（气象学专业论文）珠江三角洲气溶胶污染的机理分析及数值模拟研究.pdf

中文摘要 珠江三角洲气溶胶污染的机理分析及数值模拟研究 摘要 本论文主要从事了五个方面的研究工作。一、将c m a q 删5 s m o k e 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、s m o k e c m a q 删5 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s m o k e 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p m 。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 il，。1ll 中文摘要 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p m l o 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p m 。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。 关键词：m o d e l s 一3 c m a q ，m m 5 ，s m o k e ，珠江三角洲，灰霾，热带气旋， 数值模拟，p m ，。 i i 。 $ a b s t r a c t m e c h a n i c a la n a l y s e sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n so nt h ea e r o s o l p o l l u t i o no v e rt h ep e a r lr i v e rd e l t a a b s t r a c t t h i ss t u d yw e r ec a r r i e do u ti nf i v e a s p e c t s 1 ) t h ec o u p l e dc m a q m m 5 s m o k ea i rq u a l i t ym o d e l i n gs y s t e mw a ss u c c e s s f u l l y t r a n s p l a n t e d a n d l o c a l i z e do v e rs o u t h e r nc h i n aa n dt h u sp r o v i d e sa na d v a n c e dt o o lt om a k es t u d i e so n t h ef o r m a t i o n ，t r a n s p o r t ，d i s p e r s i o n ，t r a n s f o r m a t i o na n dr e m o v a lo ft h ea t m o s p h e r i c p o l l u t a n t s ；2 ) f u l le s t i m a t i o no fv a r i o u sk i n d so fe m i s s i o n sw a sm a d eo v e rs o u t h e r n c h i n at of o r mt h eg r i d d e de m i s s i o n sd a t af o ra i rq u a l i t ym o d e l i n g ；3 ) as t a t i s t i c a l a n a l y s i sw a sc o n d u c t e do nt h er e l a t i o nb e t w e e nt r o p i c a lc y c l o n e ( t c ) a n dt h eh a z ei n t h ep e a r lr i v e rd e l t a ( p r d ) ；4 ) an u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o ra ne x t r e m eh a z ee v e n ti n p r dr e l a t e dt os e v e r et r o p i c a ls t o r mm e l o rw a sc o n d u c t e d r e s u l t sf r o mt h e s i m u l a t i o nr e v e a l e dt h ei m p a c ta n dt h ei n f l u e n c i n gm e c h a n i s mo ft h et r o p i c a lc y c l o n e o nt h eh a z e ；5 ) p r o