赴澳大利亚墨尔本大学访问总结

赴澳大利亚墨尔本大学访问总结

缪育聪

（中国气象科学研究院，北京100081）

1概述

2018年12月25日至2019年3月16日，应澳大利亚墨尔本大学土壤与环境研究组Deii Chen教授邀请，中国气象科学研究院大气成分研究所缪育聪博士赴墨尔本大学进行了短期交流访问。此次访问的主要目的是与墨尔本大学土壤与环境研究组开展氮排放相关的合作研究，并对京津冀地区的空气质量和大气边界层过程进行数值模拟。

大学1853年，

落于澳大利亚文化、艺术与工业中心墨尔本市的综合研究型大学。在历年各类世界大学排名中，墨尔本大学皆位列世界前50名。墨尔本大学在2018/2019年泰晤士高等教育世界大学排名中位居澳大利亚第1名、世界第32名。墨尔本大学的毕业生在政治、文化和商业领域涌现出许多杰出人物，包括8名诺贝尔奖获得者、4位澳洲前总理，一些亚洲的商界和政界人士也毕业于墨尔本大学。

大学与环研究

是目前该领域的国际顶尖团队，团队首席科学家为Dei Chen教授，现有研究人员40余人，主要从事土壤氮平衡监测、近地层氮迁移观测、微气象观测与模拟、区域尺度飞机监测，以及宏观氮足迹评估等相关研究。该团队中不仅有专业的外场监测人员，还有先进的实验室仪器和分析人员。

年"大学与环

研究团队与美国弗吉尼亚大学的James Galloway教授开展了一系列合作研究，利用氮足迹的研究方法对澳大利亚的氮循环过程进行了系统研究，为澳大利亚的可持续发展提供理论依据。该团队还与中国科学院生态环境中心贺纪正研究员的科研团队紧密合作，共同开展土壤治理和氮循环的相关研究。目前，双方正在尝试将褐煤活化为吸附剂，用来减少养殖场的氨排放。为了更好地测试和推广相关技术，双方目前已在江苏盐城成立了中澳健康土壤联合研究中心。这种中澳联合设立研究中心的合作方式值得我们借鉴，不仅可以增进双方的合作交流，还可以利用国外先进的技术方法来解决目前面临的生态环境问题,促进成果转化。

2主要研究工作

2.1在研工作

在澳期间，笔者有幸与贺纪正研究员对农业氨排放与空气质量的相关问题进行了深入交流，探讨了一些施肥措施对空气质量的改善作用。笔者还对墨尔本大学的土壤实验室和外场试验基地进行了参观，重点了解了微气象的专业仪器和设备。笔者与墨尔本大学的Mei Bai博士就大气氮迁移与沉降相关的研究进行了交流，初步达成了近地层微气象数值模拟和飞机监测数据分析方面的合作意向。

针对数值模拟研究，在澳期间笔者利用现有的氨排放数据与空气质量模型对京津冀地区的气溶胶污染个例进行了模拟研究,并探讨了大气边界层的作用。目前，在空气质量模型中常用到的氨排放数据主要包括清华大学的中国多尺度排放清单（MEIC）数据和北京大学陶）院士团队发布的全球大气污染物排放数据。如何将这些格点化的数据应用到空气质量模型中，将在很大程度上影响空气质量的模拟效果。

