蔡子穎,姚 青,韓素芹,劉敬樂(1.天津市環(huán)境氣象中心,天津 300074；.天津市氣象科學(xué)研究所,天津300074)

氣溶膠直接氣候效應(yīng)對(duì)天津氣象和空氣質(zhì)量的影響

蔡子穎1,2*,姚 青1,2,韓素芹2,劉敬樂2(1.天津市環(huán)境氣象中心,天津 300074；2.天津市氣象科學(xué)研究所,天津300074)

基于在線大氣化學(xué)模式WRF/chem,發(fā)揮其在線模式的優(yōu)勢,假設(shè)是否考慮氣溶膠直接氣候效應(yīng)2種情況,模擬2015年全年天津地區(qū)氣象場和空氣質(zhì)量的演變,并與觀測實(shí)況比較,定量剖析天氣-氣溶膠-天氣-空氣質(zhì)量之間的相互關(guān)系.結(jié)果表明:2015年氣溶膠直接氣候效應(yīng)導(dǎo)致天津地面太陽輻射下降27.42W/m2,氣溫下降0.21℃,風(fēng)速減少1.1%,相對(duì)濕度增加1.4%,邊界層高度下降6.3%,氣象條件向不利于大氣污染擴(kuò)散方向轉(zhuǎn)變,由于上述作用的存在,2015年P(guān)M2.5質(zhì)量濃度增加3μg/m3,PM10增加5.5μg/m3,SO2增加1.2μg/m3,同時(shí)由于氣溶膠影響光化學(xué)條件導(dǎo)致的 O3質(zhì)量濃度減少 1.4μg/m3.氣溶膠直接氣候效應(yīng)形成天氣-氣溶膠-天氣-氣溶膠之間的循環(huán)作用并不是線性的,重污染天氣顯著強(qiáng)于清潔日和平均條件,從而導(dǎo)致重污染天氣空氣質(zhì)量的進(jìn)一步惡化.

WRF/CHEM；氣溶膠直接氣候效應(yīng)；空氣質(zhì)量；天津

近年來,我國灰霾天氣出現(xiàn)的頻率和強(qiáng)度有明顯的增強(qiáng)趨勢,大氣中細(xì)顆粒物的含量不斷增加,細(xì)顆粒物的增加不僅對(duì)人體健康產(chǎn)生危害

[1-3],也影響著地氣系統(tǒng)的輻射平衡[4-6],對(duì)天氣和氣候產(chǎn)生直接和間接的影響.它們吸收和散射太陽短波輻射,通過黑碳?xì)馊苣z加熱大氣,使云滴增加和云量減少,延長云的生命時(shí)間,提高云的平均反射率,減少降水的發(fā)生,影響東亞季風(fēng)氣候,增強(qiáng)和擴(kuò)大霧的范圍[7-9].同時(shí)研究顯示,在我國東部地區(qū),由于人為活動(dòng)產(chǎn)生的大量大氣污染排放,在不利天氣條件下,形成天氣-氣溶膠-天氣-氣溶膠之間惡性循環(huán),即當(dāng)不利氣象條件的出現(xiàn)時(shí),大氣擴(kuò)散條件轉(zhuǎn)差,導(dǎo)致 PM2.5為首要污染物的重污染天氣發(fā)生,當(dāng)重污染天氣發(fā)生后,大氣環(huán)境存在大量的小粒子,其通過散射和吸收減少了到達(dá)地表的太陽輻射,從而導(dǎo)致大氣湍流減弱,邊界層高度降低,大氣更加趨于穩(wěn)定,氣象條件趨于更加不利于大氣污染物擴(kuò)散[10-11].此外如果在高濕度條件下,重污染天氣大氣中存在大量的霧凝結(jié)核(FCN),進(jìn)而使得霧的生命時(shí)間延長,強(qiáng)度增強(qiáng),霧頂逆溫長時(shí)間的維持,霧區(qū)內(nèi)小風(fēng)天氣,進(jìn)一步加劇重污染程度,從而導(dǎo)致重污染天氣的頻發(fā)和長時(shí)間維持[12-15].關(guān)于天氣-氣溶膠-天氣-氣溶膠之間的關(guān)系,大量的研究從理論和過程分析予以論證或者通過氣候模型模擬氣溶膠直接氣候效應(yīng)予以驗(yàn)證[16-19],近年來,隨著在線耦合雙向反饋天氣化學(xué)模式出現(xiàn),通過中尺度天氣模式定量描述開展上述工作也成為一種選擇.中尺度在線天氣化學(xué)模式消耗的計(jì)算資源更為龐大,研究工作很難像過去開展氣候效應(yīng)研究一樣,進(jìn)行整年整段的模擬以反映普遍的規(guī)律,關(guān)于典型過程的分析更為普遍,如廖禮[20]對(duì)于中國東部氣溶膠在天氣尺度上的輻射強(qiáng)迫和對(duì)地面氣溫影響的研究,楊雨靈[21]對(duì)華北地區(qū)一次強(qiáng)霧-霾污染的天氣學(xué)效應(yīng)分析.本文充分利用天津天河超算中心大型機(jī)計(jì)算能力,發(fā)揮大氣化學(xué)模式WRF/chem的在線優(yōu)勢,模擬2015年全年天津地區(qū)有無氣溶膠直接氣候效應(yīng)條件下空氣質(zhì)量和天氣尺度氣象要素的變化,定量表述天津地區(qū)天氣-氣溶膠-天氣-空氣質(zhì)量之間的關(guān)系,以期提升天津地區(qū)重污染天氣和空氣質(zhì)量的預(yù)報(bào)預(yù)警水平.