c e s sa n a l y s e sw e r ep e r f o r m e df o ra l lt e r m si nt h ed i s p e r s i o n e q u a t i o n o fa i r p o l l u t a n t s t oi n d i c a t et h ec o n t r i b u t i o no fe a c hp r o c e s st ot h e c o n c e n t r a t i o n so fs e v e r a l a e r o s o lc o m p o n e n t s m a j o rr e s u l t so ft h i ss t u d ya r es u m m a r i z e db e l o w 1 t h ec m a q m m 5 s m o k ea i rq u a l i t ym o d e l i n gs y s t e mw a sac o m b i n a t i o n o ft h r e ec o m p l i c a t e dn u m e r i c a ls y s t e m s i tc o m p r i s e se m i s s i o np r o c e s s i n gm o d e l ， m e s o s c a l em e t e o r o l o g i c a lm o d e la n dc h e m i c a lt r a n s p o r tm o d e l t h e s es y s t e m sa r e m u t u a l l yd e p e n d e n ta n di n t e r a c t i v e t h ep r o c e s s e sf o rt r a n s p l a n t i n ga n dr u n n i n gt h e s y s t e m sa r er a t h e rc o m p l i c a t e d i tw a st h ef i r s tt i m et ol o c a l i z es u c c e s s f u l l yi nt h e p r dt h i s a i rq u a l i t ym o d e l i n gs y s t e mw h i c hw a st h e na p p l i e dt om a k es u c c e s s f u l s t u d ya n dp r e d i c t i o no ft h eh a z e 2 i tw a st h ef i r s tt i m et ou t i l i z es m o k em o d e lt oe s t i m a t et h ee m i s s i o n so f i i i a b s t r a c t p o i n ts o u r c e ，a r e as o u r c e ，b i o g e n i cs o u r c ea n dm o b i l es o u r c eo v e rt h es o u t h e r nc h i n a t h eh i g hr e s o l u t i o ne m i s s i o n sd a t aw i t hf u l lc o n s i d e r a t i o no fv a r i o u se m i s s i o n sf o r u s ei na i rq u a l i t ym o d e l i n gi nt h ep r dw e r eo b t a i n e df o rt h ef i r s tt i m e t h i sp r o v i d e s a ni m p o r t a n tf o u n d a t i o nf o ra i rq u a l i t yp r e d i c t i o n 3 s t a t i s t i c a la n a l y s e sr e v e a l e dt h a tt r o p i c a lc y c l o n ec o u l dp r o d u c eh a z ei nt h e p r d b u tt h en u m b e ro fh a z ed a y sr e l a t e dt ot cw a sq u i t es m a l l m o s tt c st h a tc o u l d b r i n gh a z e i nt h ep r dw e r et h o s ea p p e a r e di ns u m m e ra n da u t u m n t h e s et c s f r