2006年中国地区大气气溶胶浓度分布特征的模拟研究

摘要 : 结合 2006 年最新的气溶胶排放源资料 ,以 NCEP /NCAR 再分析资料为气象场 ,驱动大气化学 传输模式 MATCH (Model of A tm ospheric Transport and Chem istry) ,模拟了 2006 年中国地区硫酸盐 、 黑碳和沙尘气溶胶的质量浓度分布及其季节变化 。模拟的气溶胶光学厚度 (AOD )结果与 CSHNET 观测网数据比较分析后发现 ,基于 21 个观测站的 61 组月平均数据与相应模拟结果的相关系数为 0163。模拟结果表明 : 2006 年中国地区硫酸盐气溶胶高值区主要分布在中国的四川盆地 、 华北及 长江流域等工业较发达地区 ,而且具有明显的季节变化 ,四川盆地及长江以南地区 ,硫酸盐气溶胶 1 月份浓度高于 7 月份 ,长江以北的大部分地区 , 7 月份浓度高于 1 月份 ; 黑碳气溶胶主要分布在黄 河、 长江中下游地区及华南等地区 , 1 月份浓度高于 7 月份 ; 沙尘气溶胶主要分布在内蒙古中部沙 漠地区 , 4 月份浓度最高 , 7 月份次之 ,其他月份较少 。 关键词 : 硫酸盐 ; 黑碳 ; 沙尘 ; CSHNET观测网 ; 气溶胶光学厚度 ; 大气化学传输模式 ; 浓度分布 中图分类号 : P401 文献标识码 : A 文章编号 : 1674 2 7097 ( 2009 ) 05 2 0595 2 09
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建立了全球大气输送模式
。
GEAT M ,并模拟了全球二氧化硫 、 硫酸盐 、 黑碳和沙
为了量化大气气溶胶对气候环境系统的影响 , 如何合理反映气溶胶粒子的浓度及分布状况就成为 气候及环境研究的核心问题 。外场观测和卫星观测 虽然是研究大气气溶胶的重要手段 , 但是在描述气 溶胶的全球分布及垂直分布上都有各自的缺陷 , 而 数值模拟却能通过求解一系列大气基本的物理和化 学方程组 ,模拟出大气中各种气溶胶粒子的浓度分 布和时空变化 ,弥补这些缺点 。 早在 20 世纪 70 年代 , CModel of A tm ospheric Transport and Chem istry (MATCH ) is used to sim ulate the distribu2 tion and seasonal variation of aerosols over China in 2006, by taking the latest source em ission data and NCEP /NCAR reanalysis data as its initial conditions . The aerosol op tical dep th ( AOD ) obtained by MATCH is compared w ith the CSHNET ( the Chinese Sun Hazem eter Network ) observational data. The correlation coefficient betw een the sim ulation and the observational data of 21 stations is 0163 (w ith α = 01000 1 ) . The resu lts ind ica te tha t the h igh concen tra tions of su lfa te a re m a in ly loca ted in S ichuan B a 2
1 1, 2 2 3 3
( 1. Key Laboratory of Meteorological D isaster of M inistry of Education, NU IST, Nanjing 210044, China; 2. Laboratory for Clim ate Studies, National Clim ate Center, China Meteorological Adm inistration, Beijing 100081, China; 3. State Key Laboratory of A tmospheric Boundary Layer Physics and A tmospheric Chem istry, Institute of A tmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China)
第 32 卷第 5 期 2009 年 10 月
大 气 科 学 学 报
Transactions of A tmospheric Sciences
Vol . 32 No. 5 Oct . 2009
银燕 ,崔振雷 ,张华 ,等 . 2006 年中国地区大气气溶胶浓度分布特征的模拟研究 [ J ]. 大气科学学报 , 2009, 32 ( 5) : 595 2 603.
