雾霾帮凶:逆温层

正岁末年初,雾霾频扰,灰蒙蒙的天气反反复复地破坏着人们的好心情。特别是京津冀地区,空气质量几度爆表,人们陷入了无比困扰的"雾霾"循环曲,几乎是眼一闭、一睁,又是一片昏天暗地。雾和霾是自然界中能使能见度降低的两种不同天气现象。雾是由大量悬浮在近地面空气中的微小水滴或冰晶组成的水汽凝结物,雾滴     

华北一次持续性重度雾霾天气的产生、演变与转化特征观测分析

2011年12月1~7日在华北地区发生了一次比较罕见、持续一周左右的低能见度重度雾霾天气,本文利用气象行业专项"京津地区低能见度雾霾天气监测与预报研究"观测试验资料,研究分析了此次持续性重度雾霾天气的气溶胶、云凝结核(CCN)、雾滴谱和含水量等微物理特征及大气能见度、边界层垂直结构特征,探讨了雾霾天气的产生、演变与转化特征及机理.结果表明,此次持续一周的雾霾天气过程发生在高压天气系统和静风条件下,暖平流和辐射降温形成的稳定逆温边界层结构有利于污染气溶胶的积累和雾霾的形成和发展,尤其是来自南方持续不断的湿平流使雾霾天气得以长时间持续和发展.整个雾霾天气期间能见度均小于2 km,最低能见度达到56 m,液态水含量在10-3 gm-3量级,最大达到0.16 gm-3,气溶胶数浓度均在10000cm-3以上,质量浓度范围为50~160μgm-3.进一步的研究表明,此次长达一周的雾霾天气发生了三次强弱不同的霾气溶胶积累、霾雾转化和混合及减弱三个主要阶段.霾气溶胶积累阶段先后有爱根核模和积聚模气溶胶数浓度的积累和增加.霾向雾转化和混合阶段中,雾滴凝结释放的潜热和高浓度气溶胶环境使布朗碰并加剧,导致气溶胶尺度向粒径大的方向转移,从而提供了大量可形成云凝结核的气溶胶粒子,促进了雾的爆发性增强,浓雾过程中气溶胶向CCN活化率可达17%,而CCN向雾滴的转化效率可高达100%,此期间雾滴谱具有爆发性拓宽的特征;冷锋系统过境或辐射加热增强导致了雾霾过程的减弱和消散.     

近50年我国雾和霾的长期变化特征及其与大气湿度的关系

根据近50年(1961~2011年)我国雾和霾台站长期观测资料的分析得到,雾日发生的频率呈先增(1980年之前)后减(1990年后)的变化,尤其是1990年以后明显减少,这与气候变暖引起的近地面相对湿度减小的趋势一致,而霾日发生的频率总体上呈增加的趋势.据此,本文进一步讨论了大气湿度减少在雾-霾转变中的作用,结果表明霾日的平均相对湿度在69%左右,比以前得到的值低,这意味着霾粒子更不易向雾滴转换,这可能是导致雾日减少的主要环境因子之一;雾和霾转换的相对湿度阈值平均为82%左右,这个值也低于以前得到的值,因而在气候变暖条件下,主要由于温度和饱和比湿增加导致的中国近地面相对湿度减少对雾和霾形成的环境条件可能产生了明显的影响.本文也研究了霾与能见度的关系,结果表明随着霾日发生频率的增加,能见度有明显的下降,从1961年至今平均能见度从4~10 km减小到2~4 km,大约下降一半左右.     

华北黄淮地区冬季雾和霾的时空气候变化特征

揭示了华北黄淮不同等级雾和霾的气候变化特征,指出霾易发期由冬季转变为全年,冬季霾日数明显上升.雾日数为霾的一半,不同等级雾的日数和趋势差别不大.20世纪80年代之前,雾和霾日数没有明显相关,但之后表现出显著正相关.雾的空间尺度较大,呈南多北少的分布特征,而霾主要发生在大城市周围,呈离散式分布.在东亚冬季风减弱和颗粒物充足的大背景下,霾天气与风力之间的负相关明显减弱,而与水汽条件(降水和湿度)的正相关明显加强.近些年,由于冬季风减弱,小风速常常出现,且风速变率减小,同时,气溶胶粒子有稳定的排放源和较强的吸湿性,水汽条件开始成为霾、尤其是能见度更低的湿霾天气发生的关键控制因子之一.与此不同,雾日数和降水量和相对湿度之间一直保持稳定的正相关关系,和风力的负相关也不太显著.     