e q u e n t l ym a d et u r n i n go v e rt h es e ae a s to fp h i l i p p i n e s t c sa p p e a r e di nt h eb a s h i s t r a i ta n di nt h en o r t h e a s to fs o u t hc h i n as e aw e r ec o n d u c i v et op r o d u c i n g h i g hp m l o i nt h ep r d 4 s i m u l a t i o n sf o rs e v e r et r o p i c a ls t o r mm e l o ri n d i c a t e dt h a tt cc a u s e sh a z ei n t h ep r db yb o t ht h e r m a la n dd y n a m i cp r o c e s s e s d u r i n gt h ea c t i v i t yo fm e l o r ， l o w e rt r o p o s p h e r ei nt h ep r dw a sc o n t r o l l e db yh i g h p r e s s u r er i d g ew i t ho b v i o u s f l o wd i v e r g e n c e w h i l ei nt h eu p p e rt r o p o s p h e r e ，t h ec o n v e r g e n c eo fa i rf l o ww a sa l s o s i g n i f i c a n t t h u st h es t r o n gs y s t e m a t i cs u b s i d e n c ed o m i n a t e dt h ep r d a sm e l o r a p p r o a c h i n g ，t h ea s c e n d i n gm o t i o na tt h ec e n t e ro ft h et cf o r c e dac o m p e n s a t i n g d o w n w a r dm o t i o nt h a ti n t e n s i f i e dt h ed o w n d r a f li nt h ep r d t h ed o w n d r a f ti nt h e p r dd i r e c t l yl o w e r e dt h eh e i g h to fp l a n e t a r yb o u n d a r yl a y e r ( p b l ) ，c a u s i n gf l o w s t a g n a t i o n a n df u r t h e rc o n f i n i n gt h ed i f f u s i o na n dt r a n s p o r to fa e r o s o l s t h e d o w n d r a f ta l s og e n e r a t e ds i g n i f i c a n ta d i a b a t i ch e a t i n gb yaw a r m i n go f2 - 4 * cd a i l y a n dd r y i n gi nt h el o w e rt r o p o s p h e r e ，i n t e n s i f y i n gg r e a t l yt h el o w e rl a y e rs t a t i c s t a b i l i t y t h i ss t a b l ea i rl a y e ra c t e dl i k eaw a r ma n dd r yc o v e rt h a tm a n t l e dt h e b o u n d a r yl a y e ri nt h ep r d ，c a u s i n ga c c u m u l a t i o no fa e r o s o lp a r t i c l e sa n dt h u st h e f o r m a t i o no fh i g hp m l oc o n c e n t r a t i o n sa tt h es u r f a c e t h et cc a u s e dc l e a rs k yi nt h e p r d ，p r o d u c i n gn or a i nt oc l e a ra w a yt h ea e r o s o l s o nt h eo t h e rh a n d ，t h ed a y t i m e p