1 研究方法

1.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)

模式驗(yàn)證的氣象數(shù)據(jù)取自天津市 13個(gè)區(qū)級(jí)氣象站數(shù)據(jù),空氣質(zhì)量檢驗(yàn)數(shù)據(jù)來自天津環(huán)境監(jiān)測中心發(fā)布的 27個(gè)站逐小時(shí)的空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù),計(jì)算日值均以氣象日為準(zhǔn),數(shù)據(jù)經(jīng)過嚴(yán)格控制比對(duì).

1.2 模式設(shè)置

WRF/chem模式[22-27]是NCAR和NOAA聯(lián)合一些大學(xué)和研發(fā)機(jī)構(gòu)開發(fā)的中尺度在線大氣化學(xué)模式,模式考慮大氣污染的化學(xué)過程,平流輸送,湍流擴(kuò)散、干濕沉降過程,在全球空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)和模擬中有廣泛的運(yùn)用.本文采用 WRF/ chem3.5.1版本,氣相化學(xué)過程采用CBMZ機(jī)制,氣溶膠過程采用MOSAIC模型,主要物理過程設(shè)置如下:積云對(duì)流方案采用Grell-3D,微物理過程采用WSM5,長波輻射方案和短波輻射方案均采用RRTMG,邊界層方案使用YSU方案,模式水平分辨率 15km,水平網(wǎng)格 121×121,中心經(jīng)緯度為39N°,117E°,垂直方向分為41層.

在研究中,為對(duì)比分析氣溶膠直接氣候效應(yīng)對(duì)氣象和空氣質(zhì)量影響,設(shè)計(jì)2種情景,情景1考慮氣溶膠直接氣候效應(yīng),情景2不考慮氣溶膠直接氣候效應(yīng).模式的人為排放源清單使用清華大學(xué)MEIC 2012,分辨率0.25°×0.25°,在天津地區(qū)使用27個(gè)空氣質(zhì)量監(jiān)測站實(shí)況數(shù)據(jù)和相關(guān)排放源統(tǒng)計(jì)信息進(jìn)行時(shí)空的細(xì)化,氣象初始場和背景場均使用NECP的FNL全球1°×1°數(shù)據(jù),模擬時(shí)間為2015年1月1日～12月31日,模擬采用24h滾動(dòng)計(jì)算,每24h重新使用一次FNL氣象初始場,而污染初始場則為上一次的模擬值.

2 結(jié)果與討論

2.1 模式性能檢驗(yàn)

要討論氣溶膠直接氣候效應(yīng)對(duì)氣象和空氣質(zhì)量的影響,首先要確定在線大氣化學(xué)模式氣溶膠模擬的準(zhǔn)確性,為驗(yàn)證模式模擬的性能,對(duì)情景1(考慮氣溶膠直接氣候效應(yīng))在線大氣化學(xué)模式結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn),檢驗(yàn)內(nèi)容包括:PM2.5、氣溫、相對(duì)濕度和氣壓.

