文摘

本文回顾气团在空气污染交通轨迹及其作用。它描述了概念、历史和基本计算空气轨迹援引各种轨迹模型在世界范围内使用。它强调了轨迹的各领域的应用程序和错误与轨迹的计算有关。南亚地区接收气团来自欧洲、中东、非洲和印度洋,等等,这取决于季节。这些气团负责进出口的污染物沉积在附近的州。轨迹分析显示,土壤是由来自阿曼的沙尘暴在海湾和伊朗,尽管大多数的黑碳(BC)位于印度来源。轨迹的详细审查与湿沉积事件表明,气团来自欧洲和中东携带高浓度的酸性污染物沉积在喜马拉雅山脉。同样,轨迹分析表明,大陆人为来源的酸性污染物运到一个ecosensitive网站在印度西高止山脉和人为活动的外在通量恒河地区运输到孟加拉湾。因此,跨界和远程传输的污染物是非常重要的问题在南亚需要立即处理的科学家和政策制定者。

1。介绍

1.1。轨迹的概念

气流可能描述的两种不同的方式:(i)欧拉(瑞士数学家欧拉命名)和(2)拉格朗日(法国数学家命名J L拉格朗日)(1- - - - - -3]。在欧拉方法中,空气流经点固定在空间而在拉格朗日方法(3),个人选择空运,它在时间和空间。大多数的化学模型是基于欧拉方法,因为这是一个有用的工具来解释各种化学和物理过程。在欧拉模型中,化学反应计算基于污染物的浓度稀释在整个电网的规模。大多数交通和色散模型使用拉格朗日方法由于一些限制在欧拉模型中,例如,边界层的夹带和对流运输、等等(4,5]。拉格朗日方法的优点是,它最低数值扩散(5]。气团轨迹计算的途径的一个无穷小的空气包裹通过中心线流水气团在垂直和水平扩散。跟踪的路径由一个空气包裹逆风从选定的坐标系称为向后空气轨迹,而计算的最佳途径是顺风适时选择坐标的时间被称为“前进的轨迹。“向后空气轨迹的计算使用拉格朗日方法更容易,计算便宜,因为它排除了逆风在受体部位的影响。拉格朗日方法也被应用在光化学建模(6,7]。

1.2。空气的历史轨迹

轨迹Petterssen于1940年首次计算是基于图示法(8]。但随着计算机的发展在1960年代,人们开始等熵分析、轨迹的计算,和他们在电脑上图示法(9]。此后,轨迹计算和他们的演讲经历了逐步发展技术和技术。轨迹计算获得了更多的重要性当Rodhe绘制气团轨迹和确定酸雨发生在北欧主要是由于工业源位于南部和西部的[10]。在空气污染科学,福克斯和Ludwick也报道了一个开创性的研究使用空气反向轨迹确定地区的污染源(11]。阿什宝和同事使用空气轨迹确定硫的来源(12]。他们还使用了这些轨迹预测气团历史和相应的高浓度的硫酸盐。

适时的时间,不同的工人开始研究轨迹计算的各个方面,如错误,计算精度和多个演示。Polissar和同事解决各种问题等相关轨迹计算垂直运输,次网格尺度现象,对流,动荡和不确定性气象数据13]。本性和弗莱明和同事报告全面审查的轨迹(14,15]。目前,轨迹更精确的3 d演示有几个其他电脑驱动的特性(16]。模拟多个轨迹也是可行的。多个轨迹的好处是,这些提供的不确定性度量气团运输的途径17]。然而,计算轨迹总是有一些不确定性,因此用户应该知道此类错误的大小,解释结果。假设关于垂直运输,稀疏的气象数据,在计算数值不准确,次网格尺度的现象,湍流,对流,蒸发和冷凝贡献各种错误轨迹计算(12,18,19]。回顾相关的错误和概率Polissar提供的相关支持轨迹一直和同事(13]。

