海陸風(fēng)環(huán)流中海鹽氣溶膠對(duì)大氣影響的模擬

沈 傲,田春艷,劉一鳴,申 沖,陳曉陽,陳訓(xùn)來,王明潔,藍(lán) 靜,樊 琦*

?

海陸風(fēng)環(huán)流中海鹽氣溶膠對(duì)大氣影響的模擬

沈 傲1,田春艷1,劉一鳴1,申 沖1,陳曉陽1,陳訓(xùn)來2,王明潔2,藍(lán) 靜3,樊 琦1*

(1.中山大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院,廣東省氣候變化與自然災(zāi)害研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510275；2.深圳市國(guó)家氣候觀象臺(tái),廣東 深圳 518040；3.廣州市氣候與農(nóng)業(yè)氣象中心,廣東 廣州 511430)

采用WRF-CMAQ模式對(duì)2013年9月9~13日珠江口一次典型海陸風(fēng)過程進(jìn)行數(shù)值模擬,并進(jìn)一步探討了在此類型環(huán)流系統(tǒng)下，海鹽氣溶膠及其對(duì)大氣環(huán)境的影響.結(jié)果表明:珠江口附近海風(fēng)環(huán)流一般在14:00左右開始形成,17:00左右發(fā)展最旺盛,且在珠江口沿岸形成扇形風(fēng)系.在海陸風(fēng)環(huán)流影響下,珠江三角洲地區(qū)陸地上Na+濃度從17:00開始增加,次日02:00左右達(dá)到最大,10:00以后開始下降.海鹽氣溶膠存在明顯的氯虧損現(xiàn)象,其中白天的氯虧損情況遠(yuǎn)比晚上嚴(yán)重,細(xì)粒徑的氯虧損情況比粗粒徑嚴(yán)重.設(shè)置有無海鹽氣溶膠排放的敏感性試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比研究發(fā)現(xiàn):考慮海鹽排放后,珠江口地區(qū)HCl,SO42-,NO3-的濃度均有增加,其中,HCl和NO3-的增加較多,SO42-較少.HCl濃度增加的高值在Cl-高值之前;SO42-濃度變化主要受海鹽氣溶膠排放中的硫酸鹽組分影響;NO3-濃度變化則主要受氯虧損機(jī)制和NO3-干沉降過程共同影響.

珠江口；海陸風(fēng)環(huán)流；海鹽氣溶膠；氯虧損；數(shù)值模擬

海陸風(fēng)是發(fā)生在海岸附近的由于海陸熱力差異導(dǎo)致的一種局地環(huán)流,具有明顯的日變化[1].國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行了大量的研究[2-3].近些年來,隨著數(shù)值模擬技術(shù)的不斷提高,MM5、WRF等中尺度氣象模式得到廣泛運(yùn)用,為海陸風(fēng)的研究提供了良好的工具.部分學(xué)者對(duì)國(guó)內(nèi)外各地海陸風(fēng)環(huán)流進(jìn)行數(shù)值模擬和檢驗(yàn)分析,均取得了較好的研究成果[4-7].研究表明,對(duì)于珠江三角洲地區(qū),海陸風(fēng)發(fā)生頻率夏季大于冬季,并且海風(fēng)開始和結(jié)束的時(shí)間都較晚[8].張立鳳等[9]由Mass模式的診斷結(jié)果得到了珠江口地區(qū)海陸風(fēng)風(fēng)系分布的概念模型:吹海風(fēng)時(shí),珠江口沿岸存在扇形風(fēng)系和扇形輻合帶;吹陸風(fēng)時(shí),珠江口海面上存在東西兩岸陸風(fēng)的輻合. Ding等[10]和Lu等[11]分別利用MM5模式對(duì)2001年9月和2003年整年的珠江三角洲地區(qū)海陸風(fēng)變化進(jìn)行模擬,均發(fā)現(xiàn),夏秋季珠江口的海風(fēng)形成時(shí)間較晚,一般為14:00以后,且珠江口會(huì)有較明顯的扇形輻散風(fēng)系.

海陸風(fēng)環(huán)流會(huì)對(duì)沿海地區(qū)大氣中顆粒物的輸送和反應(yīng)有較大的影響[12-13],其中海鹽氣溶膠(SSA)是大氣中最主要的自然源氣溶膠之一[14],尤其是在海區(qū)和沿海大氣,也是對(duì)流層中最大的顆粒物來源[15].據(jù)估計(jì),海鹽氣溶膠的全球通量每年為1′109~ 1′1010g[16].根據(jù)IPCC在2001年的報(bào)告估計(jì),每年由于作用于海洋表面的風(fēng)應(yīng)力,大概有3.3′109g的海鹽氣溶膠進(jìn)入海洋大氣邊界層[17].

海鹽氣溶膠主要來源于海水飛沫,其主要化學(xué)組分也與海水相似,主要為Cl-,Na+,Mg2+,Ca2+, K+,S及Br-,且其關(guān)系比值也與海水中的相應(yīng)比值接近.海鹽氣溶膠除了本身的排放外,還會(huì)因?yàn)槁然瘜W(xué)反應(yīng)過程增加沿海地區(qū)顆粒物的濃度,改變顆粒物化學(xué)組分.其中Cl-顆粒物易與H2SO4,HNO3等反應(yīng)生成HCl氣體而發(fā)生氯虧損現(xiàn)象:

式中:g代表氣態(tài),cd代表凝聚態(tài).

