关键词： PM2.5   数值模拟   边界层   近地层   湍流通量参数化  

摘要： 作为人类赖以生存的环境大气层,大气边界层,尤其近地层对大气中污染物的形成、累积以及清除过程起着重要作用,直接影响空气质量变化。由于大气边界层内流体总是以湍流状态存在,因此,大气边界层及其参数化一直是大气环境变化评估和预报的难题。围绕这一大气环境科学难题,本文主要基于大气化学模式开展霾污染模拟中大气边界层方案的不确定性评估研究,以及引入一个新的近地层方案并讨论分析了其对大气边界层湍流通量计算的影响。主要研究内容和结论如下:1)霾污染过程中大气边界层气象-环境要素模拟分析利用大气化学模式GRAPESCUACE对京津冀地区2016年12月13日～2017年1月14日期间PM2.5质量浓度以及几种常规边界层内气象要素进行了模拟,并且通过常用的统计检验方法评估了模式模拟效果。结果表明,模式能够较好地模拟出各要素的变化趋势,但在数值上存在一定误差,尤其是在霾污染过程中,模式对大气边界层模拟的不确定性使得PM2.5的模拟偏差进一步加大。2)不同边界层方案对霾过程中PM2.5的模拟评估选取该模式中常用的三种边界层方案（MRF、MYJ以及YSU方案）,针对模拟期间2016年12月16～21日这次霾过程,详细讨论评估了不同边界层方案对PM2.5以及边界层各气象要素模拟的影响。结果表明,三种方案均对PM2.5浓度存在不同程度的低估,并且对于污染期间白天和夜间,其模拟结果没有较明显的区分。总体上,YSU方案模拟效果最好,MRF方案次之且相差不大,MYJ方案低估最为明显。其次,三种方案对边界层内各气象要素的模拟情况不尽相同。对于近地面风速,MRF和YSU方案模拟结果整体好于MYJ方案;对于近地面气温和相对湿度,MYJ方案的结果则更加接近实际观测值。由此说明,除了边界层方案,近地层的湍流通量参数化也是影响模式中大气边界层结构的一个重要因素。3)一个新近地层方案的引入及对湍流通量的模拟详细介绍了一种新提出的近地层方案（简称Li方案）,并且基于河北固城气象试验站提供的湍流通量观测资料,对Li方案和模式中经典的MM5近地层方案进行了离线的对比测试。结果表明,首先,动力粗糙度z0m和热力粗糙度z0h作为两个重要的地表参数,对于近地层湍流通量计算有着重要影响,因此应当予以区分。其次,Li方案在算法上的改进使其在动量和感热通量的模拟上相比MM5方案具有较为明显的优势。在整个霾污染期间,Li方案对于动量和感热通量的模拟结果整体优于MM5方案。尤其是在PM2.5的累积上升阶段,大气层结由不稳定向稳定过度期间,Li方案的优势更加突出。新方案的表现为今后将其在线耦合到大气化学模式提供了理论基础,同时也为提高大气环境预报质量提供了新的思路。

