利用WRF-Chem模式模拟东亚地区气溶胶辐射反馈

利用WRF-Chem模式模拟东亚地区气溶胶辐射反馈
发表时间：2019-01-15T09:46:31.687Z 来源：《防护工程》2018年第31期作者：邢立超[导读] 本文限于篇幅未做继续讨论，今后的研究可针对其对风速、边界层高度、云水含量等物理量的反馈分析，做进一步科学量化和探讨。

天津长芦海晶集团有限公司气象台天津 300450
摘要：利用在线耦合的三维大气化学传输模式WRF-Chem模拟了冬季东亚地区的气溶胶辐射反馈情况。

该模式的模拟结果中，温度、相对湿度、风速等值都和地面观测有较好的对应关系，可较好地反应该区域的气象要素特征。

针对大气污染物的模拟，结果可见PM2.5的高值区主要集中在中国东部地区，包括长江中下游平原和华北平原，另外四川盆地的颗粒物浓度也较高。

本研究还对比了开关气溶胶辐射反馈的两个数值实验，发现东亚地区由于PM2.5导致的地表短波辐射接收量减少了约20-45W/m2，其中降幅最大的是京津冀区域、四川盆地及华中平原区，这与颗粒物浓度的高值区是相对应的。

由于气溶胶气候效应导致的温度、相对湿度变化分别达到-0.6℃和6%，增加的湿度导致颗粒物的吸湿增长，其质量浓度会对应升高。

该结果定量描述了该地区由于气溶胶辐射反馈造成的近地面温度湿度变化，并分析了其可能存在的正反馈机制。

关键词：东亚地区；大气化学模拟；WRF-Chem；辐射强迫；气候效应
1.引言
大气气溶胶研究作为大气科学研究的重要组成部分，近年来越来越受到国内的重视。

大气气溶胶不仅导致大气污染[1]，产生严重的雾、霾天气，也会通过影响云微物理过程，影响全球气候，同时也能更可以通过改变气候系统的辐射通量来影响气候[2-3]。

同时，气象要素也会影响气溶胶的粒径分布[4]、浓度的时间分布特征[5]、空间上的水平[6]和垂直分布[7]等，已成为大气科学领域的一个研究热点。

气溶胶对气候的影响，最主要还是体现在气溶胶的直接、间接效应上。

气溶胶的直接效应是指气溶胶对太阳辐射（即短波辐射）有一定的散射（或吸收，取决于气溶胶的种类），则对大气有一定的冷却（或加热）。

这是由气溶胶本身的光学特性导致对辐射的影响，进而影响全球气候。

气溶胶的间接效应主要是指由气溶胶影响云的反照率、云中粒子尺寸、浓度和云的生命时间，从而造成对气候的影响。

气溶胶的间接效应必须通过影响云的微物理而影响气候，直接效应则为气溶胶直接对辐射产生影响。

除以上两大类气候效应之外，气溶胶还可能通过其他效应影响气候。

由于人为活动而导致的气溶胶浓度改变，从而影响气候要素的现象，已经被很多研究证实。

在中国东部高污染地区，短期气溶胶浓度的升降，会对气候有很大影响。

东部地区的气溶胶气候效应已有较多研究，而目前还缺少利用在线耦合的WRF-Chem使用准确的区域人为源清单对气溶胶气候效应的系统模拟。

本研究中，针对目前对中国地区气溶胶气候效应的模拟研究的空白，对由于高浓度气溶胶产生的辐射强迫、近地面温度、相对湿度等的变化进行系统的分析。

其中人为源排放部门的排放进行了系统性的数据更新，根据实地调研数据和本地反馈的点源数据，更新了民用源部门的排放在取暖季的月分配系数曲线，此更新对更为精确的冬季空气质量模拟具有积极意义。

本文的章节组织结构如下：第二章介绍所用的模式的输入数据来源、模式配置等；第三章着重分析模式模拟结果的可靠性，与地面观测的气象要素资料和大气重要成分观测资料进行比对的结果；第四章主要是通过对比不同实验的结果，对该时间段东亚地区气溶胶气候效应造成的温度、湿度等量的变化做出分析和物理机制的初步讨论；第五章对该研究中目前存在的不足做出探讨，并对接下来可做的研究做出更细的梳理。

2.模式配置
本文中采用的是三维大气模式WRF耦合化学模块Chem进行的模拟。

之所以选择该模式，一是由于该模式对气象要素的模拟效果较好。

二是由于该在线模式中体现了气溶胶气候效应，相关研究应用广泛。

本文模拟时间段为2014年1月，选取的模拟区域包括了东亚大部，水平分辨率为36km，垂直分为从地表1000hPa到10hPa共26个等压层。

模拟中利用的气象输入场的数据来自NCEP FNL水平分辨率1°的数据集，同时更新了海温输入。

沙尘是根据起沙系数、风速和地表湿度、粗糙程度等计算所得，而海洋源排放对本区域冬季模拟影响不大，故未做考虑。

为分析气溶胶对各类气象要素的变化，本研究中开展了两组对比实验的模拟。

第一个实验中，较为完整地考虑了气溶胶对辐射强迫、云反馈等的影响，称之为基准实验；第二个实验中，将气溶胶的气候效应在模拟中关闭，即气溶胶对所有气象要素的影响不予考虑，称之为对比试验。

