利用伴随模式研究京津冀地区强霾事件中黑碳气溶胶的来源

Severe haze events were observed frequently in Beijing–Tianjin–Hebei region in recent years. Black carbon (BC), as an important component of PM2.5 and also a chemically inert species, is a good tracer to investigate the sources of aerosols, which is important for understanding the mechanism of severe haze events in Beijing–Tianjin–Hebei region. As an extension of previous research of the applicants, the goal of this proposed study is to systematically examine the spatial-temporal distributions of BC concentrations and sources of BC in Beijing–Tianjin–Hebei region during the severe haze episodes for 2009–2015 using a global chemical transport model GEOS-Chem and its Adjoint model. We interpret the source attribution results based on emission types and sectors, and local versus regional transport influences on model grid scales from one Adjoint simulation. Simulated severe haze episodes are evaluated by using observed BC and PM2.5 concentrations and atmospheric visibility. The roles of changes in emissions and/or meteorological parameters in the variations of BC are quantified by the model's sensitivity studies. Our study will offer reliable scientific basis for understanding mechanism of severe haze events and guiding aerosol reduction measures in Beijing–Tianjin–Hebei region.

京津冀地区是我国强霾事件频繁发生的典型区域。黑碳气溶胶是PM2.5的重要组成成分，由于其化学惰性，可作为示踪物来理解气溶胶来源，对于认识该地区强霾形成机理具有重要意义。目前的观测和模拟研究，很难有效地获得不同种类和行业排放，当地排放和区域输送对黑碳浓度贡献的综合信息。本项目作为申请人对以往工作的延续和拓展，拟结合黑碳、PM2.5和大气能见度观测数据，利用再分析气象场驱动的大气化学传输模式GEOS-Chem和Adjoint(伴随)，系统分析2009–2015年京津冀地区强霾事件中黑碳浓度时空分布特征，理解气象场和排放对黑碳浓度的分别贡献；通过一次Adjoint模式模拟计算，从格点尺度上获得不同种类和行业排放，当地排放和区域输送对黑碳浓度的分别贡献，以及各排放贡献随时间变化特点的综合信息，为更好地理解京津冀地区强霾形成机理，为科学减排提供理论支持。

京津冀地区是我国强霾事件频繁发生的典型区域。黑碳气溶胶是PM2.5的重要组成成分，由于其化学惰性，可作为示踪物来理解气溶胶来源，对于认识该地区强霾形成机理具有重要意义。本研究利用GEOS-Chem大气化学模式敏感性分析，从大尺度天气环流角度，分析1980-2010年黑碳气溶胶浓度年际变化的重要因素，发现东亚冬夏季风的强弱与中国东部地区黑碳气溶胶浓度呈负相关。结合PM2.5和大气能见度观测数据，选取2014-2017年北京各观测站点PM2.5日均浓度平均值大于150 µg m–3为强霾天。通过主成分分析方法（T-PCA）和欧洲中心海平面气压和位势高度数据确认了京津冀地区强霾事件发生所对应的五种类型大尺度天气环流形势。冬秋季是当京津冀地区强霾发生频次最高的季节，典型的环流形势显示新疆西北部以外地区和内蒙古处于高压中心。利用GEOS-Chem Adjoint模式模拟，以及MEIC清华大学黑碳排放清单，从格点尺度分析了京津冀地区2014–2017年典型三种强霾事件中黑碳气溶胶来源。利用GEOS-Chem模式敏感性模拟，分析了京津冀地区2014年黑碳气溶胶来源季节平均。从行业排放来源角度看，居民生活排放是冬季强霾天黑碳的主要来源，贡献大于冬季平均，交通和工业排放贡献次之；秋季，交通和工业排放贡献最大，贡献大于秋季平均。从当地排放和区域输送角度看，北京本地排放是强霾天地表黑碳的主要来源，河北和京津冀区域外贡献次之，天津贡献最小；对高层黑碳来说，北京本地，河北，和京津冀区域外排放贡献相当；山东、河南、山西和内蒙古四省对强霾天黑碳日均浓度有贡献。从排放时间角度看，强霾天黑碳主要来源于强霾发生当天的排放以及两天前的排放；北京和天津三天内的排放能影响强霾天黑碳日均浓度，北京当天的排放贡献最大，天津的排放强霾发生前一天贡献最大；河北和京津冀区域外排放分别需要1-3天和1-5天才能输送到北京。