关键词： 霾污染   能源消费结构   环境治理   动态面板   广义矩估计法  

摘要： 2013年以来,我国各地(尤其是北方地区)爆发了严重的霾污染问题,对社会、经济以及民众健康都带来了较为严重的损害,受到社会各界越来越广泛的关注。霾污染属于大气污染的一种,通过众多学者的研究发现,大量煤炭的消耗是导致我国霾污染的根本因素之一,而北方地区冬季燃煤供暖更是其地区性霾污染的最直接原因之一。由于我国“富煤贫油少气”的资源禀赋,造成了我国经济发展长期依赖煤炭等矿石资源,使得煤炭在我国能源消费结构中长期占据着绝对主要地位。因此,在各地政府为了治理霾污染而陆续出台了各种各样的政策中,大多数政策都是为了直接或间接降低煤炭消费占比,推动我国能源消费方式的转变和能源结构的优化。但是在现有的针对大气污染与能源结构之间相互影响的研究,大多数都从能源结构如何影响环境污染的角度出发进行研究,而针对环境污染特别是霾污染如何倒逼能源结构优化的研究则并不多见。鉴于上述背景,本文基于当前我国霾污染和能源消费结构现状分析,归纳总结霾污染治理过程中的政策、经济等约束措施,并尝试从霾污染与能源消费结构优化之间的影响关系出发,分析在过去十几年里,不同经济、能源价格等其他因素影响下,我国霾污染治理所带来的环境约束对促进能源消费结构优化所产生的影响。通过研究发现:(1)整体上,综合了社会关注度的霾污染指标和我国经济发展水平都对煤炭消费结构具有显著的负向影响,经济的发展和霾污染社会影响的提高都推动推动能源消费结构优化;(2)对于发展水平不同的地区,其所面临的发展任务和问题的不同,能源消费结构变化的影响因素也有所不同,在发达地区,煤炭消费结构受到霾污染指标的显著负向影响,在中等地区,霾污染、能源价格都对煤炭消费结构具有显著负向影响,而经济发展则对其具有显著正向影响,在欠发达地区,由于发展经济仍是其主要任务,且其产业以轻工业和第三产业为主,清洁能源资源丰富,因此只有经济发展对煤炭消费结构有显著负向影响。本文共分六个部分,每一部分的主要内容如下:第一部分为绪论,阐述本文的研究背景、目的、意义、研究思路和方法以及本文的创新点,并在这一部分综述国内外的研究现状;第二部分为相关理论基础,阐述能源经济学相关理论和环境经济学相关理论,包括外部性理论等;第三部分为现状分析,分别对当前我国霾污染现状和能源消费现状进行描述分析,其中霾污染现状分别从东部、中部和西部三大地区类别分析,能源消费现状从消费总量、消费结构角度进行分析;第四部分是分析霾污染约束下的能源消费结构优化。首先从政策、经济等方面对霾污染治理带来的环境约束进行归纳分析,其次对霾污染约束下的能源消费结构优化进行简要分析;本文第五部分是实证分析,首先是构建本文研究的能源消费结构指标、霾污染指标、经济发展指标、能源价格指标等,并对各项指标进行数据描述性统计分析,其次,构建动态面板数据模型,结合广义矩估计方法GMM对模型全样本数据进行回归估计,最后按照经济发展水平的不同程度将样本平均分为三类,并分别进行回归分析,研究经济发展水平不同的地区其能源消费结构变化的影响因素;第六部分是结论与建议。首先是对本文研究的总结,其次是针对前文中研究,提出比较有针对性的建议,最后对本文的不足与欠缺之处进行探讨。

