典型山谷城市冬季边界层逆温对气溶胶变化响应的观测和数值模拟研究

The measurements and studies of physical and chemical characteristics of aerosols in a typical valley-shaped city are essential to deeply understand climate, environmental and health effects of aerosols, which is also conducive to studying source apportionment of aerosols and air quality over a complex terrain. Presently, responses of temperature inversion of atmospheric boundary layer (ABL) in a valley city to variations of aerosol physical and chemical characteristics are still unclear, which limits accuracy of numerical weather and air quality predictions in a typical valley-shaped city. Bases on the measurements of number size distributions and chemical composition of aerosols in urban Lanzhou, the variations of aerosol physical and chemical characteristics will be analyzed during the transitional period from the most-polluted to the less-polluted city. Combined with the characteristics of atmospheric boundary layer structure, the impacts of variations of aerosol physical and chemical properties for varying air pollution level on temperature inversion in winter will be studied by fully online coupled model of WRF-Chem, which will help to better understand the feedback between aerosol and temperature inversion over a typical valley-shaped city. The project will contribute to know the roles of aerosol physical and chemical characteristics in formation and development of ABL temperature inversion and improve simulation ability of air quality model in typical valley-shaped city. The expected results not only will provide scientific basis to air pollution prevention and control of valley-shaped city, but also will provide some scientific references for treatments of severe haze pollution of North China Plain.

山谷城市地形特殊，对该地形气溶胶理化特征进行观测和研究，是深入认识其气候、环境和健康效应的前提，对山谷地形气溶胶源解析和空气质量研究具有重要的科学意义。目前对山谷城市边界层逆温对气溶胶理化特征变化的响应机制还缺乏充分的认识，限制了数值模式对山谷城市天气和空气质量预报的准确性。本项目通过对兰州山谷城区气溶胶谱分布和化学成分的观测，探究大气污染减轻过程中气溶胶理化特征的演变，结合完全在线耦合模式WRF-Chem和大气边界层结构特征的观测，模拟研究不同污染程度下气溶胶理化特征的变化对冬季边界层逆温的影响，加深对典型山谷城市气溶胶与边界层逆温之间反馈机制的认识。本项目的实施对认识气溶胶物理、化学特征在山谷地形边界层逆温形成和发展中的作用，改进空气质量模式在山谷城市的模拟能力，提高空气质量预报的准确率有重要的意义。预期成果不仅为山谷城市大气污染防治提供科学依据，而且为华北平原治理雾霾污染提供科学参考。

近年来，兰州市空气质量显著改善，“兰州蓝”现象频繁出现。在大气污染由严重向轻微转变过程中，不仅气溶胶浓度显著降低，其化学成分和谱分布特征都会发生变化，那么这些变化对典型山谷城市边界层逆温的形成和发展作用如何？目前关于典型山谷城市边界层逆温对气溶胶理化特性变化的响应还未见相关报道。基于以上科学问题，本项目以兰州城区为主要研究对象，通过对其气溶胶谱分布和化学成分的连续监测，首先探究大气污染减轻过程中气溶胶理化特性的变化规律，然后，运用完全在线耦合空气质量模式WRF-CHEM，结合大气边界层结构特征的观测，分析山谷城市冬季边界层逆温与气溶胶理化特性变化之间的关系，探求气溶胶理化特性对太阳短波辐射通量的削弱能力，加深对典型山谷城市气溶胶——大气边界层逆温反馈机制的认识。借助兰州城区皋兰山高大地形落差，构建了PM1气溶胶理化特性梯度分布观测网，丰富了气溶胶垂直分布观测方法。基于搭建的平台，首次揭示了兰州城区PM1及其化学成分的梯度分布特征及其影响因素，局地排放和大气垂直扩散能力是影响PM1化学成分梯度分布的两个主要因子。结合气溶胶/云光学特性模式（OPAC）和辐射传输模式（SBDART），评估了碳质气溶胶（有机碳、元素碳）的光学和辐射特性，发现黑碳气溶胶对大气有显著的加热作用，大气中黑碳每增加1ug/m3，大气被加热0.37℃。重污染期间，除了黑碳气溶胶，还存在其它吸收性气溶胶，如棕碳。项目的实施收集了试验期间的PM1化学成分（有机碳、元素碳、水溶性离子）和大气边界层温度、湿度等关键数据，为揭示典型山谷城市气溶胶——气象反馈机制奠定了数据基础。本项目的实施对认识气溶胶物理、化学特性在边界层逆温形成和发展中的作用，改进空气质量模式在典型山谷城市的模拟能力，提高对未来空气质量预报的准确率等方面具有极为重要的科学意义。本研究的预期成果不仅可为政府制定限排措施提供科学依据以利于“兰州蓝”现象的长期维持，而且可为其他复杂地形城市群治理大气污染时借鉴兰州经验提供科学参考。