基于2015年天津地區(qū)環(huán)境監(jiān)測中心發(fā)布的逐小時(shí)PM2.5監(jiān)測數(shù)據(jù)(27站),天津地區(qū)13個(gè)區(qū)級(jí)氣象站的氣溫、相對(duì)濕度和海平面氣壓計(jì)算日值(氣象日).由表1顯示,在線大氣化學(xué)模式模擬性能良好,從均值、相關(guān)系數(shù)、相對(duì)誤差、絕對(duì)誤差和相對(duì)均方根誤差上分析,模擬的氣象要素與實(shí)況趨勢一致,模擬結(jié)果可信.以PM2.5為例,模擬均值72.95μg/m3,實(shí)況均值71.56μg/m3,相關(guān)系數(shù)0.76(圖1),相對(duì)誤差31.7%,其中36%的樣本模擬值與實(shí)況值誤差小于 10μg/m3,52%樣本誤差小于 15μg/m3;62%的樣本誤差小于 20μg/m3, 70%的樣本誤差小于 25μg/m3,天津在線大氣化學(xué)模式模擬的 PM2.5趨勢與實(shí)況基本一致,數(shù)值接近.

表1 天津在線大氣化學(xué)模式觀測值與模擬值對(duì)比Table 1 The statistical correlation between observation data and simulated data with WRF/chem

圖1 2015年模擬PM2.5質(zhì)量與實(shí)況對(duì)比Fig.1 Comparison of simulation and observation of PM2.5with WRF/chem

為進(jìn)一步驗(yàn)證模型氣溶膠直接氣候(輻射)效應(yīng)模擬的準(zhǔn)確性,對(duì)比模型增加氣溶膠直接氣候效應(yīng)后的地面太陽輻射模擬值與實(shí)況值,其相關(guān)系數(shù)為0.92,相對(duì)誤差15%,而沒有增加氣溶膠直接氣候效應(yīng)地面太陽輻射模擬值與實(shí)況相關(guān)系數(shù)為0.88,相對(duì)誤差27.8%,增加氣溶膠直接氣候效應(yīng)后模擬的地面太陽輻射相關(guān)系數(shù)更高,相對(duì)誤差更小,可認(rèn)為 WRF/chem. 模式氣溶膠直接氣候效應(yīng)參數(shù)設(shè)計(jì)相對(duì)科學(xué)合理,此外 WRF/ chem模式由NCAR和NOAA聯(lián)合開發(fā),其氣溶膠直接氣候效應(yīng)模塊被大量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)采用[28-32],在保證模式大氣污染物模擬準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上,其氣候效應(yīng)的模擬合理可信.

2.2 氣溶膠直接氣候效應(yīng)對(duì)地面太陽輻射的影響

氣溶膠直接氣候效應(yīng)指氣溶膠通過吸收和散射,減少到達(dá)地面的太陽輻射,從而影響地-氣系統(tǒng)輻射平衡的作用.圖2顯示,天津地區(qū)受氣溶膠直接氣候效應(yīng)影響,2015年全年導(dǎo)致到達(dá)地面太陽輻射減少 27.42W/m2,約為到達(dá)地面太陽輻射的14.6%,從量值上,影響最為顯著的是6～7月份,影響值在 40W/m2,從百分率上看,影響最為顯著的是每年的11月～次年2月,約為18%～ 25%的太陽輻射因?yàn)楸淮髿庵袣馊苣z吸收和散射而未能到達(dá)地面,其余月份的影響在10%～ 15%之間.從日變化情況分析,午間的影響量值最大,可以達(dá)到日均值的 274%,而白天 8:00～17:00約為69.7W/m2,尤其是 PM2.5質(zhì)量濃度超過115μg/m3以后,對(duì)地面太陽輻射的減弱大約是 27%,其中68%的概率使得地面太陽輻射減少 20%以上,當(dāng)出現(xiàn)重污染天氣(PM2.5質(zhì)量＞150μg/m3),對(duì)地面太陽輻射的減弱大約是 33%,其中最小的是14.6%,最大的達(dá)到52%,重污染天氣的發(fā)生,極大的改變了原有的地－氣之間輻射平衡,顯著的減少到達(dá)地面的太陽輻射.

