华北地区香河站对流层NO_2的MAX-DOAS光谱仪观测及变化特征分析

利用中国科学院大气物理研究所香河大气探测综合试验站2010年3月至2012年2月(2年)的多轴差分吸收光谱仪(MAX-DOAS)观测数据和32 m高塔常规气象资料,反演了华北地区香河站对流层NO2柱浓度,分析了该区域NO2柱浓度的季节变化特征。研究表明:可见光455~485 nm、紫外330~370 nm都可以作为MAX-DOAS工作波段很好地反演NO2;香河地区NO2柱浓度夏季最低,几乎保持在2×1016 cm–2以下,春、秋季次之,在3×1016 cm–2上下小范围浮动,冬季最高,可达4.5×1016 cm–2;月平均最低值出现在7月,最高值出现在11月。NO2柱浓度与风速、风向密切相关:来自东边唐山方向的风,风速越大时NO2浓度越高,因为唐山是NO2的高值区之一;其它方向风速越大,浓度越低。春、夏两季NO2柱浓度日变化趋势比较平缓,秋、冬两季日变化明显,秋季正午偏高,冬季早晚偏高。     

华北平原固城站NO2对流层柱浓度变化特征

基于2008年9月—2010年9月河北固城生态与农业气象试验站多轴差分吸收光谱仪 (multi-axis differential optical absorption spectroscopy, MAX-DOAS) 获得的太阳散射光谱观测,反演计算该地区NO₂对流层柱浓度,分析其季节、日变化特征以及不同来源输送的影响,并与同期NO₂地面观测资料和卫星产品进行对比分析。发现固城站NO₂对流层柱浓度冬高 (5.14×1016 cm-2) 夏低 (1.28×1016 cm-2);日变化形态在四季均呈现中午低、傍晚高的特征,且冬季最明显。与北京城市区域同期的观测相比,冬季固城站观测值略低,而在春、夏季则偏低较显著。地面风玫瑰图分析显示,来自SW, SSW, NE方向及ENE方向的污染输送对其贡献最大。与地面、卫星NO₂观测的对比表明,MAX-DOAS反演的NO₂柱浓度与地面观测浓度具有一致的季节和日变化特征,卫星反演的NO₂对流层柱浓度产品在华北平原农村地区存在系统性低估。     

地基曙暮光光谱观测反演平流层O3和NO2柱含量

用差分光学吸收光谱(DOAS)方法,从曙暮光天顶散射可见光光谱资料反演了北京上空的O3和NO2柱含量,并对反演结果进行了验证和误差分析.斜柱含量的反演采用了线性和非线性最小二乘拟合方法,拟合时考虑了O3、NO2和H2O的吸收、Ring效应和散射的影响;斜柱含量除以空气质量因子转换成垂直柱含量.空气质量因子的计算使用伪球面DISORT辐射传输模式.O3和NO2总量的检验分别用北京的Dobson O3资料和卫星SAGE Ⅱ的NO2廓线资料.反演的O3总量与Dobson O3总量相比偏差小于10%;NO2总量与SAGE Ⅱ的偏差约20%.     

基于OMI数据的贵州省对流层NO2浓度时空变化分析

利用OMI卫星遥感数据提供的NO2浓度产品及气象站点数据,分析了2005-2017年贵州省对流层NO2柱浓度时空分布特征及其影响因素。结果表明:①贵州省NO2柱浓度年均值较小,说明贵州省空气质量整体比较好,年变化为NO2柱浓度先升高再降低的趋势,冬季最高、夏季最低,而月变化呈内凹型分布,一年中最大值大多出现在1月,7月出现最低值的次数最多;②空间分布呈西高东低、北高南低的特点;③在9个地市州中,六盘水市的NO2柱浓度年均值最大,贵阳市位于第二,浓度最低的是黔东南州。④降水和温度对NO2柱浓度都具有一定的负影响。     