笔者就相关数据与模式的融合问题与墨尔本大学的Xia Liang博士进行了讨论，除了直接考虑经纬度位置信息的匹配外，还可以结合地表利用类型的信息，并增加一些排放的日变化信息来优化模拟结果。基于研讨的，MEIC数的日变化进行了调整和优化，并将其应用到WRF-Chem模式中，对发生在北京地区的一次气溶胶污染事件（2015年9月20日）进行了模拟计算。通过与实测的PM2.5浓度数据比较，发现WRF-Chem模式可以较好地模拟出这次污染过程中的PM2.5浓度变化特征。研究发现气溶胶污染事件的发与大气边界层的结构、低空急流和山谷风环流有关。大气边界层位于对流层的底部，与人类活动和大气污染的关系密切。大气边界层的垂直结构和特征受下垫面性质的强烈影响，一日之内最高可以发展到几公里。当污染物排放进入大气后，其扩散、输送、沉降和化学转化等过程会受到大气边界层的影响和控制，边界层的厚度在很大程度上直接决定了污染物扩散的环境容量。在选取的气溶胶污染过程中，北京及周边地区的主导风为南风,会将北京南部城市群的污染物输送到北京。另外，北京地区背靠燕山和太行山脉，在弱天气背景条件下常会形成局地热力环流。午后形成的谷风（上坡风）会叠加在主导风上，加强污染物的跨区域输送过程，使得大量的气溶胶向北京输送。太阳落山以后，随着山地和平原间的温度梯度减小，谷风逐渐减弱并消失，会出现低空急流。低空急流会增强边界层与自由大气间的动量交换过程,有利于减少边界层内的气溶胶浓度，改善北京地区的污染状况。相关研究工作目前已被国际SCI期刊录用并在线发表。该研究工作还得到了北京大学刘树华教授、中国气象局数值预报中心盛黎高工和中国人民解放军陆军防化学院黄顺祥教授的帮助和支持。

2.2下一步研究计划

在澳期间，笔者还就未来的研究和国家自然科学基金的申报工作与墨

尔本大学的有关学者进行了交流。墨尔本大学的研究人员建议可以将研究区域适度放大，不要局限于京津冀地区。研究京津冀与周边地区的相互作用能够更好、更深地理解相关的大气理化过程。笔者通过文献调研和多次专家咨询，将2019年国家自然科学基金项目申报内容确定为环渤海地区气溶胶污染的边界层特征分析与多尺度气象成因研究。

环渤海地区是指以京津冀为核心、以辽东半岛和山东半岛为两翼的环渤海城市群落。该地区以京津2个直辖市为中心,大连、青岛、烟台、威海等沿海城市为扇面，以沈阳、济南、石家庄、雄安等省级城市为区域支点，构成了中国北方最重要的集政治、经济、文化和国际商贸为一体的多功能城市群落。尽管自2013年国务院出台《大气污染防治行动计划》以来，我国实施了一系列减排和大气污染防治措施，使得我国的空气质量总体得到了持续改善，但是环渤海等地区的气溶胶污染形势依然严峻，重污染天气过程仍时有发生。关于环渤海地区气溶胶污染的科学防和重污染天气程的有效应对，仍面临着诸多挑战。环渤海地区的地理环境十分复杂：西靠燕山-太行山脉、东临渤海，城市群落密集分布在平原地区。这种地形和海陆分布特点，使得环渤海地区会经常受到山谷风和海陆风的影响。受山地与平原间热力差异的影响，昼夜之间出现谷风和山风的交替，可能会使污染物在城市和山地之间循环。午后，当谷风环流充分发展时，山上较暖的气团会被带到平原，使得边界层顶附近的逆温增强，进而抑制边界层的发展并限制污染物的垂直扩散。同时，燕山-太行山的存在还有可能会阻挡冷空气的活动，使得山前平原地区的空气流动性较差，促进污染物和水汽在城市中积累，从而形成重污染。与山谷风类似，海风和陆风的昼夜转换也会使污染物在渤海和周边城市间循环，进而加重污染。此外，环渤海区域内各个城市发展程度、经济状况和产业结构不尽相同，大气环境状况也是因地而异。这些复杂的下垫面特征（山地-平原构造、海陆差异、城市密集）引起的热力和动力作用涉及多个尺度,且都会对边界层过程产生重要影响，进而影响污染物的水平输送和垂直扩散。关于环渤海地区不同城市的边界层变化特征及其与下垫面的关系,仍未完全理清。

京津冀位于环渤海地区的中部，与两侧的辽东半岛和山东半岛间可能存在污染物的跨区域输送过程。墨尔本大学的研究人员曾与清华大学合作，就京津冀与周边地区的氮输入、输出问题进行过一些研究。中国气象局沈阳大气环境研究所的一些学者也曾发表论文探讨过气溶胶的跨区域输送过程。但"关区域有关的尺度气象

过程与边界层特征研究目前还很少。

笔者下一步的工作将主要围绕环渤海地区的重点城市群（京津冀、辽东半岛中南部和山东半岛）开展研究，并与墨尔本大学的研究团队紧密合作，同研究杂垫面边层和气溶胶污染的影响机制，梳理不同城市群落间的相互作用。