青岛混合层高度变化特征及与空气污染的关系

选取青岛2000—2015年逐日地面观测资料和环境监测中心站2011—2015年逐日主要大气污染物浓度资料,分析了青岛大气混合层高度和大气稳定度的变化特征,对青岛日最大混合层高度与空气污染物浓度进行相关分析。结果表明：近16a来,青岛大气混合层高度年际变化呈逐渐减小的趋势,日变化呈现单峰结构;大气稳定度以D类的出现频率最高,深秋到初冬大气较为稳定,4—8月A,B,C类稳定度较其他月份升高;清晨和傍晚大气以中性层结为主,中午弱不稳定发展,夜间稳定层结明显增强。空气污染物质量浓度与日最大混合层高度有明显的负相关关系,污染物质量浓度越大,日最大混合层高度越小;反之,污染物质量浓度越小,日最大混合层高度越大。     

银川市大气混合层高度变化特征及其与空气污染的关系

基于银川高空站2008～2017年的L波段秒级数据和地面观测数据,利用干绝热法计算银川2008～2017年逐时大气混合层高度,分析其变化特征,同时利用银川6种污染物的质量浓度和AQI指数,分析大气混合层高度与空气污染物的关系。结果表明:银川市的大气混合层高度（MLH）大部时间在600 m以下,占比为68%;银川MLH具有明显的单峰型日变化特征,07:00（北京时间,下同）最低,16:00最高;各月MLH值在282～936 m,4～6月MLH值最高,12月MLH值最低;季节变化方面,春季最高,夏季次之,冬季最低;年变化方面,2012年MLH平均值最高为621 m,2015年最低为566 m;银川市6种污染物除O₃外,其余5种污染物的质量浓度与MLH值都为负相关,O₃与MLH值的相关性最好;四季中,冬季污染物浓度与MLH值的相关性最好,夏季最差,秋季好于春季;银川MLH值与AQI指数呈负相关。     

宁波地区空气质量及大气自净能力海陆差异对比

以镇海、奉化分别作为宁波沿海和内陆空气质量代表站。基于代表站2013-2017年污染物资料和2015年12月至2017年2月冬季激光雷达资料,对比分析宁波地区沿海和内陆站点的空气质量差异;利用NCEP的GDAS(Global Data Assimilation System)资料和ERA-Interim高分辨率再分析资料评估两地气溶胶来源及大气自净能力差异。结果表明:宁波沿海和内陆地区中度及以上污染主要集中于冬季,冬季首要污染物以PM2.5为主;镇海NO2浓度较奉化显著偏高,而两地PM2.5 和PM10 浓度差异较小。冬季镇海和奉化3km以下都存在消光系数大的气溶胶集中层,镇海3km内消光系数平均值较奉化偏高约40%。两地中度及以上污染时,镇海和奉化的气溶胶粒子主要来自宁波西北方向的内陆地区,比例分别为90%和63%,镇海地区其余10%左右来自近距离低空偏东气流的输送,而奉化地区有37%来自浙江西南部的短距离输送。冬季当宁波地区出现区域性优和中度以上污染时,浙江北部沿海分别盛行东北风和西北风,空气质量优时混合层内平均风速大于中度以上污染时。浙江省大气自净能力比值呈自西北向东南减小,宁波地区优等空气质量大气自净能力约为中度以上污染的 1.5倍。大气自净能力在不同空气质量等级下差异显著,可作为大气污染发生、发展和消退判定的参考依据。     

宁波市大气混合层厚度变化特征及其与空气污染的关系

基于2001—2014年宁波市每日4个时次(02时、08时、14时、20时)的常规气象观测资料和同期宁波市环保局空气污染物(SO_2、NO_2、PM_(10))浓度的日监测数据,采用最小二乘曲线拟合法计算了2001—2014年宁波市大气混合层厚度,并分析了大气混合层厚度的时间变化特征及其与空气污染的关系。结果表明:2001—2014年宁波市年平均大气混合层厚度波动变化明显,大气混合层厚度极大值和极小值分别出现在2004年、2007年,分别为866.1 m和746.1 m。水平风速对宁波市大气混合层厚度的影响较大。春季和7月、8月宁波市大气混合层厚度较大,秋季和冬季大气混合层厚度较小,而6月大气混合层厚度最小。大气混合层厚度在中午达最大值,夜间达最小值,大气混合层位于500.0—1200.0 m高度的出现频率最高。随着大气混合层厚度增大,污染物浓度被稀释。夏季,大气混合层厚度对PM_(10)、SO_2和NO_2浓度的调节能力较强。由于输入性污染的影响,冬季PM_(10)与SO_2浓度的极大值明显高于夏季,同时大气混合层厚度的变化对PM_(10)和SO_2浓度的增减效应比夏季明显削弱,但对NO_2浓度的影响较小。另外,当大气混合层厚度位于500.0—1200.0 m高度时,在同一大气混合层厚度下,同一污染物浓度的变化范围较大。     