关键词： 大气气溶胶   垂直结构   边界层特征   霾污染  

摘要： 大气气溶胶作为大气的重要组成部分,其浓度和粒径分布是研究其对大气环境和气候影响的重要物理参量。排放到大气中的气溶胶浓度较高时,常常导致雾霾天气的发生,霾污染不仅会降低大气能见度,也会对人体健康造成危害。大气边界层作为最贴近下垫面的大气,是人类生存的主要环境大气层,大气边界层结构变化影响大气污染物的扩散能力。研究气溶胶粒子在边界层内的分布特征可为大气环境治理提供科学依据。本文基于2017年1月1日～1月20日成都市系留汽艇探测低层大气气象要素和大气颗粒物垂直探空的加密观测资料,结合地面气象站点实时监测数据,研究了大气边界层气溶胶垂直分布的日变化,综合分析了不同污染程度和一次重霾污染过程中气溶胶的垂直分布特征。研究结果表明:(1)成都市冬季夜晚(20时、23时、02时、05时、08时)均出现接地逆温,平均逆温层厚度为80m,平均逆温强度为2.3℃/100m,逆温层下平均相对湿度随高度递减,近地表平均相对湿度超过90%,主导风向为东北风。夜晚强逆温、高湿、低风速的天气条件导致地面气溶胶数浓度堆积,污染严重。冬季白天(11时、14时、17时)大气层结不稳定,平均温度随高度递减,平均相对湿度随高度递增,气溶胶粒子垂直分布呈锯齿状。(2)不同污染程度天气下气溶胶数浓度垂直分布特征差异明显:轻度污染日气溶胶浓度的垂直分布主要受相对湿度和风向的影响;中度污染日气溶胶粒子垂直分布范围变化不大,主要受风速风向条件影响;重度污染日气溶胶粒子垂直分布呈现锯齿状结构;严重污染日地面气溶胶粒子数浓度高出轻度污染日8倍多。(3)重霾污染期间,大气边界层昼夜变化特征削弱。稳定边界层结构出现25次,对流边界层结构仅出现3次,大气边界层结构趋于稳定,边界层高度普遍低于1000m。霾污染发生、维持及消散阶段大气边界层气溶胶垂直结构具有明显差异:霾污染发生阶段,大气边界层气溶胶粗细粒子主要集中在300m高度以下,近地面层大气气溶胶粒子累积触发霾污染事件;霾维持阶段,大气颗粒物粒子浓度数垂直方向趋于一致,大气边界层稳定结构中存在强的大气垂直混合作用;在霾消散阶段,较高处的气溶胶粒子浓度最先下降,且下降幅度最大,表明对流层自由大气作用对霾污染发消散具有的影响。(4)大气边界层风速的增大加剧了大气传输扩散,其作用对较细颗粒更为显著。温度与大气颗粒浓度在近地层呈负相关,在100m以上的高度呈正相关。大气边界层低层偏冷,高层偏暖的稳定大气热力层结减弱了大气污染物的垂直扩散。高相对湿度有利于促进气溶胶粒子的吸湿增长和液相化学反应,加剧霾污染发展。