基于实测PM_(2.5)、能见度和相对湿度分辨雾霾的新方法

霾是由于气溶胶增多或相对湿度增大引起气溶胶吸湿增长而导致的能见度降低的现象,而雾是气溶胶经过活化变成雾滴而造成的低能见度事件,在气象观测中如何对两者进行准确区分一直是一个存在争议的问题.本文以雾和霾在物理性质上的客观区别为基础,介绍了一种全新的基于实测PM2.5、能见度和相对湿度来分辨雾和霾的新方法.通过对当地历史观测的气溶胶谱分布数据进行拟合和统计,并结合气溶胶吸湿增长特性计算得到判别参考值.通过将实际测量的PM2.5、能见度和相对湿度与判别参考值相比对,来估计当前状况是雾或霾的概率.本方法可操作性强,基于常规观测仪器即可实现.     

2013年1月中国东部持续性强雾霾天气产生的气象条件分析

2013年1月,在中国东部地区发生了强度强、持续时间长、发生范围广的雾霾天气．本文利用资料诊断,从大气环流背景场和雾霾天气演变过程两个方面,分析了气象条件在这次持续性强雾霾天气发生中的作用．结果表明,2013年1月东亚冬季风异常偏弱,在中国东部区域,对流层中低层的异常南风有利于水汽向中国东部地区输送,500hPa的高压异常抑制了对流的发展,而表面风速的减弱不利于近地面附近的雾霾向区域外输送,水平风垂直梯度的减小减弱了天气尺度扰动的发展和大气的垂直混合,对流层低层异常逆温层的存在使得大气近地层变得更加稳定．这些气象背景场为雾霾天气的维持和发展提供了有利的气象条件．对雾霾天气演变过程的分析表明,雾霾天气区域内的表面风速及其上空对流层中低层的水平风垂直切变对雾霾天气过程具有动力影响,二者偏小（大）时雾霾天气偏强（弱）;对流层中低层的层结不稳定性以及近地面层的逆温状况和温度露点差对雾霾天气的演变可以产生热力影响,层结不稳定性和逆温偏大（小）以及温度露点差偏小（大）时雾霾天气偏强（弱）．多元线性回归分析的结果表明,热力和动力因子对这次雾霾天气过程具有大致相同的作用,气象因子可以解释超过2／3的雾霾天气逐日变化的方差,方差贡献达到0．68．     

中国华北雾霾天气与超强El Ni?o事件的相关性研究

2015年11—12月,全国接连发生七次大范围、持续性雾霾天气过程,其中,11月27日—12月1日的雾霾天气过程持续时间长达五天,成为2015年最强的一次重污染天气过程;12月19-25日重度雾霾再次发展,影响面积一度达到35.2万km~2.本文利用多种数据资料通过个例对比和历史统计详细分析了超强El Ni?o背景下雾霾天气频发的天气气候条件.其结果清楚表明:2015年11—12月欧亚中高纬度以纬向环流为主,东亚冬季风偏弱,使得影响我国的冷空气活动偏少,我国中东部大部地区对流层低层盛行异常偏南风,大气相对湿度明显偏大,并且大气层结稳定,对流层底层存在明显逆温.上述大气环流条件使得污染物的水平和垂直扩散条件差,因此在有一定污染排放的情况下,造成了重度雾霾天气过程的频发.由此,超强El Ni?o事件所导致的大尺度大气环流异常是我国中东部,尤其华北地区冬季雾霾天气频发的重要原因之一.     

雾霾“大考”，辽宁率先交出“答卷”

2013年入冬以来,北方很多城市出现严重空气污染,京津冀等地区持续雾霾天气,笼罩在·片浓浓的雾霾之中,最严重的能见度不足十米,     

强震前震中区域的临震气象和近地表大气静电特征

正通过对200多例国内外强震前7小时震中区域气象条件的分析,发现强震发生前均为晴天天气。据此选择晴天气象条件下发生的100多例3—8级国内外地震,分析大气静电场观测信号特征,发现震中及附近区域在震前约3—24小时的临震时段内,具有近地表静电场异常反向现象。文中用于研究的晴天气象条件标准是:(1)水汽少,即相对湿度要低(排除降水、雾、沙尘和气溶胶的影响,要求在关注时段干燥且能见度大于2 km,     

雾霾“大考”,辽宁率先交出“答卷”

正2013年入冬以来,北方很多城市出现严重空气污染,京津冀等地区持续雾霾天气,笼罩在一片浓浓的雾霾之中,最严重的能见度不足十米,甚至连红绿灯都无法看清。为应对空气污染情况,北京、天津、河北、山东等地区对淘汰拆除燃煤锅炉将采取更严格的措施,禁止销售使用高硫煤炭和焦炭。     