h o t o c h e m i c a lp r o c e s s e sw e r ea l s oi nf a v o ro ft h eg e n e r a t i o no fp h o t o c h e m i c a ls m o g a n dt h ef o r m a t i o no fs e c o n d a r ya e r o s o l s d u r i n gt h et c ，n o c t u r n a li n v e r s i o ni nt h e s u r f a c el a y e rw a se n h a n c e dt h r o u g hr a d i o a c t i v ec o o l i n ga l o n gw i t ht h es u b s i d e n c e w a r m i n gi nt h eu p p e ra i r , c a u s i n ga e r o s o lc o n c e n t r a t i o n st oi n c r e a s ea tn i g h t 5 p r o c e s s a n a l y s e s o fc o n c e n t r a t i o n so fa e r o s o l si n d i c a t e dt h a tt h e i v a b s t r a c t c o n c e n t r a t i o n so fs e c o n d a r ya e r o s o l sv a r i e ds i m i l a rt op m l 0 ，i m p l y i n gt h ei m p o r t a n t e f f e c to fs e v e r et r o p i c a ls t o r mm e l o ro nt h ef o r m a t i o no fs e c o n d a r ya e r o s o l s t h e c o n c e n t r a t i o n so f s e c o n d a r yo r g a n i ca e r o s o l s ，n i t r a t e s a n da m m o n i u mv a r i e d c o n s i s t e n t l yw i t hs u r f a c eh u m i d i t y t h i sm a y i n d i c a t e st h a tw a t e rv a p o rm a yp l a ya n i m p o r t a n tr o l ei nt h eg a s - p a r t i c l ec o n v e r s i o n r e s e a r c ha l s or e v e a l e dt h a td i f f e r e n t c o m p o n e n t so fa e r o s o l sm i g h te x p e r i e n c ed i f f e r e n tp r o c e s s e sf o rt h e i rc o n c e n t r a t i o n s f o r m a t i o n ，b u t i n g e n e r a l ，t h e v e r t i c a ld i f f u s i o n ，t h eh o r i z o n t a l t r a n s p o r t a n d - g a s p a r t i c l e c o n v e r s i o na r et h em a j o rp r o c e s s e s t h i si m p l i e st h a ta t m o s p h e r i c t s t r a t i f i c a t i o n ，l a r g e s c a l em o t i o na n d a e r o s o lf o r m a t i o na r et h ei m p o r t a n tf a c t o r sf o rt h e v a r i a t i o no fa e r o s o l sc o n c e n t r a t i o n s k e yw o r d s ：m o d e l s - 3 c m a q ，m m 5 ，s m o k e ，p e a r lr i v e rd e l t a ，h a z e ， t r o p i c a lc y c l o n e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n s ，p m l o v 第1 章绪论 1 1大气气溶胶的形成 第1 章绪论 液体或固体微粒均匀分散在大气中形成的相对稳定的悬浮体系被称为气溶 胶。