高度工业化半岛上海风环流对光化学污染影响的数值研究外文翻译资料

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高度工业化半岛上海风环流对光化学污染影响的数值研究

Cristina Mangia,* Ilenia Schipa, Annalisa Tanzarella, Dario Conte, Gian Paolo Marra,

Mario Marcello Miglietta and Umberto Rizza

摘要：在意大利南部一个高度工业化、经常有高浓度臭氧记录的半岛上，用数值模拟和实地观测来调查海风环流对臭氧浓度的影响，并对两种方法进行比较。在夏季弱的天气条件下，该地区常发生的气象现象是来自海岸线的复杂的海风系统的发展，同时半岛地区也会出现辐合区域。本文选择了一个个例，该个例的特点是强风与海风环流交替。模拟表明，在弱的天气条件下，来自海洋和最大工业产区海岸线的海风将臭氧和它的前体物传输到陆地上。半岛地区会发生海风辐合，交叉性的风将会导致该地区臭氧的积累。这样或许可以解释臭氧浓度记录的高值位于海风辐合线附近。预测数据和实验数据的对比表明，数值系统成功再现了不同气象条件下的天气和地面臭氧浓度，从而为科学理解空气污染物演化和解释监测数据提供了一个重要的工具。Copyright 2009 Royal Meteorological Society。

关键词：中尺度模拟；海风环流；中尺度模式；RAMS；臭氧

1. 介绍

在过去几十年里，对于决策者来说，空气质量的管理已成为主要问题。特别是关于光化学污染方面，由于气象、化学、排放源和陆地使用方式的非线性相互作用，排放和大气浓度之间的关系十分复杂。与气象学和化学相联系的空气质量模式有助于理解导致对流层臭氧积累的不同机制。因此，它们在空气污染物演化和排放控制战略的有用策略中有重要作用(Russell and Dennis, 2000)。

许多地中海地区的空气质量研究表明，由于太阳辐射高、排放量大、植被面积大、中尺度和局地环流的气象过程时有发生，所以在夏季，这些地区的臭氧浓度往往较高(Millan et al., 1996; Ziomas et al., 1998; Svensson, 1998; Millan et al., 2000; Alonso et al., 2000; Jim`enez et al., 2005)。沿海地区的研究也强调了海风环流对于烟雾事件的影响(Lyons et al., 1995; Kambezidis et al.,1995, 1998; Melas et al., 1995; Clappier et al., 2000; Evtyugina et al., 2006; Pirovano et al., 2007)。海洋和陆地的昼夜热量循环不同，导致气象参数在水平和垂直方向上有大的变化，因此沿海地区气象学的空气污染模式和臭氧行为的评估仍然十分困难。

当前的工作主要是关注一个狭窄的地中海半岛上的光化学污染状况。这个半岛在意大利的最南角，欧洲最大的工业地点中的两个在其相反的海岸线上。在这个区域常发生这样的现象：不同海风系统的发展会融入到半岛的中心(Mangia et al., 2004)。

当前研究的目的是调查海风循环对模式区域中臭氧积累的影响。在这个背景下，我们选择了一个夏天的时期（2015年7月2日-8日），这个时期有着强烈的偏北风，同时会出现弱的天气作用力。

在这次研究中所用的化学/传输模式是气象模式RAMS(Pielke et al.,1992)、CALMET(Scire et al., 2000)和光化学模式CALGRID(Yamartino et al.,1992a, 1992b)。

将预报的气象和污染物浓度数据与来自区域空气质量网络的常规观测数据对比，以此来调查模式再现该区域的臭氧浓度并解释监测数据。

1. 区域描述

研究区域位于意大利东南部密西西比河附近，东部与亚得里亚海接壤，东南部靠近爱奥尼亚海，南部濒临奥特朗托海峡和塔兰托海湾（图1）。该区域在西北-东南方向上长度为180km，平均宽度为60km，大部分地区平坦，东南部有低于200m高度的小山，北部有大约500m高度的山。

当反气旋影响到地中海盆地中部时，西北风将会控制阿普利亚地区，大约70km宽的奥特朗托海峡将意大利东南部与阿尔巴尼亚分隔，而其所产生的沟道效应会加剧风的强度。在弱的天气动力条件下，昼夜热量循环会导致复杂的海陆风系统的形成，它会影响该地区整个沿海区域（约300km）。

在模拟区域内常发生这样的气象现象：有不同的海风系统的发展，同时伴随有渗透达数万公里的陆风出现。这些风的系统在半岛的中心合并(Mangia et al., 2004)。

