在未来不确定性的对流层臭氧分布在西非由于人为排放量的变化估计在2025年到2050年之间

文摘

粒子和微量气体排放由于人为活动预计将显著增加在西非在未来几十年,由于人口增长和更多的能量密集的生活方式。这里我们执行全球chemistry-transport 3 d模型计算2025年和2050年使用“常态”(aib)和“清洁能源经济”(B1)未来人为排放场景集中分布的变化和不确定性与对流层O₃由于各种预计发射场景。当今对流层相比,我们发现有显著的对流层O₃aib排放情况,增加最大的是位于低对流层源附近地区和萨赫勒地区大约15 - 20°N。这在一定程度上增加是由于更有效_x优势在后台增加甲烷浓度有关。研究不确定性不同排放清单显示,有一个相关的不确定性的~在2025年和2050年预测的20%涨幅。对流层上部,增加O₃辐射强迫产生更明显的影响,影响的不确定性运输啊₃丰富的空气从亚洲热带东风急流。

1。介绍

西非(WA)已经是人口最稠密的地区之一的非洲大陆,因此受到高气体和微粒排放与人为活动,如交通、能源生产、生物燃料使用、工业过程和生物质燃烧(BB)。例如,对流层高浓度的一氧化碳(CO),氮氧化物()和挥发性有机化合物(挥发性有机化合物的仪器)最近以低对流层(LT)附近的拉各斯,尼日利亚(6.4°N, 3.4°E),这表明大型城市对区域空气质量直接影响在佤邦1]。佤邦的人口预计将翻一番,到2050年1.7亿居民(2),这将导致增加这样的排放有关。该地区也受到独特的气象变化(3]影响远程传输到和该地区的污染物,例如,大规模BB实践在南部非洲的西非季风活跃在June-July-August环流)[4]。因此,任何增加的陆基和海基排放量有可能影响对流层赤道非洲(EA)在一个大的区域,因此,热带对流层氧化能力的一个主要部分的化学氧化是因为当地的光化学活性高、空气湿度和温度。

尽管最近进步了在理解影响对流层的物理和化学过程在西非(例如,5]),重大不确定性和偏见仍对繁殖的化学成分非洲使用大规模chemistry-transport对流层模型(ctm)和化学气候模型(CCMs) [6]。主要源于不确定性的选择和开发参数化描述对流运输(7[],闪电活动8),生物活动(9BB[],排放估计相关10]。

人为排放估计未来的趋势,例如,2000 - 2050年的时间表,取决于有效的立法的可能性介绍地区应对日益增长的空气质量问题。这导致了各种排放情景的发展(11)与增加(aib,“常态”)和减少全球销售总额(B1,“清洁能源经济”),到2007年,全球人为排放的趋势被认为超过了aib场景(12]。虽然aib场景可以被认为是最现实的特别报告中提供的估计发射场景(sr, (11),最近的经济放缓被认为是抑制区域排放,例如,欧洲,尽管佤邦的效果仍不确定。这对气候影响通过引入扰动在大气的辐射强迫(RF)由于对流层臭氧的增加(O₃)[13),随后对大气影响寿命的长寿的温室气体,如甲烷(CH₄)。在这里,我们目前的模拟2025年和2050年使用aib和B1发射场景和比较重要的扰动对流层污染物和氧化剂与模拟2003年,特别强调对流层O₃。我们也量化引入的不确定性预测未来的对流层O₃分布造成的不同假设进入排放清单。

2。实验设置和排放清单

对于本研究的目的,我们使用3 d全球CTM TM4,最近参加了一个数量的建模研究专注于EA和大西洋的热带对流层(4,7- - - - - -9]。模拟进行的一部分EU-integrated项目量化(量化全球和欧洲的气候影响交通系统,http://www.pa.op.dlr.de/quantify/),其原理重点是探讨未来交通排放对气候和空气质量的影响。模型运行的水平分辨率使用34个垂直水平和推动使用运营预测数据提供的欧洲中期天气预报中心(ECMWF)使用一个6小时的更新频率。TM4使用修改CBM4化学机制(14),包括CO-CH₄-不_x所以_x化学。光解是使用一个有效的参数化计算,修改占衰减高于云(15]。区分在对流层O增加人为排放的影响₃从气象变量的可能趋势,我们采用气象在2003年在整个研究中,已用于相互比对之前的模型(例如,[16,17])。这些相互比较研究表明,TM4展览2003年化学变化接近一个整体模型意味着利用一系列先进的ctm使用当前现在的设置(17]。一年向上执行期间对所有模拟使用相同的排放清单和ECMWF气象学的2002年。