气溶胶粒子中空气动力学直径1 0 0l am 的颗粒物又称总悬浮颗粒物 t s p ( t o t a ls u s p e n d e dp a r t i c l e ) ，其中t s p 中粒径1 0um 的颗粒物称为可吸入颗 粒物，记作p m ，。由于p m 。粒径很小，因而可以较长时间悬浮于空气中，导致大 气混浊，能见度降低，这一自然现象在气象上又称为灰霾( h a z e ) 。p m ，。按粒径大 小又可分成p m 。七。( 粒径介于1 0um 2 51 1m 之间) 和p m ：。( 粒径2 5um ) 。 大气中的气溶胶粒子主要来源于自然过程和人为过程。自然过程排放的气 溶胶有火山爆发时排出的火山灰，海水翻腾向大气释放的海盐粒子，植物花粉、 孢子，大风扬起的沙尘等。人为过程排放的气溶胶包括工业、餐饮业和居民生活 中燃料燃烧放出的烟气和汽车尾气中排出的颗粒物等。另外，各种气态污染物也 可以通过气粒转化产生二次气溶胶。例如大气中的化学氧化过程可使气态n o x 和s 0 2 转化为液态硝酸和硫酸，并可进一步转化为固态硝酸盐和硫酸盐颗粒物。 在光照条件下，氮氧化物和非甲烷碳氢化合物( n m h c ) 经过一系列光化学反应， 可生成0 3 和过氧化乙酰基硝酸酯( p a n ) 等光化学氧化剂，以及各种自由基、醛、酮 等，产生光化学烟雾和二次气溶胶。 1 2气溶胶对人类生存环境的危害 根据美国环保局1 9 9 9 年的报告，气溶胶颗粒物常含有重金属、杀虫剂等， 具有致癌性。p m ：。由于粒径小，极容易在人体肺泡沉积，并进入血液循环，对人 体健康危害很大。近1 0 年来美欧在流行病学领域的研究表明，城市空气可吸入 颗粒物与医院就诊率、呼吸器官疾病发病率乃至死亡率等关系密切。s a l d i v e l l j 进行空气污染与老年人死亡率的时间动态研究，发现可吸入颗粒p m 。与老年人死 亡率之间具有显著意义的相关。z a n o b e t t i 等人【2 】分析了1 9 8 5 1 9 9 4 年心脏病、 慢性阻塞性肺病和肺炎患者住院的情况，发现有呼吸系统疾病并受可吸入颗粒物 影响的心血管病人，其住院率比较高。l i p p m a n n 等人【3 j 分析了加拿大安大略省温 莎市1 9 8 5 - - 一1 9 9 0 年、1 9 9 2 - - 一1 9 9 4 年空气颗粒物与死亡率、发病率和住院率的 第1 章绪论 关系，发现1 9 8 5 一- 1 9 9 0 年p m 。同呼吸系统疾病的死亡率有密切关系，住院的中老 年患者，肺炎和心脏病的发病率均与p m m 、p m ：。、p m 嗍。有关。 在我国，环境和医学专家也对空气污染的危害做了很多研究。尹先仁【4 】发 现，t s p 对心脑血管疾病死亡率增加更具显著意义。悬浮颗粒物所导致的心率改 变，可能是心血管疾病死亡率与悬浮颗粒物联系的生物学机制【5 ，6 1 。孙惠乐等同 发现心血管科门诊量与t s p 有非常显著的相关性，每日心血管病死亡率也与t s p 有很强的相关性。p m 。污染对儿童肺功能特别是对女童肺功能造成一定的影响， 采暖期儿童肺功能显著降低【8 9 】。张燕萍等【加】研究太原市1 0 0 所医院1 9 9 4 - - 1 9 9 8 年的死亡病例资料，发现t s p 是影响人群健康最危险的污染物。楚建国等【1 1 】分 析了徐州市1 9 8 0 - - - 1 9 9 1 年大气污染与居民肺癌死亡率的关系，发现t s p 作为肺 癌高发危险因素意义最大伊 0 0 1 ) 。杨文敏等【1 2 】详细研究了大气颗粒物表面含 有的元素，发现在城市空气中检出频率高的金属元素，在人的肺组织中均能检 出。这些元素具有富集在小颗粒上的特性，故被吸入后多易沉积于肺泡区，并进 入血液循环。而且主要来自汽车尾气的多环芳烃等致癌性有机毒物大部分以细颗 粒的形式存在或附着在细颗粒上，对人体健康的危害更大。冯业荣等【1 3 】分析了 包括p m l o 在内的各种大气环境因子，发现严重急性呼吸道综合症( s e v e r ea c u t e r e s p i r a t o r ys y n d r o m e ，简称s a r s ) 发病人数的变化，与大气环境因子之间存在 着密切的周期相关关系，表明p m l o 、n o x 和s 0 2 等对广州s a r s 疫情有重要的 影响。 气溶胶不单对人体造成伤害，而且还由于大气能见度降低，导致交通事故增 加。此外气溶胶吸附的酸性物质还会影响植物的正常生长，并对裸露户外的各种 材料如钢、铜、铝等有腐蚀和破坏作用【1 4 l 。 1 3 气溶胶对天气气候的影响 大气气溶胶直接影响大气中云的形成。气溶胶粒子通过散射和吸收太阳光 导致环境温度发生改变。 近年来气溶胶对气候强迫和气候变化的影响成为科学家关注的焦点。