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雾会对人们的生活和社会活动造成重要影响。我国在过去20多年中随着工业和城市化规模的迅速扩大,大气污染物排放导致城市地区低能见度雾霾天气现象增多。由于雾与污染物的结合会形成有害物质,直接对人体造成伤害,因此大气污染物对雾的影响研究受到广泛关注。
本文利用耦合化学模块的WRF/Chem模式,引入区域人为污染排放源,对2009年12月1日发生在我国华北和华东地区的一次混合雾过程(冷暖混合型雾:天津和辽宁省为冷雾,其余地区为暖雾)和2007年10月25-26日发生在我国华北地区的一次持续性暖雾事件进行了数值模拟,并与卫星、微波辐射计、能见度仪以及自动气象站的观测资料进行对比验证。探讨了大气污染及其二次污染气溶胶对雾宏微观结构形成和发展演变的影响及其影响机理,结论归纳如下:
(1)大气污染物对雾的形成、分布范围、强度和持续时问具有重要影响。在模式中考虑大气污染物时,数值模拟的雾空间分布、强度与卫星、能见度仪和微波辐射计的观测结果更为接近。污染背景下的边界层结构更有利于雾的形成,大气污染物使雾的范围最大可增加50%,雾强度最大可增加5倍,平均延长雾持续时间1.5小时。由于人为污染物增加了雾滴凝结核(FCN)数浓度,进而使雾滴数浓度显著增大,有利于雾的增强。同时,污染物通过影响雾滴的凝结和潜热释放过程,对长波辐射降温和湍流过程有重要影响,使边界层的热力和动力结构更有利于雾的增强和发展。
(2)二次污染物对雾的影响作用显著。通过去除排放源中二次气溶胶的前体物SO2、Nox和NH3的敏感性试验研究表明,二次气溶胶对雾的形成和发展具有重要影响。二次气溶胶的增多会使雾区范围平均增大6.5%,强度平均增大了29%。二次气溶胶减少后,最直接的效果是背景气溶胶浓度的减少。FCN显著减少,使形成的雾滴数浓度显著减小,而有效半径增加。二次气溶胶引起的雾水含量变化可占全部排放源引起的雾水含量变化的44%,也就是说,在大气污染物对雾水含量的影响中,二次气溶胶的影响可占近一半。而对于总雾滴数浓度来说,其所占比率能达到75%。这个结果表明,减少SO2、Nox和NH3的排放可以有效缓解工业地区雾的危害。
(3)对2007年10月25-26日一次持续性暖雾过程的敏感性试验研究表明:去除二次气溶胶比总排放源减半对雾水柱含量、雾滴数柱含量、平均云量和云光学厚度的减少更为显著,前者的减小量是后者的3-4倍。
(4)污染物对暖雾和混合物的影响存在一定差异。二次污染气溶胶的减小对暖雾过程的影响更为显著。这主要是由于暖雾条件下,暖云微物理过程起主要作用,吸湿性二次污染物气溶胶粒子的核化、凝结过程更加显著。
(5)在雾的形成期,1km高度以下的大气中约有三分之一的二次气溶胶会被活化为雾滴,其中以SO4的活化比率最高,其次为NO3和NH4。气溶胶的活化率受相对湿度(RH)和上升速度的影响。在平流雾的初期,水汽辐合和较强的垂直上升促进了水汽的聚集和凝结,在微观上也为气溶胶向雾滴的活化创造了有利条件。
(6)在雾形成期,湍流和凝结过程均有利于总雾水的增多,而沉降过程会使得总雾水减少;在雾消亡期,湍流、蒸发会促进雾水的减少。气溶胶浓度的变化主要是通过影响雾的微物理过程和湍流过程来影响雾水的变化。气溶胶浓度的增大促进雾滴的凝结过程,致使潜热释放增多,湍流动能增大,使得湍流对雾的影响增强。但气溶胶浓度的增大会导致雾滴有效半径的减小,进而减缓雾滴的沉降过程。平流和辐合辐散过程较其他两种过程对雾水的贡献较小,但平流有利于平流雾雾水的增多。