基于SCIATRAN模型的二氧化氮DOAS 反演敏感性试验

气溶胶和地表反照率是影响星载SCIAMACHY仪器观测数据定量遥感NO2大气柱总量的2个主要因子.文中利用高光谱分辨率大气辐射传输模型SCIATRAN,在考虑分子吸收和气溶胶多次散射影响基础上,精确模拟了气溶胶、地表反照率和NO2气体浓度变化对差分处理前后卫星反射光谱的影响,并定义影响因子f,对3个模拟参数进行综合评价.结果表明:(1)通过剔除卫星反射光谱中慢变光谱变化成分,DOAS方法明显降低了气溶胶和地表反照率对卫星反射光谱的影响;(2)差分处理前,3个模拟参数的影响强弱依次为地表反照率、气溶胶和NO2浓度;而差分处理后,3个模拟参数的影响强弱依次为NO2浓度、地表反照率和气溶胶.在影响趋势上,气溶胶和地表反照率很相似,均体现为宽带效应,在440-450 nm内有水汽强吸收和多次散射复杂相互作用导致的较大峰值;NO2浓度变化对差分处理前后的光谱都呈现气体吸收结构的影响特性;(3)由于吸收和散射相互作用等因素的影响,在基于卫星观测的差分光谱中仍然残留有气溶胶和地表反照率的误差,地表反照率约占18.6%,气溶胶约占6.2%.因此,当前SCIAMACHY遥感的NO2产品在中国区域浓度偏高,需要对气溶胶和地表反照率进行二次精细化的订正.     

OMI遥感珠三角城市群NO2的时空分布特征及人类活动影响分析

基于2005—2013年臭氧监测仪(OMI)遥感反演对流层NO2垂直柱浓度资料,分析珠江三角洲地区(简称珠三角)城市群及其相邻区域NO2的时空分布特征及变化趋势,并探究人类活动对NO2的影响。与地面观测数据对比检验显示,OMI遥感NO2资料可靠性较高。研究发现,珠三角城市地区由于工业生产活跃、汽车拥有量高、能源和电力消费量大,相应的化石能源消耗量大,这导致该地区对流层NO2柱浓度平均值(7.4×1015 molec/cm2)约为相邻地区的3倍。与此同时,珠三角地区NO2高污染区域连成一片,城市群效应显著。正弦模型能较好地拟合珠三角及相邻地区NO2的周期性变化特征,NO2浓度高值均出现在冬季,低值出现在夏季。近9年珠三角地区NO2浓度呈下降趋势,与其第二产业产值和汽车拥有量呈较显著的负相关,这表明珠三角地区对氮氧化物排放的治理初见成效。粤东和粤北地区NO2浓度增长趋势显著,与第二产业产值和汽车拥有量存在较好的正相关性,可见工业排放和汽车尾气是这些地区NO2的重要污染源。粤西地区NO2浓度基本不变。      

闪电产生氮氧化物对青藏高原臭氧低谷形成的影响

为了进一步了解青藏高原闪电的产生氮氧化物（LNO_x）经由光化学反应对O₃浓度变化及夏季O₃低谷形成的可能影响,本文利用2005~2013年由OMI卫星得到的对流层NO₂垂直浓度柱（NO₂ VCD）、O₃总浓度柱（TOC）和O₃廓线以及星载光学瞬变探测器OTD和闪电成像仪LIS获取的总闪电数资料,对青藏高原和同纬度长江中下游地区的TOC和NO₂ VCD月均值时空分布特征、闪电与NO₂ VCD的相关性和O₃的垂直分布特征及其与LNO_x的关系进行了对比分析。结果表明,青藏高原的O₃低谷主要出现在夏季和秋季,其TOC值比同纬度长江中下游地区低约10~15 DU（Dobson unit）。青藏高原NO₂VCD总体较小,表现为夏高冬低的分布特征。青藏高原夏季O₃浓度受南亚高压的影响总体呈减小趋势,但因强雷暴天气导致对流层中上部LNO_x浓度升高,并随强上升气流向对流层顶输送,同时通过光化学反应使O₃浓度增加,缩小了青藏高原和同纬度地区的O₃浓度差,减缓了O₃总浓度的下降,抑制了夏季O₃低谷的进一步深化。     