1.3。气团轨迹的基本计算

一个轨迹可以定义为一个微分方程 在哪里位置矢量在时间吗和速度场。

假设一个二维流,Seibert建议以下数值解(20.]: 在哪里=起始位置,,=位置的迭代时间,=的函数空间,=时间的函数。

更高的细节轨迹的解决方案可以在萨克森和凯勒和雾21,22]。

1.4。轨迹模型

表1提供各种型号的列表用于轨迹的计算。根据可用的报道在世界范围内,HYSPLIT(单粒子拉格朗日混合集成轨迹)模型被应用在大多数的研究(27,37- - - - - -41]。模型开发了美国航空航天局。除了气团轨迹,模型还计算色散和处理模拟。最近HYSPLIT模型已经升级。然而,FLEXTRA模型也被全世界所使用的各种工人(3,14,15]。最近,基于web的系统称为准备(实时环境应用程序和显示)系统是由空气资源开发实验室(支持)。准备好了还被用来运行轨迹和色散模型访问和显示气象数据。同时应用弥散模型,图形显示程序,和文本预测项目对大气科学家使这个系统非常有用。

1.5。应用程序的轨迹

一开始,轨迹被用来发现空气污染的来源地区和运输流程,但是,增进知识,轨迹被发现是有用的解决各方面的氛围和环境,如图1。轨迹等各领域应用气候学(42)、气象(43)、交通污染物(9,14,44,45[],停留时间分析46)、空气质量(47,48,源解析49,50[],气溶胶测量51- - - - - -53)、降水化学(54,55),和政策(56]。

Tarasick和同事使用后退和前进轨迹产生臭氧地图使用北美臭氧探测仪数据连接到网格点的轨迹路径(57]。这种方法被发现是非常成功的在提供轨迹映射臭氧值与实际调查结果有合理的协议。轨迹被用来隔离时期stratosphere-troposphere (s - t)交换几家网站在美国农村Lefohn和同事(58]。轨迹模型被用来研究污染物的循环(59)包括沙尘暴轨迹模拟。Ashrafi和同事尝试这种模拟对伊朗使用尘模块HYSPLIT模型主要是基于点₁₀粉尘排放的沙漠地区60]。根据他们的发现粉尘运动模拟从模型获得类似于MODIS图像。

1.6。轨迹和空气污染交通在南亚

许多研究已经报道了空气污染交通使用气团轨迹在南亚。表2给出的列表的大部分研究气团轨迹计算演示跨界和远程运输在南亚国家的空气污染。因为大量的工作报道轨迹的各个方面,是不可能来描述所有这些研究综述。然而,我们试图强调空气污染交通的主要途径及其湿沉积在南亚地区通过描述一些重要研究南亚地区的各个部分。

1.6.1。孟加拉国

空气污染跨界南亚国家,即孟加拉国、印度、巴基斯坦和斯里兰卡,报道了霭找出源区域主要负责污染物的运输22]。在这项研究中,同步采样的颗粒物进行了使用类似的方法在孟加拉国、印度、巴基斯坦和斯里兰卡。根据他们的报告,公元前丰富烟是由燃烧农业废弃物资源主要分布在印度北部(图2)。细粒土壤贡献的沙尘暴是由于空气中颗粒物水平增强。基于轨迹时,他们观察到远程运输的沙尘从阿曼海湾和伊朗被运送到巴基斯坦和其他南亚国家。

萨达特和同事报道,跨界交通污染物对空气质量有重大影响的孟加拉国由于邻国印度和中国的工业活动39]。的水平和记录要高当气团运动是注意到在印度(北部和西北)。然而,这些气体被记录显著的水平降低,当气团经过印度而花了足够的时间在孟加拉湾。使用HySPLIT模型和10天的逆向轨迹,伊克巴尔和Oanh观察到,多数的气团到达孟加拉是起源于西方62年]。然而,根据他们的库存报告,70%的₂排放在达卡内有归因于当地砖窑。

1.6.2。印度洋

有一个非常有限的湿沉积研究使用轨迹已报告在印度洋。然而,研究气溶胶传输在印度洋报道了几个工人(表2)。石榴和同事(2002)已报告在印度洋地区的雨水化学印度洋实验(INDOEX)竞选期间举行1 - 199954]。样品收集机上研究血管罗纳德·h·布朗和Sagar Kanya为主要离子和一些痕量金属分析。他们计算空气轨迹到达船(950公顷)的位置与麦格拉思轨迹模型利用风能和ECMWF的字段。五个印度洋沿岸的轨迹模式已报告。气团轨迹分析(图3)透露,non-seasalt浓度非常高,,,nss-K⁺,non-seasalt Ca^{2 +}雨水在印度洋的影响是由于污染和土壤资源在亚洲。