國(guó)內(nèi)外的研究中,學(xué)者們利用觀測(cè)資料、實(shí)驗(yàn)室研究和數(shù)值模擬等方法,均發(fā)現(xiàn)海鹽氣溶膠會(huì)對(duì)空氣中的部分物質(zhì)產(chǎn)生重要的影響[18-21].研究表明,海鹽氣溶膠會(huì)使海洋和沿海地區(qū)的硫酸鹽、硝酸鹽、氨氣和PM10濃度增加,而硫酸氣體、硝酸氣體、銨鹽濃度減小,其中硫酸鹽顆粒物的一次排放引起的,硝酸鹽濃度的增加主要是由海鹽氣溶膠的氯化學(xué)反應(yīng)引起的,且硝酸鹽和硝酸氣體的改變最為明顯.

目前針對(duì)沿海地區(qū)特有的海陸風(fēng)環(huán)流系統(tǒng)對(duì)海鹽氣溶膠的輸送及其影響方面的研究較少.本文選取2013年9月9~13日珠江口(PRE)地區(qū)的海陸風(fēng)過程,利用三維空氣質(zhì)量模式CMAQ對(duì)此過程進(jìn)行數(shù)值模擬,分析海陸風(fēng)過程中珠江三角洲地區(qū)的氣象場(chǎng)特征、海鹽氣溶膠的輸送及其對(duì)沿海地區(qū)大氣環(huán)境的影響.

1 研究方法

1.1 模式及其設(shè)置

本文采用WRF-CMAQ模式系統(tǒng):由中尺度模式WRF[22]提供氣象場(chǎng)數(shù)據(jù),并由MCIP[23]轉(zhuǎn)換程序把WRF輸出結(jié)果轉(zhuǎn)化成為空氣質(zhì)量模式CMAQ[24]能讀取的文件格式.排放源模塊同時(shí)考慮了人為排放源和生物排放源.CMAQ利用氣象模塊和排放源模塊的輸入結(jié)果,對(duì)多種污染物的濃度進(jìn)行計(jì)算.其中CMAQ的海鹽氣溶膠模塊的優(yōu)勢(shì)在于,一方面考慮了海溫的影響,另一方面更加注重海鹽細(xì)顆粒物的模擬效果[25].CMAQ中海鹽排放按來源區(qū)域分為廣闊海洋面排放和沿海碎浪帶排放.沿海碎浪帶的海鹽排放要明顯高于廣闊海洋面上的排放.對(duì)于廣闊海洋面,海鹽排放量計(jì)算公式參考文獻(xiàn)[26],而對(duì)于沿海碎浪帶,海鹽排放量的計(jì)算參考文獻(xiàn)[27],即在文獻(xiàn)[26]公式的基礎(chǔ)上假設(shè)沿海碎浪帶的白浪占比為100%,且碎浪帶的寬度為25m.在計(jì)算海鹽排放時(shí),需要對(duì)模擬區(qū)域中每個(gè)網(wǎng)格的廣闊海洋面和沿海碎浪帶的比例進(jìn)行計(jì)算.本文利用ArcGIS軟件從海岸線信息中獲取這些數(shù)據(jù).

對(duì)于WRF-CMAQ系統(tǒng)模擬能力的評(píng)估已得到了驗(yàn)證[21],說明WRF-CMAQ系統(tǒng)總體上能較好地反映實(shí)際大氣情況,為之后的分析提供較可靠的氣象場(chǎng)和污染物濃度結(jié)果.

本文使用的WRF版本為v3.6.1,模式采用蘭伯特投影,中心位于(110°E,30°N).模擬區(qū)域采用三重網(wǎng)格嵌套(圖1),水平格距分別為27,9, 3km,格點(diǎn)數(shù)為240×240,148×160,199×175.垂直方向分為27層,在大氣邊界層以下劃分更細(xì)致一些.地形場(chǎng)資料采用的是歐盟聯(lián)合研究中心(JRC)制作的GLC2009[28],分辨率為30s.氣象初始場(chǎng)和邊界場(chǎng)資料采用美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)/美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(NCAR)的再分析資料,空間分辨率為1°×1°,時(shí)間間隔為6h.海溫?cái)?shù)據(jù)來自于NCEP根據(jù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演得到的全球?qū)崟r(shí)(RTG)海溫?cái)?shù)據(jù),空間分辨率為0.5°×0.5°.WRF模式采用的物理參數(shù)化方案包括:Lin微物理方案,Goddard短波輻射方案,RRTM長(zhǎng)波輻射方案,Monin-Obukhov近地面層方案,Noah陸面過程方案,YSU邊界層方案,Kain-Fritsch積云參數(shù)化方案,其中第三重網(wǎng)格不采用積云參數(shù)化方案,并采用了單層城市冠層模式(UCM).模擬時(shí)間為2013年9月7日08:00~9月13日08:00,其中前48h為啟動(dòng)時(shí)間.

