亚洲地区污染物排放对欧洲、北美地区对流层臭氧的影响

论文总字数：18374字

目 录

摘要 I

Abstract II

1 引言 1

2 数据资料与方法 2

2.1 全球大气化学模式MOZART-4 2

2.2试验设计 3

3 东亚对全球臭氧水平分布的影响 4

3.1.东亚边界层臭氧对全球近地面臭氧的贡献 4

3.2.东亚边界层臭氧对全球500mb臭氧的贡献 6

3.3东亚自由对流层臭氧对全球近地面臭氧的贡献 7

3.4东亚自由对流层臭氧对全球500mb臭氧的贡献 9

4 全球各区域对北美、欧洲、东亚地区臭氧的垂直贡献 10

4.1 全球各区域对北美臭氧垂直分布的贡献 10

4.2全球各区域对东亚臭氧垂直分布的贡献 12

4.3 全球各区域对欧洲臭氧垂直分布的贡献 13

5 结论 15

参考文献 15

致谢 17

亚洲地区污染物排放对欧洲、北美地区对流层臭氧的影响

孟杰

Abstract：The study has simulated and drew the Asia, Europe and North America’s ozone transmission by global atmospheric chemistry transport model MOZART-4 , to understand the ozone’s transmission the regional influence in these regions,It is able to determine the path of the outflow of pollutants in Asia and the contribution of ozone in Asia to Europe, North America’s tropospheric ozone.The results found that:Pollutants can be transmitted to each other among the Asia, Europe, and North America.The transmission of Asian pollutants to North America reached the maximum at the end of the spring, and it’s relatively small at the summer .The Europe, North America’s the boundary layer and tropospheric ozone in the westerly wind field under the effect of rapid cross Eurasia continent to East Asia caused a greater impact.The long distance transmission of ozone in East Asia are mainly affected by the westerly jet, easterly jet, trade, the Pacific subtropical high pressure, the Aleutian low and Mongolia high pressure influence.

Key words: Asia ；North America ；Europe ；troposphere ；ozone

1 引言

近百年来全球气候不断变暖,而且很多研究表明,人类活动的影响是主要原因之一。为了更好地了解人类活动的影响以及理解全球气候的变化规律。臭氧的洲际传输研究已需要开展。对流层臭氧的源主要有三种,平流层注入,水平输送,垂直输送和边界层夹卷作用的影响^[1],工业革命以来,全球臭氧前体物如NOx等排放量总体呈上升趋势。尤其是最近20年来,东亚成为在全球范围内发展最快速的区域之一,臭氧前体物如CO、NOx和碳氢化合物的排放量持续增加,从而导致东亚地区对流层臭氧含量持续增加,高浓度的臭氧显著影响了周围地区大气环境,并且通过区域和洲际间的传输影响北半球,因此对于臭氧洲际间运输的研究具有重要的意义。

全球对流层化学和气候变化的科学研究从三十年前才刚刚开始,那时几乎没有可以应用的对流层成分的大尺度观测资料,许多远距离输送的化学变化机制也不清楚,而且全球大气化学模式只有大体概况,相当粗糙、模糊。而近三十年来,许多研究平台已在前所未有的尺度上开始对大气化学过程进行研究。国家气候中心开发了大气化学环流化学模式BCC-AGCM -Chem0模拟20世纪全球大气臭氧的时空分布,演变特征,气候平均态,长期演变趋势^[1]。GET计划中有三次详细考察亚洲地区污染物跨越太平洋输送的实验,即PEM-WEST-A、PEM-WEST-B和TRACE-P,分别对亚洲排放物对西北太平洋和北美大气化学组成的影响进行了探讨^[2]。研究利用飞机和卫星作为仪器平台,进行了一系列全球尺度的光化学输送实验,主要为了探究大陆污染物输送到西北太平洋、热带大西洋及热带太平洋等地区后所发生的光化学反应,还有这些污染物和二次污染物对全球环境的影响^[3]。PEM-WEST-A的试验中发现,发源于不同地区的污染物在气团的携带下经过长距离输送后对太平洋岛屿O₃浓度的影响是不同的。东亚地区的源排放量较大,所以起源于亚洲西北部、并经过东亚地区的污染气团在在到达太平洋岛上^[4]。PEM-WEST-B研究了大陆出流物的影响,结果显示,海洋地区的海洋边界层和自由对流层中 O₃的光化产量显著的受到亚洲出流物的影响,并且亚洲流出物的数量在晚冬和早春最大。同时,该研究结果也指出,亚洲污染物向西北太平洋地区的出流量,受季节的影响较大,这与亚洲地区,尤其是东亚地区气候的季节变化特征密切相关^[2]。徐纪亮^[5]利用世界臭氧和紫外辐射数据中心(WOUDC)臭氧探空资料,分析了北半球中纬度各地区臭氧浓度的不同,观测到对流层O₃浓度在春季最大的站分布在北美大陆加拿大各地、东亚沿海地区及爱尔兰等地；在夏季最大的站分布在欧洲大陆及美国东部等污染较严重的地区,而日本的纬度较高站O₃在海拔高度约4-8km高度夏季时最大,东亚地区臭氧前体物的排放增长最快。春天大部分时间里东亚的污染物向东朝着美国西北部扩散,北美受平流影响较大^[6]；张倩^[7]在已有的地面臭氧研究的基础上,结合资料,分析了北半球各区域地面臭氧的分布和变化特征。

