长三角精细下垫面对大气数值模拟的影响及各生态系统氮硫沉降估算

长三角精细下垫面对大气数值模拟的影响及各生态系统氮硫沉
降估算
大气干湿沉降会对陆地和水域生态系统造成多方面的影响。

我国是个能源消耗大国,煤、石油等燃料燃烧产生大量氮氧化物、硫氧化物等,污染物的大气沉降问题值得重视。

在此背景下,研究污染物在不同生态系统上的沉降规律可为预测沉降对生态系统的影响提供有用工具,也可确定系统的最大沉降负荷,以指导环境决策与工
业布局。

本文通过把精细化土地利用下垫面引入WRF气象模式,系统地讨论了土地利用下垫面对数值模拟结果的影响。

对于气象要素,土地利用替换后的模拟地面气温、风速均更接近实测结果,
替换造成风速的变化在-2-1.5m/s之间,气温的变化在-4-4℃之间；风向、降雨
量两个要素则改变不明显。

对于污染物浓度,土地利用下垫面优化后,极端高值出现的频率和程度有所下降,更接近实测结果,替换造成NOx,HN03、NH3、N03-、NH4+、SO42-和SO2的四个典型月月均小时浓度差异分别约为
-1000-1000,-15-40,-20-20,-80-80,-20-20,-10～10,-500-500n mol/m3。

在大气特性、地表特性和污染物三类因子均受土地利用下垫面影响的情况下,物质的干沉降速度也受到了影响。

以SO2与HN03为例,土地利用下垫面替换前后的变化率在-50%-300%之间。

土地利用对大气数值模拟结果的影响与土地利用类型本身的特性、污染物特性、空间分布、盛行风向、季节变化、时刻等因素相关。

在土地利用优化的基础上,本文以土地利用类型为生态系统分类依据,立足于长江三角洲地区,以2009
年7月、10月及2010年1月、4月作为四个季节的典型代表,运用WRF/CMAQ数
值模式及野外观测实验的方法,定量化研究了森林、草原、湿地、农田、城市、淡水、近海等8种生态系统上的大气氮、硫沉降规律。

其中在长江口典型水域的野外观测实验及单点干沉降通量模型结果表明：长江口大气气溶胶浓度较高,水溶性离子N03-和NH4+的平均浓度分别达到了12.9μg/m3和12.4μg/m3,大气颗粒物中的硫元素富集系数超过了1000,大气氮、硫的平均日沉降通量分别为2.36mg/m2/d和2.47mg/m2/d。

区域模拟结果表明：森林、草原、湿地、农田、城市、淡水、海洋生态系统上的年氮沉降通量分别为7.6,6.8,5.3,7.0,7.4,5.6与2.9g/m2,年硫沉降通量分别为
7.7,2.9,2.9,23.0,8.6,6.5与6.0g/m2。

干沉降通量时空分布与土地利用类型及相应的污染物浓度之间呈现较好的对应关系,海陆分布差异明显；湿沉降通量则通常由降雨量的分布所主导。

各生态系统的氮沉降时间变化为7月最大,4月其次,10月与1月较接近；空间上,沉降通量大小为陆地>湿地>水域,城市、农田下垫面上的时间变化较大；干湿方面,沉降的干湿比率分布较为均匀,近海海域的湿沉降比率较大；组分方面,除了10月以外,组分贡献率大小均为N-NO3>N-HNO3>其他,10月以N-HNO3为主。

各生态系统的硫沉降通量除了湿地以外,均为10月最小、4月最大,农田生态系统上硫沉降量较大,草原与湿地沉降通量较小；干湿方面,硫沉降的干湿比率差别较大,湿沉降比例大小为草原>湿地>其他；组分构成方面,草原、湿地生态系统上以S-S042-沉降为主,森林、农田、城市及水域上以S-SO2沉降为主。

通过各生态系统上模拟沉降通量与临界负荷的比较,研究发现：对于氮元素,仅海洋生态系统上的沉降低于临界负荷；对于硫元素,仅草原与湿地生态系统上的沉
降低于临界负荷,尤以农田生态系统上的硫沉降最为严重,属于超负荷状态。