远程传输的尘埃和其他污染物在印度洋报道了几个工人。大多数这些研究INDOEX的一部分,专注于气溶胶光学深度(AOD)或季风发行量。克里希那穆提和同事报道远程运输的可能性的尘埃从阿拉伯沙漠中央印度洋地区的渡越时间2 - 3天(66年]。李肇星和拉马纳坦认为,远程运输的尘埃从非洲之角阿拉伯海和中期对流层运输阿拉伯半岛的灰尘会影响夏季风,可以导致更高的气溶胶载荷在赤道以南65年]。根据他们的说法,远程传输的排放量从1997年的印尼森林火灾负责增加大气气溶胶在大多数的赤道印度洋。时和同事使用了一个混合的方法找出污染物传输的通路印度洋密集型领域阶段INDOEX在1 - 199967年]。他们使用一个欧拉向前传输计算region-tagged排放的大气环流模式(GCM)以及一个拉格朗日分析轨迹和排放清单重叠的时间段。他们发现,在早期的巡航船在印度洋时,从印度河-恒河平原气团,印度中部或南部印度运输硫酸盐气溶胶和有机物到印度洋。但在后期February-early 3月船朝着阿拉伯海的时候,灰尘物种主要是经由气团来自非洲、西亚、印度西北部。

一般来说,更高的污染是报道在印度洋赤道以北(54)作为发射源的大部分位于北半球。相对原始大气在南印度洋是由于人类干扰可以忽略不计。然而,失踪的马来西亚航空公司370航班MH的搜索操作将排放大量的气溶胶和气态污染物在印度洋南部由于燃料燃烧的搜索飞机和船只。一个多月长操作使用了大约20飞机和20的船只。据英国广播公司(http://www.bbc.com/news/world -亚洲- 26514556),这是最大的搜索操作,覆盖768万平方公里面积相当于11%的印度洋和地球表面的1.5%。在这个关系中,气团轨迹的计算可以很大的帮助找出运输途径南印度洋上空的空气污染物。清除各种气溶胶和气态污染物可以修改的云在南热带辐合区(ITCZ)可以进一步影响季风的过程。

1.6.3。孟加拉湾和阿拉伯海

沉积酸性成分的报道在孟加拉湾和阿拉伯海Reddy和同事(52]。本研究进行了综合竞选期间气溶胶和微量气体辐射强迫(ICARB)。他们观察到的空气在孟加拉湾和阿拉伯海受到气团来自四个部门:(i)通过印度的土地,从印度洋地区(2),(3)形成阿拉伯海北部和中东地区,并从非洲大陆(iv)。图4显示的起源气团达到各种巡航点在孟加拉湾和阿拉伯海。最高的nss -观察在气团来自印度的土地,而最低浓度观察当气团来自海洋地区。然而,污染物的总通量由不同方向的气团不估计的研究报告在这个地区。

1.6.4,。马尔代夫

大部分的研究报道从马尔代夫是大气棕色云(ABC)项目MCOH气候观测站位于Hanimaadhoo岛。报道了运输的污染物MCOH Das和同事(68年]。他们利用气团轨迹解释水溶性无机组分在雨中沉积在MCOH找出季节性和可能的来源地区。non-seasalt的浓度,,观察要高4倍,当气团来自印度相比海洋气团。这样的效果导致非常低的pH值的雨水(4.7),这是远远低于pH值(6.0)由海洋气团。图5显示了轨迹到达MCOH (Hanimaadhoo)。

1.6.5。尼泊尔

轨迹分析湿沉积在尼泊尔还没有报道。然而,根据提高数据收集雨水化学ABC观测站点戈达瓦里河表示,从部门收到气团天文台。其中包括从阿拉伯海(i)经过印度,(2)从孟加拉湾通过孟加拉国,从中东(3),(4)从欧洲67年]。有时,气团来自东南亚通过缅甸、孟加拉国和印度。然而,我们最近的观察在雪地上化学在喜马偕尔邦透露,这里离马纳利市气团来自尼泊尔被发现对空气污染负责运输到印度。这样的轨迹已经在本文的最后部分讨论。

1.6.6。印度

印度大陆最高、人口和自然资源,以及最大的工业设置在所有南亚国家。因此,它可以被称为最大的出口国污染附近的国家和海洋地区。同时印度进口大量的污染通过远程传输来自欧洲、中东、非洲、印度洋,和附近的国家。然而,这样的导入和导出的数量来自不同行业的污染没有估计由于缺乏区域排放监督管理机构。1979年日内瓦公约远程跨界空气污染(CLRTAP)就是这样的一个理想的例子旨在限制,尽可能,逐步减少和防止空气污染包括远程跨界污染空气每个参与国家(72年]。CLRTAP至今51政党。

