长三角地区霾天气形成机理和预报方法研究

【摘要】霾天气是一种由大量极细微的均匀悬浮在空气中的尘粒导致空气混浊和能见度下降的城市和区域性的污染现象,对大气环境、能见度、人体健康、区域及全球气候变化都有重要的影响,近年来受到越来越多的关注。随着社会经济的快速发展和城市化进程的不断加快,长三角地区已经成为中国的主要霾污染区之一,且霾天气有逐渐增多的趋势。因此,开展长三角地区霾天气演变规律和预报方法研究具有重要的理论意义和实用价值。本文在对区域大气环境模拟系统RegAEMS改进的基础上建立了区域霾天气预报系统,结合资料分析研究了长三角地区霾天气的形成机理和时空分布特征,并针对霾天气开展了数值预报研究。主要研究结果如下：首先,研究了长三角地区典型城市(南京、上海、杭州、合肥)能见度特征及其与影响因子的关系。分析表明,2004-2009年长三角地区各城市低能见度天气(能见度小于10km)所占比例为44.22%-83.41%,近年来呈上升趋势(0.8%/a-2.5%/a)。低能见度天气在清晨的发生比例最高(50%-90%),午后最低(20%-70%),当主导风向为偏西北风时该地区更容易出现低能见度。特别地,对南京市霾天气特征进行了重点分析,能见度年均值为8.8km,表现出明显的日变化和季节变化特征：早晨最低(6.6kmm),下午最高(10.7km)；冬季最低(8.1km),夏季最高(9.8km)。能见度不存在明显的“周末效应”,存在明显的天气尺度(2-4天)和准双周尺度(8-16天)的周期变化特征。消光系数与PM10、相对湿度、风速、温度和地表气压的相关系数分别为0.371、0.666、-0.290、0.152和-0.280。天气尺度过程对能见度有明显的影响。2008-2009年南京细颗粒物PM25浓度均值为73μg/m3,能见度与PM2.5呈负相关关系。通过统计分析给出了长三角地区霾天气的判定指标：能见度小于10km,相对湿度小于80%,PM25浓度大于80μg/m3。根据水平能见度建立了霾天气的分级指标：超重度霾(能见度小于2km)、重度霾(能见度大于2km且小于4km)、中度霾(能见度大于4km且小于7km)和轻霾(能见度大于7km且小于10km)。其次,针对2009年10月14-31日发生在长三角地区的一次持续霾天气过程特征及形成机理进行了研究。结果表明,本次污染影响范围很广,以较高的颗粒物浓度、较低的能见度和较低的相对湿度为主要特征,污染最严重的地区主要为南京、扬州、徐州、宿迁和合肥等位于长三角地区中部和北部的城市,其平均API都超过100。持续霾天气期间南京平均相对湿度为61%,PM25和PM1o的平均浓度分别为95-136μtg/m3和192-244μg/m3,比非霾天气期间分别高64%-143%和92%-94%。高空稳定的大气环流形势,地面高压均压场的持续控制,近地面的逆温层,较低的大气边界层高度、持续的静小风、低湿环境和垂直方向上下沉气流的主导作用为本次持续霾污染天气的形成提供了有利的气象条件,秸秆燃烧等外来源的贡献则为此次霾天气提供了可能的污染条件。第三,为了精确模拟细颗粒物及前体物,建立了包含非均相化学过程和液相化学过程的箱模式,并通过敏感性试验研究影响多相化学过程的主要因子。结果表明：非均相化学过程的作用会降低除NO2外的其它微量气体浓度,增加SO42-、N03-和NH4+等二次气溶胶浓度。影响非均相化学过程的主要因子包括粒子浓度和气体吸附系数,粒子浓度和气体吸附系数越大,非均相化学过程的作用越显著,而温度的影响相对较小。由于液相化学过程的作用,SO2、NO2、O3和H202等气体浓度都有不同程度的减少,而SO42-、NO3和NH4+等气溶胶的浓度都有不同程度的增加。影响液相化学过程的主要因子包括液水含量、液滴半径、液水温度和气体初始浓度。液水含量越高、液滴半径越小、液水温度越低,气体初始浓度越高,离子浓度就越高。