ISBN: (纸本)9787502969004

关键词： 霾污染   可吸入颗粒物   化学组成   粒径分布   光学特性  

摘要： 本研究对北京地区冬季PM2.5特性进行了加密观测，结合污染气体、气象数据、后向轨迹模式、PMF(positive matrix factorization)模式和ISORROPIAⅡ(an improved thermodynamic equilibrium aerosol model)模式，分析了北京地区冬季PM2.5的化学组分、来源特征、粒径谱分布和光学特性，探讨了霾发生发展的机制及其影响因素，并进一步研究了不同污染程度下PM2.5的变化特征，和探讨了粒子粒径增长事件的主要特征及形成原因。　　研究结果表明，在2014年2月19日-3月15日的观测期间，PM2.5平均浓度为137.7±124.8μg m-3，占了PM10质量浓度的66％。在污染水平从清洁(PM2.5＜75μg m-3)增加到轻-中度污染(75-150μg m-3)，然后再增加到重度污染(150-250μg m-3)和严重污染水平(PM2.5＞250μgm-3）的过程中，除了PM2.5各个组分（水溶性成分，有机碳OC，元素碳EC和微量元素）的浓度增加外，作为主要成分的二次无机组分对PM2.5的相对贡献不断增加，OC和EC对PM2.5的相对贡献减少，这说明二次转化对污染程度的提升有重要作用。同时，PM2.5的酸度（阴离子浓度与阳离子的摩尔比）从0.96增加到1.08。此外，微量元素的富集因子(EFs)值随着污染的加剧而增加，这些结果表明人类活动的排放对污染的加剧起到很重要的作用。　　利用PMF模型解析出5种主要的PM2.5来源分别为:二次无机气溶胶、工业排放、土壤尘、交通排放，燃煤和生物质燃烧，这5种来源对PM2.5质量浓度的贡献分别为46％，20％，10％，6％和18％。在清洁水平，工业排放是PM2.5的主要来源，贡献了PM2.5质量浓度的60％。在轻，中度污染时期，除了交通排放贡献了5％，其他来源对PM2.5的贡献都在17％-29％之间，比较接近。二次无机气溶胶在重度污染和严重污染时期是PM2.5质量浓度的最大贡献者，分别贡献了40％和78％。此外，随着污染的加剧，观测地点48小时的后向气团的传输距离持续减少，清洁时期气团在48小时内的传输距离为2000公里，在严重污染时期仅为300公里，并且污染越严重，不同污染水平下来自北京南部的气团的概率越大，从0％（清洁水平）增加到97％（严重污染），这些结果表明区域和局地尺度上从南向北的污染物的输送对北京地区PM2.5浓度的上升起到关键性作用。　　观测期间获得的核模态(～10-20nm)、爱根核模态(20-100nm)、积聚模态(100-700nm)和总数浓度(～10-700nm)数浓度平均值分别为3×103，1.7×104，8.4×103和2.8×104cm-3。研究发现，随着污染的加重，核模态颗粒物的数浓度减少，爱根核模态颗粒物的数浓度基本保持不变，而积聚模态颗粒物的数浓度不断增加了。此外，观测期间粒子粒径增长事件的发生频率约占观测天数的40％，粒径增长的速率为3.1-10.9nm h-1，其中污染时期的粒径增长的更快，一方面可能是污染环境中气态前体物浓度增大，单位时间内向粒子表面输送的气体分子数增多，导致粒子表面的气体转化速率加快，从而使得污染时期的粒径增长的更快;另一方面也可能是污染环境中污染物之间的化学反应加强，促进了气体在粒子表面的反应转化速率，从而导致污染时期的粒径增长的更快。　　区域输送和化学转化是引起严重霾污染的两个主要因素。在观测期间的5次霾污染事件中，研究发现这两个因素在不同的污染水平扮演了不同的角色。在每个污染事件发生的最初12个小时，PM2.5浓度均增加了120μg m-3左右，从清洁水平上升到轻-中污染水平。同时，亚微颗粒物(～10-700nm)数浓度、平均粒径和体积浓度均表现了明显的增加。此刻，北京地区盛行南风，并且北京南部地区比北京更早出现轻-中度污染，因此，北京地区污染初期PM2.5快速的增加很可能是由来自南部的污染物的区域输送引发的。随后，PM2.5继续提升到重度和严重污染水平，此时当地的风速较弱，相对湿度高，臭氧浓度低。增加的PM2.5以二次无机组分为主，在重度和严重污染水平，二次无机组分分别贡献了PM2.5质量浓度的45％和55％，表明二次转化是污染的加剧的重要因素。此外，在重度和严重污染水平，亚微颗粒物的数浓度基本不变，但亚微颗粒物的平均粒径和体积浓度不断增加，这很可能是由颗粒物表面的非均相反应造成颗粒物粒径的增长造成的。因此，研究结果表明，在本文的北京冬季5次污染事件中，来自南部的区域输送是严重污染前期PM2.5快速增加的主要原因，严重污染后期PM2.5增加主要是由静稳时期背景下局地污染物的非均相反应引起。　　观测期间散射(σsp)系数，吸收(σabs)系数和单次散射反射率

ISBN: (纸本)9787502477813

关键词： 空气污染   雾霾   政府  

摘要： 目前,中国空气污染问题较为严重,政府治理空气污染的措施一直广受人们关注。中国的空气污染问题是由空气排污权界定不清晰、城市内部规划不合理以及环保产业落后等原因引起。日本曾有一段与中国及其类似的空气污染史。在日本政府持续性的治理下,日本空气污染问题得到了根本性解决,他们的经验值得中国政府借鉴和学习。通过回顾日本政府的空气污染治理历程、归纳日本政府空气污染治理的主要措施,得出了对中国空气污染治理有益的三大启示:建立统一的空气排污权交易系统、重视城市内部规划的合理性以及加强本国环保产业的发展。