大多数研究在表2报道气团的起源和污染物的类型由这些气团。使用轨迹报告信息是非常有用为了了解污染的来源和途径运输各种网站在印度。Satyanarayana和同事注意到各界长期运输污染显著影响雨水的pH值和化学Hudegadde,农村站点位于生态敏感地区的西高止山脉55]。他们观察到Hudegade收到气团来自五个不同的领域,即核心部分的印度洋,西北印度洋西南印度洋,海湾和大陆气团经过西北印度洋和南印度的一部分。气团轨迹分析提出了一个重大影响的地方和洲际人为和自然资源。源位于非洲和海湾地区影响了网站的酸度。他们发现城市活动位于西南印度大陆(采样站点北部)和来源在海湾地区酸雨在西高止山脉(表负责3)。

降水在不同轨迹类的化学成分已经被诺曼和同事报道(2001)在Bhubaneshwer,果阿Sinhagad,浦那(63年]。他们比较了雨化学与轨迹和降水领域的结果。如表所示4系统的化学成分和pH值变化的雨水是注意到依照气团的起源和降雨量沿轨迹。布巴内斯瓦尔位于印度东部收到气团来自阿拉伯海、孟加拉湾,和大陆的来源。不同的轨迹到达Bhubaneshwar如图6。

从西印度,大多数湿沉积的研究已经报道了普纳地区。使用气团轨迹,女王和同事(2011)观察到的远程运输的空气污染物和尘埃负责选择高浓度的离子云的水在Sinhagad浦那(附近高海拔的一面38]。在另一项研究在Sinhagad, Reddy和同事(2010)观察到,季风和postmonsoon气团的起源相应的从不同的方向影响雨化学(37]。如图7,在季风季节,空气从非洲区域。但是在postmonsoon季节,空气包裹是来自中东和欧洲旅行在印度北部,最后达到Sinhagad。作者报道,由于这个原因,的浓度,nss -,nss-K⁺观察在postmonsoon样品相比更高的季风样本。

1.6.7。远程传输到喜马拉雅山脉西部

为了观察气团运动在北印度喜马拉雅西部,我们雪进行化学研究加上轨迹分析。在我们的研究中,收集的样本降雪在高海拔现场Kothi (32.31°N, 77.20°E)位于Kullu印度喜马偕尔邦州的地区,加工进行化学分析。五天回轨迹在5000米高度计算这些样本使用HYSPLIT模型从NOAA (27]。气团轨迹显示,Kothi接受降雪通过气团来自称为六大领域(1)北大西洋起源(NAO),(2)非洲起源(Af),(3)中东起源(我),(4)欧洲(欧盟),(5)西印度起源(WI)和(6)尼泊尔起源(Np)。数据8(一个)- - - - - -8 (f)显示这些轨迹的典型例子。

北大西洋的起源(NAO)。气团来自大西洋和欧洲经过阿富汗北部查谟和克什米尔和达到采样站点,也就是说,Kothi,被称为NAO(图8(一个))。这个集群代表事件的数量最多(40%)。

非洲起源(Af)。气团来自非洲大陆和中东经过/海湾巴基斯坦在到达采样站点之前被称为房颤。这个集群代表23%的降雪事件。图8 (b)是一个典型的例子,这样的气团。

中东的起源(我)。气团来自中东和达到采样站点通过巴基斯坦和哈里亚纳邦已经称为了我。这组代表降雪事件总数的10%。图8 (c)我是一个典型的例子气团。

欧洲(欧盟)。气团来自欧洲大陆和达到采样站点通过阿富汗和查谟和克什米尔被称为欧盟。这个类代表了最少(6%)的降雪事件。图8 (d)是一个典型的例子,这样的气团。

印度西部的起源(InW)。气团起源于西印度拉贾斯坦邦和运输在旁遮普和哈里亚纳邦,最后,达到采样站点被称为InW。这组代表降雪事件总数的13%。图8 (e)是一个典型的例子,这种类型的气团。

尼泊尔起源(Np)。气团来自尼泊尔方面达到采样站点通过北阿坎德邦被归类为Np。这个集群代表第二个最低数量的事件(8%)。图8 (f)是一个典型的例子,这种类型的气团。

