.327、-0.415、-0.510。天
  津月均API与降水量、平均气压和平均风速呈正相关,相关系数分别为0.169、0.418、0.305;与平均气温、平均水汽压和平均相对湿度呈负相关,相关系数分别为-0.618、-0.467、-0.388,其中与平均气温呈显著负相关。石家庄月均API与平均气压、平均风速呈正相关,相关系数分别为0.314、0.427;与降水量、平均气温、平均水汽压和平均相对湿度呈负相关,相关系数分别为-0.343、-0.420、-0.489、-0.676,其中与平均相对湿度呈显著负相关。
  3结论
  该研究建立了气溶胶气候效应对区域气象要素影响定量评估情景分析方法,并利用 WRFchem 空气质量模式,定量评估了气溶胶污染对区域气象要素影响。结果表明,气溶胶气候效应可造成区域太阳辐射量、温度和PBL高度下降,月均太阳辐射量下降17 W/m2以上、月均温度下降0.2 ℃左右(夏季污染较小,变化不大)、月均PBL高度下降15 m以上,且影响程度较大的地区主要集中在河北南部等重污染地区;北京、天津、石家庄三市API月均值与气象要素的相关性结果表明,三市API与水汽压、平均气温和相对湿度呈负相   关,说明水汽压、平均气温和相对湿度与空气污染之间为抑制作用;三市API与气压和平均风速呈正相关,说明气压和风速与空气污染之间为促进作用。
  参考文献
  [1]
  毛节泰,张军华,王美华.中国大气气溶胶研究综述[J].气象学报,2002(5):625-634.
  [2] 张小曳.中国大气气溶胶及其气候效应的研究[J].地球科学进展,2007(1):12-16.
  [3] 石广玉,王标,张华,等.大气气溶胶的辐射与气候效应[J].大气科学,2008(4):826-840.
  [4] PARK R J,KIM M,JEONG J.A contribution of brown carbon aerosol to the aerosol lightabsorption and its radiative forcing in East Asia[J]. Atmospheric environment,2010,44: 1414-1421.
  [5] IPCC. Third Assessment Report, Climate Change 2001:The Scientific Basis[R].New York: Cambridge University Press,2001.
  [6] 王庚辰,谢骅,万小伟,等.北京地区气溶胶质量浓度及组分随高度的变化[J].环境科学研究,2004(1):37-40.
  [7] 徐祥德,施晓晖,张胜军,等.北京及周边城市群落气溶胶影响域及其相关气候效应[J].科学通报,2005(22):2522-2530.
  [8] IPCC, Climate change 2007: Synthesis Report[C]//SOLOMON S,QIN D,MANNING M.Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change,2007.
  [9] LIU P S K, LEAITCH W R,BANIC C M,et al.Aerosol observations at Chebogue Point during the 1993 North Atlantic Regional Experiment: Relationships among cloud condensation nuclei, size distribution, and chemistry [J].Journal of geophysical researchatmospheres,1996,101(22):28971-28990.
  [10] RAMANATHAN V,CRUTZEN P J,LELIEVELD J,et al.Indian Ocean experiment: An integrated analysis of the climate forcing and effects of the great IndoAsian haze [J]. Journal of geophysical research, 2001,106(D22):371-398.
  [11]
  OHMURA A.Observed decadal variations in surface solar radiation and their causes [J].Journal of geophysical researchatmospheres,2009,114(D10):1-9.
  [12]CERVENY R S,BAILING J R C.Weekly cycles of air pollutants, precipitation and tropical cyclones in the coastal NW Atlantic region[J]. Nature,1998,394:561-563.
  [13] 马欣,陈东升,高庆先,等.应用WRFchem模式模拟京津冀地区气溶胶污染对夏季气象条件的影响[J].资源科学,2014,34(8):1408-1415.
  [14] WANG X M. WRF/CHEM modeling of impacts of weather conditions modified by urban expansion on secondary organic aerosol formation over Pearl River Delta[J].Particuology,2009,7(5):384-391.
  [15] 庞杨,韩志伟,朱彬,等.利用 WRFChem模拟研究京津冀地区夏季大气污染物的分布和演变[J].大气科学学报,2013,36(6):674-682.
