人为和气象因素影响大气气溶胶变化的观测及模拟研究

摘要

为了全面深入了解区域和全球大气气溶胶的变化特征，本文利用气溶胶光学特性参数和各类气象观测以及大气环境监测等资料，开展多源信息综合分析，通过大气气溶胶光学特性外场观测、环境气象数据天气学分析与大气气溶胶数值模拟相结合的技术途经，分析了北京地区人为活动变化典型时期的大气气溶胶光学特性参数变化，评估了气象条件和人为活动对城市空气质量的影响和大气气溶胶潜在污染源区的贡献;探讨了全球沙尘气溶胶沉降气候变化特征。本文主要研究内容及结论如下:
　　1)人为减排对区域大气气溶胶变化的影响:世界田径锦标赛和胜利日阅兵期间北京地区大气气溶胶观测和模拟分析
　　为了确保2015年8月至9月北京地区举办世界田联锦标赛和抗战胜利日阅兵期间较为良好的空气质量，包括北京、天津在内的华北七个省市采取了诸如机动车限行、工厂减排等环保措施。选择这一人为活动变化时期，开展大气气溶胶光学特性观测分析。在施行环保措施期间，气溶胶光学厚度均值为0.34±0.20，PM25均值为23±12μg/m3，分别较之前的未实施环保措施时期下降了69％和67％。(A)ngstr(o)m波长指数均值为1.38±0.25，较之前升高了近10％。大气气溶胶表现出强散射性，单次散射反照率均值为0.944±0.045。吸收性光学厚度均值为0.008±0.007，分别比前后两个阶段降低了58％和50％。粗、细模态粒子峰值浓度均值分别为0.020±0.016μm3/μm2和0.032±0.026μm3/μm2，较之前阶段下降了60％和49％。
　　2)城市人为活动及周边排放源对大气气溶胶变化的作用:北京地区国庆、春节假期间气溶胶光学特性及其与气象、排放条件关系分析
　　基于高精度气溶胶光学-辐射特性地基观测，结合气象要素对气溶胶光学特性详细分析了北京地区国庆、春节节假期间气溶胶变化。在2015年国庆、2015和2016年春节假期内PM25平均浓度分别为132.29±109.39μg/m3，114.43±62.93μg/m3和96.29±64.24μg/m3，分别比2月平均值（背景水平）水平高出了112％，38％和65％。气溶胶光学厚度均值分别为1.14±0.16，0.70±0.07和0.60±0.07，分别比背景水平高出了78％，19％和36％;(A)ngstr(o)m波长指数随光学厚度升高的趋势相当明显，均值分别为1.04±0.07，0.88±0.09和1.21±0.08。吸收性光学厚度均值分别为0.056±0.040，0.061±0.048和0.060±0.044，分别比背景水平高出了75％，9％和7％;吸收性波长指数均值分别为1.17±0.53，1.69±0.38和1.43±0.35，分别超过了背景水平24％，21％和36％。而2014年国庆期间可能受到降水的影响，假期内PM25均值68.14±36.06μg/m3，比背景水平低26％。潜在源区分析表明，河北省南部、山东省西部、河南省北部等区域对北京地区的污染事件有着较大贡献。浓度权重轨迹分析表明，国庆期间，河北省南部、山东省西部、河南省北部等区域对北京地区PM25浓度贡献超过了175-200μg/m3;而在春节期间其贡献为100-125μg/m3。春节期间西北地区的贡献较国庆期间有所增大，大约为100-125μg/m3。
　　3)大气气溶胶全球和区域气候变化特征:20年全球沙尘气溶胶沉降量的模拟分析
　　沙漠排放的沙尘气溶胶通过远距离输送造成全球大尺度海陆区域沙尘的干湿沉降，影响陆地黄土堆积、为海洋生物提供营养盐及铁肥料、改变地表反照率等。利用球气候模式CAM5.1模拟的20年(1991-2010)沙尘气溶胶干湿沉降，结合气候统计方法，分析了全球及主要海陆地区的沙尘气溶胶沉降量的时空变化特征。结果表明，20年全球平均沙尘气溶胶沉降总量为1161±31Mt，年际变化幅度为2.70％，并呈现出总量逐年减小的趋势;20年全球平均干湿沉降比为1.12，干沉降量大于湿沉降，年际变化幅度为2.24％;干沉降主要分布在大陆沙漠地区，湿沉降分布更加广泛，并主导北大西洋、北太平洋和北印度洋地区上空的沙尘沉降过程，并且干湿沉降都呈现出纬向带状分布特征。
　　20年间全球主要区域的沉降总量均表现出年际波动，其年际变化幅度北印度洋地区最大，为26.96％，其次为北太平洋(16.47％)，澳洲、北大西洋和欧亚大陆依次为9.76％、9.43％、6.03％;干湿比率年际变化北印度洋地区变化幅度最大，为22.41％，北大西洋、澳洲地区、北太平洋和欧亚大陆分别为9.69％、6.82％、6.31％、4.36％。沙尘气溶胶沉降总量呈现出春夏季较多，秋冬季较少的季节循环，大部地区湿沉降量对沉降总量的季节循环的贡献较大。北印度洋地沉降量的季节变化幅度最大，高达118.00％;北大西洋地区变化幅度最小，为30.23％。北印度洋地区的月平均干湿比率变化幅度是最大的，高达74.57％;欧亚大陆变化幅度最小，为12.14％。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 大气气溶胶变化中人为和气象影响

1．3 大气气溶胶光学特性观测研究进展

1．4 沙尘气溶胶研究进展

1．5 选题的目的和意义

第二章 大气气溶胶观测方法，资料和数值模式

2．1 大气气溶胶光学特性外场观测

2．2 环境气象数据

2．3 大气气溶胶数值模式

2．3．1 Hysplit后向轨迹模式

2．3．2 潜在源区分析及浓度权重轨迹分析

2．3．3 全球气候模式CAM及其沙尘气溶胶模拟沉降方案

第三章 人为减排对区域大气气溶胶变化的影响：

3．1 引言

3．2 数据处理方法

3．3 结果分析

3．3．1 AOD与PM2．5，PM10数据分析

3．3．2 AOD与AE的逐日及均值变化

3．3．3 单次散射反照率与吸收性光学厚度

3．3．4 粒子谱分布

3．3．5 天气形势分析

3．3．6 Hysplit后向轨迹分析

3．4 小结与讨论

第四章 城市人为活动及周边排放源对大气气溶胶变化的作用

4．1 引言

4．2 数据处理及方法

4．3 结果分析

4．3．1 PM2．5与气象条件分析

4．3．2 AOD与?ngstr?m Exponent波长指数日变化

4．3．3 吸收性光学厚度

4．3．4 单次散射反照率

4．3．5 气溶胶粒子谱分布

4．3．6 潜在源区分析方法

4．3．7 浓度权重轨迹分析

4．4 小结与讨论

第五章 大气气溶胶全球和区域气候变化特征模拟分析

5．1 引言

5．2 模式设置及方法

5．3 结果分析

5．3．1 沙尘气溶胶沉降量全球分布及年际变化

5．3．2 区域平均分布

5．3．3 区域年际变化

5．3．4 季节变化

5．4 小结与讨论

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 主要特色和创新

6．3 未来工作展望

参考文献

作者简历

致谢