一般来说,pH值的样品变化从4.75到6.98,平均值5.69表示轻微的碱性雪样品的性质。轻微的碱性沉淀已报道在印度高海拔地区(40,41,73年- - - - - -75年]。图9显示了pH值的频率分布百分比的降雪样本。最大数量的样本pH值在6.21和6.60之间(29%),其次是5.81 - -6.20的范围内(25%),6.61 - -7.00 (17%),5.41 - -5.80 (17%),4.61 - -5.00 (10%),5.01 - -5.40 (4%)。高pH值(pH > 5.6)据报道全球降水样品由于土壤中颗粒物的影响(40,68年,76年- - - - - -80年]。总,83%的样本显示,pH值的雪5.6以上,而17%的样本只在Kothi是酸性的。酸性雪样本被发现在这个网站气团主要起源于中东国家和欧洲。酸性pH值已经被报道在气团降水样品起源于欧洲80年和海湾国家55]。43%酸性的雨样本观察在自然状态植物园在布巴内斯瓦尔,印度(81年]。18%出现酸雨的报告在德里,印度(76年]。pH值介于3.98和8.01之间有20%的酸性降水样品已经在西班牙东北部Montseny报道,欧洲80年]。总降水的样本中,21%的样本被发现在Sinhagad是酸性的,印度浦那(82年]。79.3%的总降水量pH值低于5.6在中国东南部的省份的金华83年]。

表5给在降雪的平均浓度的化学物种样本。平均当量浓度的离子物种遵循以下顺序:Ca^{2 +}> Cl⁻> Na⁺>>>>>毫克^{2 +}> K⁺> F⁻。非常高的浓度^{2 +}在所有离子在这个网站表示地壳在降雪Kothi样本。Ca的平均浓度^{2 +}与他人比较的雪,发现比珠穆朗玛峰更高(84年),太。洛根地块(85年,Khumbu-Himal、尼泊尔86年),但低于玉龙雪太。87年和天山山脉88年]。在印度地区,许多研究人员报道高浓度的Ca由于降水样品(暂停土壤尘76年,89年,90年]。自网站位于高海拔较低的侵蚀土壤(73年),^{2 +}预计不会被当地土壤显著贡献。正如上面所讨论的在同一节中,运输尘埃的贡献从非洲区域,西印度,尼泊尔在这个网站是相当高的。很高的浓度和可能是由于运输通过房颤,我,InW, Np气团。的浓度雪样本在这个网站低于表面/新雪的样本玉龙雪太。91年],冰芯样品Dasuopu [92年),和东绒布93年),但低于雪珠穆朗玛峰(样品84年,Khumbu-Himal、尼泊尔86年,太。洛根地块85年]。非常类似的浓度范围报道了许多工人在全球降水主要由于化石燃料燃烧(55,73年,80年,82年,89年]。浓度是非常高的,这可能是由于运输/从上面讨论的各种气团在相同的部分。的一些贡献在冬季从生物质燃烧产生热量,当地人民也不能排除。Ca后^{2 +}非常高浓度的氯⁻和钠⁺在所有离子表示强烈影响海洋组件在这个网站,很明显从上面的讨论。高的浓度降雪样本可能由于运输主要来自非洲大陆和尼泊尔。同样,高浓度的K可能由于运输房颤的气团,InW和Np主要。

2。结论

目前,计算轨迹是非常先进的。多个和3 d轨迹可能的许多附加功能,使计算向后,向前,垂直运动非常简单。然而,有与轨迹计算相关的不确定性,因此预防这些错误是必要的有意义的解释。然而,气团轨迹追踪污染源的强大工具和运输的路线。跨界污染成为一个严重的问题在南亚。运输的污染物从周边国家以及欧洲、中东、南亚和非洲大陆地区需要立即科学家和政策制定者的关注。研究表明,污染物的净进出口变化取决于本赛季随着气团的起源和路径的变化在不同季节和不同类型的污染物的沉积负载在受体网站。因此,类似于CLRTAP,南亚地区也需要开发一个网络监督的性质和类型的污染物及其量化年度进出口,其次是适当的方法评估损害人类健康的关系,森林,和各种农业生态系统。气团轨迹显示,来自欧洲和中东地区的酸性污染物沉积了喜马拉雅山脉到远程通过远程运输。轨迹计算提供了十分重要的信息的大陆运输排放负责的雨水酸度高水平在印度西高止山脉西南ecosensitive站点。

利益冲突

作者宣称他们没有利益冲突有关的出版。

确认

支持DST-PURSE和印度UGC。