non-transport人为排放源(包括生物燃料使用)从EDGAR32FT2000库存(18)和扩展各自的未来排放场景(11]。排放的道路运输、航运和航空拍摄的最新建议规定EU-QUANTIFY项目(19- - - - - -21]。non-transport排放隔离对月捕捉变化的纬向分布的BB的活动,而与运输相关的年度平均水平。BB的贡献占全球火发射采用数据库版本1 (GFEDv1)估计2000年的分布式使用1997 - 2002年期间的平均火活动(22]。今年被认为是平均每年的年度BB活动因此没有偏见的模拟,例如,厄尔尼诺现象的信号。生物异戊二烯的排放和土壤_x来自在线模拟与EMAC CCM (23)平均在1998 - 2005之间。喷射高度应用引入排放占时,例如,烟囱和火成的对流在BB (24]。闪电扩展到全球共有5 TgN /年(25]。

对未来的模拟,人为公司,所以₂和nonmethane碳氢化合物排放规定使用估计基于aib和B1发射场景。在BB没有变化,应用生物,或闪电排放。占全球CH连续增加₄浓度,尽管有明显的年际和年代际变化(例如,[26]),表面混合比率是固定的~1.99 ppmv和~2.40 ppmv 2025年和2050年,分别假设平均增长率为2 ppbv /(27]。平流层O的潜在变化的开销₃列都不占,总列限制使用卫星测量为2003。当前和未来的排放清单应用在全球范围内而不是非洲大陆。

3所示。人为的分配和增长_x西非的排放量

人为的年度分布排放在佤邦和撒哈拉以南非洲地区目前天(2003)如图1,non-transport和运输排放来源的贡献分别显示与集成总从所有运输部门直接投射到表面上。可以看出,大部分non-transport排放发生在纬度范围5 - 10°N。在这个纬度的乐队,non-transport的分布相当均匀对经度的累积和工业和BB排放所示,排放清单中提供。城市的分布中可以清楚地看到分布的交通工具如图1(b),许多主要城市的大型道路运输排放位于南部海岸线WA(例如,阿克拉,加纳(5.5°N, 0.2°W);蒙罗维亚,利比里亚(6.3°N, 10.8°W);Porto-Nova、贝宁(6.5°N, 2.6°E))。航运引入可观的重要性排放到附近的原始海洋边界层海岸线也是可见的。

每年的增长排放的aib和B1发射场景在时间轴2000 - 2050图所示20°-30°N之间的集成和23°W-10°E。non-transport贡献明显占主导地位,比相应的运输大约两倍的贡献。对于A1场景,有增加~直到2025年25% non-transport组件,然后减少几个百分点。B1的场景中,有一个更低的速度增加non-transport组件,到2025年~达到低于20%。发射的场景然后下降之间的区别~2050年的5%。

的运输排放在佤邦,贡献在2003年由于区域运输占主导地位,这是与模式在全球范围内道路运输是主要交通排放源(17]。由于航运的贡献继续增加在整个时间轴,增加~100% (~20%)达到2050 (B1)场景。道路交通、最大值发生在2025年达到的情况下,2050年之后,明显降低由于减排技术的引入(尽管车辆被认为增加)的总数。因此,到2050年,公路运输成为最低的交通工具佤邦的排放源。对于B1场景,预计将稳步下降发生在整个时间轴,又使跨越所有部门的相对贡献2050(最低19]。最小的贡献从交通部门由于空中交通,扩大20图值的地方2 (b)为清晰。然而,由此产生的影响₃由飞机在射频方面已被证明是相对较大的空中交通的排放都是直接注射到对流层上层(28]。这是不同的未来排放趋势在全球范围内,表明航运和公路成为约等于2025年和2050年转化。

应该注意的是,由于效率的变化回收未来大气中由于增加了背景CH₄的浓度,O的净生产效率₃每个分子的增加而减少排放(见下文)。在全球范围内,道路交通的影响在对流层成分被发现是最重要的28]。然而,佤邦地区的航运排放控制表明区域射频也是由这个交通部门影响显著。

4所示。增加季节性对流层O₃在西非

在这里,我们重点分析季风季节环流)因此BB在佤邦的影响最小化22]。图3显示了纬向平均分布在对流层O₃在0°-30°N之间的环流在2003年环流。采用平均间隔值平均23°°E获得地带性意味着,只包括佤邦的发射源。可以看出,LT 5 - 20°N之间的混合比率很低(~20 - 40磅),纬向平均的纬度的变化特性与机载观测(观察到29日]。纬度接近赤道以上20°N,混合比率增加> 50磅的影响由于BB在非洲南部和涌入欧洲,分别。