2 0 0 2 年4 月美国夏威夷召开的“大气污染物的气候强迫”专题研讨会【1 5 j ，提出要重视大 气气溶胶，特别是黑碳类气溶胶对全球气候增暖的作用。气溶胶中的黑碳粒子( 在 城市中最大的来源是汽车发动机) ，可以吸收从紫外到红外谱段的辐射，导致大 2 第1 章绪论 气加热【l6 1 。另一方面，大气气溶胶粒子愈多，大气透明度越小，使相当数量的太 阳辐射反射回太空，直接起冷却地球的作用，在一定程度上又抵消了大气中温室 气体的加热作用 1 7 , t 8 。 除了影响气候变化，气溶胶对发生在大气中的天气现象也有影响。例如气 溶胶污染与雾关系非常密切，它们之间相互影响，气溶胶对雾具有生消双重作用 1 9 , 2 0 1 。传统认为雨、雾和雪的形成需要一定数量的气溶胶作为凝结核，但是近年 来卫星观测却发现，在没有气溶胶污染的云里更容易形成雨滴和冰晶，而在有污 染痕迹的云内则不易形成雨滴和冰晶，尽管受气溶胶污染的云里有足够形成雨雪 的湿度。研究认为，这是由于在污染云里，存在太多的气溶胶小微粒，每个小微 粒都吸附水分凝聚，致使很少能形成大得能足以在蒸发之前到达地面的雨滴，所 以抑制了降雨和降雪的形成【1 7 】。 可见对气溶胶的研究还有助于更准确地预报预测天气和气候。 1 4 开展珠江三角洲气溶胶数值模式研究的必要性 珠江三角洲工业化和城市群快速发展带来了突出的气溶胶污染问趔2 1 , 2 2 】。 据统计，从2 0 0 1 - - 2 0 0 4 年，珠江三角洲年灰霾天数明显增加。如广州从6 4 天年 增加到1 4 4 天年；东莞从3 2 天年增加到1 9 0 天年。佛山近年灰霾天数都处于较高 值，达1 2 3 41 7 4 天年。深圳市2 0 0 3 、2 0 0 4 矛1 2 0 0 5 年灰霾日数分别为1 3 3 、1 7 5 3 1 1 3 5 天年。大量的工业排放，纵横交错的交通网( 图1 1 ) 和特殊的盆地地形特 征( 图1 2 ) ，是导致该地区上空灰霾长时不散的原因。珠江三角洲地区污染物排放 主要来源于城市机动车尾气，火力发电、陶瓷、水泥和金属加工企业，以及居民、 商住混合区的餐饮业等。汽车、工厂和城市居民区直接排放黑碳等气溶胶粒子以 及二氧化硫( 8 0 2 ) 、氮氧化物( n o 。) 、挥发性有机化合物( v o c s ) 等气态污染物。 由于珠江三角洲位于副热带地区，太阳光照充足，温度高，湿度大，更容易发生 光化学反应，形成光化学烟雾，并导致一些气态污染物通过气粒转化形成新的气 溶胶粒子，进一步加重灰霾天气。 第1 章绪论 图1 - 1 珠江三角洲交通图( 取自w w w g u a n g o r g ) 图l 一2广东省地形图 由于珠江三角洲的灰霾甘益严重，已从一个区域环境问题上升为国际环境 问题，例如国际上己经把该地区的灰霾看成是“亚洲棕色云”的一部分 2 3 , 2 4 。 因此无论是政府、民间，还是学术界都对珠江二角洲的灰霾给予了高度重视。2 0 0 4 年9 月广东省有关部fj 编制的珠江三角洲环境保护规划纠要指出，“目前已 经透支的环境容量和资源难以支撑粗放的经济发展模式，珠江三角洲将而临许多 新老环境问题的严重挑战。”2 0 0 2 年4 月粤港两地政府联合发布了改善珠江三 第1 章绪论 角洲空气质素的联合声明，提出尽最大努力减少p m l o 、s 0 2 、n o x 和v o c s 的 排放总量。2 0 0 6 年广东省人大和政协会议上，就有代表提出提案，要求政府“完 善珠江三角洲环境空气质量监测与评价指标体系的工作，建立完善的环境空气质 量监测与评价体系，提供准确的区域空气污染状况信息，为政府科学决策，为公 众服务。” 改善珠江三角洲城市环境空气质量，己成为珠江三角洲实现区域可持续发 展的关键问题之一。因此开展珠江三角洲气溶胶数值模式研究，将有助于了解该 地区大气灰霾的变化机理和规律，科学评估与治理大气环境，控制全球气候变化， 提高天气气候预报预测水平，改善人民生活质量。 这项研究不仅科学意义重大，而且也具有重要实用价值。 1 5 国内外研究现状 鉴于大气气溶胶对人类环境的重大影响，近年来气溶胶课题成为各门学 科，如气象学、气候学、大气环境学、环境医学等的研究热点。人们不再仅仅满 足将气溶胶视为气象学中成云致雨的凝结核，乃是将它看成是整个大气系统的一 个有机部分，迫切希望更深地了解其形成、迁移和变化的规律，并且希望将来能 够象预报天气一样对气溶胶进行预报。 利用遥感技术监测气溶胶是近年来发展的新技术。美国航空航天局( n a s a ) 发射的e o s a m l 系列卫星上装载了可探测气溶胶的仪器m o d i s ( m o d e r a t e r e s o l u t i o ni m a g i n gs p e c t r o r a d i o m e t e r ) 。m o d i s 探测器每天覆盖全球一次，具 有3 6 个光谱通道，分布在0 4 - 1 4l am 波谱范围内，可反演有关陆地、云、气溶胶、 水汽、臭氧等产品：m o d i s 气溶胶产品( m o d 0 4 ) 监测大气气溶胶光学厚度乜引、气 溶胶粒子谱分布和气溶胶类型。 