第四,基于美国环保局EPA的AP-42方法和欧洲环保局EEA的COPERTIV机动车排放模型,分别建立了2006-2008年长三角地区以城市为单位的铺装道路扬尘排放清单和机动车污染物的分省排放清单,并给出了其相应的空间分布,为霾天气预报提供了数据基础。结果表明,2008年长三角地区铺装道路扬尘中PM2.5、PM10和TSP的排放量分别为53.9、216.5和538.8万吨,且城市铺装道路扬尘的排放量呈现随时间明显增加的趋势(15.6%/a)。2008年长三角地区机动车PM10、PM2.5、BC、OC、SO2和NOx的排放总量分别为5.62、4.89、2.17、1.64、96.04和5.89万吨。道路扬尘和机动车排放存在明显的空间分布差异,高值主要集中在江苏南部以及上海等经济较发达地区。最后,对区域大气环境模拟系统RegAEMS进行了改进,包括加入大气多相化学过程模块和能见度计算模块,对人为排放源进行更新,建立了长三角区域霾天气预报系统。通过对2009年长三角地区的回顾性预报,对改进的模式系统进行了性能检验,结果表明霾天气预报系统对长三角地区的气象场、颗粒物和能见度具有较好的预报性能,等级预报准确率达到70.8%,不分等级和分等级的霾天气预报TS评分分别为73.2%和70.2%。此外,研究发现长三角地区的霾天气呈现显著的时空分布特征,主要出现在泰州、扬州和苏州等江苏中南部地区,秋季霾天气最为严重,影响区域范围最广,夏季霾天气强度最小,范围也较小。预报系统对2009年10月14-31日的持续霾天气具有较好的预报性能,能够预报出该过程的气象要素、PM2.5浓度和能见度的时间变化特征。
【作者】邓君俊；
【导师】王体健；
【作者基本信息】南京大学，大气物理学与大气环境，2011，博士
【关键词】长三角地区；霾天气；形成机理；预报方法；多相化学；

【参考文献】
[1]赵琳娜.恶性肿瘤合并急慢性肾衰竭患者VEGF表达及CVVH干预效果的研究[D].河北医科大学,内科学,2013,硕士.
[2]宋明冬.铈掺杂二氧化钛纳米管的制备及光催化性能研究[D].吉林大学,材料学,2014,硕士.
[3]韩惠孚.克罗斯(CROSS)公司的组合机床(上)[J].组合机床与自动化加工技术.1989(12)
[4]周瑛,卢晗锋,王稚真,陈银飞.VOCs和水在Y型分子筛表面的竞争吸附[J].环境工程学报,2012,05:1653-1657.
[5]尚永辉.基于演化博弈的IT外包知识转移问题研究[D].西安电子科技大学,管理科学与工程,2012,硕士.
[6]孙学敏.铝合金搅拌摩擦点焊温度场及流场研究[D].兰州理工大学,材料加工工程,2014,硕士.
[7]柯良芳.罗汉果茎叶有效物质部位的血清药物化学和药代动力学研究[D].湖北中医药大学,中药学,2013,硕士.
[8]付荣华.股市大鳄·第一季之英雄崛起(7)[J].股市动态分析,2014,14:87-88.
[9]王海娃.浅析纳米电子技术的发展与展望[J].福建电脑,2014,10:83-84.
[10]石红.芯片级原子钟激光调制及CPT信号解调研究[D].苏州大学,微电子学与固体电子学,2014,硕士.
[11]王铃.1-薄荷醇合成工艺研究[D].浙江大学,应用化学,2013,硕士.
[12]范尧尧.南航呼叫系统的分析与设计[D].云南大学,软件工程,2012,硕士.
[13]周艳.基于数字滤波器的图像清晰化研究及应用[D].云南大学,软件工程,2012,硕士.
[14]聂玉波.论微博意见表达的价值取向与社会效应[D].东北师范大学,传播学,2012,硕士.
[15]金艳.尿微量蛋白在危重症患者早期肾损伤中的临床价值初探[D].北京中医药大学,中西医结合临床,2014,硕士.
[16]李妍,毛志忠,王福利,王琰.电弧炉电极调节系统的自适应死区补偿控制[J].控制与决策,2010,10:1474-1478.
[17]周小成,汪小钦.遥感影像数据挖掘研究进展[J].遥感信息,2005,03:58-62+42.
[18]宋可加.直接剪切型锚栓钢板抗扭加固钢筋混凝土梁有限元分析和试验研究[D].重庆大学,建筑与土木工程（专业学位）,2014,硕士.