本文使用的CMAQ版本為v5.1,模擬區(qū)域采用三重網(wǎng)格嵌套模式(圖1),水平格距與WRF模式設(shè)置相同,格點(diǎn)數(shù)分別為119′129,102′81,153′135. 垂直方向分為27層,在大氣邊界層以下劃分更細(xì)致一些,最底層高度為22m.內(nèi)重網(wǎng)格的化學(xué)邊界條件由外重網(wǎng)格的模擬輸出結(jié)果提供.模式模擬第1d的化學(xué)初始條件由模式默認(rèn)的結(jié)果提供,第2d的化學(xué)初始條件由第1d的模擬結(jié)果提供.CMAQ模式采用的化學(xué)參數(shù)化方案包括:SAPRC07TIC氣相化學(xué)機(jī)制,AERO6I氣溶膠機(jī)制,AQKMTI液相化學(xué)機(jī)制,其中光化學(xué)反應(yīng)速率根據(jù)模式模擬的氣溶膠和臭氧濃度在線計(jì)算. 模擬時(shí)間為2013年9月8日08:00~ 9月13日08:00,其中前24h為啟動(dòng)時(shí)間.

圖1 WRF-CMAQ模式網(wǎng)格范圍示意

排放源部分,人為源排放采用清華大學(xué)制作的MIX2010排放源清單[29],生物排放源由MEGAN[30]模式計(jì)算得到.

1.2 敏感性試驗(yàn)設(shè)置

為具體研究海鹽氣溶膠對(duì)大氣環(huán)境的影響,本文采用設(shè)置敏感性試驗(yàn)的方法定量得到海鹽氣溶膠對(duì)大氣環(huán)境的貢獻(xiàn).基準(zhǔn)試驗(yàn)(SACL)考慮了海鹽的排放量,而控制試驗(yàn)(NOSA)不考慮海鹽的排放量,對(duì)比2個(gè)數(shù)值試驗(yàn)的模擬結(jié)果即可得到海鹽氣溶膠對(duì)大氣環(huán)境的影響.

2 結(jié)果分析

2.1 海陸風(fēng)特征的模擬分析

沿海地區(qū)海陸風(fēng)會(huì)受到多重因素的影響.本研究綜合不同學(xué)者對(duì)海陸風(fēng)的研究以及研究區(qū)域的位置特點(diǎn),對(duì)于海陸風(fēng)的識(shí)別方法采用:風(fēng)分量為正值時(shí),為向岸流即海風(fēng);為負(fù)值時(shí),為離岸流即陸風(fēng).在24h內(nèi),風(fēng)分量發(fā)生變化且持續(xù)時(shí)間不少于4h,則認(rèn)為有海風(fēng)或陸風(fēng)發(fā)生.風(fēng)分量持續(xù)時(shí)間為陸風(fēng)或海風(fēng)持續(xù)時(shí)間[31].

取113°45′E,22°30′N(珠江口海上)做垂直層次上風(fēng)沿時(shí)間變化的剖面圖(圖2),可以發(fā)現(xiàn),風(fēng)具有明顯的日變化特征.這4d內(nèi),海風(fēng)環(huán)流一般在午后14:00左右開始形成,17:00~18:00左右發(fā)展最旺盛,風(fēng)風(fēng)速最大可達(dá)8m/s.海風(fēng)一般可維持至次日凌晨02:00左右,其中10/11日海風(fēng)維持到了次日06:00左右,且11日的風(fēng)強(qiáng)度在這4d中達(dá)到最大.相比海風(fēng),陸風(fēng)的維持時(shí)間較短,一般僅能維持6h左右,強(qiáng)度也較小,風(fēng)風(fēng)速一般為2~3m/s.垂直方向上,海風(fēng)影響范圍可達(dá)1000m,并且強(qiáng)度隨高度的增加而減小.

圖2 模式模擬的2013年9月9~13日113°45′E 22°30′N 垂直方向上V風(fēng)隨時(shí)間變化

以9月11~12日海陸風(fēng)過程為例,選取典型時(shí)刻(9月11日10:00、14:00、17:00,9月12日00:00、06:00、10:00)做珠江口10m風(fēng)場(chǎng)與2m溫度場(chǎng)疊加圖(圖3).可以發(fā)現(xiàn),11日10:00,珠江口為較弱的離岸陸風(fēng),此時(shí)珠江口風(fēng)速接近于0,陸地上風(fēng)速也較小,約為2~3m/s,且無主導(dǎo)風(fēng)向.但陸上溫度已開始高于海上溫度,溫差約為2~3℃.下午14:00,珠江口開始形成向岸海風(fēng),海上風(fēng)速最大達(dá)6m/s,海陸溫差達(dá)8℃.由于珠江口特殊的地形,海風(fēng)在珠江口處形成扇形輻散風(fēng)系,這與張立鳳等[9]的研究結(jié)果一致,且由于右岸溫度略高于左岸溫度,風(fēng)系的西風(fēng)分量要略強(qiáng)于東風(fēng)分量.至17:00,海風(fēng)發(fā)展最為旺盛,海上風(fēng)速最大達(dá)8m/s,陸上風(fēng)速最大達(dá)6m/s.此時(shí)珠江口東西兩岸溫度一致,風(fēng)系的東西風(fēng)分量也一致.隨后,海風(fēng)一直維持至12日凌晨6:00,此時(shí)由于陸上溫度已普遍低于海上溫度3℃左右,海風(fēng)逐漸向陸風(fēng)轉(zhuǎn)變,并且由于海上的背景主導(dǎo)風(fēng),珠江口出現(xiàn)較強(qiáng)的東風(fēng)分量.至10:00,海風(fēng)已完全轉(zhuǎn)變?yōu)殛戯L(fēng).其余幾日與此類似,故不再贅述.