通常在夏季的中午，当太阳辐射和温度高时，光化学污染物便利于形成。

该区域的排放物主要来自城市地区、轮船运输河工业活动。最大的工业排放源位于沿海地区：塔兰托西海岸和东海岸的布林迪西地区（图1）。塔兰托的工业主要是钢铁产业（欧洲最大），以及有碳氢化合物转化过程的炼油厂。这些产业通过塔兰托港来进口原材料和出口产品。在布林迪西，主要的工业活动是两个煤炭发电厂和一个石化工厂。

表1描述了2000年的排放物：NOX、SOX、NMVOC（非甲烷挥发性有机物）。它们来自最新的意大利CORINAIR数据库（2000）所确定的不同的排放源。

2004年，由区域环境保护署（ARPA）和一些当地政府机构主持，在三个郊区/乡村监测站，已经开始连续测量臭氧浓度。图一描述了每一个站点的位置，

图1 模拟区域。气象模式中所用的是地形等高线。M1、M2和M3是气象站点，而在模拟评估中AQ1、AQ2和AQ3是空气质量监测站点。

表II对它们的主要特点进行了总结。AQ1和AQ2站点位于东海岸，而AQ3站点位于区域的西侧。

表I 2000年CORINAIR中区域污染物总排放。

2005年，三个监测站点的数据中，86天里有65天的臭氧8小时平均浓度超过了欧洲委员会规定的健康值（120 ）。此外，分析数据得出光化学污染时有50%的时期仅仅影响区域的东部或西部。

为了评估气象领域，用了三个气象站点的数据（表III总结）。图1描述了每一个站点的位置。M1站点（布林迪西）空军气象天气站点：它配备了标准的设备和天气观测仪器，通常每隔三小时储存一次数据。M2站点位于莱切市郊区，M3站点靠近拉卡莱市西部沿海地区。后两个站点属于莱切大学。

所有站点的空间分布都考虑到了关键地点上受当地盛行风系统影响的气象场和浓度场的空间分布，有助于它们的评估。

3、案例研究

模拟时间为2005年7月2日-8日。之后再讨论整个模拟时期天气条件的演变。图2描述了NECP不同时间的500hPa位势高度和平均海平面气压（MSLP）的再分析数据。在刚开始，2005年7月2日当地标准时间00:00，图2（a）描述了一个高压区，在垂直方向上从海平面到500hPa，在水平方向上从大西洋到西欧，最北的一部分到达斯堪的纳维亚半岛。MSLP图中意大利半岛在脊的东部，因此它受到较弱偏北风的影响，风的强度高于亚得里亚海地区的。低压区位于希腊和土耳其之间，而在意大利东南部，气压梯度使该地区产生强风。在高层（500hPa），强大的反气旋阻止了低压区越过地中海；脊的主轴从摩洛哥延伸到不列颠群岛，而槽从克罗地亚延伸到西西里岛，与槽相关的气旋影响意大利半岛。

24小时后，环流向东移动（图2（b））；MSLP的高值区从意大利北部扩展到斯堪的纳维亚半岛，而原来在地中海的MSLP低值区还在原来位置，强度变大：结果，亚得里亚海南部和爱奥尼亚海的气压梯度变大。在500hPa，脊向北、向东移动，到达斯堪的纳维亚南部和波兰，也同样影响着意大利北部。剩下的一个气旋影响意大利南部，主要影响亚得里亚海和爱奥尼亚地区；事实上，它向东南移动，处于阿尔巴尼亚中心，24小时前在克罗地亚的弱波加强。

在接下来的24小时（没有显示），高压中心向东移动的更远，脊的主轴直接影响到所有意大利半岛：弱气旋的偏北环流影响了阿普利亚靠近地面地区，之后，MSLP低值区从土耳其移动到黑海，意大利南部的气压梯度变弱。

在7月5日当地标准时间00:00，尽管气压最小值位于希腊东南部中心地区，弱的东南风吹向阿普利亚，但整个意大利半岛弱的气压梯度却促进了当地海风环流的发展。500hPa的脊仍然位于欧洲中心，呈南北走向。在之后24小时（没有显示），大规模的环流仍旧稳定存在：但是，MSLP最小值大约为1010hPa，位于第勒尼安海，使意大利南部大部分地区低层出现偏南环流。

在7月7日当地标准时间00:00，气压最小值向东南移动，中心位于希腊。因此，意大利爱奥尼亚地区盛行东北风。在500hPa，由于低压加强，欧洲西部的脊北边开始减弱，中心在英国和荷兰之间。地中海地区也在影响下出现了气旋环流。最后，7月8日当地标准时间00:00（没有显示），意大利中心和南部的气压梯度减弱，促进了沿海地区海陆风环流的发展。