北美污染物对欧洲的传输不仅快速而且距离短,北美边界层的空气常常被大西洋上空锋面系统前缘的暖流输送带抬升到对流层顶部,污染气团也会随之抬升逐渐分层,通过各种方式进入到欧洲^[8]；Li et al.^[9]的研究结果表明：北美的认为排放会导致欧洲大陆地面臭氧平均提升2~4ppbv,而在横跨大西洋事件发生时可能提高5~10ppbv；同时INTEX-NA实验中还包含了北美污染物对欧洲影响的研究,显示在2004年夏季北美对欧洲臭氧的贡献约9%；在2001年11月CONTRACE试验期间观测到了两次北美污染向欧洲的传输的事件,主要传输过程是在11月时,有暖传输带将北美东部污染物抬升到了对流层中部,并且沿着大西洋传输,最后在欧洲下降至近地面。Auvray ^[10]采用GEOS-CHEM模式通过关闭排放源的方法探讨了北美污染长距离输送对欧洲臭氧的影响,研究表明北美向欧洲的输送作用在春夏季最强,夏季是由于对流及纬向气流的作用,北美臭氧在较高的高度、较低的纬度进入欧洲；低层气流在春季相对重要一些；对于欧洲近地面臭氧30ppbv的背景浓度,北美年平均贡献约10.9%,亚洲约7.7%,欧洲本身贡献9.4%；此外,本研究还指出1980-1997年欧洲自由对流层臭氧前体物总体是呈减少趋势的,但受亚洲排放的影响,臭氧浓度并没有相应减少。全球大气化学计划（IGAC）进行的污染物在大陆之间的化学输送（INTEX）和化学转化（ITCT）计划,将主要的目标放在人为污染源在大陆间的输送问题,指出已经有证据表明存在污染物从北美输送到欧洲和从亚洲输送到北美^[3]。

目前观测试验数据较少,但是已有一些数值模拟研究初步探讨了欧洲污染物向亚洲地区的输送路径和输送机制,如Duncan运用GEOS-CHEM模式研究了从1987年-1997年欧洲污染物的输送路径，研究指出,冬季,污染物以平流方式输送到（1）北大西洋中高纬地区；（2）俄罗斯北部地区；（3）通过地中海盆地由欧洲西部及非洲北部输出到北大西洋的中低纬；夏季,欧洲污染物则主要以平流或对流方式输出,污染物以平流方式输出到俄罗斯和地中海盆地或北非,对流过程主要集中在德国和乌拉尔山脉地区^[3]。尽管一些模拟研究揭示了欧亚之间的输送问题,但是现在还是缺乏有效的观测数据予以支持,因此对有关欧亚输送机制和输送路径问题还有待于进一步加以探讨。

2 数据资料与方法

2.1 全球大气化学模式MOZART-4

本论文的主要工作是基于MOZART-4（Model for Ozone and Related chemical Tracers, version 4）模式展开的。MOZART-4是由美国大气研究中心(NCAR)发布的全球三维大气化学传输模式,主要用来模拟大气中O₃及其相关微量物种的时空分布规律。

MOZART-4的建立是以MATCH (Model of Atmospheric Transport and Chemistry) ^[11]为框架,包括对物种平流和对流输送、垂直扩散以及干湿沉降过程的参数化计算。对流质量通量的计算采用Hack^[12]的浅对流和中对流方案以及Zhang and McFarlane^[13]的深对流方案；垂直扩散采用 Holtslag and Boville^[14]的参数方案；平流输送采用Lin and Rood^[15]带有压力修正通量形式的半拉格朗日平流方案。

MOZART-4标准模拟采用的排放清单中,大部分人为排放来自于2000年POET（Precursors of Ozone and their Effects in the Troposphere）数据库,该数据库包括基于EDGAR-3排放清单的人为排放（化石燃料和生物燃料的燃烧）,黑碳和有机碳的人为排放由Bond et al.^[16]在1996年确定,SO₂和NH₃的人为排放分别来自于EDGAR-FT2000和EDGAR-2数据库；在亚洲地区,这类清单由REAS（Regional Emission inventory for Asia）取代；当前用于1997-2007年的月平均生物质燃烧排放来自于全球火点排放资料库（GFED-v2）；来自植物的异戊二烯和单萜及来自土壤和闪电的NO的排放采用气体和气溶胶自然排放模式（MEGAN）在线的计算；二甲基硫（DMS）的排放来自于海洋生物地球化学模式HAMOCC5的月平均值；火山喷发释放的SO₂来自于GEIA-v1清单^[2]。

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