圖4 模式模擬的2013年9月11日17:00沿113°45′E V風(fēng)垂直剖面

選取11~12日海風(fēng)強(qiáng)度最大時(shí)(11日17:00),沿113°45′E做風(fēng)的垂直剖面圖(圖4),可以發(fā)現(xiàn),地面和高空存在明顯的反向氣流,且海風(fēng)即將結(jié)束前風(fēng)場(chǎng)分量值有方向相反對(duì)峙區(qū)域,說明了海風(fēng)對(duì)內(nèi)陸的滲透距離.由圖4可知,海風(fēng)強(qiáng)度發(fā)展至最大時(shí),海風(fēng)可推進(jìn)至23°5′N左右.由于珠江口位于22°45′N,可得知海風(fēng)向陸地推進(jìn)了20′,即為向陸地推進(jìn)將近37km,可影響到廣州中南部地區(qū).

2.2 海陸風(fēng)環(huán)流下海鹽氣溶膠的模擬分析

在CMAQ模式中,海鹽氣溶膠各組分的占比如表1所示,其中氯鹽和鈉鹽是海鹽中的主要成分,各占55%和31%.而Na+化學(xué)性質(zhì)不活躍,故常用于表征海鹽氣溶膠.模式中,海鹽排放在海面上完成,物質(zhì)的平流過程依賴于連續(xù)方程的質(zhì)量守恒特性,而在垂直擴(kuò)散上,模式采用的是非對(duì)稱對(duì)流法ACM[32]的更新版本ACM2[33].在對(duì)流條件下(表面變暖時(shí)),被加熱的空氣通過浮力垂直運(yùn)輸,并與表面上方每個(gè)層次的環(huán)境空氣混合,直到上升空氣的溫度等于周圍環(huán)境的溫度.由于該過程是由快速上升的窄氣流和緩慢下降的寬氣流所導(dǎo)致,所以垂直擴(kuò)散是非對(duì)稱的,在CMAQ計(jì)算期間通過使用ACM2,在線垂直分配生物源和點(diǎn)源排放.在非對(duì)流條件下(表面冷卻時(shí)),垂直擴(kuò)散由渦流擴(kuò)散方法表示.渦流擴(kuò)散是一種局部混合方案,并且使用與區(qū)域酸沉積模型[34]中相同的基于行星邊界層(PBL)相似性的算法估算.

表1 CMAQ模式中海鹽氣溶膠干顆粒組分占比(%)

2.2.1 基準(zhǔn)試驗(yàn)中海鹽氣溶膠的分布 選取113°35′E 23°N(廣州南部)做垂直方向上環(huán)境中Na+質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化(圖5).由于在CMAQ模式中Na+根據(jù)粒徑大小不同分為核膜態(tài)、積聚態(tài)、粗粒態(tài)3種模態(tài),其中粗粒態(tài)占比可達(dá)90%以上,故僅研究3種模態(tài)下Na+質(zhì)量濃度的總和.可以發(fā)現(xiàn),陸地上Na+本底濃度極低,一般不超過1μg/m3.在17:00左右,也就是海風(fēng)強(qiáng)度最大時(shí),該地Na+濃度開始增加,一般在第二日02:00前后達(dá)到峰值,最大可達(dá)7μg/m3.在陸風(fēng)形成后,該地Na+濃度逐漸降低.在垂直方向上,Na+濃度隨高度的增加而減小,最高可超過2500m,濃度相對(duì)較大區(qū)(33μg/m3)一般分布在500m以下高度處.

選取典型時(shí)刻(9月11日10:00,14:00,17:00;9月12日00:00,06:00,10:00)對(duì)模式最底層的珠江三角洲(PRD)風(fēng)向與Na+質(zhì)量濃度做疊加圖(圖6).可以發(fā)現(xiàn),在11日10:00,由于盛行東風(fēng),珠江三角洲西部Na+質(zhì)量濃度比東部高.14:00,海風(fēng)剛開始生成,由于之前持續(xù)的陸風(fēng),陸上Na+濃度較低,此時(shí)海上Na+的濃度可達(dá)10μg/m3.17:00,海風(fēng)強(qiáng)度達(dá)到最大,此時(shí)沿海陸地Na+濃度開始增加.此后,Na+一直向陸地推進(jìn).在12日00:00,整個(gè)海岸線地區(qū)Na+濃度達(dá)到最大,普遍可達(dá)10μg/m3以上,廣州地區(qū)Na+可推進(jìn)至24°45′左右,南部地區(qū)濃度較高.直至12日06:00,Na+推進(jìn)至最遠(yuǎn),中心濃度較大區(qū)數(shù)值可超過10μg/m3.并且由于此時(shí)的背景風(fēng)為東風(fēng)或偏東風(fēng),珠江口西部陸地Na+濃度普遍高于東部,廣州南部Na+濃度也較高.12日10:00,珠江三角洲地區(qū)已全被陸風(fēng)控制,陸地上Na+濃度也逐漸降至1μg/m3左右.

