华东典型地区大气硫沉降通量的观测和模拟研究

本文使用中国科学院常熟和鹰潭生态实验站和气象站的观测资料，应用区域酸沉降模式系统（RegADMS）和大叶阻力相似模型来研究华东地区不同下垫面条件上的大气硫沉降问题，定量估计了农田下垫面上大气硫化物的沉降通量。SO2和硫酸盐的干沉降速率使用大叶阻力相似模型来估计，使用与降水量有关的参数化方案来确定湿沉降系数。结果表明，常熟地区农田下垫面的大气硫沉降通量为19．0gm^-2 a^-1，其中干沉降占42％；而位于江西红壤地区的鹰潭站的大气硫沉降通量为10．4gm^-2a^-1，其中干沉降占83％。比较发现，两地硫干沉降通量绝对值相差不大，但其在总沉降通量中所占的份额有较大差异；常熟站的硫湿沉降通量比鹰潭站要大9．23gm^-2a^-1，该差异是由两地污染状况和气象条件的不同造成。华东地区的年硫沉降总量为1．88Mt（1Mt=10^6t），其中72．8％沉降在农田下垫面上。硫沉降中43％是干沉降，57％是湿沉降。     

一种大气污染物干沉积速率的计算方法及其应用

介绍了一种计算大气污染物干沉积速率的方法。这种方法详细地考虑了植物生理特征和冠层内湍流结构对干沉积的影响，考虑了3层覆盖物对表面阻抗的影响，通过计算7个不同的阻抗因子获得干沉积速率。利用该方法计算了农田下垫面上7种不同大气污染物沉积的表面阻抗和江西(鹰洋)红壤典型地区农田下垫面上的二氧化硫(SO2)和硫酸盐(SO4^2—)的干沉积速率，估算了大气硫输入农田生态系统的干沉积通量，并与其他方法作了定量比较。结果表明：农田下垫面上SO2与SO4^2—的干沉积速率平均值分别为0．31cm／s，0．20cm／s；干沉积速率具有明显的日变化特征，一般白天大于夜间，中午时分出现最大值；月际变化也较明显，在冬季有大值；大气硫输入农田生态系统的全年干沉积通量为7．35g/m^2。     

南京郊区大气氮化物浓度和氮沉降通量的研究

为研究南京郊区的大气氮化物污染状况,进而估算其大气氮沉降通量,2005年6月-2006年5月在南京大学浦口校区气象园进行了大气、气溶胶和雨水样本的收集,同步进行近地面气象观测.在实验室分析大气氮化物NOx、NH3和有机氮浓度、总悬浮颗粒物(TSP)中硝酸盐、亚硝酸盐、铵盐和有机氮的质量浓度、雨水中NO-3、NO-2、NH+4离子和有机氮的质量浓度,利用气象资料和大叶阻力相似模型计算大气氮化物的干沉降速度,进而定量估算大气氮沉降通量.研究结果表明:南京郊区大气中有机氮浓度水平较高,无机氮(氨态氮和硝态氮)浓度水平较低.大气氮沉降量较大,且湿沉降和有机沉降贡献率占主导地位,这取决于本地区的下垫面和污染状况,同时也与气象条件有密切关系.     

典型大气污染物在不同下垫面上干沉积速率的动态变化及空间分布

利用中国科学院红壤生态试验站微气象站实测的梯度资料和大叶阻力相似沉积模型,计算了农田和森林下垫面大气污染物的干沉积速率,并将此模型嵌套到区域酸性沉降模式系统(RegADMS)中,模拟获得中国地区11种大气污染物干沉积速率的空间分布.结果表明:大气污染物干沉降速率(Vd)有明显的时间变化,物种的干沉积速率一般白天大于晚上,冬春季大于夏秋季节.大气污染物Vd也有明显的空间变化,中国地区SO2、HNO3、NO、NO2、NH3、O3、H2O2、TSP、PM10、SO2-4和NO-3年平均Vd分别为0.35士0.004、1.77±0.01、6.5 ×10-5±2.0×10-7、0.07±0.0007、0.28土0.003、0.20±0.001、0.54±0.002、7.2±0.0005、0.44±0.0005、0.25±0.0005、0.27±0.0008cm s-1.各种下垫面上粒子Vd差别不大,气体污染物在各下垫面上的Vd有所不同,表现为HNO3、NO2、O3的Vd在森林和草原上较大,而SO2、NH3、H2O2的Vd在水面上较大,NO的Vd都很小,且在各种下垫面上差别不大.     