另一种气溶胶遥感观测手段是激光雷达( l i d a r ) 。激光雷达通过测量气溶 胶后向散射系数对气溶胶垂直廓线进行探测瞳6 。 为了获得气溶胶的第一手资料，近年一些国家投入大量人力物力开展气溶 胶外场观测试验。美国有关部门于2 0 0 1 年8 月在美国西北部实施了空气质量观 测试验p n w 2 0 0 1 ( p a c i f i cn o r t h w e s t2 0 0 1 ) 。与此同时，加拿大相邻地区同步开 第1 章绪论 展p a c i f i c2 0 0 1 污染研究试验。这两个试验动用包括飞机和地面观测设备在内 的多种探测手段对气溶胶、臭氧和相关气象要素进行综合观测乜7 | 。在世界气溶胶 污染最严重的墨西哥城，2 0 0 3 年开展了一次广泛调查光化学气体和气溶胶的外 场试验( m c m a2 0 0 3 ) ，试验中利用了监测汽车和地面环境观测站对边界层中的污 染物和城市汽车排放进行观测。为了研究湖风对湖岸城市大气环境的影响， 2 0 0 2 年7 8 月和2 0 0 3 年6 7 月，美国l o y o l a 大学在密歇根湖畔实施了陆一 湖风效应的研究，对气溶胶、非甲烷碳氢化合物( n m h c ) 和反应性痕量气体进 行观测乜9 。为了研究东亚和东南亚气溶胶污染，国际上在2 0 0 1 年3 4 月在亚洲 西太平洋和南海地区进行了t r a c e p ( t r a n s p o r ta n dc h e m i c a le v o l u t i o no v e r t h ep a c i f i c ) 和a c e a s i a ( a s i a na e r o s o lc h a r a c t e r i z a t i o ne x p e r i m e n t ) 外场 试验，主要研究矿物燃料燃烧和汽车增加对区域空气质量的影响口0 3 。 在我国，国家重点基础研究发展规划“9 7 3 ”项目“首都北京及周边地区大 气、水、土环境污染机理与调控原理”的野外实验从2 0 0 0 年开始实施。该项目的 大气环境部分着重研究北京城市大气边界层动力热力结构和边界层中大气污染 物的物理化学特征及其变化规律，开展城市大气污染数值预报模式及其预警系统 的研究。项目首次采用了单点激光雷达、太阳光度计以及建筑群边界层空气污染 连续监测。面上观测系统采用多类卫星遥感综合探测，并采用卫星遥感一地面观 测资料综合处理变分技术，揭示了北京地区空气污染的区域性特征和边界层大气 动力、热力结构的相关关系；获取了城市“空气穹隆”结构，提出了北京城市及近 郊区城市边界层“空气穹隆”动力、热力结构物理图像以及大气污染三维结构特 征，发现了逆温层“隔离”作用与污染物堆积的“锅盖效应”等现象。 近年来针对珠江三角洲地区的大气污染也开展了专门的监测和研究。2 0 0 2 年启动的国家9 7 3 项目“长江、珠江三角洲地区土壤和大气环境质量变化规律与 调控原理”中，专门开展“珠江三角洲典型大气污染过程的污染气象条件与边界 层特征研究”口引。中国气象局热带海洋气象研究所于2 0 0 4 年在华南建立了大气 边界层和大气气溶胶( 灰霾) 综合观测基地，开展珠江三角洲城市群大气气溶胶 辐射特性、珠江三角洲能见度与灰霾的研究。2 0 0 4 年5 月1 日起，中山大学、 中国气象局广州热带海洋气象研究所、北京大学以及香港科技大学在珠江三角洲 展开了珠三角城市群陆气相互作用与大气灰霾科学试验，进行城市边界层低空探 第1 章绪论 测，揭示珠三角城市污染时空分布、污染的输送和扩散。 随着对气溶胶研究的深入展开，对气溶胶运动的基本物理化学过程有了一 定的认识。科学家发现，气溶胶浓度能在很短的时间里经历很大的改变，最主要 的影响是气象条件口3 。例如，逆温是造成t s p 、s o ：、n o ，浓度值增加的最重要 气象因素之一口4 35 | 。而风速变小、层结稳定和大气湿度升高也是气溶胶浓度增大 的原因口6 】。较强的冷锋过程可使气溶胶污染得到彻底清耐37 | 。持续大雾天气可使 气溶胶浓度比平时提高5 7 倍汹1 。 为了预报气溶胶，人们建立了多种统计预测模型。周势俊等们利用k a l m a n 滤波法结合由逐步回归法选出的t 1 0 6 全球中期谱模式气象因子，对大连市的空气 质量进行预测预报。魏生生等h 们通过分析北京城区4 种主要空气污染物( t s p 、s o 。、 n 0 。、c o ) 浓度的月、季变化特征，建立起污染物的均生函数长期预测模型。王建 华等h 妇利用青岛市空气自动监测系统近三年监测资料与同期气象资料，对青岛 市空气污染预报方法进行了研究，通过因子初选和相关性分析，针对不同季节 和不同污染物，应用逐步回归法，分别建立了青岛市的大气污染预报方程。