珠江三角洲气溶胶污染的机理分析及数值模拟研究

论文摘要

本论文主要从事了五个方面的研究工作。一、将CMAQ/MM5/SMOKE空气质量模式成功地移植到华南地区，并进行了本地化，使其成为研究空气污染物形成、迁移、扩散、转化和清除的一个科学工具；二、对华南地区各类排放源进行了较全面的估算，形成了可运用于空气质量数值模式的网格排放数据；三、对珠江三角洲热带气旋产生的灰霾天气进行了分析,揭示了热带气旋与灰霾之间的统计关系；四、对强热带风暴“茉莉”引起的珠江三角洲极端灰霾事件进行了数值模拟，揭示了热带气旋对灰霾天气的作用及其影响机理；五、对污染物扩散方程各项的作用进行了过程分析计算，揭示不同的过程对气溶胶组分浓度变化的作用。主要取得了以下几项研究成果：一、SMOKE/CMAQ/MM5空气质量数值模式系统是一个十分复杂的数值模式系统，它集中了排放源处理、中尺度气象模式和化学传输模式，各个系统间相互依赖，相互反馈，移植和运行相当复杂。首次成功地将该模式系统在华南本地化，并成功地用于研究和预报珠江三角洲灰霾。二、首次通过SMOKE模式估算了华南地区点源、面源、生物源和机动车排放源，得到了用于珠江三角洲空气质量数值模拟和预报的源排放数据，排放源的分辨率较高，考虑的排放源比较全面，为开展珠江三角洲空气质量预报提供了重要的基础条件。三、统计分析发现，热带气旋能够造成珠江三角洲一定数量的灰霾天气，但占灰霾总日数的比例不大。造成珠江三角洲灰霾天气的热带气旋主要以夏秋季的热带气旋为主，这些热带气旋的路径多数在菲律宾东部洋面转向。巴士海峡和南海东北部附近区域活动的热带气旋容易导致珠江三角洲的高PM10浓度。四、通过强热带风暴“茉莉”数值模拟发现，热带气旋通过热力和动力过程造成珠江三角洲严重灰霾天气。茉莉活动期间，珠江三角洲低层为高压脊控制，低空气流辐散明显，而在高空则存在明显的气流辐合，导致系统性下沉运动控制珠江三角洲。随着茉莉逐渐靠近，热带气旋中心上升运动所强迫的外围下沉作用进一步加强了珠江三角洲的下沉运动。下沉运动的动力作用直接降低了珠江三角洲行星边界层的高度，使地面气流停滞，抑制了气溶胶颗粒的扩散和输送；下沉气流在对流层低层产生明显的绝热增温和干燥效应，日增温幅度达2－4℃，大气对流层低层变得非常干燥，导致大气静力稳定度明显增大，如同一个干暖的盖子，把珠江三角洲边界层空气罩着，使得珠江三角洲局地源排放的颗粒物不断积聚，形成地面高PM10浓度。热带气旋导致天晴无雨，一方面气溶胶不能靠降水清除；另一方面，白天光化反应加强有利于光化学烟雾产生和二次气溶胶形成。热带气旋影响期间，夜间地表辐射加强，加上高空的下沉增温，使得边界层逆温强度明显增大，导致夜间气溶胶浓度显著增加。五、气溶胶浓度变化过程分析发现二次气溶胶浓度的变化趋势与PM10浓度一致，说明强热带风暴“茉莉”对二次气溶胶的形成也有重要作用。次生有机碳气溶胶、硝酸盐和铵盐均在夜间出现浓度峰值，与地面湿度峰值比较一致，说明水汽条件在气粒转化中有重要作用。研究发现，不同的气溶胶组分，影响其浓度变化的过程是不同的。但大体上，垂直扩散、水平输送和气粒转化是主要过程，说明大气层结、大尺度运动和气溶胶形成过程是影响气溶胶浓度变化的重要因素。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 大气气溶胶的形成
• 1.2 气溶胶对人类生存环境的危害
• 1.3 气溶胶对天气气候的影响
• 1.4 开展珠江三角洲气溶胶数值模式研究的必要性
• 1.5 国内外研究现状
• 1.6 研究的内容
• 1.7 方法和资料
• 第2章 建立珠江三角洲区域空气质量数值模式系统
• 2.1 空气质量数值预报的需求和现状
• 2.2 大气化学输送模式MODELS-3/CMAQ
• 2.3 中尺度模式MM5
• 2.4 排放源处理程序SMOKE
• 2.5 小结
• 第3章 区域空气质量数值模式系统的排放源估算：点源、生物源和面源
• 3.1 引言
• 3.2 点源
• 3.3 生物源
• 3.4 面源
• 3.5 小结
• 第4章 区域空气质量数值模式系统的排放源估算：在路机动车排放源
• 4.1 引言
• 4.2 机动车资料分析
• 4.3 在路机动车排放源计算方法
• 4.4 在路机动车排放源估算结果
• 4.5 在路机动车排放源水平分布
• 4.6 小结
• 第5章 热带气旋对灰霾天气的影响：统计分析
• 5.1 引言
• 5.2 热带气旋与珠江三角洲灰霾关系的统计分析
• 5.3 热带气旋路径与珠江三角洲灰霾天气的关系
• 5.4 小结
• 第6章 热带气旋对灰霾天气的影响：数值模拟
• 6.1 引言
• 6.2 模式方案
• 6.3 气象场模拟
• 10浓度模拟'>6.4 PM₁₀浓度模拟
• 6.5 能见度模拟
• 6.6 小结
• 第7章 热带气旋对灰霾天气的影响：气溶胶组分浓度的过程分析
• 7.1 气溶胶浓度变化控制方程
• 7.2 几种气溶胶成分的浓度变化
• 7.3 地面气溶胶浓度变化过程的分析
• 7.4 各个过程在边界层内的分布特征
• 7.5 地面气溶胶浓度增减阶段的对比
• 7.6 小结
• 第8章 总结与讨论
• 8.1 总结
• 8.2 讨论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的和参加国际学术交流的论文
• 致谢