利用次网格技术模拟华东地区大气硫氮沉降

采用数值模拟方法,在区域酸性沉降模式系统中引入次网格处理技术。通过4种次网格方案模拟结果的相互比较,选择最优方案,然后利用最优次网格方案,选取华东地区为例,进一步模拟研究大气硫氮沉降的空间分布。结果表明,就干沉积速率而言,以细网格方案(水平分辨率25 km)为参照,采用次网格方案比粗网格方案(水平分辨率75 km)有明显改进,其中“次网格风速与摩擦速度之积为常数”为最优次网格方案。华东地区硫的年总沉降量是1.92 mt(1 mt=106ton),氮的年总沉降量是0.65mt。华东地区硫化物(SO2、硫酸盐SO42-)干沉降量占总沉降量的49%,氮化物(NO、NO2、硝酸盐NO3-)干沉降量占总沉降量的80%,可见干沉降在大气沉降中具有重要地位。华东地区总的大气硫、氮沉降量中,70%以上到达有植被覆盖的土壤生态系统,这将对农田、草地和森林的硫素和氮素平衡有重要影响。此外,华东部分地区的硫沉降已经超过了临界负荷,而氮沉降尚未出现超临界负荷的现象。     

秋季在北京城郊草地下垫面上的一次臭氧干沉降观测试验

2007年9月23日至10月13日, 在北京昌平区蟒山森林公园内, 利用浓度梯度观测法研究了秋季草地下垫面上臭氧的干沉降特征。研究结果表明: (1) 整个观测期间, 臭氧干沉降通量和干沉降速率平均值分别为-0.40 μg?m-2?s-1(负号表示方向指向地面) 和0.55 cm/s。 (2) 臭氧干沉降通量和干沉降速率受观测点山谷风的影响, 当白天谷风主导时, 臭氧的干沉降通量最大, 其平均值为－0.67 μg?m-2?s-1; 在山风、 谷风转换期间, 其平均值为－0.44 μg?m-2?s-1; 夜间山风主导时最小, 为－0.26 μg?m-2?s-1。臭氧干沉降速率也呈现同样的变化规律, 三种情形下的平均沉降速率分别为0.74 cm/s、 0.50 cm/s和0.47 cm/s。 (3) 利用阻力模型计算了臭氧的植被冠层阻力 (Rc), 结果表明: 由于白天植被的光合作用, 叶面气孔打开, 冠层阻力相对较小, Rc 的平均值为109.0 s/m; 夜间植被叶面气孔关闭, 阻力有明显升高, Rc的平均值为217.7 s/m; 在整个观测期间, Rc的平均值为184.0 s/m。     

北京奥运会前后静稳天气条件下SO2和NO2干沉降模拟

利用中国科学院大气物理研究所北京325m气象塔气象要素和污染物浓度观测资料,采用气体干沉降阻力模型,对奥运会前后北京行政区内SO2和NO2的干沉降影响因子、干沉降速率、干沉降通量进行数值模拟。结果表明:1)随着大气稳定度、太阳辐射强度和下垫面类型的改变,北京SO2和NO2的干沉降速率有明显变化,表面阻力是影响气体干沉降速率变化的主要因子。2)SO2和NO2在白天的干沉降速率及通量普遍大于夜晚。3)静稳天气条件下,奥运会前北京地区一天可清除24tSO2和55.2tNO2,奥运会期间一天可清除10.8tSO2和50.4tNO2,这说明北京及周边地区的减排措施对改善奥运会期间的空气质量效果显著。     