圖5 模式模擬的2013年9月9~13日113°35′E 23°N 垂直方向上Na+質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化

2.2.2 基準(zhǔn)試驗(yàn)中海鹽氣溶膠的氯虧損現(xiàn)象 選取113°35′E 23°N(廣州南部)做3種模態(tài)下Na+與Cl-在模式最底層的質(zhì)量濃度總和隨時(shí)間的變化(圖7).可以發(fā)現(xiàn),Cl-和Na+的變化基本同步,說明該地Cl-主要來源于海鹽.除了每日00:00前后Cl-的質(zhì)量濃度要高于Na+,其余時(shí)間均會(huì)低于Na+的質(zhì)量濃度.并且在每日00:00前后,Cl-濃度達(dá)到峰值,16:00前后達(dá)到谷值.而排放初期的海鹽氣溶膠和海水成分一致,Cl-和Na+的摩爾比為常數(shù)1.16.對(duì)9月9~13日Cl-,Na+,Ca2+分別做摩爾濃度的比值,其中[Cl-]/[Na+]若小于1.16,說明出現(xiàn)了氯虧損狀況;[Na+]/[Ca2+]若大于6,說明海洋源占優(yōu)勢(shì)[35].可以發(fā)現(xiàn),9月9~13日,絕大多數(shù)時(shí)間海洋源氣溶膠占優(yōu)勢(shì),并且每日00:00前后,海洋氣溶膠的濃度達(dá)到最大.此地一直出現(xiàn)較為明顯的氯虧損現(xiàn)象,并且白天的氯虧損狀況([Cl-]/ [Na+]約為0.1左右)要遠(yuǎn)比晚上([Cl-]/[Na+]約為0.85左右)嚴(yán)重,這與Cl-濃度變化曲線趨勢(shì)一致.

由9月9~13日3個(gè)模態(tài)(核膜態(tài)、積聚態(tài)、粗模態(tài))下的摩爾濃度比值[Cl-]/[Na+](圖8)可以看出,由于粗粒態(tài)下顆粒物的占比可達(dá)總顆粒物的90%以上,所以該模態(tài)下[Cl-]/[Na+]比值變化與3模態(tài)總和下的變化十分接近,但在核膜態(tài)和積聚態(tài)下,[Cl-]/ [Na+]比值要遠(yuǎn)小于粗粒態(tài)下的比值,且其變化趨勢(shì)也與粗粒態(tài)下的相差甚遠(yuǎn),說明細(xì)粒徑下的氯虧損情況要比粗粒徑下的嚴(yán)重.究其原因,由于細(xì)粒子在大氣中停留時(shí)間長(zhǎng),比表面積大,發(fā)生反應(yīng)的幾率大,因而氯虧損可能也較多[36].

圖8 2013年9月9~13日113°35′E 23°N模式最底層摩爾濃度比值[Cl-]/[Na+]

2.3 海鹽氣溶膠對(duì)大氣環(huán)境的影響

由式(1)、(2)可知，Cl-會(huì)與酸性氣體反應(yīng)生成二次無機(jī)鹽和HCl氣體釋放到大氣當(dāng)中,結(jié)果就是Cl-濃度減小,HCl濃度增加.

選取113°35′E 23°N(廣州南部)做Cl-質(zhì)量濃度差值和HCl體積濃度差值以及NOSA試驗(yàn)?zāi)M下的HCl體積濃度(圖9(a)).可以發(fā)現(xiàn),大氣中HCl的本底濃度極低,一般僅能維持在0.2′10-9左右.考慮海鹽排放后,該地HCl濃度最多可增加2.5′10-9,能占大氣中HCl總和的92.3% (12日18:00).Cl-濃度增加的高值分別在9日23:00,11日01:00,12日00:00,13日00:00.而HCl濃度增加的高值分別在9日19:00,10日18:00,11日18:00,12日18:00.再選取113°45′E 22°30′N(珠江口海上)同樣做Cl-質(zhì)量濃度差值和HCl體積濃度差值和NOSA試驗(yàn)?zāi)M下的HCl體積濃度(圖9(b)),可以發(fā)現(xiàn),海上HCl濃度增加的高值分別在9日15:00,10日16:00,11日14:00,12日14:00,均處在陸風(fēng)轉(zhuǎn)變?yōu)楹ｏL(fēng)的交界時(shí).可見,在陸風(fēng)盛行時(shí),陸地上許多污染物輸送至珠江口海面上.當(dāng)陸風(fēng)轉(zhuǎn)變?yōu)楹ｏL(fēng)時(shí),離陸地較遠(yuǎn)的新鮮海鹽氣溶膠輸送至珠江口海面處,并在此通過氯化學(xué)反應(yīng)生成HCl.18:00前后,由于此時(shí)珠江口海風(fēng)強(qiáng)度達(dá)到最大,并且HCl作為氣體比海鹽顆粒輕,所以海上堆積的HCl又重被輸送至陸地.到第二日00:00前后, Cl-輸送至內(nèi)陸,HCl濃度增加也一直維持在1′10-9左右.

選取113°35′E 23°N(廣州南部)分別做Cl-和SO42-質(zhì)量濃度差值以及NOSA試驗(yàn)?zāi)M下的SO42-質(zhì)量濃度(圖10).可以發(fā)現(xiàn),大氣中SO42-本底濃度較高,而考慮海鹽排放后,SO42-濃度的增加量?jī)H占大氣中總SO42-的8.5%左右.由圖也可看出,SO42-質(zhì)量濃度差值的變化趨勢(shì)與Cl-大致相似,兩者的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.82.由表1和公式(2)可知, SO42-濃度的增加量由2部分組成,一是海鹽氣溶膠中硫酸鹽組分的直接排放,二是海鹽氣溶膠中的Cl-與大陸污染氣團(tuán)中的硫酸氣體發(fā)生反應(yīng)生成SO42-,但二者總體增加的量很少.SO42-濃度的增加中氯化學(xué)反應(yīng)占的比重很小,主要是硫酸鹽組分的直接排放.