关键词： 太阳光度计   AOD   AE   霾   气象条件  

摘要： 为探讨南京秋季霾污染过程发生的主要影响因素,利用南京信息工程大学太阳光度计观测霾污染发生天气下AOD(aerosol optical depth,气溶胶光学厚度)数据,计算AE440-1020(ngstr9m Exponent,波长指数)以及a2(光谱曲率),结合CALIPSO(Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations)卫星气溶胶组分分析以及MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)火点数据,对2015年10月南京霾污染过程进行分析.结果表明:2015年10月出现的两次霾污染过程期间南京地区AE440-1020均高于1.0并且a2呈负值,其中10月16日AQI达到峰值(201),AOD500达1.51,AE440-1020达1.37,a2达-0.77;这两次较为严重的霾污染过程均主要由人为因素(工业污染、城市建设、生物质燃烧、汽车尾气排放等)产生的细粒子所致.后向轨迹分析发现,2015年10月16日南京地区霾污染天气发生的主要原因是区域型污染,同时受长距离输送影响,大量携带人为因素产生的细粒子以及少量沙尘等污染物的空气团途经内蒙古、山东等地到达南京,加剧了当日的污染程度;2015年10月23日南京地区霾污染天气的发生则主要受长距离输送影响,同时也受到区域型污染影响,加剧了当日的污染程度.研究显示,在稳定的气象条件下,较高的相对湿度、较低的地表风速、低混合层高度以及贴地逆温的出现是诱发霾污染天气产生的有利气象条件.

关键词： 霾日   大气污染状况   消光特性   能见度   杭州  

摘要： 利用2006—2015年杭州环境空气质量及霾等观测数据,分析近几年杭州的霾日数变化,比较霾与非霾两种情况下污染物浓度和气溶胶消光特性的差异。结果表明:杭州霾出现频繁,近10年来年均霾日数在160 d左右,频率高达40%以上。每月PM2.5超标天数与霾日数有较好吻合。随主要污染物浓度升高,能见度呈下降趋势。绝大多数月份均存在霾天气下污染物浓度高于非霾,霾天气下PM2.5的早晚高峰日变化特征更加明显。能见度的日变化呈现双谷特征。

关键词： 霾污染   大气能见度   参数化方案   消光系数   WRF-Chem  

摘要： 霾污染是高浓度大气气溶胶造成低能见度的大气现象,为了完善目前空气质量模式的大气能见度参数化方案,以准确地预报霾污染过程的能见度变化,基于已有的大气总消光系数与大气能见度的关系,依据Mie理论和大气分子的消光特性,计算颗粒物和NO_2的消光系数,提出一种改进的大气能见度参数化方案.为了验证这一改进的参数化方案的大气能见度预报性能,(1)利用空气质量模式WRF-Chem3.7模拟2013年12月南京地区两次霾污染个例,并且与实际观测数据对比,证实其能够准确地模拟大气颗粒物和NO_2的浓度变化;(2)利用模拟的大气颗粒物和NO_2的浓度数据,分别采用改进的能见度参数化方案及已有的IMPROVE方案和CHEN的能见度参数化等3个方案,计算两次霾污染个例的大气能见度变化;(3)与观测能见度比较,评估3个能见度参数化方案的模拟准确性。评估表明,改进的参数化方案模拟的两个霾污染个例能见度的平均标准化偏差和平均偏差分别为17.19%、3.18%和517、173 m,并且和观测能见度的相关系数分别提高到0.76、0.87,其能见度模拟的准确性优于其它两种已有的参数化方案,并在不同相对湿度(RH)和能见度范围内改进的参数化方案模拟的标准化平均误差均小于其它两种参数化方案,其中,在RH<80%和能见度≥1 km范围内标准化平均误差均低于50%.研究显示,改进的大气能见度参数化方案能够有效地提高空气质量模式的霾污染环境大气能见度的预报准确性.