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学研究中的热点 。因此 , 准确描述气溶胶的时空 分布和演变规律对于了解大气气溶胶对区域或全 球气候及环境的影响 , 以及研究气溶胶辐射强迫 及其在区域及全球变化中的作用 , 具有重大的现 实意义
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亚洲东部的沙尘气溶胶特性 ; 马井会等 利用全球 气溶胶数据 ( GADS)模拟了全球沙尘气溶胶的光学 厚度分 布 ; 罗 淦 等 尘的浓度分布 。 由上所述 , 有关大气气溶胶数值模拟的研究是 当今国内外研究的热点 , 尤其是在目前中国地区气 溶胶观测资料非常不足的情况下 , 对中国大气气溶 胶的分布规律认识尚不充分 , 因此利用数值模式对 中国地区大气气溶胶进行讨论是非常必要的 。虽然 以前有很多关于气溶胶数值模拟的研究 , 不过讨论 的组分比较单一 ,综合讨论多种气溶胶组分的研究 并不多 ,本文的目的在于考虑多种气溶胶组分的情 况下 ,用全球模式得到气溶胶在中国地区的分布状 况及季节变化特征 , 为研究中国地区大气气溶胶产 生的气候效应奠定基础 。 本文所用的模式是大气化学传输模式 MATCH (Model of A tmospheric Transport and Chem istry) [ 25 ] , 并在模式中引入了最新的 Streets
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模拟了气溶胶粒子对城市夜间温度的
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影响 ; 刘毅等
利用模式模拟了一次沙尘暴天气及
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, 而这种影响
沙尘的输送过程 ; 张美根等 王宏等
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利用 CAMQ 2 RAM S模
, 这使气溶胶成为大气科
式模拟了中国黑碳气溶胶的时空分布及变化趋势 ; 利用加拿大气溶胶模式 CAM 模式模拟了
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、 Peterson 等
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就开始对气溶胶的形成和分布做了
数值模拟 。早期进行数值模拟的气溶胶模型通常在 物理 、 化学过程上比较简单 ,而且讨论的物种比较单 一 。经过过去三十多年的发展 , 特别是随着计算机 技术的发展和性能的提高 , 气溶胶模型的开发和应 用有了很大进展 ,已经从拉格朗日烟团模型发展到 现在的全球 /区域嵌套欧拉网格模式 ,覆盖范围也由 单点扩展到全球或更细的区域尺度 , 考虑的物种种 类更多 ,过程更加复杂 。关于气溶胶模式的发展 ,颜 鹏等
Num er ica l S im ula tion s of M a ss D istr ibution of Aerosols over China i n 2006
Y IN Yan , CU I Zhen 2lei , ZHAN G Hua , X IN J in 2yuan ,WAN G L i2li
2006 年中国地区大气气溶胶浓度分布特征的模拟研究
银燕 , 崔振雷
1 1, 2
, 张华 , 辛金元 , 王莉莉
2
3
3
( 1. 南京信息工程大学 气象灾害省部共建教育部重点实验室 , 江苏 南京 210044; 2. 中国气象局 气候研究开放实验室 , 北京 100081; 3. 中国科学院 大气物理研究所 大气边界层物理和大气化学国家重点实验室 , 北京 100029 )
4 节讨论了硫酸盐 、 黑碳和沙尘 3 种大气气溶胶在
给出了详细的综述 。近 20 a 来 ,许多科学工
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作者利用气溶胶模式 , 在气溶胶数值模拟方面做了 大量有意义的工作 。例如 Chin 等 气溶胶的分布 , Perlw itz等
[8]
排放源数据 。
该模式可以模拟 SO2 、 硫酸盐 、 黑碳 、 有机碳 、 海盐和 沙尘气溶胶等的浓度分布 。本文第 2 节为模式介 绍 ,简要介绍了模式采用的动力框架 、 气溶胶方案 、 沉降方案及源排放方案等 ; 第 3 节讨论了模拟结果 , 并将其与相应的 CSHNET观测数据进行了对比 ; 第
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大气科学学报
第 32 卷
h ighest concen tra tion of dus t ae roso ls app ea rs in A p ril, w ith the seconda ry m ax im um va lue in Ju ly.
Key words: sulfate; black carbon; soil dust; CSHNET; AOD; concentration distribution; MATCH
0 引言
大气气溶胶是影响地球大气系统能量收支的 重要物质之一 。它的浓度变化一方面影响着对流 层化学和云微物理过程 , 另一方面影响地气系统 的辐射收支 ,并最终影响气候变化 又有很大的不确定性
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算出气溶胶的光学厚度及产生的辐射强迫 , 从而估 算大气气溶胶产生的气候效应 。我国的科学工作者 在大气气溶胶的数值模拟方面也做了大量的工作 。 涂晓萍等
收稿日期 : 2009 2 01 2 05; 改回日期 : 2009 2 02 2 26 基金项目 : 国家重点基础研究发展计划项目 ( 2006CB403707) ; 科技部支撑课题 ( 2007BAC03A01; 2008BAC40B02) ; 江苏省“ 六大人才高峰 ” 项目 ; 江苏省“333 人才工程 ” 项目 作者简介 : 银燕 ( 1962 —) ,男 ,内蒙古丰镇市人 ,博士 ,教授 ,博士生导师 ,研究方向为云微物理学及大气气溶胶 , yinyan@ nuist . edu. cn; 张华 (通信作者 ) ,女 ,博士 ,研究员 ,博士生导师 ,研究方向为大气辐射理论和模式等 , huazhang@ cma. gov . cn.
sin, N o rth C h ina and the m idd le and low e r reaches of the Yang tze R ive r, and tha t su lfa te load ing is h ighe r in J u ly than in Janua ry in the no rth p a rt of C h ina and is opp osite in the sou th p a rt of C h ina. The resu lts a lso show tha t h ighe r concen tra tions of b lack ca rbon ae roso l app ea r in the m idd le and low e r rea 2 ches of the Yang tze R ive r and the Ye llow R ive r and the m ax im um va lues a re h ighe r in J anua ry than in J u ly. The cen te r w ith h igh concen tra tion of dust ae roso l is loca ted in Inne r M ongo lia of C h ina. The