华北城市烟羽演变规律及其对跨界输送影响的数值模拟研究

The so-called "regional and complicated air pollution" is one of serious problems in atmospheric environment in China. Examining the chemical evolution of urban plumes is crucial for reduing air pollution levels in China.3-D air quality models are appropriate to estimate the impact of urban plumes on regional air pollutants. However, current 3-D models suffer from serveral limitations if applied to the simulation of evolution of aerosol mixing states in urban plumes.. The objective of this study is to examine the changes of aerosol mixing states in urban plumes in North China Plain by a regioanl air quality model(NAQPMS) and in-situ observations. For this objective,an advanced particle microphysics model and a sub-grid scale plume model are to be developed. The interaction mechanism between muti-scale urban plumes and its impact on trans-boundary transport of pollutants in North China Plain will be also studied. This study will provide a scientific basis for controling air pollution levels in China.

区域复合型污染是我国当前大气环境面临的主要问题，阐明城市烟羽的演变规律则是解决这一问题的关键。作为重要的研究手段，三维数值模式在城市烟羽中气溶胶合过程等方面的模拟效果还不甚理想。本项目拟在观测分析的基础上，发展气溶胶多混合状态模拟方法、改善城市烟羽次网格模拟方案，建立多尺度气溶胶混合状态的区域空气质量模拟系统，研究气溶胶混合状态在我国华北城市烟羽中的演变规律，揭示不同尺度烟羽的相互作用机制，最终评估混合过程对城市间跨界输送的影响。该研究为我国控制区域复合型大气污染以及区域联防联控提供科学实践基础。

华北是我国区域大气复合污染最为严重的地区，了解该地区大气气溶胶混合状态特征，掌握区域输送对重污染的影响是有效控制大气污染的前提，也是目前三维空气质量模式的难点。本研究在自主研发空气质量模式NAQPMS的基础上，通过耦合气溶胶多混合态和次网格模拟技术，将NAQPMS的模拟能力由单一外部混合提升为外部混合和核-壳混合在内的多混合态同时模拟，也提高了模式对次网格物理过程的模拟能力。利用该系统，模拟了华北地区气溶胶的混合状态和城市间相互输送对重污染的影响。结果发现，核壳混合是华北地区大气气溶胶的主要混合形式，城市间的相互输送是北京气溶胶“爆发性”增长的主要原因之一，输送过程中粒子间的强烈碰并以及气态前体物在气溶胶表面的快速附着，形成了核壳混合气溶胶。在重污染期间，种子气溶胶（不可溶一次气溶胶）的包裹层甚至可与其本身大小相当。本研究结果有利提高我国华北地区空气质量的预报预警能力，为有效制定空气污染管控措施提供科学支持。