圖2 2015年天津PM2.5質(zhì)量濃度與地面太陽輻射減少百分率的關(guān)系Fig.2 The relationship between PM2.5mass concentration and solar radiation rate of decline on Tianjin

2.3 氣溶膠直接氣候效應(yīng)對(duì)氣象場的影響

氣溶膠對(duì)氣象場的影響通過對(duì)地-氣輻射平衡的影響而實(shí)現(xiàn),由于氣溶膠的作用,到達(dá)地面的太陽輻射減少,地表溫度下降,而大氣由于黑碳?xì)馊苣z的存在,吸收了更多的太陽輻射,從而導(dǎo)致大氣溫度升高,從而改變原有的邊界層熱力和動(dòng)力結(jié)構(gòu),進(jìn)一步影響水汽、湍流、感熱、潛熱的輸送,使得近地層氣象要素發(fā)生變化.從 2015年全年數(shù)據(jù)分析,由于氣溶膠直接氣候效用的存在,天津地區(qū)近地面氣溫下降 0.21℃,風(fēng)速減少 1.1%,相對(duì)濕度增加 1.4%,邊界層高度下降 6.3%.就不同月份而言氣溫的下降呈現(xiàn)冬高春夏低的格局,冬季 11～12月由于氣溶膠直接氣候效應(yīng)引起的氣溫下降超過0.3℃,而5月和8月不到0.15℃(圖3).從邊界層高度分析(圖4),除6月出現(xiàn)了50m以上的降幅,其余均維持在30m左右的降幅,但由于冬季邊界層本身高度較低,其下降比例可以達(dá)到9%～10%,極大的影響大氣污染擴(kuò)散條件.當(dāng)出現(xiàn)中度及以上污染天氣時(shí),氣溫均值下降0.43℃,邊界層高度下降59m,約為21.2%,風(fēng)速下降3%,濕度增加3%,無論是濕度、風(fēng)速、氣溫、邊界層高度其變化幅度均顯著高于均值,且變化方向均為不利于大氣污染物擴(kuò)散.

表2 氣溶膠直接氣候效應(yīng)對(duì)氣象因素影響Table 2 the impact of aerosol indirect climate effect with meteorological conditions

圖3 2015年天津市氣溶膠直接氣候效應(yīng)引起的氣溫下降Fig.3 The value of temperature dropped cause by aerosol direct climate effect

圖4 2015年天津市氣溶膠直接氣候效應(yīng)引起的邊界層高度下降百分率Fig.4 Boundary layer height decreased in percentage cause by aerosol direct climate effect

2.4 氣溶膠直接氣候效應(yīng)對(duì)空氣質(zhì)量的影響

氣溶膠直接氣候效應(yīng)對(duì)空氣質(zhì)量的影響,可表述為天氣-氣溶膠-天氣-空氣質(zhì)量的循環(huán)反饋?zhàn)饔?從 2015年數(shù)據(jù)分析,由于氣溶膠直接氣候效應(yīng)的存在對(duì)空氣質(zhì)量影響大致可以分為兩個(gè)方面,一是通過輻射平衡改變大氣穩(wěn)定度和氣象擴(kuò)散條件,從而影響空氣質(zhì)量,主要針對(duì)與PM2.5、PM10和SO2等大氣污染物,此類大氣污染一般是隨著大氣氣溶膠含量的增加,反饋?zhàn)饔迷綇?qiáng),空氣質(zhì)量越差;另一種主要通過氣溶膠減少到達(dá)地面的太陽輻射,從而影響光反應(yīng)條件,主要針對(duì) O3等光化學(xué)污染物,此類大氣污染可能隨著 PM2.5的增加,到達(dá)地面的太陽輻射減少,光化學(xué)強(qiáng)度降低,大氣污染物質(zhì)量濃度反而降低.從 2015年全年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析(圖 5),在天津地區(qū)由于天氣-氣溶膠-天氣-空氣質(zhì)量的循環(huán)反饋,可以導(dǎo)致全年P(guān)M2.5增加3μg/m3,約為4.1%,PM10增加5.5μg/m3,約為4.5%,SO2增加1.2μg/m3,約為4%,而由于氣溶膠影響光化學(xué)條件導(dǎo)致的 O3濃度減少約為1.4μg/m3,約為2.4%.