2019年8月16日诸城超级单体风暴双偏振参量结构特征分析

利用青岛S波段双偏振多普勒天气雷达探测资料和常规气象观测资料以及区域自动气象站观测资料,对2019年8月16日发生在山东省诸城市的一次长寿命超级单体风暴双偏振结构特征进行了分析。结果表明:超级单体风暴发生在东北冷涡和地面中尺度辐合线共同作用背景之下,对流有效位能偏低,但风垂直切变非常强,这种配置有利于超级单体风暴的形成与维持。诸城超级单体风暴持续3 h左右并伴有深厚持久的中气旋,旺盛阶段最强反射率因子、基于单体的垂直累积液态含水量、强中心高度和单体顶部高度平均分别为74.1 dBz、67.9 kg/m2、6.3 km和11.3 km。对偏振特征分析表明,风暴低层60 dBz以上回波区对应偏小的差分反射率（Z_dr）、小的相关系数（CC）和大的差分相移率（K_dp）,湿（或干）冰雹和液态雨滴共存。此外,低层入流缺口附近有明显Z_dr弧存在。风暴中层强上升气流区内有明显的有界弱回波区,其顶部达到7 km左右。有界弱回波区内相关系数较小,其周围有明显的Z_dr环和CC环,Z_dr环顶部达到?10℃层高度。0℃层高度之上存在深厚的Z_dr柱和K_dp柱,顶部都达到?20℃层高度,Z_dr柱位于有界弱回波区东侧,K_dp柱位于西侧。?10—?20℃层,Z_dr柱对应强的水平极化反射率因子（35—60 dBz）和小的差分相移率,表明含有少数偏大的液态或湿冰粒子,而K_dp柱对应更强的水平极化反射率因子（55—72 dBz）和小的差分反射率,表明含有一定数量的小的液态或（和）湿冰粒子及大的冰雹粒子。风暴低层强反射率核后侧径向上如果出现显著差分反射率负值区,可作为特大冰雹（直径≥50 mm）的识别依据;如果对应异常大的差分相移率,表明含有浓度较高的雨滴和包有水膜的冰雹粒子。      

强对流天气对O3和CO的垂直输送作用

利用ACTIVE（aerosol and chemical transport in tropical convection）试验资料,取2006年1月20日澳大利亚北部达尔文岛附近发生的一次飑线强对流天气的AE17航次和2006年1月27日无对流天气的AE21航次飞行路径中的探测资料,对澳大利亚达尔文地区夏季风盛行期间发生的有无强对流发生时O₃和CO浓度垂直分布变化进行对比,考察强对流性天气发生对O₃和CO浓度垂直输送作用。深对流云内强烈的垂直上升运动将O₃和CO等化学气体携带输送至对流层上部并在对流层顶堆积,从而在对流层上部产生浓度峰值。当有强对流发生,飞机进入对流云上层时,O₃浓度和CO浓度升高,O₃和CO浓度变率增大,在对流层上部浓度出现峰值;当飞机飞出对流云时,O₃和CO浓度相对较低,在对流云外出现谷值。在无对流发生的条件下O₃和CO浓度相对较小,浓度变率也较小,无峰值产生。分析表明:O₃和CO浓度分布不仅与强对流的垂直输送作用关系密切,且与气象要素垂直和水平分布以及动力输送过程密切相关。     

北京春季不同天气条件下气溶胶垂直分布特征

对2005年和2006年北京地区春季没有沙尘和云影响下17次晴空大气气溶胶（粒径范围0.1～3.0μm）飞机垂直观测资料进行分析,给出了三种天气条件（地面高压、地面两高压之间和地面低压）下气溶胶的垂直分布,并计算了对应天气条件下的风通量和理查森数。结果显示：在北京地区处于地面高压控制下（简称类型1）,气溶胶的垂直混合和水平传输都很强,气溶胶浓度垂直分布平坦,地面气溶胶浓度平均约为1200个/cm^3;在北京地区处于地面两高压之间（简称类型2）,气溶胶的垂直混合较强,边界层上没有阻挡,气溶胶浓度随高度递减,地面气溶胶浓度平均约为7200个/cm^3;在北京地区处于低压控制下（简称类型3）,气溶胶在边界层顶垂直混合较弱,形成一个较强的阻挡,阻碍了气溶胶从边界层内向自由层扩散,同时边界层内水平传输较弱,结果是在边界层以上气溶胶浓度迅速递减,地面气溶胶浓度非常高,约为10000个/cm^3。     

新冠肺炎疫情期间中国人为碳排放和大气污染物的变化

利用行业经济活动数据、1 580个地面监测站和6套卫星反演数据,分析了我国新冠肺炎疫情期间人为碳排放和主要大气污染物的变化。与2019年第一季度相比,2020年同期我国碳排放降低9.8%,其中交通部门降幅最大达到43.4%。与2019年2-3月相比,疫情期间全国地表臭氧浓度同比升高1.9 nL/L(5%),其中华北平原以降低为主,东南部地区以上升为主。PM2.5浓度同比下降12.6μg·m^-3(24.9%),其中长三角降幅最大。二氧化氮(NO2)的地面浓度和对流层柱浓度在京津冀、珠三角和长三角都降低20%~30%,体现了高低层的一致性。地面一氧化碳(CO)浓度同比降低17%,而对流层CO柱浓度升高2.5%,可能原因是境外生物质燃烧输送提升了我国南方高层大气的CO浓度。中东部地区气溶胶光学厚度显著降低,导致地表晴空短波辐射同比升高11.6 W·m^-2(9.6%)。     