沙尘传输路径上气溶胶浓度与干沉降通量的粒径分布特征

利用2002年春季中国北京、青岛和日本福冈3个地区的分级气溶胶浓度资料,结合改进的Wil-liams模型,分析了沙尘传输路径上空气动力学直径≤11μm气溶胶(PM11)浓度和干沉降通量的粒径分布特征,并估算了黄海海域春季PM11的干沉降通量及不同粒径气溶胶的贡献。结果表明:3个地区PM11浓度粒径分布在非沙尘时期呈双峰分布,两个峰值分别出现在细颗粒(<2.1μm)部分和粗颗粒(2.1～11μm)部分;沙尘时期,3个地区PM11浓度粒径分布均趋于单峰分布,峰值位于粗颗粒部分,并且越靠近沙尘源地,这种趋势越明显。较强沙尘天气时期,粗颗粒部分的浓度峰值粒径从沙尘源地附近到黄海西岸、东岸呈降低趋势,但在一般沙尘天气时期,这种现象并不明显。沙尘时期和非沙尘时期,3个地区粗颗粒的干沉降通量均随粒径增加而增大,细颗粒的干沉降通量随粒径的变化不明显。虽然沙尘时期粗颗粒沉降通量较非沙尘时期有明显增加,但粗颗粒对PM11干沉降通量的贡献与非沙尘时期相比,并没有明显的变化。较强沙尘天气时期,3个地区粗颗粒的干沉降通量明显高于一般沙尘天气时期;细颗粒的干沉降通量较一般沙尘天气时期略有增加。黄海海域春季沙尘时期PM11的干沉降通量约为31.70～58.59mg.m-2.d-1,非沙尘时期约为8.33～15.94mg.m-2.d-1。粗颗粒是黄海海域春季PM11干沉降通量的主要贡献者,约占PM11干沉降通量的94.2%以上。     

DPM模型在塔克拉玛干沙漠地区的适用性研究

局限于仅有观测数据的情况下,利用模拟手段研究土壤风蚀引起的粉尘释放是非常必要的,有助于评估区域土壤风蚀及大气环境质量和气候效应。本文通过分析塔克拉玛干沙漠观测站不同高度层风速及计算平均摩阻风速,利用DPM模型计算粉尘释放通量,综合分析了摩阻风速与粉尘释放通量的相互关系。结果表明：1）不同观测日不同高度层的风速变化各不相同,2m高度层风速的变化范围是0.05～7.73 m·s-1,4m高度层风速的变化范围是0.09～7.19 m·s-1,10m高度层风速的变化范围是0.5～8.09 m·s-1。2）4月1日～4月30日各个观测日24小时内平均摩阻风速分别为0.423 m·s-1、0.344 m·s-1、0.271 m·s-1、0.343 m·s-1、0.161 m·s-1、0.315 m·s-1,其变化范围为0.16～0.42 m·s-1。3）DPM模型研究发现实测跃移通量约为模拟值的122%,模拟值与实测值相关性较好,R2为0.91。上述研究结果对定量评估区域乃至全疆的土壤风蚀对粉尘释放通量的影响具有重要意义。     

DPM模型在塔克拉玛干沙漠地区的适用性研究

局限于仅有观测数据的情况下,利用模拟手段研究土壤风蚀引起的粉尘释放是非常必要的,有助于评估区域土壤风蚀及大气环境质量和气候效应。本文通过分析塔克拉玛干沙漠观测站不同高度层风速及计算平均摩阻风速,利用DPM模型计算粉尘释放通量,综合分析了摩阻风速与粉尘释放通量的相互关系。结果表明：1）不同观测日不同高度层的风速变化各不相同,2m高度层风速的变化范围是0.05～7.73 m·s-1,4m高度层风速的变化范围是0.09～7.19 m·s-1,10m高度层风速的变化范围是0.5～8.09 m·s-1。2）4月1日～4月30日各个观测日24小时内平均摩阻风速分别为0.423 m·s-1、0.344 m·s-1、0.271 m·s-1、0.343 m·s-1、0.161 m·s-1、0.315 m·s-1,其变化范围为0.16～0.42 m·s-1。3）DPM模型研究发现实测跃移通量约为模拟值的122%,模拟值与实测值相关性较好,R2为0.91。上述研究结果对定量评估区域乃至全疆的土壤风蚀对粉尘释放通量的影响具有重要意义。     

Enhanced atmospheric phosphorus deposition in Asia and Europe in the past two decades

