观测与数值模拟量化气象条件对我国冬季大气气溶胶污染变化的影响研究

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我国大气气溶胶污染通常出现在一年的秋冬季节,尤其是冬季,而就一个冬季来看,污染排放可以视为基本稳定,那为什么还会出现一次次的气溶胶污染,特别是经常出现持续超过三天的重污染事件?其中不利气象条件的作用值得研究。自2013年中国政府出台《大气污染防治行动计划》也称“大气国十条”,经过数年的减排努力,我国空气质量逐年改善,至2016年和2017年冬季,我国中东部地区PM2.5浓度达到2013年来的低值,在如此大幅减排的情况下,2016年和2017年冬季中国中东部是否仍会出现持续性重污染事件,在污染排放明显更低的中国西部是否会出现类似的重污染事件,其中不利的气象条件起到怎样的作用?污染与不利气象条件间的相互作用程度如何?是政府和百姓都特别关注的有关污染成因的重要问题。本项研究通过分析我国中东部和西北部代表性站点PM2.5浓度、温湿风等气象要素、ECMWF、NCEP再分析资料、辐射数据和2016年、2017年排放源数据,并结合基于耦合中国大气环境模块的全球-区域同化预报系统(GRAPES-CUACE)模式的4次敏感性实验,以及能够量化不利气象条件变化的PLAM指数模型分析,评估了气象条件对污染排放严重的中东部地区2017年冬季PM2.5浓度大幅下降的贡献和在污染排放较轻的西北地区2016年冬季PM2.5浓度变化中的作用。结果表明,对于污染排放较高的整个中东部地区,相比2016年12月,2017年12月的气象条件转好,排放下降,均有利于PM2.5浓度的减少,且更有利的气象条件贡献了PM2.5浓度下降的约22%,表明排放源减少仍旧是其整体气溶胶污染改善的主导因素;在其不同的城市中,由于地形和地理位置影响,气象条件的变化对PM2.5浓度下降的贡献约在12-51%,其中气象条件变化对北京的污染改善贡献最大(51%),这也直接导致了与其他城市相比,北京的PM2.5浓度同期下降幅度最大;在不同污染程度的阶段,PM2.5浓度都呈现出下降趋势,气象条件变化分别在清洁时段、轻污染时段和重污染时段贡献了下降的约98%、28%和19%。而对于污染排放较小的相对清洁的西北地区,在其排放量可视为基本稳定的一段时间内,2016年冬季高空常出现稳定的平直西风型和高压脊型环流形势,并伴随着边界层高度的降低,引起PM2.5浓度的累积;当PM2.5累积到一定程度(兰州为75μg m-3以上,乌鲁木齐为100μg m-3以上),会引起或加强逆温,导致大气低层增湿,使边界层气象条件进一步转差,而转差的气象条件又导致PM2.5浓度的上升,甚至出现在几个小时或十几个小时内浓度至少加倍的“爆发性增长”;利用可量化转差的气象条件的PLAM模型,发现转差的气象条件能够解释PM2.5爆发性增长的约50-85%。表明虽然排放依然是我国PM2.5浓度变化的主因,但即使在基础排放相对不大的我国西部地区,PM2.5污染变化仍旧没有和不利气象条件“脱钩”,在污染排放可视为基本稳定的冬季,不利气象条件出现仍旧会导致PM2.5的累积,当累积到一定程度,使污染的持续性加强。这些结果显示控制排放是减轻大气气溶胶污染的必要和主要手段,在污染排放没有降到与不利气象条件“脱钩”的程度时,不利气象条件的出现仍是冬季气溶胶污染形成的必要外部条件;即使在气象条件较好的时段,也不宜允许污染的无限制排放,因为污染物的增加会显著影响边界层气象条件,形成污染和气象条件之间相互影响的“恶性循环”。
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