整层大气甲烷总量季节变化的遥测

利用自行研制的一台用于探测大气成分的太阳红外光谱仪 ,在地面连续自动地记录了晴天的太阳红外光谱。用逐线积分法计算了整层大气的吸收 ,发现在 3.42 8μm波段主要是大气甲烷的吸收 ,从记录的该波段的太阳红外光谱中反演出整层大气中甲烷的总含量 ,经过近一年半的观测 ,得到了合肥地区大气甲烷垂直柱含量的季节变化规律。发现其变化规律与北半球背景对流层空气采样分析法测量的甲烷季节变化规律基本相同。文中详细介绍了测量仪器、测量原理和部分测量结果 ,并对结果进行了简单的讨论。     

国产ECC型O3探空仪性能测试及室外比对观测

该文介绍了中国科学院大气物理研究所（简称IAP）研制的电化学浓度电池（ECC）型臭氧（O₃）探空仪基本性能测试和2013年上半年室外比对观测结果。结果表明:ECC的背景电流（I_bg）在0.1 μA以下或更低;测量O₃的响应时间为21~26 s;NO₂（SO₂）使O₃测值偏高（低）;抽气泵低压泵效系数（C_ef）在100 hPa高度以下为1.0左右,在该高度以上上升,10 hPa达到1.17±0.10,5 hPa达到1.28±0.16,性能略低于同类进口产品（1.055以下）。国产和进口仪器在气象探空或抽气泵等部件上具有良好兼容性;两者所测O₃垂直分布廓线总体一致。IAP O₃探空仪O₃总量与Brewer光谱仪测值比值为0.9~1.1;C_ef和I_bg订正有效降低了IAP O₃探空仪在平流层低层与进口仪器测值的差别,这一订正对O₃柱浓度在平流层和对流层的贡献分别为约15 DU和4~6 DU;在对流层,IAP O₃探空仪测值与进口仪器间的绝对差别稳定且低于0.5 mPa;而平流层受泵效影响较明显。因此,建议IAP O₃探空仪提高其C_ef的稳定性,参与国际比对测试,国产气象探空平台数据接收处理增加必要的滤波技术以降低平流层探测数据（包括O₃）的振荡。     

石家庄市周边秸杆焚烧导致云凝结核变化的特征

利用DMTCCN仪定点观测的云凝结核（cloud condensation nuclei,CCN）粒子浓度资料,对2007年6月11—13日石家庄市出现的一次空气质量和能见度均十分差的灾害性极端天气事件进行了分析。结果表明,这次极端事件与周边地区焚烧秸杆的人为活动密切相关;对流层中、高层维持的下沉气流,迫使烟雾聚集在近地面层而使得CCN粒子数相对增加;垂直湍流交换微弱抑制了近地面层烟雾的垂直扩散,从而加剧低能见度的恶化,并导致霾天气形成;逆温层的厚度和地面静风、风速偏小同样使形成的烟雾在特殊地形作用下聚集     

拉萨夏季大气边界层气溶胶垂直结构特征

大气污染物的垂直梯度观测是识别区域输送和本地贡献的必要手段。基于此,2020年8月在拉萨市利用光学粒子计数器（the Printed Optical Particle Spectrometer,简称POPS）在地面和系留气艇分别对0.13～3.39 μm粒径范围的气溶胶数浓度进行了测定。结果表明:（1）拉萨近地面气溶胶数浓度在16 cm?3到870 cm?3范围之间,比华北和珠江三角洲地区小2～3个量级;（2）气溶胶数浓度呈现两峰两谷的日变化结构,峰值通常以0.13～0.4 μm的小粒径粒子为主,且对应北京时间早（10:00）、晚（21:00）高峰时段;（3）气溶胶数浓度垂直分布与边界层演变密切相关,稳定边界层中的气溶胶随高度递减,粒子数浓度为194±94 cm?3,对流边界层和残留层中的气溶胶分布均一,数浓度分别为165±99 cm?3和123±95 cm?3,且显著低于稳定边界层。以上研究结果表明,拉萨的污染源主要为局地机动车排放,机动车污染物减排是打造高原生态旅游城市的必由之路。     