圖10 2013年9月9~13日113°35′E 23°N模式最底層SACL和NOSA試驗(yàn)?zāi)M的Cl-與SO42-質(zhì)量濃度差值和NOSA試驗(yàn)?zāi)M的SO42-質(zhì)量濃度

選取113°35′E 23°N(廣州南部)分別做Cl-和NO3-質(zhì)量濃度差值以及NOSA試驗(yàn)?zāi)M下的NO3-質(zhì)量濃度(圖11(a)).可以發(fā)現(xiàn),大氣中NO3-本底濃度大多數(shù)時(shí)間極低,考慮海鹽排放后NO3-濃度的增加量占大氣中總NO3-的比值最大可達(dá)100%(9日16:00,10日22:00,11日15:00),在數(shù)值上NO3-濃度最多可增加10.36μg/m3(13日07:00),NO3-濃度增加量占總NO3-的比值最小也能達(dá)46.1%(10日07:00),說明大氣中NO3-的變化絕大多數(shù)是由海鹽氣溶膠的氯虧損機(jī)制造成的.對(duì)比圖10,NO3-質(zhì)量濃度的增加量明顯大于SO42-的增加量,可見,在氯虧損機(jī)制中, HNO3的置換反應(yīng)要強(qiáng)于H2SO4的置換反應(yīng).在變化趨勢(shì)上,NO3-濃度增加量的高值在Cl-高值前后均有出現(xiàn).再選取113°45′E 22°30′N(珠江口海上)同樣做Cl-和NO3-質(zhì)量濃度差值和NOSA試驗(yàn)?zāi)M下的NO3-質(zhì)量濃度(圖11(b)),可以發(fā)現(xiàn),同HCl一樣,珠江口海面上出現(xiàn)在Cl-高值前的NO3-高值也是出現(xiàn)在陸風(fēng)轉(zhuǎn)變成海風(fēng)的時(shí)段,類似圖9的分析,可以認(rèn)為盛行海風(fēng)將珠江口堆積的NO3-輸送至陸地.出現(xiàn)在Cl-高值后的NO3-高值是由于盛行東風(fēng)將臺(tái)灣地區(qū)的NO3-輸送至珠江口,隨后通過海風(fēng)輸送至陸地,在此不作討論.在高值后NO3-質(zhì)量濃度的增加趨勢(shì)隨后會(huì)顯著減小,是由于海鹽氣溶膠粒徑較大,NO3-與其混合后受重力影響沉降到地面.從圖11(c)可以看出,NO3-干沉降量的增加與NO3-質(zhì)量濃度的減小有較好的一致性.

3 結(jié)論

3.1 珠江口海風(fēng)環(huán)流一般在午后14:00左右開始形成,17:00~18:00左右發(fā)展最旺盛,強(qiáng)度較大,一般可維持至第二日凌晨2:00左右.陸風(fēng)的維持時(shí)間較短,一般為維持6h左右,強(qiáng)度也較小.垂直方向上,海風(fēng)影響范圍可達(dá)1000m.海風(fēng)發(fā)生時(shí),珠江口處形成扇形輻散風(fēng)系.

3.2 用Na+表征海鹽氣溶膠來看,在17:00左右,沿海地區(qū)Na+濃度開始增加,第二日2:00前后達(dá)到峰值.在陸風(fēng)形成后,Na+濃度逐漸降低,垂直方向上, Na+最高可影響到2500m以上高度,濃度相對(duì)較大區(qū)(33μg/m3)分布在500m高度以下.內(nèi)陸存在氯虧損現(xiàn)象,白天的氯虧損情況遠(yuǎn)比晚上嚴(yán)重,細(xì)粒徑的氯虧損情況比粗粒徑的嚴(yán)重.

3.3 考慮海鹽排放后,珠江三角洲地區(qū)HCl,SO42-, NO3-的濃度均有增加,其中,HCl和NO3-增加的比例較多,SO42-則較少.在時(shí)間上,HCl濃度增加的高值在Cl-高值之前,SO42-濃度增加量主要受海鹽氣溶膠的硫酸鹽組分影響,但貢獻(xiàn)較少,NO3-濃度變化主要受氯虧損機(jī)制和NO3-干沉降過程影響,且其濃度增加的高值在Cl-高值前后均有出現(xiàn).

[1] Brook J R, Makar P A, Sills D M L, et al. Exploring the nature of air quality over southwestern ontario: Main findings from the border air quality and meteorology study [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2013,13(20):10461-10482.

[2] Jeffreys H. On the dynamics of wind [J]. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 1922,48(201):29-48.

[3] Haurwitz B. Comments on the sea-breeze circulation [J]. Journal of Meteorology, 1947,4(1):1-8.

[4] 孫 貞,高榮珍,張 進(jìn),等.青島地區(qū)8月一次海風(fēng)環(huán)流實(shí)例分析和WRF模擬[J]. 氣象, 2009.35(8):76-84. Sun Z, Gao R Z, Zhang J, et al. An analysis and WRF simulation of a case of sea-breeze circulation in August at Qingdao [J]. Meteorological Monthly, 2009,35(8):76-84.

[5] Papanastasiou D K, Melas D, Lissaridis I. Study of wind field under sea breeze conditions; an application of WRF model [J]. Atmospheric Research, 2010,98(1):102-117.

