天气和边界层变化中长三角秋冬季霾过程的观测和模拟研究

As the result of human activities, the aerosol pollution had become serious and widespread over the Yangtze River Delta (YRD), China, accompanying with high frequency of hazy days, leading to visibility decrease and having adverse effects on human health. In comparison with other regions, the formation of haze in synoptic system/atmospheric boundary layer (ABL) conditions, sources and types of air pollutants, transport paths of air pollutants outside/within YRD, and atmospheric chemical reaction conditions are distinctive over YRD in autumn and winter. Further, through coupling mechanism of multi-scale atmospheric physical and chemical processes, the complex air pollution in multi-components and in spatial-temporal scale occurred over YRD. In this project, due to the fact that the haze events frequently occurred in autumn and winter over YRD, the integrated observations will be performed and the detailed information of air pollutants distribution, accumulation, variations in physics and chemistry, and eliminations will be collected in haze processes. The impact of synoptic to meso-/micro scale circulations on ABL will be summarized. The corresponding relationship between haze processes and conditions of synoptic system/ABL will be investigated. After merging the transient idea into the averaged atmospheric capacity concept in traditional studies, the variables of aerosol total amount, concentrations, distribution and budget items will be evaluated throughout the haze processes by an air quality model. At last, the concept model of air pollution induced by haze in autumn and winter over YRD will be built. The results will not only help to get better understanding of the mechanism of synoptic-ABL variation impact on aerosol chemistry and photochemistry in scientific knowledge, but also provide effective strategies and decision support for attenuation of haze pollution over YRD.

近年来长江三角洲地区气溶胶污染严重，霾天频发，致使能见度降低并危害人民健康。与其他地区相比，长三角秋冬季霾发生的天气边界层条件、大气污染物来源、区域外/子区域间污染物相互输送特征以及大气化学反应条件都有所不同；再通过多尺度大气物理过程与大气化学过程耦合，形成区域时空尺度的大气复合污染。本研究拟在长三角秋冬季开展综合观测，以获得精细的霾过程中大气污染物的分布、积聚、物理化学变化和清除的完整资料；明确天气和中小尺度环流对区域边界层要素和结构的影响，以及天气、边界层过程与霾过程的配置关系。借鉴但突破传统的大气环境容量长期平均的概念，将气溶胶的环境容量视为瞬变的，利用空气质量模式估算该地区霾过程中气溶胶总量、浓度和物理化学收支项的变化；建立该地区秋冬季霾形成的概念模型。研究结果不仅对认识天气-边界层变化对气溶胶化学和光化学的作用机制具有科学意义，还可为长三角城市群霾污染治理提供科学依据和决策支撑。

与京津冀地区相比，长三角无论是霾发生的天气型、边界层结构、局地和区域污染物相互影响，还是污染源分布和排放特征都有所不同。本项目开展综合外场观测，获得了该地区15次以上完整的霾过程数据集和相应的长期气象和环境资料集。由观测资料分析发现了新的观测事实，模式模拟揭示了霾形成的细致物理过程和机理。.（1）分析了1960-2012年城市化对长三角雾和霾长期变化的影响，发现霾的增加主要是人为活动导致的，而雾的长期变化则是人为因素（城市化与空气污染）的贡献程度至少是气候变化的1.6倍。卫星遥感和模式模拟数据结合分析，发现SO2、NO2、CO和AOD的多年变化主要是（80%以上）是由于人类活动导致，自然条件变化作用较小。.（2）发现长三角秋冬季发生霾的天气型可划分为两大类：冷锋型和静稳型。冷锋型主要是冷高压前部的锋面快速向南移动，将华北及上游地区的污染物输送到长三角。静稳型是由弱气压场触发了不利于扩散的气象条件。随着秋冬季天气系统自北向南移动，其对应相同部位的边界层结构具有相似的特征，如移动路径上各站点（寿县、南京、东山岛）先后出现双层逆温（边界层上部的下沉逆温和近地面的辐射逆温），增强了大气稳定性，先后触发当地污染。不利的天气-边界层条件再与当地排放特征结合，表现出不同的污染物垂直分布特征。.（3）2013-2018数据分析发现，冷空气输送型污染可占长三角秋冬季PM2.5污染次数和天数的71%和58%，高于本地累积造成的污染（静稳型）。模式的个例研究发现，冷锋过境时近地面长三角本地贡献占PM2.5的36%，华北贡献高达35%；而静稳型污染期间长三角本地贡献和华北贡献分别占PM2.5的65%、15%左右。还建立了可较好表征污染程度的输送指数和静稳指数。.（4）利用COST733（T-PCA）模型对长三角地区2014~2019冬季近地面天气型进行客观分型，同时结合观测和数值模拟结果，提出了3种天气-边界层-污染配置概念模型和2类污染类型。.本项目全面完成了合同要求的研究目标和内容，共完成学术论文90篇，其中SCI 41篇；软件著作权2项。