氣溶膠直接氣候效應(yīng)作用與氣象擴(kuò)散條件對(duì)的空氣質(zhì)量影響,隨著大氣中氣溶膠含量的增加不斷增加, 2015年全年模擬資料顯示(圖6),隨著細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度的增加,情景 1(考慮氣溶膠直接氣候效應(yīng))和情景2(不考慮氣溶膠直接氣候效應(yīng))模擬得到的 PM2.5質(zhì)量濃度差值明顯增加,并且從擬合曲線說明,由于天氣-氣溶膠-天氣-氣溶膠循環(huán)反饋?zhàn)饔靡鸬腜M2.5質(zhì)量增加并不是線性的,在重污染天氣時(shí),大氣中高濃度的細(xì)顆粒物存在,減少到達(dá)地面輻射,使得大氣趨于穩(wěn)定,邊界層高度降低,濕度增加,近地面風(fēng)速減少,大氣擴(kuò)散條件越發(fā)趨于不利于污染物擴(kuò)散,氣溶膠直接氣候效應(yīng)使得重污染天氣PM2.5質(zhì)量濃度的增加越發(fā)明顯,在2015年統(tǒng)計(jì)的28個(gè)重污染天氣中,上述循環(huán)反饋平均使得 PM2.5增加11.7μg/m3,約為6.4%,高于良好天氣的1.23μg/m3,約為2.6%,也高于均值的3μg/m3,約為4.1%.

圖5 2015年天津市氣溶膠直接氣候效應(yīng)引起空氣質(zhì)量變化Fig.5 The value of air quality change cause by aerosol direct climate effect

從季節(jié)分析,天氣-氣溶膠-天氣-氣溶膠的循環(huán)反饋?zhàn)饔脤?duì)空氣質(zhì)量影響并不局限在秋冬季節(jié),每年的6月到次年的2月,由于氣溶膠直接氣候效應(yīng)引起的 PM2.5質(zhì)量濃度增加均在3～4μg/m3,而春季由于較為干燥,氣溶膠光學(xué)厚度較低,且風(fēng)速較大,反饋引起的氣象條件改變較小,引起的PM2.5質(zhì)量濃度增加在2μg/m3以下,從時(shí)間上分析,由于氣溶膠直接氣候效應(yīng)主要通過氣溶膠吸收和散射太陽輻射而對(duì)大氣穩(wěn)定等產(chǎn)生影響,進(jìn)一步改變大氣污染擴(kuò)散條件,所以其導(dǎo)致的 PM2.5質(zhì)量濃度增加最主要的出現(xiàn)在白天,其躍升的時(shí)間段主要為8:00～10:00和16:00,原因可能是上述 2個(gè)時(shí)間段大氣穩(wěn)定的變化比較劇烈,當(dāng)大氣中存在大量的細(xì)顆粒物時(shí),大氣穩(wěn)定度從穩(wěn)定向不穩(wěn)定轉(zhuǎn)化明顯減慢,或者大氣穩(wěn)定度從不穩(wěn)定向穩(wěn)定明顯加速,導(dǎo)致反饋?zhàn)饔弥谐霈F(xiàn)較大的PM2.5質(zhì)量濃度差值.

圖6 氣溶膠直接氣候效應(yīng)引起PM2.5質(zhì)量濃度變化(2015年,天津)Fig.6 The value of PM2.5mass concentration change cause by aerosol indirect climate effect

此外,為更清晰的掌握天氣-氣溶膠-天氣-氣溶膠的循環(huán)對(duì) PM2.5質(zhì)量濃度影響,統(tǒng)計(jì)全年365個(gè)日均值樣本,PM2.5質(zhì)量濃度增加極值為31μg/m3,超過20μg/m3占 1.4%,超過10μg/m3占7.9%,超過5μg/m3占21.2%.有44.6%的天數(shù)反饋?zhàn)饔糜绊懖幻黠@,引起的 PM2.5質(zhì)量濃度增幅小于1μg/m3.