磷是植物生长必需的元素,磷缺乏将限制植被生产力及碳汇功能.为厘清全球大气磷沉降的时空格局,本文收集了 1959-2020年发表的396条观测资料.结果发现,全球大气磷沉降的几何均值为0.32 kg ha-1 yr-1,全球大气磷库约4.4Tg yr-1.与1959-2000年相比,近20年亚洲和欧洲大气磷沉降呈现上升趋势,主要来源是农业活动,沙尘传输和燃烧源排放.碳中和背景下,清洁空气行动是否会改变磷沉降的途径和形态,进而影响到生态系统的结构和功能,是需要回答的科学问题.     

Determination of Sulfur Balance Between the Atmosphere and a Norway Spruce Forest Ecosystem: Comparison of Gradient Dry + Wet and Throughfall Deposition Measurements

Total sulfur deposition was determined above a Norway spruce forest, in Hungary. Two methods were applied, on one hand dry + wet deposition measurements and on the other, throughfall and stemflow deposition estimations have been carried out. Results show: total depositions are 3.3 and 3.2 g S m^–2 yr^–1 determined by dry + wet and throughfall deposition methods, respectively. The share of the dry deposition in the total S-load is 73%. The agreement between the results of the two different methods is good and suggests the needlessness of complicated dry + wet flux measurements, i.e. the total and dry deposition of sulfur compounds to forests can be determined by simple throughfall and wet deposition measurements.     

中国地区沙尘气溶胶输送过程的数值模拟

本文建立了一个包含沙尘起沙、输送、干沉积和湿沉积过程的气溶胶输送扩散模式．并和中尺度气候模式RIEMS相连接研究了1998年1月、4月、7月和1997年10月的沙尘起沙、输送、干沉积和湿沉积的过程。计算1998年1月、4月、7月和1997年10月气溶胶浓度及其分布．并和这四个月份的平均起沙分布以及北京、郑州和南京的实例沙尘分布作了比较．结果表明我国起沙多发生在春季．同时春季也是我国沙尘强度最大的季节。沙尘在我国西北的沙地和沙漠地区起沙后．向我国的东南方向输送．在输送过程中沙尘浓度逐渐降低。     

污染源、干沉降和气相化学影响硫沉降的数值研究

利用欧拉型区域硫沉降模式对污染源、干沉降和气相化学等物理化学过程在酸沉降中的作用进行了数值分析。结果表明:排放源的强度和高度影响着污染物的分布和输送,其影响是非线性的。在区域酸沉降模式中,干沉降速度和气相化学转化率简单地取为常数对SO#-[2]及SO#+[2-]#-[4]浓度分布引起的误差是不可忽视的。     

Deposition of trace substances via cloud interception on a coniferous forest at Kleiner Feldberg

A resistance model to calculate the deposition of cloud droplets on a coniferous forest and some improved parameterizations of the indispensable input parameters are described. The deposition model is adapted to the coniferous forest at the Kleiner Feldberg site and verified by the data of a drip water monitoring station below the forest canopy. The measurements of liqud water content, wind speed and trace substance compounds in cloud water of the Ground-based Cloud Experiment (GCE) at Kleiner Feldberg in 1990 are used to calculate the cloud water deposition fluxes and the deposition of trace substances via cloud water interception. The calculated deposition of trace substances via cloud water interceptions is three to six times higher than via rain during the experiment. On a long term data basis the yearly amount of cloud water deposition is 180 mm year^–1 at Kleiner Feldberg site (840 m a.s.l.) while the precipitation amount is 1030 mm year^–1. Due to higher trace substance concentrations in cloud water compared to rain the ionic deposition via cloud water interception and via precipitation were assessed to be of comparable magnitude.     

区域酸性沉降的数值研究 I. 模式

建立了一个三维时变的欧拉型区域酸性污染物沉降模式，模式包括源排放、平流输送、湍流扩散、干沉积、气相化学、液相化学及湿清除等六大部分。考虑到计算条件的承受能力和应用性的要求，在把握酸沉降形成的关键过程的前提下，合理地简化设计模式。相对于国内已有的工作，本模式在干沉积、气相化学、液相化学和湿清除等方面均有所改进。