共商企业环保大计

10月20～21日,黑龙江省哈尔滨市发生重度雾霾,PM2．5爆表,能见度一时仅为50米。哈尔滨全市中小学停课,部分公交线路暂时停止运营或加大发车间隔。黑龙江省内的哈大高速、哈尔滨环城高速及通往吉林省方向的高速路全线封闭。北京及周边城市也连续出现雾霾天气,尤其是国庆节期间,石家庄的污染指数达到500多、600多,甚至800,都是严重污染。严峻的环保形势再次引起人们对环境保护的关注。     

北京城市下垫面对雾影响的数值模拟研究

为了探究北京城市下垫面对雾天气过程的影响,为北京地区雾数值预报水平的提高提供理论基础和科学依据,选取2011年10月29日北京地区雾天个例进行了数值模拟试验,通过对WRF/Noah/UCM模式系统中城市冠层参数的调整,显著改善了模式对此次雾天气过程的模拟效果.使用参数调整后的模式系统通过敏感性试验分析研究了北京城市下垫面对雾发生、发展和消散过程的影响.结果表明:参数调整后的WRF/Noah/UCM模式系统能够与实际观测较相符地模拟此次发生在北京地区的雾天气过程,北京城市下垫面主要通过对温度的改变对雾的形成、发展和消散产生显著影响,使雾不易在城市及其附近形成和发展,延后城市地区雾的形成,但城市的存在也使得城市地区及其附近雾不易消散,相较于没有城市时消散时间延后.     

北京及周边地区雾形成的边界层特征

采用国家科学技术部“973”项目北京环境大气外场科学实验(BECAPEX)获得的大气边界层探测, 包括大气风廓线仪、系留气艇、铁塔边界层梯度观测及超声风速仪等探测、大气成分探测以及常规高空、地面和加密自动气象站(AWS)观测资料, 对2001年2月北京及周边罕见大雾过程进行综合分析.对大雾的形成、发展、持续等不同阶段边界层动力、热力特征及层结结构演变特征进行分析.结果表明: (ⅰ) 作为城市大雾的典型例子, 北京及周边此次持续大雾形成前期低空出现逆温, 城市及周边大气中烟尘污染物SO₂及NO₂在城市低空积聚. 起雾前, 随着SO₂及NO₂浓度的增加, 凝结度迅速增长; 大雾期间, 随着凝结度增长, SO₂及NO₂浓度反而下降. 表明城市大气污染物作为凝结核在低空堆积对触发凝雾起重要作用. (ⅱ) 采用铁塔上布设的梯度平均场观测仪器及超声脉动风速仪的脉动观测资料分析, 均得到起雾之前, 在边界层低层有强扰动信号出现. 即起雾前约10 h, 边界层低层平均及扰动动能均出现显著跃升.揭示起雾前低空风切变增大, 有利于湍流的激发.此强信号对指示起雾、监测和预测雾的发生、发展十分有意义. (ⅲ)雾一旦形成后, 雾的凝结反馈效应使逆温层在大气低空的中、上层产生抬升、维持与再建过程, 对城市雾的持续起重要作用.     

一个创新研究——大气数值模式变量的物理分解及其在极端事件预报中的应用

大气温度、湿度、位势高度和风等数值模式变量可以物理分解为纬圈-时间平均的对称部分和时间平均的非对称部分,以及行星尺度瞬变扰动和天气尺度瞬变扰动等四个部分.区域持续性干旱、暴雨、热浪、低温和雨雪冰冻等极端天气事件与前期及同期数值模式中的行星尺度和天气尺度大气扰动系统之间呈现出密切的关系.瞬变扰动天气图可成为预报极端天气事件的新工具.本文在归纳本期9篇原创性文章的基础上,探讨大气变量物理分解后需要进一步研究的理论问题和应用前景.     

北京及周边气溶胶区域影响与大雾相关特征的研究进展

针对2011年12月初北京及华北持续近一周的严重大雾天气这一热点事件,从城市群大雾过程气溶胶区域影响的视角,基于"973"项目"北京及周边地区大气-水-土环境污染机理与调控原理"的研究工作,就北京及周边地区大雾天气与大气气溶胶区域影响的关系等方面进行了讨论.研究表明,北京城市大雾前低空SO₂和NO₂浓度存在"积聚"与"突增"现象.北京及周边地区冬季雾日数和气溶胶光学厚度则呈正相关,并具有"同位相"的年际变化趋势.研究同时发现北京及其南部周边的冬季气溶胶高值区呈南北向带状分布,其与北京周边居民户数高值区有所吻合,反映了冬季北京城市气溶胶颗粒物的远距离影响源区及大尺度输送效应.统计分析指出,冬季北京气溶胶颗粒物PM₁₀、PM_2.5主要影响成分是SO₂和NO_X,且有关研究也表明,电厂、采暖和工业面源是SO₂的三大本地排放源,而机动车、电厂、工业为NO_X的三大本地排放源,上述大气PM₁₀、PM_2.5主成分污染源亦与雾水样本化学分析结果相吻合,即冬季由于燃煤在生活能源中的比例较大,北京雾水中硫元素和碳元素的含量都较高.因此,北京冬季大雾不仅与北京城区气溶胶及其污染排放影响存在相关关系,而且与北京周边天津、河北、山东等地气溶胶及大气污染物的远距离输送和气溶胶区域影响效应有着重要的联系.因此,北京雾霾天气及相关大气污染的治理工作首先要着眼于局地污染物的减排,但同时如何做好区域大气污染的协同治理也是不容忽视的问题.     

