大气专业赵纯教授团队在大气污染物日变化的数值模拟研究领域取得新进展

近日，我院赵纯教授带领的中国科学技术大学大气环境数值模拟实验室利用中国科大版本的WRF-Chem模式对华东地区近地面PM_2.5日变化的研究取得了新进展，揭示了边界层混合对模拟华东地区近地面PM_2.5浓度日变化的重要作用，研究成果以“Modeling diurnal variation of surfacePM_2.5 concentration over East China with WRF-Chem: Impacts fromboundary layer mixing and anthropogenic emission”为题发表于《Atmospheric Chemistry and Physics》中。

近二十年来，华东地区经济的快速增长引发了严重的大气环境问题，尤其是颗粒污染物，又称气溶胶。气溶胶会严重影响人类的健康，并可通过气溶胶的直接效应和间接效应影响地球系统的辐射能量收支。近地面PM_2.5浓度的日变化可以很好地反映大气污染形成和演变的物理化学机制，因此使用大气环境模式模拟近地面PM_2.5浓度日变化对揭示颗粒污染物的形成和演化机制至关重要，但目前很少有研究关注中国PM_2.5浓度日变化的模式模拟。WRF-Chem作为国际主流的大气环境模式之一，已在研究华东地区的空气质量问题和气溶胶天气气候反馈机制等领域得到广泛应用。中国科大版本的WRF-Chem模式是赵纯教授的团队对WRF-Chem公开发布版本的改进版本，该版本的WRF-Chem中新增了一些功能，如气溶胶物种辐射强迫的诊断、陆面耦合的生物源VOC排放、气溶胶-雪相互作用。

图1 华东地区PM_2.5月平均日变化指数(Diurnal Index, 小时浓度/24h浓度最小值)

本研究基于WRF-Chem模式分析了华东地区2018年四季近地面PM_2.5的日变化特征，并对模式模拟PM_2.5日变化的能力进行了评估。我们在科大版本的WRF-Chem中，新增了污染物浓度变化的过程贡献分析功能，并对模式中影响PM_2.5日变化的各个过程进行了贡献分析，结果显示边界层混合是模拟华东地区近地面PM_2.5浓度日变化的决定性因素，模式对夜间PM_2.5浓度的高估是由于WRF-Chem夜间边界层混合太弱。另外，一些研究发现其他模型也高估了华东地区近地面PM_2.5浓度的日变化。我们结合这项研究结果推测这些模型可能在夜间边界层混合的模拟上也有问题。以往的许多建模和观测研究都侧重于研究PBL高度的变化及其与气溶胶浓度的相互作用，但我们的这项研究表明，除了PBL高度外，PBL混合通量对PBL内污染物的混合过程也至关重要，尤其是在夜间。

图2 合肥地区月平均PM2.5 24h变化趋势及模式中单个过程对近地面PM2.5浓度的相对贡献柱状图

这项研究得到中国大学基础研究基金和国家自然科学基金（41775146）的资助。同时，中国科学技术大学超级计算中心为本研究提供超性能计算支持。赵纯教授为通讯作者，杜秋燕博士生为论文第一作者，论文链接如下：https://www.atmos-chem-phys.net/20/2839/2020/

相关论文：

Du, Q., Zhao, C., Zhang,M., Dong, X., Chen, Y., Liu, Z., Hu, Z., Zhang, Q., Li, Y., Yuan, R., and Miao,S.: Modeling diurnal variation of surface PM2.5 concentrations over East Chinawith WRF-Chem: impacts from boundary-layer mixing and anthropogenic emission,Atmos. Chem. Phys., 20, 2839–2863, doi:10.5194/acp-20-2839-2020, 2020.