表II 监测站点的主要特征；2005年度的臭氧数据。

表III 气象站点的位置。

4、空气质量模式系统

来自生物和人为排放的的前体物：主要是氮氧化物（NOX）和挥发性有机化合物（VOC），它们之间的不同反应促使了对流层臭氧的生成。臭氧的浓度取决于其前体物参与的光化学过程、区域内的水平传输、平流层的垂直输送和下沉过程（表面沉降和由于NO等其他化学物质导致的光化学反应的破坏）。

基于气象与化学的光化学网格模式对于理解导致对流层臭氧积累的不同机制十分重要。这些模式的基础是大气扩散方程，它表示在排放、传输、扩散、化学反应和去除过程中数学术语所表达的一种质量平衡。模式的三维结构需要大量的输入数据，如全部的三维气象区域、排放、初始和边界条件、网格结构。通常情况下，在模拟区域内规定输入为每小时间隔的计算元胞。

研究中使用的光化学模型是CALGRID网格模型。排放预处理程序规定了排放的输入。CHIMERE的大陆化学传输模式可以得到初始和边界条件(Schmidt et al., 2001; Menut et al., 2005)。

图2. 位势高度（颜色）和平均海平面气压（白色等值线）的NECP再分析数据：0000UTC，2005年7月2日（a）;0000UTC，2005年7月3日（b）;0000UTC，2005年7月5日（c）;0000UTC，2005年7月7日（d）。

图3.模拟区域和三层网格。

4.1 气象系统

气象模式RAMS和CALMET可以得到离散模拟所必需的气象领域。

RAMS模拟的是三个网格的双重嵌套（图3）。垂直的网格划分为不同厚度的25层，从近地面70m到最高1000m处。而在初始和边界条件上，使用的是等熵分析系统方案。开始时，

图4.气象系统的方案。

4.2 光化学污染模式系统

CALGRID是一种欧拉的光化学格点模式。它能够在能够在地形上实现一种精确的热水平对流传播方案，之后有在垂直方向上有可变的格距；基本的抵抗干沉降的算法考虑到了污染物的性质、当地气象条件和地形的特征。它所采用的化学方案是基于SAPRC-90化学机制（卡特，1990），包括了有129中反应的化学物质种类和准稳态近似求解为一体的动力学方程。用收集挥发性有机化合物的方法来表示有相似结构和反应特性的VOC。

在大陆范围上，CHIMERE使用0.5°的水平分辨率和6个垂直层进行模拟，为化学的区域提供了边界条件。表IV提供了区域的大小和网格间距的规格。

4.3 排放数据

工厂点源的排放资料来自区域性数据库。意大利CORINAIR数据库和排放预处理程序分别评估和阐述所有部门的排放物。CORINAIR库存（EEA,2001）由在省范围内的每年的CO、NMVOC、CH4、NOX、SOX、N2O、CO2、NH3和TSP组成。通过用SNAP方法来区分污染排放物。表V有11个主要的来源部门报告。为了在时间和空间上提供一些合适的细节上的帮助，每一个模拟域单元的库存必须分解成每小时排放量，NMVOC的种类要根据应用于光化学模式CALGRID的化学方案来确定。这个任务需要调整合适的时间/空间，也需要对每一个排放源进行简要的化学性描述。因此，CORINAIR数据要使用GEM-PP软件工具进行预处理。GEM-PP软件工具是Conte et al.(2008)在吸收了EPA(2002)、APAT(2004)、Monforti and Pederzoli(2005)、Carnevale et al.(2006)的方式发展来的。图5在模拟区域上描述了所有大型监测器上年平均NOX、生物和非生物NMVOC的排放的分布。图片说明塔兰托和布林迪西是臭氧前体物最大排放量的所在地，原因是由于这些地区有大量的工业和能源生产活动。图6展示了光化学模式的方案。

表IV.在RAMS中的三个区域和CALMET、CALGRID模式中的一个区域的主要特征。

图5.NOX（a），人为NMVOC（b），生物NMVOC（c）平均排放的空间分布。统一为。

1. 结果和讨论

5.1 气象模拟和与观测数据的比较

为了避免与初始条件相关的潜在影响，模拟在之前一天开始，时间是2005年7月1日。图7显示了当认为是最大臭氧浓度的条件下，在15:00当地标准时间下该时期每一天模拟的表面温度和风场。图8显示了三个气象

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