新中国成立70年来的中国大气科学研究:天气篇

天气指某一个地区距离地表较近的大气层在短时间内的具体状态.大气中气象要素的空间分布可表现为各种瞬息万变的天气现象,这些天气的分布和变化是由不同时空尺度的天气系统引起的.天气与民生息息相关,其发展演变一直是大气科学研究和应用的重点领域.天气学的发展与观测系统、动力学理论和数值模式的发展密切相连.中国从20世纪50年代初开始建设观测网,到目前已建成门类齐全、布局合理的地基、空基和天基综合气象观测系统.特别是新一代稠密雷达网以及风云卫星系列的发展以及多次大型野外观测试验的实施使我们对天气的认识从宏观的天气形势深入到中小尺度天气系统精细热动力、云微物理结构和演变特征.观测系统的发展同时也促进了理论、数值模式和模拟的发展,中国已由初期主要以引进国外模式为主发展为目前主要发展具有中国自主知识产权的数值模式系统,基于高分辨数值模拟结果对不同尺度天气的发生发展机理和可预报性有了深入理解.此外,天气学已由初期的独立发展逐渐向多学科交叉方向转变,气候和环境的变化与天气演变之间的相互作用已成为大气科学的热点和前沿问题.文章重点回顾过去70年来中国在对天气演变起重要作用的天气现象及其短期变化过程的物理本质、演变规律和预报方法领域所取得的重大科学和技术成果,主要根据正式发表的文献从大气动力学、天气尺度天气特征、台风及热带天气、强对流天气特征、数值天气预报及资料同化,以及天气与气候、大气物理及大气环境等交叉领域六个方面分别加以综述.     

天气尺度瞬变扰动的物理分解原理

大气变量可以在时空域内物理分解成四个部分.前两个是纬圈-时间平均的对称部分和时间平均的非对称部分,分别由太阳辐射和海陆分布热力调节的季节变化引起,并形成规则的逐日气候.第三部分是由年际和季节内的热带海洋或极地热力强迫引起的纬圈平均瞬变对称扰动,可形成大气变量的行星尺度指数循环.第四部分是一些复杂的天气尺度瞬变非对称扰动.大气变量中的逐日天气尺度瞬变扰动,可以用于指示区域持续性的干旱、暴雨、低温和热浪等极端天气事件.天气尺度瞬变扰动天气图能在极端天气事件的预报中发挥应有的作用.     

北京开启“低污染”供暖模式

2013年底,我国中东部大部地区遭遇持续性雾霾天气,据中央气象台统计,截至2013年12月4日18时,我国已有25个省（区、市）不同程度地出现过雾霾天气。然而在2013年初,饱受雾霾困扰的北京却在此次全国雾霾中“一枝独秀”。     

西南区域持续性干旱事件的行星尺度和天气尺度扰动信号

以2009-2010年发生在中国西南地区的持续性干旱事件为例,通过干旱和大气变量的物理分解得到了一些干旱事件发生的新认识.气象干旱多为年循环的气候干季与干旱扰动的叠加所致.一次干旱扰动大约为30-50天,而一次持续性干旱事件是由几次干旱扰动组成的.大气高度场和风场中存在三种时间尺度的扰动.一种是年际行星尺度的大气扰动,与ENSO冷暖事件有关,起源于赤道并传播到中高纬度地区需要2-4年.另一种是季节内行星尺度的大气扰动,与来自赤道地区的30-50天振荡有关.此外,大气中还存在天气尺度的扰动.利用行星尺度大气扰动向赤道外传播与天气尺度扰动的叠加,区域持续性干旱事件能够找到前期预报信号.     

观点

正上海人大代表:雾霾天气应发"雾霾补贴"上海市人大代表李飞康建议,上海在冬季雾霾天气期间,向全市民众派送防范性药物或发放一次性补贴。财政局和卫计委明确表示,将配合相关部门对代表建议予以研究。市环保局也将在今后工作中参考代表建议。