其他文献
摘要  [目的] 提高粗毛羊的繁殖率,增加牧户和养殖者的经济效益。[方法]应用绵山羊双羔素(睾酮3羧甲基肟·牛血清白蛋白),对滩羊、藏羊、蒙古羊、哈萨克羊和大尾粗毛羊进行免疫注射。[结果]与对照组相比,滩羊试验组产羔率提高19.51%,差异极显著(P<0.01);与对照组相比,藏羊试验组产羔率提高33.87%,差异极显著(P<0.01);与对照组相比,蒙古羊试验组产羔率提高14.33%,差异显著(
期刊
摘要为了实现自然保护和地方经济发展双赢,根据自然保护区调整准则,于2014年对盱眙县陡湖湿地自然保护区范围及分区进行了调整:保护区总面积调整为33.41 km2,比始建的少7.59 km2;划定保护区的核心区、缓冲区、实验区面积分别为3.52、12.47、11.89 km2,占保护区总面积分别为12.63%、44.73%、42.64%。调整后湿地保护区的功能得到加强,并有效减弱了人为活动的干扰,更
期刊
摘要  主要组织相容复合体(Major histocompatibility complex,MHC)的概念源于解释异体排斥和相容现象,现已拓展为与抗感染以及所有免疫反应相关的基因群。在鱼类中由于其高度的多态性,使其在结构、功能、多态、表达及抗病性等方面备受关注。对鱼类MHC及基因的研究进展进行了综述,以期为提高鱼类抗病性的育种选择提供理论基础和重要依据。  关键词鱼类; MHC; 基因  中图分
期刊
摘要  以嘉兴地区某县农村为研究对象,对农村污水处理情况进行了调研。认为当前以化粪池为主的处理方式不能满足农村污水处理的需要,应对各种污水源头进行统筹考虑,统一规划,在此过程中政府部门应发挥主导作用。  关键词农村污水;处理方式;调查;问题分析  中图分类号S181.3文献标识码A文章编号0517-6611(2015)25-236-02  嘉兴位于浙江省东北部,河网密集,水资源丰富。近年来随着经济
期刊
摘要采用WASP模型,利用梯级电站开发及调水前后汉江干流水文、水动力参数、水质以及污染负荷变化等数据,对中线调水工程及梯级电站建设前汉江水质进行模拟,并预测调水及梯级开发后汉江水质变化趋势。模拟结果表明,该模型对汉江中下游流域水质模拟精度达到要求,调水及梯级电站开发后汉江中下游有些区域水质将会出现恶化,尤其是平水期和枯水期水质变化较为明显。此预测结果为该流域水污染控制规划、污染物总量削减等工作提供
期刊
摘要  基于北京沟域经济发展的实践经验,总结出其在产业融合发展过程中存在的发展定位不足,同质化现象严重,资源超载利用,经营要素配置单一,科技支撑力度不够,人员素质有待提高,市场营销地步晚,经营主体不明确等问题,并针对这些问题,提出了相关的政策建议。  关键词北京;沟域经济;产业融合  中图分类号S181.4文献标识码A文章编号0517-6611(2015)25-171-03  Abstract B
期刊
摘要  [目的]探讨不同种源栓皮栎种子各性状的变异。[方法]通过收集和测量来自栓皮栎自然分布区的北京、安徽、陕西、河北、山东、河南、云南、湖南等8个省15个地理种源的种子,运用SPSS 18.0软件对栓皮栎种宽、种长、种子长宽比、单果重等性状进行统计分析。[结果]不同种源栓皮栎的种长、种宽、种子长宽比、单果重等性状差异均达到极显著水平(P<0.01);种宽和单果重与种子长宽比呈极显著负相关(P<0
期刊
摘要  为研究杂草种子对紫花苜蓿种子萌发的影响,用藜、反枝苋、骆驼蓬3种杂草种子与紫花苜蓿种子按比例进行混合发芽试验,分析紫花苜蓿的发芽率、根长和芽长,研究藜、反枝苋、骆驼蓬对苜蓿种子萌发和幼苗生长中的影响。结果表明,藜种子和紫花苜蓿种子混播使紫花苜蓿种子发芽率提高,藜与苜蓿种子10∶50混播处理与对照组有显著差异(P<0.05)。根长与对照组均有显著差异(P<0.05),藜种子对苜蓿根长和芽长总
期刊
摘要以黄姚古镇为例,通过调查、分析村落景观的特征、现状及存在的问题,探讨当前现状下如何实现孤岛型古村落生活空间的永续利用和景观特色的保护与传承,以期为该类景观的保护与开发提供一些新思路。  关键词孤岛型;古村落;保护  中图分类号S26文献标识码  A文章编号0517-6611(2015)25-180-02  Abstract Through investigation and analysis
期刊
摘要  基于WSR方法论,针对国内外垃圾的回收利用现状进行研究,深入剖析了整个过程中存在的问题,探讨用WSR方法论解决垃圾回收利用问题的可行性,分析垃圾回收利用中的WSR因素,构建了综合物理因素、事理因素、人理因素的三维体系和绩效评价模型,为垃圾回收利用的发展对策提供理论基础和指导原则。  关键词可再生资源;循环利用;WSR方法论;垃圾处理  中图分类号S181.4文献标识码A文章编号0517-6
期刊