2.6 氣溶膠直接氣候效應(yīng)的大氣污染反饋強(qiáng)弱影響因素

氣溶膠直接氣候效應(yīng)的大氣污染反饋影響因素比較復(fù)雜,其可能受到如下幾個(gè)因素的影響:一是大氣中氣溶膠質(zhì)量濃度,統(tǒng)計(jì)顯示隨著PM2.5質(zhì)量濃度(氣溶膠)的增加,反饋?zhàn)饔貌粩嘣鰪?qiáng),重污染天氣導(dǎo)致 PM2.5質(zhì)量濃度平均增幅為6.4%,顯著高于清潔日的 2.6%.二是云和太陽高度角的影響,白天反饋?zhàn)饔蔑@著高于夜間.不同云量規(guī)律反應(yīng)如下:當(dāng)云量極少時(shí),此類天氣一般高空環(huán)流經(jīng)向性較強(qiáng),雖然減少到達(dá)地面輻射較多,但大氣垂直擴(kuò)散條件也較好,氣溶膠直接氣候效應(yīng)對(duì)大氣穩(wěn)定度的調(diào)整導(dǎo)致增加的PM2.5質(zhì)量濃度并不顯著,當(dāng)云量在3～6層之間,此類過程氣溶膠對(duì)地面輻射調(diào)整明顯,且與對(duì)應(yīng)天氣形勢配合,易出現(xiàn)氣溶膠質(zhì)量濃度的正反饋,當(dāng)云量較多時(shí),呈現(xiàn)兩極分化的格局,此時(shí)氣溶膠對(duì)地面輻射調(diào)整不明顯,易出現(xiàn)一些負(fù)反饋?zhàn)饔?PM2.5質(zhì)量無增加或者略減少),同時(shí)此類過程往往高空環(huán)流平直,大氣穩(wěn)定層結(jié)度高,近地層氣溫的小幅度調(diào)整,都會(huì)導(dǎo)致大氣層結(jié)改變,PM2.5質(zhì)量濃度出現(xiàn)顯著增加.三是天氣形勢的影響,典型的是當(dāng)處于暖舌或者暖平流控制時(shí),由于本身大氣垂直溫差就小或者有逆溫層結(jié),當(dāng)氣溶膠減少到達(dá)地面輻射時(shí),會(huì)顯著的增加大氣穩(wěn)定度,減弱湍流的促發(fā),從而導(dǎo)致大氣污染的顯著加重,而冷平流影響時(shí),上下層溫差大,由氣溶膠引起的大氣穩(wěn)定層結(jié)調(diào)整對(duì)大氣污染擴(kuò)散的影響就較小

3 結(jié)論

3.1 以 2015年統(tǒng)計(jì),天津地區(qū)氣溶膠直接氣候效應(yīng)導(dǎo)致地面太陽輻射下降 27.42W/m2,約為到達(dá)地面太陽輻射的14.6%,氣溫下降0.21℃,風(fēng)速減少 1.1%,相對(duì)濕度增加 1.4%,邊界層高度下降6.3%.當(dāng)出現(xiàn)中度及以上污染天氣時(shí),氣溫均值下降0.43℃,邊界層高度下降59m,約為21.2%,風(fēng)速下降3%,濕度增加3%.大氣污染天氣發(fā)生時(shí)通過氣溶膠直接氣候效應(yīng),促使氣象條件進(jìn)一步不利于大氣污染物的擴(kuò)散.

3.2 天氣-氣溶膠-天氣-氣溶膠的循環(huán)反饋指當(dāng)不利氣象條件的出現(xiàn)時(shí),大氣擴(kuò)散條件轉(zhuǎn)差,導(dǎo)致 PM2.5為首要污染物的重污染天氣發(fā)生,而重污染天氣的發(fā)生,大氣環(huán)境存在大量的小粒子,其通過散射和吸收減少了到達(dá)地表的太陽輻射,從而導(dǎo)致大氣湍流減弱,邊界層高度降低,大氣更加趨于穩(wěn)定,氣象條件趨于更加不利于大氣污染物擴(kuò)散,從而導(dǎo)致大氣中氣溶膠含量進(jìn)一步增加的現(xiàn)象.2015年全年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,在天津地區(qū)由于天氣-氣溶膠-天氣-氣溶膠的循環(huán)反饋,可以導(dǎo)致全年P(guān)M2.5增加3μg/m3,約為4.1%,PM10增加5.5μg/m3,約為4.5%,SO2增加1.2μg/m3,約為4%,而由于氣溶膠影響光化學(xué)條件導(dǎo)致的O3濃度減少約為1.4μg/m3,約為2.4%.

3.3 在2015年統(tǒng)計(jì)的28個(gè)重污染天氣中,天氣-氣溶膠-天氣-氣溶膠循環(huán)使得 PM2.5質(zhì)量濃度增加 11.7μg/m3,約為 6.4%,顯著高于良好天氣的1.23μg/m3,約為2.6%,也高于均值的3μg/m3,約為4.1%.重污染天氣過程中氣溶膠直接氣候效應(yīng)對(duì)氣溶膠的反饋?zhàn)饔酶鼮槊黠@.

[1] 穆 穆,張人禾.應(yīng)對(duì)灰霾天氣:氣象科學(xué)與技術(shù)大有可為 [J].中國科學(xué):地球科學(xué), 2014,44(1):1-2.

[2] 王躍思,張軍科,王莉莉,等.京津冀區(qū)域大氣霾污染研究意義、現(xiàn)狀及展望 [J]. 地球科學(xué)進(jìn)展, 2014,29(3):388-389.

