人为气溶胶对京津冀地区雾的影响的观测和数值研究

The region of Beijing, Tianjin and Hebei (BTH) is an important industrial base and the political and cultural center of China. The rapid development of industrialization and urbanization has led to a significant increase of anthropogenic pollution emission which induced high aerosol loading and complex composition. The anthropogenic aerosols (AA) affect on the formation and development of fog, so aerosols should be considered in fog research in BTH region. It makes great significance to evaluate the impacts of AA on fog in BTH region. Firstly, aerosols effects on macro and micro characteristics of fog are analyzed from observation in this research. Then the Weather Research & Forecasting model coupled with chemical module (WRF/Chem) and initiated with the anthropogenic emissions in North China Plain are used to investigate the effects of AA on fog. Base on sensitive numerical experiments of fog and aerosols, the effects of concentration and composition of aerosols on boundary structure and fog macro and micro characteristics are estimated. Finally, combining the observational data and simulation results, the influential mechanism are summarized in order to provide a scientific basis for prediction of fog under polluted background.

作为我国的重要工业和政治文化中心，京津冀地区在快速工业化和城市化的同时，也带来了人为排放大气污染物的不断增多。近年来，随着污染的加剧，由此导致的背景气溶胶浓度显著增大及气溶胶组分日益复杂，对该地区雾的生消和发展产生了重要的影响。如何量化这种影响并探究其机理，是亟待解决的科学问题。本研究以雾的观测资料为基础，在近50年气溶胶对北京雾的宏观特征影响以及雾个例中气溶胶与雾微结构关系的事实分析的基础上，利用成熟的气象-化学双向耦合模式WRF/Chem，结合华北地区的人为排放源，设计数值模拟试验，系统研究人为气溶胶浓度的增大对昼夜边界层结构和雾的发生频率和生命期的影响，并通过敏感性实验，研究人为气溶胶浓度和组分的改变对雾的宏微观物理量的影响。最后综合观测事实和数值模拟结果，分析归纳人为气溶胶对京津冀地区雾的影响机理，以期能为污染背景下雾的预警预报提供一定的科学依据。

随着上世纪80年代人为排放的增多，高浓度的人为气溶胶的已给华北地区带来了严重的环境问题。气溶胶既会影响到达地面的太阳辐射和大气长波辐射，也可以作为雾滴凝结核影响雾的微观结构，从而影响边界层结构和雾的发生发展。本项目以雾霾的观测资料为基础，通过50年华北区域气象站点的雾的历史资料分析表明，气溶胶增多推迟了雾的强度增大，推迟了雾的消亡，延长了雾的持续时。其次，我们利用气象-化学双向耦合模式WRF/Chem，结合华北地区的人为排放源，利用观测资料和数值模拟试验，提出了一个新的气溶胶和边界层相互作用的机制。该机制主要概括如下：静稳天气下，由于气溶胶的辐射效应，减少到达地面的太阳辐射，导致边界层稳定度增加，湍流减弱，边界层高度降低；边界层高度的降低会导致气溶胶和相对湿度增加；相对湿度增加促进非均相反应，加速气态前体物向颗粒物转化，形成更多的二次气溶胶，致对太阳辐射削弱作用增强，边界层高度进一步降低。此外，不同污染物排放强度的数值敏感性试验表明人为气溶胶的增多会对辐射、微物理和动力热力过程的产生影响：在雾的发生发展期，气溶胶增多会减缓雾滴沉降的微物理过程，增强雾顶处长波辐射降温促进雾水凝结，降低大气的稳定度，促进湍流运动；而在雾的消亡期，气溶胶减少了到达地面的短波辐射和向上的感热和潜热通量，抑制湍流发展，减缓雾的消亡，这些共同作用终导致污染背景下雾的含水量增大，雾顶抬升，雾区范围增大，使得雾的持续时间增长，该机制的揭示为污染背景下雾的预警预报提供一定的科学依据。