周秀 杰等n 2 1 从气象学角度对各种污染物和气象因素进行了分析，在确定了空气污染指 数影响因子基础上，综合考虑b p 网络的逼近能力和泛化能力，提出了空气污染指 数b p 网络预报模型。尚可政等h 3 1 开发了较为复杂的动力统计模型，该模型用气象 要素、污染排放量和起报日的污染浓度，通过逐步回归，制作污染物2 4 h 浓度预 报。 气溶胶在大气中的运动是相当复杂的，起伏的地形、性质各异的下垫面、 风场、温度场、边界层热力和动力结构等均强烈影响气溶胶的活动规律。除此之 外，气溶胶源的特性、大气光化学作用对气溶胶形成的影响作用也是巨大的。实 际上大气气溶胶的浓度变化与许多过程和通道有关，是相当复杂的，既有气象原 因，又有人为因素。就气象因素而言，由于大气运动涉及到许多尺度的天气过程， 故研究气溶胶的气象模式要包括行星尺度、天气尺度、中小尺度甚至湍流等过程。 垂直方向必须考虑从贴地层、边界层到整个对流层。既要考虑各种尺度系统之间 相互耦合、相互影响，又要考虑云雨、对流、辐射等复杂过程。因此单纯考虑一 些简单孤立的过程或因子，是很难作出准确的气溶胶预报的。就人为因素来说， 第1 章绪论 人类活动的许多方面如发电厂的位置、植被破坏程度、汽车的数目、森林火灾等 均对气溶胶有直接影响。 为了准确预报气溶胶的演变规律，必须从支配气溶胶变化的物理化学规律 上着手，而一个有较完善物理过程的气象模式和具有完善化学机理的大气化学输 送模式的耦合的空气质量数值模式系统自然就是气溶胶数值模拟和预报成功的 关键。 开发综合的空气质量模式始于上世纪七十年代后期h 4 4 5 3 。美国1 9 7 3 年建立 了u a m ( u r b a na i r s h e dm o d e l ) 模式，八十年代由于对酸沉降的关注，区域酸沉 降模式r a d m ( r e g i o n a la c i dd e p o s i t i o nm o d e l ) 、a d o m ( a c i dd e p o s i t i o na n d o x i d a n tm o d e l ) 和s t e m ( s u l f u rt r a n s p o r ta n de m i s s i o n sm o d e l ) 相继开发出 来。九十年代开始，随着计算机能力的增强，更复杂的，考虑多种大气过程，多 尺度的空气质量模式的开发工作在美国展开。模式中需要考虑多种排放源，如工 业、电厂、交通等过程，研究的污染物和污染问题包括首要污染物、臭氧、颗粒 物、能见度、酸沉降等。9 0 年末代表目前国际领先水平的公共多尺度空气质量 模式m o d e l s 一3 c m a q ( c o m m u n i t ym u l t i s c a l ea i rq u a l i t y ) h6 4 7 1 模式被研制出 来。 除了美国，其它国家也在积极开发空气质量数值模式。加拿大近年开发的 m c 2 c a l g r i d 模式系统，是由一个非静力平衡的半显式半拉格朗日中尺度气 象模式和一个综合光化学模式结合而成的模式系统n8 。德国c o l o g n e 大学开发 了一个由m m 5 、污染扩散模式和大气化学输送模式组成的大气污染预报系统 e u r a d “引。挪威气象研究所发展了一个将轨迹模式和光化学模式结合起来的空气 质量预报模式，考虑了污染物的扩散输送、干湿沉降和包括4 5 个物种的1 0 0 个 化学反应方程式嵋引。 近年来我国在空气质量的数值模拟和预报方面也做了不少研究。秦保平等畸妇 采用由e t a 模式、中一1 3 气象模式和高分辨率对流层化学模式( h r c m ) 组成空气污 染数值预报模式系统。e t a 气象模式用来预报区域尺度的气象场，为中一1 3 尺度气 象模式提供气象要素的初始场和同化场。中一1 3 气象预报模式用来模拟中尺度局 地环流的基本特征。h r c m 模式包含了许多化学、物理和生物过程，它可以很好地 第1 章绪论 模拟对流层中气体污染物的输送、转化和干湿迁移过程，得到大气污染物浓度的 时空分布及变化趋势。 韩志伟等畸2 1 利用中一q 尺度气象模式( e t a 模式) 、中一b 尺度气象模式、区 域酸沉降模式( r a d m ) 组成的城市空气污染数值预报模式系统做天津市污染预报， 结果表明s 0 ：、n 0 ，日均值的预报较好，对t s p 日均值的模拟相对较差，主要原因 是t s p 在模式中没有考虑化学过程。 姜金华和彭新东陌3 1 采用中尺度大气动力模式( r a m s ) 与大气扩散模式( h y p a c t ) 相耦合，进行二氧化硫和烟尘浓度分布的数值模拟研究。该耦合模式系统能够模 拟污染物逐渐在谷中累积的过程，但由于模式中未加入化学过程，并且缺乏污染 源的详细资料，模拟的污染物浓度和分布与实际情况有一定偏差。 王雪松和李金龙利用美国e n v i r o n 公司开发的三维区域空气质量模式c a m x 及其内嵌的气溶胶模块f a s t