[6] 柯史釗,黃 健.華南海陸風(fēng)的數(shù)值模擬 [J]. 熱帶氣象學(xué)報(bào), 1993, 9(2):169-176. Ke S Z, Huang J. Numerical simulation of sea-land breeze in South China [J]. Journal of Tropical Meteorology, 1993,9(2):169-176.

[7] 文偉俊,沈桐立,丁治英,等.城市化對(duì)廣西夏季海陸風(fēng)影響的數(shù)值試驗(yàn)[J]. 熱帶氣象學(xué)報(bào), 2009,25(3):350-356. Wen W J, Shen T L, Ding Z Y, et al. Numerical experiment on the influence of urbanization on sea-land breeze in Guangxi in summer [J]. Journal of Tropical Meteorology, 2009,25(3):350-356.

[8] 邱曉暖,范紹佳.海陸風(fēng)研究進(jìn)展與我國(guó)沿海三地海陸風(fēng)主要特征[J]. 氣象, 2013,39(2):186-193. Qiu X N, Fan S J. Progress of sea-land breeze study and the characteristics of sea-land breeze in three coastal areas in China [J]. Meteorological Monthly, 2013,39(2):186-193.

[9] 張立鳳,張 銘,林宏源.珠江口地區(qū)海陸風(fēng)系的研究 [J]. 大氣科學(xué), 1999,33(5):581-589. Zhang L F, Zhang M, Lin H Y. Study on the sea-land-breeze system in the Pearl River Estuary region [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences, 1999,33(5):581-589.

[10] Ding A J, Wang T, Zhao M, et al. Simulation of sea-land breezes and a discussion of their implications on the transport of air pollution during a multi-day ozone episode in the Pearl River Delta of China [J]. Atmospheric Environment, 2004,38(39):6737-6750.

[11] Lu X, Chow K C, Yao T, et al. Seasonal variation of the land-sea breeze circulation in the Pearl River Delta region [J]. Journal of Geophysical Research, 2009,114, D17112, doi:10.1029/2009JD011764.

[12] 吳 蒙,羅 云,吳 兌,等.珠三角干季海陸風(fēng)特征及其對(duì)空氣質(zhì)量影響的觀測(cè) [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2016,36(11):3263-3272. Wu M, Luo Y, Wu D, et al. Observation on the characteristics of sea-land breezes and its influence to air quality over Pearl River Delta region during dry season [J]. China Environmental Science, 2016, 36(11):3263-3272.

[13] 莊延娟,王伯光,劉 燦.珠江口西岸冬季海陸風(fēng)背景下羰基化合物的初步研究 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2011,31(4):568-575. Zhuang Y J, Wang B G, Liu C. Preliminary research on the carbonyl compounds under of sea-land breeze at the west coast of the Pearl River Estuary [J]. China Environmental Science, 2011,31(4):568-575.

[14] Roth B, Okada K. On the modification of sea-salt particles in the coastal atmosphere [J]. Atmospheric Environment, 1998,32:1555-1569.

[15] Weis D D, Ewing G E. The reaction of nitrogen dioxide with sea salt aerosol [J]. The Journal of Physical Chemistry A, 1999,103:4865-4873.

[16] Jaenicke R. Tropospheric aerosols. In: Aerosol Cloud Climate Interact [M]. Ed. San Diego: Academic Press, 1993:1-31.

[17] Houghton J T, Ding Y, Griggs D J, et al. IPCC. Climate Change: The Scientific Basis [R]. Ed. Cambridge: Cambridge University Press, 2001.

[18] 劉 建,吳 兌,范紹佳,等.臺(tái)風(fēng)對(duì)沿海城市細(xì)粒子中海鹽氣溶膠的影響 [J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2017,37(9):3255-3261. Liu J, Wu D, Fan S J, et al. Impact of Typhoon heavy precipitation on sea-salt aerosol in coastal city [J]. Journal of Environmental Science, 2017,37(9):3255-3261.

[19] Im U. Impact of sea-salt emissions on the model performance and aerosol chemical composition and deposition in the east Mediterranean coastal regions [J]. Atmospheric Environment, 2013,75:329-340.

[20] 劉 倩,王體健,李 樹,等.海鹽氣溶膠影響酸堿氣體及無機(jī)鹽氣溶膠的敏感性試驗(yàn) [J]. 氣候與環(huán)境研究, 2008,13(5):598-607. Liu Q, Wang T J, Li S, et al. Sensitivity tests of the impacts of sea salt aerosol on the acid-base gases and the inorganic salts [J]. Climatic and Environmental Research, 2008,13(5):598-607.

[21] Liu Y M, Zhang S T, Fan Q, et al. Accessing the impact of sea-salt emissions on aerosol chemical formation and deposition over Pearl River Delta, China [J]. Aerosol and Air Quality Research, 2015,15: 2232–2245.

[22] Skamarock W C, Klemp J B, Dudhia J, et al. A description of the Advanced Research WRF version 3 [Z]. NCAR Technical Note: NCAR/TN-475+STR, 2008.

[23] Otte T L, Pleim J E. The meteorology-chemistry interface processor (mcip) for the cmaq modeling system: Updates through mcipv3.4.1 [J]. Geoscientific Model Development, 2010,3(1):243-256.

[24] Byun D, Schere K L. Review of the governing equations, computational algorithms, and other components of the Models- 3Community Multiscale Air Quality (CMAQ) modeling system [J]. Applied Mechanics Reviews, 2006,59(2):51-77.