[3] 孫兆彬,陶 燕,崔甍甍,等.北京地區(qū)奧運(yùn)會(huì)期間PM2.5對(duì)心腦血管疾病的影響 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2015,35(11):3481-3488.

[4] 羅云峰,周秀驥,李維亮.大氣氣溶膠輻射強(qiáng)迫及氣候效應(yīng)的研究現(xiàn)狀 [J]. 地球科學(xué)進(jìn)展, 1998,(6):63-72.

[5] 周秀驥,李維亮,羅云峰.中國地區(qū)大氣氣溶膠輻射強(qiáng)迫及區(qū)域氣候效應(yīng)的數(shù)值模擬 [J]. 大氣科學(xué), 1998,13(4):34-43.

[6] 肖鐘湧,江 洪.長江三角洲地區(qū)大氣頂氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫遙感估算 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2013,33(5):799-807.

[7] 吳蓬萍,韓志偉.東亞地區(qū)硫酸鹽氣溶膠間接輻射和氣候效應(yīng)的數(shù)值模擬研究 [J]. 大氣科學(xué), 2011,35(3):547-559.

[8] 李 陽,宋 娟,孫 磊.我國硫酸鹽氣溶膠氣候效應(yīng)的數(shù)值模擬 [J]. 氣象研究與應(yīng)用, 2015,36(3):13-21.

[9] 吳蓬萍,周長春.人為源氣溶膠的間接氣候效應(yīng)研究綜述 [J].高原山地氣象研究, 2013,33(2):84-92.

[10] 張小曳,孫俊英,王亞強(qiáng),等.我國霧-霾成因及其治理的思考 [J].科學(xué)通報(bào), 2013,58(13):1178-1187.

[11] Liu X, Xie X, Yin Z Y, et al. A modeling study of the effects of aerosols on clouds and precipitation over East Asia [J]. Theor. Appl. Climatol., 2011,106(3):343–354.

[12] Zhang Q, Quan J N, Tie X X, et al. Impact aerosol particles on cloud formation under different cloud water conditions: Aircraft meas-urements in Beijing, China [J]. Atmos. Environ., 2010, 45(3):665–672.

[13] Deng Z Z, Zhao C S, Ma N, et al. Size-resolved and bulk activation properties of aerosols in the north China plain: The importance of aerosol size distribution in the prediction of CCN number concentration [J]. Atmos. Chem. Phys., 2011,11(8):3835–3846.

[14] Zhang Q, Meng J, Quan J, et al. Impact of aerosol composition on cloud condensation nuclei activity [J]. Atmos. Chem. Phys., 2012, 12(8):3783–3790.

[15] 賈星燦,郭學(xué)良.人為大氣污染物對(duì)一次冬季濃霧形成發(fā)展的影響研究 [J]. 大氣科學(xué), 2012,36(5):995-1008.

[16] 宿興濤,許麗人,魏 強(qiáng),等.東亞地區(qū)沙塵氣溶膠對(duì)降水的影響研究 [J]. 高原氣象, 2016,35(1):211-219.

[17] 張 穎,王體健,莊炳亮,等.東亞海鹽氣溶膠時(shí)空分布及其直接氣候效應(yīng)研究 [J]. 高原氣象, 2014,33(6):1551-1561.

[18] 黃文彥,沈新勇,王 勇,等.亞洲地區(qū)碳?xì)馊苣z的時(shí)空特征及其直接氣候效應(yīng) [J]. 大氣科學(xué)學(xué)報(bào), 2015,38(4):448-457.

[19] 王東東,朱 彬,江志紅,等.硫酸鹽氣溶膠直接輻射效應(yīng)對(duì)東亞副熱帶季風(fēng)進(jìn)程的影響 [J]. 大氣科學(xué), 2014,38(5):897-908.

[20] 廖 禮,漏嗣佳,符 瑜,等.中國東部氣溶膠在天氣尺度上的輻射強(qiáng)迫和對(duì)地面氣溫的影響 [J]. 大氣科學(xué), 2015,39(1):68-82. [21] 楊雨靈,譚吉華,孫家仁,等.華北地區(qū)一次強(qiáng)霧霾污染的天氣學(xué)效應(yīng) [J]. 氣候與環(huán)境研究, 2015,20(5):555-570.

