大气气溶胶与大气边界层相互反馈对雾霾形成影响的模式研究

In recent years, the frequency of haze events increases a lot over China. The characteristics and formation of haze is receiving more and more attentions from academic circle. Many modeling studies have considered aerosol chemical reactions and physical processes drove by fixed meteorological conditions. However, observational studies have shown that aerosols have effects on radiation, cloud/fog, meteorological conditions inside atmospheric boundary layer (ABL) and the state and evolution of the ABL. This application is planned to use the coupled meteorology-chemistry model Weather Research Forecast-Chem (WRF-Chem) to design simulations to consider the aerosol indirect effect on convective cloud, simulate and evaluate the spatial and temporal distribution of aerosol concentration and optical characteristics, cloud/fog, meteorological elements and characteristics of ABL on typical haze-days at typical areas of China by using the in-situ observations and satellite retrieval datas, conduct sensitivity tests to investigate the effects of aerosol and different aerosol species on radiation at surface and in atmosphere, cloud/fog droplet concentration and size, cloud/fog fraction and radiative forcing, atmospheric condition(e.g., temperature, humidity, wind, precipitation, atmospheric stability and the top of ABL) and as well as the impact of such changes inside ABL on aerosol concentration. The role of the mutual feedback between aerosol and ABL in haze formation in China will be summarized.

近年来我国雾霾天气发生频率不断增高，其特征和成因受到学术界关注。很多模式研究仅考虑固定的气象条件驱动下的大气气溶胶的化学生成和物理过程，但观测研究表明气溶胶会影响边界层内的大气辐射能量平衡、云雾、气象条件、大气边界层状态及其演变过程。本研究拟利用区域天气－大气化学耦合模式 WRF-Chem设计模拟方案，包含气溶胶间接效应对对流云的影响，模拟并利用地基和卫星观测数据全面评估雾霾典型地区和时段处的气溶胶浓度和光学特性、云雾、气象要素以及边界层特征的时空分布，设计敏感性数值试验，研究气溶胶以及不同气溶胶物种对边界层内地表和大气中的辐射、云雾滴的浓度和粒径、云雾量和辐射强迫、大气状态（温度、湿度、风、降水、大气稳定度和边界层高度）的影响以及上述变化对气溶胶浓度的反馈影响，总结气溶胶与边界层的相互反馈在雾霾形成过程中的作用。

按照项目研究计划，开展相关研究工作，并顺利完成了预定研究内容。该项目主要通过应用WRF-Chem模式分别运行包含和不包含气溶胶直接和间接效应的数值实验，分析华北平原大气边界层中气溶胶和气象要素之间的相互反馈。在重雾霾过程期间（2013年1月10–15日），模拟的小时PM2.5地表浓度最高值可达600 μg m-3，大气能见度最低约0.3公里。包含气溶胶反馈的模拟结果与观测值的比较表明，模式可以合理地再现温度、相对湿度、风速和风向、PM2.5地表浓度、大气能见度和气溶胶光学厚度的空间和时间特征。对有无反馈的两个模拟结果进行分析表明，在重雾霾过程期间，在地表有显著的负的气溶胶辐射强迫约为-20–-140 W m-2，在大气层中有显著的正的气溶胶辐射强迫为20–120 W m-2。在北京和天津的城市地区以及河北省南部地区，气溶胶导致白天时段（09：00–18：00）的气象要素发生显著的变化。在重雾霾时期的白天，温度在地表降低0.8–2.8°C，在925hPa附近增加0.1–0.5°C，相对湿度在地表增加约4–12%，在925hPa附近降低1–6%。气溶胶导致的假相当位温廓线的变化显示气溶胶导致大气变得更加稳定，由此带来地表风速降低了0.3 m s-1（10%），大气边界层高度降低了40–200 m（5–30%）。由于更加稳定的大气，1月10–15日09：00–18：00，在北京、天津和河北省南部，与不包含气溶胶反馈的实验中模拟的PM2.5地表浓度相比，平均PM2.5地表浓度增加了10–50μg m-3（2–30%），其中北京、天津、河北省南部区域平均的小时PM2.5地表浓度分别最多增加了50 μg m−3 (70%), 90 μg m−3 (60%) 和80 μg m−3 (40%)。虽然气溶胶浓度在夜间最大，但气象要素的变化的反馈机制导致白天（约10:00和16:00）的PM2.5浓度增加最多。也就是，气溶胶导致了更加稳定的大气，这有利于空气污染物的积累，从而有助于雾霾事件的形成。对黑碳气溶胶的影响的研究表明，中间大气的变化主要是由黑碳气溶胶引起的，黑碳气溶胶对地表的气象要素影响较小，地表附近的变化主要是由散射气溶胶引起的。