关于TM4的性能,过去的研究已经表明,模型的准确性在佤邦地区的质量严重受到气象领域用于驱动模型,在欠采样的大气参数会导致缺陷,例如,非洲的位置东风Jet-North (AEJ-N) [4,8]。比较的托管的啊₃概要对臭氧探测仪在贝宁海岸表明,对流层中间的混合比率通常低估了环流(4),尽管获取正确的气流在粗ctm近年边界是很困难的。的位置在土地,进一步比较了不同的飞机测量8月份整个对流层(显示更好的协议8]。UT, TM4可以捕获纬向梯度UT O₃相当好(7]。这些以前的研究提供一些信心,TM4可以捕获的正确的纬向分布对流层O₃相当好。

达到此场景模拟的相关百分比增加2025(中间)和2050年(上)也显示。对流层上部(UT),化学成分的变化都受到对流从非洲中部隆起的气团30.)的化学加工气团和远程传输,例如,印度和亚洲进入该地区通过热带东风急流(TEJ) [31日]。之间最大的增加发生在LT 7 - 15°N,正上方和北部的主要人为排放(由图发布1)。

强烈的对流运输阁楼和O₃向上前体边界层进入自由对流层,导致增强对流层O₃形成对流系统的流出和非洲UT(例如,7,31日])。增加随后强加了一个关联的扰动在射频UT [16]。这种扰动射频都有可能修改大规模流通通过改变运输途径(对流,哈德利和布鲁尔多布森发行量),改变对流层顶的温度和海拔的冷一点。此外,当占化学过程重要的低平流层(LS),增加UT O₃通常伴随着减少LS啊₃(13]。这将进一步修改相关的潜在化学气候反馈。

相应的变化,发生在大气的最低公里图所示4。今天,至少在O₃混合比率之间的地区发生7-20°N。5°N向北移动,都减少排放和植被类型的变化增强了干沉积的O₃。观测表明,这种分布是现实的,现在的表面O₃10 - 15°N之间的混合比率相对较低(< 25 ppbv) (29日]。在赤道南部非洲的交通污染的空气从BB导致表面附近增加混合比率40-55磅左右。

比较未来模拟表明,表面O附近最大的增加₃南部发生在尼日利亚,马里和布基纳法索,这就增加了近地表O₃混合比率,~40磅。这些大量增加是坐落在人为non-transport排放源,在增加也向北扩展由于大气低层大气中的风循环运输两个O₃及其前体内陆(32]。额外的敏感性研究(未显示),适用~减少5%的运输部门显示,运输部门作出了显著贡献₃形成(~5 - 10%)的非洲西海岸航线到欧洲,然后由平流影响背景在萨赫勒地区和撒哈拉沙漠内陆。增加之间的公路运输是有限的~2 - 4%,哪里有一个签名从北方由于运输在北非和中东地区。最高的增加表面O₃(~100%)与区域相关联,表现出相对较低的混合订单的15 - 20磅(例如,10 - 15°N,清廉°W)。赤道附近,靠近表面O₃受南方BB,减少15 - 25%之间。

随着时间的发展,会增加的~10 - 15%发生进一步向北为撒哈拉非洲由于不断增加航运排放(图2)。因此,表面附近的O₃,未来可能达到的值通常发现更多的污染地区如欧洲,负面的后果,例如,农作物产量和植被(33]。

在某种程度上,对流层的增加O₃是由增强回收由于背景CH₄在未来的气氛中(34通过下面的循环: 有额外的反馈,增加O₃提高哦生产由于更快的净反应速率(1),从而修改氧化能力。检查化学预算显示,未来大气哦的净亏损公司只会增加氧化相比略微通过反应(净亏损2)。然而,链的长度回收机制有限有些是由于更大比例的氮被转化成HNO可用₃随后失去了的干/湿沉积过程的中尉降水频率和强度的增加可能由于气候变化可能引入更有效率比损失占在这项研究中,尽管增加土壤的重要性排放的增加降水缓冲这损失在一定程度上9]。

5。未来的不确定性O₃增加由于人为排放源

在本节中,我们研究引入的不确定性对未来的分布对流层O₃在佤邦的不同预测申请人为的进化排放在选择时间。为此,我们既有绝对的不确定性(AU),定义为对流层O的差异₃aib和B1场景之间的分布和相对不确定性(俄文),定义为非盟除以现今分布。