两者模拟的差异即反映了气溶胶对各类气象要素的影响。

3.模式效果评估
3.1 气象要素模拟结果统计分析与评估
该模式在以往的研究中，利用上述相似的配置，对东亚地区的模拟表现出了较高的可靠性。

本文中的模拟结果通过对NCDC（National Climate Data Center）的地面观测数据进行比对后，统计结果如表1. 当模拟中考虑了气溶胶辐射反馈，模拟的总体结果可以较好的反应出该月这一时间段内东亚地区的各类气象要素。

细分到各类气象要素可见，地表两米温度的相关系数超过了0.98，湿度相关系数也在0.47左右。

对风的模拟偏高约1m/s，这主要是由对地表的摩擦和拖曳效果的低估导致的。

表1 考虑气溶胶反馈的情形下的各气象要素的模拟效果统计分析
模拟得到的六种关键组分的浓度与地面观测数据相比，可吸入颗粒物和细颗粒物的浓度与观测的相关性较好，达到了0.67左右。

同时对NO2和臭氧的模拟效果也较好，相关系数达到了0.5左右，但有2%-12%的高估。

总体而言，结果较好的反应了该月污染物浓度的整体状态，模拟结果的可靠性较高。

4.气溶胶对各气象要素的影响
通过将基准实验和对比实验的结果做对照，发现两者结果中辐射要素、温度、湿度的模拟结果均有一定的差异。

散射性气溶胶对太阳向下短波辐射有加强反射和散射的作用，从而降低地表接收到的短波辐射。

模拟得出2014年1月期间气溶胶对短波辐射的影响最为集中的地区为中国的江汉平原和四川盆地一带，其中四川盆地地区由气溶胶造成的短波辐射接收减少了超过45W/m2，为该区域该时间段内的最大值。

整个中国东部地区接收短波辐射的减少量都在20~30 W/m2范围内，这与气溶胶浓度的高值区有很好的对应关系。

另外由于在冬季我国南方地区日照时间长于北方，因此气溶胶浓度相当时，对短波辐射的影响更大的集中在南方地区。

图1 东亚地区2014年1月由气溶胶造成的短波辐射接收减少量（单位W/m2）
图3 东亚地区2014年1月由气溶胶造成的地表相对湿度差异（单位：%）
气溶胶浓度的变化对辐射的影响还体现在对地表温度的调整上。

由于气溶胶影响了接收短波辐射的量，对应地区的地表温度也出现了偏低0.6℃左右的情况，最高值仍然出现在四川盆地，其他影响较大的地区还有华北中部、江淮流域以及江汉平原附近。

对地表相对湿度的分析表明，上述接收短波辐射较小的地区，2m温度的降低直接导致2m相对湿度偏高3~6 %，这一变化会使得对应垂直层次的颗粒物产生了吸湿增长效应，进一步导致颗粒物质量浓度增加，一定程度上加剧了边界层内低层的大气污染。

5.总结与讨论
通过利用在线耦合三维大气环流模式WRF-Chem，利用更新版MEIC人为源排放清单及NCEP 提供的FNL再分析资料作为排放输入和气象场输入，对模式在2014年1月的表现进行了评估，并对其在东亚地区可反映的气溶胶辐射反馈进行了模拟。

初步结果显示该模式在该种配置下，对温度、湿度、风速等气象要素，以及主要大气污染物组分均有较好的模拟效果，统计结果显示其水平达到或超过了前人的研究结果。

对该月的气溶胶气候效应的模拟显示，气溶胶增强短波辐射的反射和散射，其影响最高可达到45W/m2以上，最高值出现在四川盆地地区，这与污染物浓度的高值区域有较好的对应关系，同时因我国南部地区在冬季日照时间长于北方，导致对短波辐射的影响量级大于北方地区。

对近地面气温的影响也集中在四川盆地以及我国江淮流域等浓度较高的地区，且气温的下降导致了对应高度的相对湿度增加，这一变化也加强了大气中颗粒物的吸湿性增长过程，从而加剧了污染。

实际上，由于气溶胶本身存在更多的云微物理过程反馈，其对局地云量、云高和边界层内的物理化学过程的影响也应多加关注。

本文限于篇幅未做继续讨论，今后的研究可针对其对风速、边界层高度、云水含量等物理量的反馈分析，做进一步科学量化和探讨。

参考文献：
[1] 王自发，庞成明，朱江，等. 大气环境数值模拟研究新进展[J]. 大气科学，2008，32（4）：987-995.
[2] 王明星，张仁健. 大气气溶胶研究的前沿问题[J]. 气候与环境研究，2001，6（1）：119-124.
[3] 张小曳. 中国大气气溶胶及其气候效应的研究[J]. 地球科学进展，2007，22（1）：12-16.。