[25] Gantt B, Kelly J T, Bash J O. Updating sea spray aerosol emissions in the Community Multiscale Air Quality (CMAQ) model version 5.0.2 [J]. Geoscientific Model Development, 2015,8:3733–3746.

[26] Gong S L. A parameterization of sea-salt aerosol source function for sub- and super-micron particles [J]. Global Biogeochemical Cycles, 2003,17(1097).

[27] Leeuw G D, Neele F P, Hill M, et al. Production of sea spray aerosol in the surf zone [J]. Journal of Geophysical Research-Atmosphere, 2000,105:29397–29409.

[28] 常 鳴,樊少芬,王雪梅.珠三角土地覆被資料優(yōu)選及在WRF模式中的初步應(yīng)用 [J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2014,34(8):1922-1933. Chang M, Fan S F, Wang X M. Impact of refined land-cover data on WRF performance over the Pearl River Delta region, China [J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2014,34(8):1922-1933.

[29] Li M, Zhang Q, Kurokawa J I, et al. MIX: a mosaic Asian anthropogenic emission inventory under the international collaboration framework of the MICS-Asia and HTAP [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2017,17:935-963.

[30] Guenther A, Karl T, Harley P, et al. Estimates of global terrestrial isoprene emissions using MEGAN (model of emissions of gases and aerosols from nature) [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2006,6:3181-3210.

[31] 趙文龍.廣州地區(qū)海陸風(fēng)條件下臭氧污染的數(shù)值模擬研究 [D]. 廣州:暨南大學(xué), 2017. Zhao W L. Numerical simulation of ozone pollution in Guangzhou Area under sea-land breeze condition [D]. Guangzhou: Jinan University, 2017.

[32] Pleim J E, Chang J S. A non local closure model in the convective boundary layer [J]. Atmospheric Environment, 1992,26A:965-981.

[33] Pleim J E. A combined local and nonlocal closure model for the atmospheric boundary layer. Part I: model description and testing [J]. Journal of Applied Meteorology and Climatology, 2007,46:1383-1395.

[34] Chang J S, Middleton P B, Stockwell W R, et al. Acidic deposition: State of science and technology. Report 4. The regional acid deposition model and engineering model. Final report [J]. Journal of Materials Science Letters, 1990,9(7):772-773.

[35] 姚小紅,黃美元,高會(huì)旺,等.海鹽氯循環(huán)對(duì)輸送污染物致酸的緩沖作用[J]. 大氣科學(xué), 1998,22(6):913-918. Yao X H, Huang M Y, Gao H W, et al. The buffering effect of sea salt chlorine cycle on acid transport of pollutants [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences, 1998,22(6):913-918.

[36] McInnes L M, Covert D S, Quinn P K, et al. Measurements of chloride depletion and sulfur enrichment in individual sea-salt particles colllected from the remote marine boundary layer [J]. Journal of Geophysical Research, 1994,99(D4):8257-8268.

The influence of sea salt aerosols on atmospheric environment under sea-land-breeze circulation: a numerical simulation.

SHEN Ao1, TIAN Chun-yan1, LIU Yi-ming1, SHEN Chong1, CHEN Xiao-yang1, CHEN Xun-lai2, WANG Ming-jie2, LAN Jing3, FAN Qi1*

(1.School of Atmospheric Sciences, Guangdong Province Key Laboratory for Climate Change and Natural Disaster Studies, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China；2.Shenzhen National Climate Observatory, Shenzhen 518040, China；3.Guangzhou Climate and Agrometeorology Center, Guangzhou 511430, China)., 2019,39(4)：1427~1435

The influence of sea salt aerosols on atmospheric environment in a typical sea-land-breeze circulation over Pearl River Estuary (PRE) during 9~13September 2013 was investigated with the simulation based on the WRF-CMAQ modeling. The results indicated that the sea-breeze circulation was initiated at around 14:00 LST (local standard time) and subsequently reached its peak at around 17:00 LST, and formed a fan wind circulation along PRE. The mass concentration of Na+in the Pearl River Delta (PRD) increased from 17:00 LST and reached the maximum value at around 02:00 LST the next day, then gradually decreased after 10:00 LST. The substantial chloride depletion was observed for the sea salt aerosols with more depletion being seen during daytime than nighttime, and more depletion for fine particles than coarse particles. Sensitivity experiments were respectively conducted with and without the emissions of sea salt aerosols in the model system. The results showed that the mass concentrations of HCl, SO42-, and NO3-all increased with the emissions and more increases were seen for HCl and NO3-than for SO42-. The peak concentration of HCl arrived earlier than that of Cl-. The SO42-concentration was mainly affected by the sulfate component in the emitted sea salt aerosols, while the NO3-concentration was mainly affected by both the chloride depletion and its dry deposition.

Pearl River Estuary；sea-land-breeze circulation；sea salt aerosols；chloride depletion；numerical simulation

X131.1

A

1000-6923(2019)04-1427-09

2018-09-20

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃大氣專項(xiàng)課題(2017YFC0210105,2016YFC0203305, 2016YFC0203600);深圳市科技計(jì)劃項(xiàng)目(JCYJ20170306150333250);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(91544102,41630422);氣象行業(yè)專項(xiàng)項(xiàng)目(GYHY201406031)

*責(zé)任作者, 教授, eesfq@mail.sysu.edu.cn

沈 傲(1996-),女,安徽合肥人,中山大學(xué)博士研究生,主要從事大氣環(huán)境數(shù)值模擬研究.發(fā)表論文1篇.