图5显示了非盟(左)和俄罗斯(右)的区域在环流季节性的意思是佤邦2025以上。非盟2025 LT的显示,以及引入的不确定性在non-transport差异排放,从运输部门有一个签名。结果的不确定性~表面附近的8 - 10%₃在0 - 5°N之间的热带大西洋。然而,应该注意的是,这些模拟不占次网格化学过程,如羽,这已被证明修改结果啊₃分布应用于释放时,例如,飞机排放[35),减少O的效率₃生产。的对流上升的影响前体的正上方可以看到主要non-transport来源地区。UT,非盟变得更加均匀对纬度的影响由于远程运输提升O₃在该地区(见下文)。俄文的分布表明,UT的不确定性相对较高,对热带地区出现更大的不确定性。在射频方面,这是最重要的不确定性最大由于扰动所造成的变化₃这发生在UT [36]。

在图62050年,我们显示相应的差异。尽管非盟是相同的数量级为2025所示,最大的差异发生靠近赤道,不确定性的LT以北20°N下降到低于~12%。这是由于在non-transport的区别之间的排放减少排放场景(由图2(一个)),由于强大的减灾实践发生在欧洲和北非在2025年和2050年之间(图中未显示),这样可以减少大量O₃阿,₃前兆,公司进入该地区。俄文,最大的不确定性是再次non-transport排放源区域的正上方,但增加不确定性再次向赤道由于增加航运排放。

最后,在图7,我们将展示的季节性分布对流层O₃150 - 200 hPa在佤邦,连同相应的俄文2025年和2050年。UT俄文的签名值由于空气对流边界层的隆起在佤邦变得不太明显的2050,它在哪里,而空气污染的影响从亚洲运输导致更高的不确定性对东(未显示)31日]。因此,这意味着最大的不确定性相关UT最有可能大不确定性与未来亚洲排放清单。

未来的不确定性对流层O₃这里给出分布一定程度上依赖现在的排放清单的质量,使用的气象数据驱动模型,使用的化学机制,未来的人为排放的估计是否准确。在当前时间,大规模全球化学运输模型有问题能够捕捉小规模的可变性和正确的水平和垂直分布的对流层O₃为该地区(8]。例如,佤邦的一个主要缺陷是污染物的运输向西方在季风不是最优的,这很可能会影响盟和俄文的分布如图5- - - - - -7。量化这些额外的不确定性是目前不可行,因为它需要广泛的建模比较O₃针对一个观测数据集用于整个赛季。迄今为止在非洲的测量只能在几个地点通常位于城市中心附近,使得任意一年广泛的模型验证非常困难。还应该指出,执行这种模拟的水平分辨率更高,例如,也会改变结果的依赖啊₃形成模型配置(35]。

6。结论

分析未来趋势西非地区的人为排放场景(0 30°N, 20°W-10°E)显示显著差异存在之间的一个“常态”的场景(aib)和“清洁能源经济”的场景(B1),不同的地方~non-transport建立排放源的20%预计2025年的减少~在2050年的5%。全球排放估计相比,排放的运输被发现的主导交通部门在时间轴2000 - 2050,显著减少(~80%)是公路运输的设想,无论采用发射的场景。

通过应用这些排放估计在全球chemistry-transport模拟3 d,我们表明,最现实的排放场景(aib),在对流层有显著增加₃在整个对流层西非。这将为辐射强迫有重要意义,表面空气质量,大气的氧化电位,西风流出的运输。检查化学预算显示,这部分增加的O₃是由于更有效率呢回收的投影在后台增加甲烷浓度。在表面,表面O附近最大的增加₃10 - 15°N non-transport附近发射源之间出现2025年和2050年。结果表明,预计增加人为排放将大大降低地区空气质量在不久的将来。通过计算的不确定性分布对流层O₃从应用程序的不同的排放清单,我们发现该地区的不确定性~20%,更高的不确定性为低对流层包含强大的发射源和向赤道的位置由于航运。2050年,最大绝对误差变化向赤道由于强烈的人为排放缓解欧美增加船舶排放的重要性。UT,存在较大的不确定性相关远程传送的空气污染来自亚洲带入该地区的热带东风急流和预计未来亚洲的增多,排放的差异之间的场景。

确认

j·e·威廉姆斯承认部分财政支持EU-integrated第六框架研究项目量化(合约003893),提供未来排放清单。作者也谢谢答:斯特伦克帮助IDL编程。

引用

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