WMO资助仪器设备在瓦里关全球本底站安装运行

气溶胶光学厚度监测系统是世界气象组织和中国气象局共同资助瓦里关气溶胶升级系统的重要内容之一。该系统主要包括自动太阳跟踪器和精密滤光辐射计。精密滤光辐射计（PFR）是瑞士世界辐射校正中心Davos物理气象观象台（PMOD）自行研制的,可以自动、连续地在4个窄光谱段对太阳辐射进行准确、可靠的测量,进而获得气溶胶光学厚度。     

两次强降水风暴双偏振参量特征分析

基于济南S波段双偏振多普勒天气雷达探测数据,结合探空和地面实况资料,对2019年同一区域两次强降水风暴双偏振参量特征进行分析。结果表明：1）两次对流性强降水发生在弱垂直风切变环境下,具有较强的对流有效位能,低层湿度较大,0 ℃层高度较高,利于短时强降水的产生。2）两次强降水风暴都具有低质心热带降水特征,45 dBZ以上的强回波区主要位于环境0 ℃层高度之下。3）风暴低层强回波区都对应大的差分反射率因子ZDR和比差分相位KDP,ZDR≥0.5 dB,KDP≥0.5°·km-1,相关系数CC≥0.95;反射率因子在50~54 dBZ之间,对应的KDP＞1.0°·km-1,CC≥0.97,ZDR适中,是两次强降水风暴导致高强度降水的主要双偏振参量特征。4）两次强降水风暴ZDR柱和KDP柱高度存在明显差异,7月27日强降水风暴前侧出现ZDR柱和KDP柱,高度接近-10 ℃层高度,8月10日强降水风暴ZDR柱和KDP柱略高于0 ℃层高度,ZDR柱高度对雷暴强度具有指示作用。     

中国地区闪电和对流层上部NOx的时空分布特征及其相关性分析

为了解闪电对对流层上部NO_x的贡献,本文利用美国全球水资源和气候中心（GHRC）提供的1995年4月~2005年12月的闪电卫星格点资料及高层大气研究卫星 (UARS) 上的卤素掩星试验装置 (HALOE) 1991年10 月~2005 年11月的观测资料,分析了中国地区闪电与对流层上部NO_x体积混合比的时空分布特征及两者的相关性.结果表明:中国地区闪电和对流层上部的NO_x在季节分布、年际分布和空间分布上保持很好的一致性,闪电是对流层上部NO_x的重要来源;NO极值高度在350 hPa左右,云闪直接产生的NO是极值产生的主要原因,NO₂的极值高度在250 hPa左右,因为闪电产生的NO在传输过程中会被氧化成NO₂并通过雷暴的垂直输送作用抬升到更高高度;强对流活动有利于NO_x的传输,而人类活动产生的NO_x一般较难输送到对流层上部,因此闪电多发区的NO_x极值较大,所在的高度也较高.     

利用红外辐射光谱反演大气CO2浓度的理论研究

依据最新的大气分子光谱数据集（HITRAN 2004）,利用逐线积分辐射传输模式,模拟计算了大气顶射出红外辐射光谱及其对大气CO2浓度变化的灵敏度,发现：大气CO24．3μm吸收带,特别是2241-2249cm^-1、2250-2258cm^-1、2259-2267cm^-1和2382—2390cm^-1波段射出的红外辐射,随CO2浓度的增加而显著降低,且很少受其他大气成分变化干扰,因此特别适于用来遥感探测大气CO2浓度的变化。根据最优非线性反演方法,反演获得了0-15km的大气CO2廓线,结果表明,利用上述4个通道的红外辐射值,可精确反演出自由对流层的CO2浓度变化。     

闪电产生的氮氧化物对青藏高原臭氧低值区的可能影响

为进一步认识闪电放电对夏季青藏高原地区臭氧低值区形成的可能影响,本文利用2005年-2013年星载光学瞬变探测器O TD和闪电成像仪LIS资料合成的LIS/OTD2.3版本再分析格点资料与荷兰皇家气象研究所TIMES提供的由OMI卫星得到的对流层NO_2垂直浓度月均值资料(NO2VCD)以及臭氧总浓度柱月均值资料(TOC)分析了中国地区臭氧(O_3)的空间分布特征,确定了青藏高原臭氧低值区范围。分析了所选范围内夏季闪电、NO_2VCD的空间分布以及年际变化关系。基于上述分析结果,进一步计算分析了NO_2VCD与O_3逐年夏季间浓度的差值关系。结果表明:青藏高原臭氧低值区范围为25°-43°N、72°-107°E。闪电产生的氮氧化物(LNOX)会明显导致夏季青藏高原臭氧的降低。