[19]裴圣军.萨缪尔森经济伦理思想研究[D].中共中央党校,伦理学,2014,博士.
[20]张静.成人在线学习支持系统的设计研究[D].江西师范大学,教育技术学,2004,硕士.
[21]陈蔚.基于受激布里渊散射的温跃层探测研究[D].南昌航空大学,光学工程,2013,硕士.
[22]范家琛.众筹商业模式研究[J].企业经济,2013,08:72-75.
[23]任薪宇.西部基层职务犯罪案件的防范与控制[D].西南政法大学,法律（专业学位）,2012,硕士.
[24]孙占宇.收益法在房地产估价应用中主要参数的探析[D].中国社会科学院研究生院,区域经济学,2003,硕士.
[25]孙利华.王不留行籽耳穴压豆改善脑血管意外患者睡眠障碍的临床观察[D].浙江大学,护理学,2013,硕士.
[26]张宏伟.填埋场斜坡上土工膜受力特性离心模型试验研究[D].浙江大学,岩土工程,2013,硕士.
[27]雷静波.居住建筑单侧通风设计策略的研究[D].华中科技大学,建筑学,2013,硕士.
[28]霍明翠.基于商品销售价格变动的回购契约下供应链协调模型研究[D].东北大学,管理科学与工程,2010,硕士.
[29]孙再吉.美国研究人员改善石墨烯单晶制造方法有望用于生产商用电子元件和集成电路[J].半导体信息,2011,03:9-10.
[30]余小芳.性别角色的鉴定及其与心理健康、社会适应的关系研究[D].江西师范大学,基础心理学,2004,硕士.
[31]王俊波,胥布工.资源受限的网络控制系统调度[J].控制与决策,2008,05:551-554+559.
[32]席文娟.宁夏石嘴山地区地下水水质模拟与变化趋势分析[D].长安大学,水文学及水资源,2013,硕士.
[33]郎茂祥,胡思继.车辆路径问题的禁忌搜索算法研究[J].管理工程学报,2004,01:81-84.
[34]赵东江,马松艳,白晓波.掺杂石墨烯用作阴极氧还原催化剂的研究进展[J].炭素技术,2015,01:1-5.
[35]张平平.内源性活性氧在血小板膜表面GPIbα酶切中的作用[D].蚌埠医学院,内科学,2013,硕士.
[36]李礼.论设计美学反“低头症”[D].沈阳师范大学,美术,2014,硕士.
[37]陈婷婷.我国农村小额人身保险的新制度经济学分析[D].东北财经大学,保险学,2012,硕士.
[38]牟宗波,王全杰,赵凤艳.纳米材料改性聚氨酯及其在制革中的应用研究进展[J].皮革与化工,2012,05:16-24.
[39]孙凤青.中草药复方制剂“热喘平”治疗奶牛热应激机理研究[D].西南农业大学,临床兽医学,2004,硕士.
[40]安丽.质子化或原位烷基化吡啶指导的银碘酸盐的合成与表征[D].山西师范大学,化学,2014,硕士.
[41]王文文.我国公共危机管理中政府与非营利组织的合作研究[D].大连海事大学,公共管理,2014,硕士.
[42]付兰.右美托咪啶对电点燃癫痫大鼠海马组织中SOD、MDA含量及iNOS表达的影响[D].河北医科大学,神经病学（专业学位）,2014,硕士.
[43]丁啸林.基于改进FCM算法的暴力犯罪特征聚类分析及应用[D].大连海事大学,计算机科学与技术,2013,硕士.
[44]屈世超.面向不确定数据的近似骨架启发式聚类算法[D].大连理工大学,计算机应用技术,2013,硕士.
[45]孙媛.基于压缩感知的数字图像可逆水印算法研究[D].兰州理工大学,通信与信息系统,2013,硕士.
[46]郝文弢.无支撑条状刷式异形砂光工艺的研究[D].北京林业大学,木材科学与技术,2013,硕士.
[47]杨红.铁路与城市轨道交通一体化发展研究[D].北京交通大学,2008.
[48]白金娟.房地产税收调控问题分析[D].首都经济贸易大学,财政学,2013,硕士.
[49]关业萍.美国高校多元评价招生制度的研究[D].沈阳师范大学,教育史,2014,硕士.
[50]蔡明雷1,2,叶文江3,王晓燕1,2,史月华1,2.裸眼3D显示用液晶光栅的设计[J].河北工业大学学报.