东南亚生物质燃烧气溶胶输送至我国西南地区的观测与模拟研究

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自然和人类活动引发的大尺度生物质燃烧事件不仅直接影响陆地生态系统,同时也通过直接向大气中排放大量气体和气溶胶,对大气环境和气候变化产生重要影响。南亚和东南亚地区在干季(11-4月)生物质燃烧事件频发,直接排放的污染物会严重影响源区和下游地区的大气环境质量,值得注意的是我国青藏高原和西南云贵高原(YGP)可能受到南亚和东南亚污染物长距离输送的影响,但由于观测限制,相关的观测和模拟研究仍有待进一步深入展开。本文针对东南亚地区生物质燃烧气溶胶长距离输送对YGP的影响开展了比较系统的观测和模拟研究,利用YGP昆明站点地基太阳光度计观测反演得到的气溶胶光学特性参数、中分辨率成像光谱仪(MODIS)气溶胶光学厚度(AOD)和火点数据、正交极化云-气溶胶星载激光雷达(CALIOP)气溶胶廓线数据以及再分析资料等,在系统分析YGP气溶胶特性季节变化特征的基础上,结合GEOS-Chem大气化学输送模式模拟,定量评估了干季东南亚不同区域生物质燃烧输送对YGP地区AOD的贡献,主要结论如下:  1、东南亚生物质燃烧呈现显著的季节变化特征:东南亚中印半岛(ICP)地区湿季(5-10月)生物质燃烧活动少(所有区域火点出现数量均少于每月2个/1000km2),干季前期(11-2月)生物质燃烧活动开始发展并增多(柬埔寨地区可达每月64个/1000km2),生物质燃烧活动高发时段出现在干季后期(3-4月)(缅甸和老挝北部地区可多于每月512个/1000km2),相应的生物质燃烧排放量在干季后期也最多(缅甸和老挝北部地区黑碳和有机碳的排放量超过每月5×10-3kg/m2);YGP和中国华南(SC)地区生物质燃烧活动在干季后期也有所增加,但火点数量远低于ICP地区。  2、昆明站AOD、消光波长指数(EAE)以及大气柱含水量(CWV)表现出明显的季节变化特征:湿季AOD、EAE、CWV的平均值分别为0.51±0.34、1.06±0.34、4.25±0.97cm,而在干季前期分别为0.17±0.11、1.40±0.31、1.91±0.37cm,干季后期分别为0.53±0.29、1.39±0.19、2.66±0.44cm;湿季的AOD值高、EAE值低、CWV值高,气溶胶粒子有效半径大,并且湿季细模态粒子随AOD值和相对湿度的上升而增长,这些都说明了湿季气溶胶吸湿增长对昆明地区气溶胶特性的季节变化有着重要影响。昆明地区主要的气溶胶类型为生物质燃烧气溶胶和城市工业污染气溶胶两种,生物质燃烧气溶胶主要出现在干季后期。干净和污染天气条件下MODIS_ AOD空间分布和气团后向轨迹显著不同:干净条件下,昆明地区气团主要来自于昆明的西部且西部气流几乎都出现于干季前期,YGP及其周边区域AOD值都较低(MODIS_ AOD<0.2);而在污染条件下,气团主要来自于昆明的西部和东部,西部气流多发生于干季后期,而东部气流多发生于湿季,这些气流经过的区域AOD值都较高(MODIS_ AOD>0.4),揭示了显著的区域污染特征。  3、GEOS-Chem亚洲区域模式(0.5°×0.667°)模拟的AOD值系统偏低于地基遥感数据,平均偏差为-0.17,相关系数为0.52,表明GEOS-Chem模式在我国南部和东南亚ICP地区的模拟能力仍有待进一步提高。生物质燃烧高发时段(3-4月),GEOS-Chem区域模式模拟结果显著优于其他时段,平均偏差下降至0.04,这可能与GEOS-Chem模拟中生物质燃烧源排放估算比较合理有关。对比模式模拟AOD与MODIS_ AOD的空间分布,发现在生物质燃烧高发时段GEOS-Chem模式可以较好地模拟出AOD的空间分布特征。此外生物质燃烧输送个例模拟结果表明,GEOS-Chem模拟的气溶胶垂直分布结果与CALIOP观测有较好的一致性。  4、基于GEOS-Chem模式的6组敏感性实验结果分析得出,YGP、YGP东部的SC、南部的ICP东部地区(EICP)、西部的ICP西部地区(WICP)四个区域的生物质燃烧排放对昆明站总AOD值的贡献百分比分别为2.6%±3.4%、0.1%±0.4%、0.8%±2.0%、57.3%±20.8%,对昆明站点总生物质燃烧气溶胶AOD的贡献百分比分别为5.2%±7.7%、0.3%±1.1%、1.2%±3.0%、87.8%±13.3%。由此可见,YGP西部的WICP区域生物质燃烧气溶胶的长距离输送对昆明站点的AOD贡献最大。此外,选取个例的观测和模式模拟研究结果都说明了东南亚WICP地区(主要是缅甸地区)的生物质燃烧气溶胶可以被抬升至4-5km,然后在偏西风气流的作用下,输送至我国西南YGP地区。
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