[22] 郝子龍,蔡恒明,王慧鵬,等.面向WRF/Chem模式MOSAIC氣溶膠方案的資料同化實(shí)現(xiàn) [J]. 氣象水文海洋儀器, 2014,(4):1-6. [23] 張小玲,唐宜西,熊亞軍,等.華北平原一次嚴(yán)重區(qū)域灰霾天氣分析與數(shù)值預(yù)報(bào)試驗(yàn) [J]. 中國科學(xué)院大學(xué)學(xué)報(bào), 2014,31(3): 337-344.

[24] 趙秀娟,徐 敬,張自銀,等.北京區(qū)域環(huán)境氣象數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)及PM2.5預(yù)報(bào)檢驗(yàn).應(yīng)用氣象學(xué)報(bào), 2016,27(2):160-172.

[25] 高 怡,張美根. 2013年1月華北地區(qū)重灰霾過程及其成因的模擬分析 [J]. 氣候與環(huán)境研究, 2014,19(2):140-152.

[26] 周廣強(qiáng),謝 英,吳劍斌,等.基于 WRF-Chem模式的華東區(qū)域PM2.5預(yù)報(bào)及偏差原因 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2016,36(8):2251-2259.

[27] 韓素芹,馮銀廠,邊 海,等.天津大氣污染物日變化特征的WRF-Chem數(shù)值模擬 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2008,28(9):828-832.

[28] Sumita Kedia, Ribu Cherian, Sahidul Islam,et al. Regional simulation of aerosol radiative effects and their influence on rainfall over India using WRFChem model [J]. Atmospheric Research, 2016,182:232-242.

[29] Crippa P, Sullivan R C, Thota A, et al. Evaluating the skill ofhigh-resolution WRF-Chem simulations in describing drivers of aerosol direct climate forcing on the regional scale [J]. Atmos. Chem. Phys., 2016,16(1):397–416.

[30] Forkel R, Werhahn J, Hansen A B, et al. Effect of aerosolradiation feedback on regional air quality – A case study with WRF/Chem [J]. Atmospheric Environment, 2012,53(6):202-211.

[31] Forkel R, Werhahn J, Suppan P. Case studies on aerosol feedback for Europe with WRF-Chem[C]// EGU General Assembly Conference. EGU General Assembly Conference Abstracts, 2013.

[32] Wang J, Allen D J, Pickering K E, et al. Impact of Aerosol Direct Effect on East Asian Air Quality During the EAST-AIRE Campaign [J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 2016,121:6534–6554.

The influence of the air quality and meteorological field about Aerosol direct climate effect on Tianjin.

CAI Zi-ying1,2*, YAO Qing1,2, HAN Su-qin2, Liu Jin-le2(1.Tianjin Environmental Meteorological Center, Tianjin 300074, China；2.Tianjin Institute of Meteorology, Tianjin 300074, China). China Environment Science, 2017,37(3)：908～914

Assuming two case, one was Aerosol direct radiation effect considered, two was Aerosol direct radiation effect not considered, Simulation the change of air quality and meteorological field during 2015 year by WRF/chem model, Quantitative analysis Relationship about weather-air quality-weather-air quality. The results showed: aerosol direct radiation effect led to the solar radiation reduced by 27.42W/m2, temperature reduced by 0.21 , wind speed reduced by℃ 1.1%, relative humidity increased by 1.4%, the boundary layer height mass concentration during 2015 year on Tianjin, meteorological conditions changed to uneasily diffusion. Due to the aerosol direct radiation effect, PM2.5mass concentration increased by 3μg/m3, PM10mass concentration increased by 5.5μg/m3, SO2mass concentration increased by 1.2μg/m3, but O3mass concentration reduced by 1.4μg/m3cause by the decrease of solar radiation. Analysis that the the change of PM2.5mass concentration about ship of weather-air quality-weather-air quality was not liner, Heavy pollution weather is significantly stronger than the cleanup day and the average condition, which leads to heavy pollution weather air quality become worse.

WRF/CHEM；aerosol direct climate effect；air quality；Tianjin

X131.1

A

1000-6923(2017)03-0908-07

蔡子穎(1984-),男,江蘇揚(yáng)州人,高級(jí)工程師,南京信息工程大學(xué)碩士研究生,主要從事大氣環(huán)境和氣候效應(yīng)研究.發(fā)表論文9篇.

2016-07-19

中國氣象局預(yù)報(bào)員專項(xiàng)(CMAYBY2016-005);環(huán)保公益行業(yè)專項(xiàng)(201409001);國家科技支撐計(jì)劃(2014BAC23B01)

* 責(zé)任作者, 高級(jí)工程師, 120078030@163.com