ERA5再分析云量在大气环境评估中的适用性研究

以河北省7个国家级气象站为例，利用1979—2013年ERA5云量和地面实测云量数据，依国标推荐法计算混合层高度，通过公式推导出通风量和大气自净能力指数，比较两套数据的计算结果，对ERA5再分析云量在大气环境评估中的适用性进行了研究；采用ERA5云量计算2013年3月至2021年2月的大气自净能力指数，对其与PM2.5浓度之间的关系进行分析。结果表明：①两种云量资料计算的月平均混合层高度、通风量和大气自净能力指数的相对误差近似符合正态分布，主要集中在0～5%；各月混合层高度：相对误差＞通风量＞大气自净能力指数，相关性则相反。秋冬季的相对误差（相关系数）大都低（高）于春夏季，邢台、石家庄和保定的误差明显小于其他站。②利用两种云量数据计算的大气自净能力指数的多年平均相对误差最小，通风量的次之，历年值的相关性和偏差也是中南部站点的更为理想。③2013年3月至2021年2月，各站月平均大气自净能力指数和PM2.5浓度呈反向相关，中南部站点的相关性更为显著。     

基于格点资料的四川大气混合层高度特征及与空气质量的关系

基于2018年1月~2020年12月中国气象局陆面数据同化系统（CLDAS）资料，利用罗氏法计算四川省大气混合层高度，分析其时空分布特征，并结合大气环境空气质量监测数据，讨论大气混合层高度变化与空气质量的关系。结果表明:四川省大气混合层高度呈西高东低分布特征。盆地与攀西地区、川西高原大气混合层高度季节变化有显著性差异，盆地春季最高，秋季最低；川西高原和攀西地区秋季最高，夏季最低。四川省各地区大气混合层高度月、日变化趋势基本一致。四川省大气混合层高度与O₃质量浓度呈显著正相关关系，与PM_2.5质量浓度呈显著负相关关系。      

北京秋季一次典型大气污染过程多站点分析

多站点多种大气污染物的同步在线观测对深入剖析大气污染的成因和演变机制有重要意义。以龙潭湖、北京325 m塔、双清路和阳坊4监测站点实时NO_x、SO₂、O₃、PM2.5和PM10浓度观测数据为基础,介绍了北京地区2010年10月3～11日发生的一次典型污染过程。不同污染物在污染过程中变化特征不一致,表现为NO_x、SO₂、O₃浓度有明显日变化,而PM浓度升高后一直维持在高值,日变化幅度很小。通过分析不同站点、相同污染物之间的相关性和变异系数发现,4站点间一次污染物NO和SO₂空间浓度差别大,变异系数分别为77%和70%,相关系数低于0.44;而二次污染物NO₂、PM2.5、O₃空间浓度差别较小,变异系数分别为34%、36%和29%,相关系数均超过0.54。结合中尺度气象模式研究发现,该污染过程中,850 hPa高空持续的西南暖平流造成华北地区显著平流逆温,与近地层辐射逆温共同作用,使北京地区混合层高度维持在1200 m以下。低混合层高度和低风速限制了大气垂直和水平扩散,造成北京地区近地层污染物累积,形成重度污染。     

青藏高原东部及下游地区冬季边界层的观测分析

利用2007年12月的加密探空资料, 对高原东部及其下游地区的边界层结构和高原东部边界层变化对下游大气的影响进行了分析。结果表明, 冬季青藏高原东部夜间近地面逆温层可以发展到平均500 m的高度, 白天混合层可以发展到平均2000 m的高度。白天混合层内水汽和风速混合十分均匀, 在混合层发展成熟时存在十分深厚的逆湿层。冬季青藏高原下游的四川盆地, 边界层内温度日较差小, 夜间逆温层把大量地表水汽截留在近地层, 日出前近地层水汽容易达到饱和。白天, 混合层在中午发展成熟, 平均高度只有300 m。四川盆地对流层下部存在非常强的逆温层, 该逆温层是青藏高原抬升地表加热和冬季盛行西风气流形成的, 逆温层变化是青藏高原东部边界层温度日变化和局地西风变化的共同结果。逆温层显著改变大气动量、 热量和水汽的垂直分布。与对流层下部逆温相联系的中层云对辐射的影响是造成四川盆地温度日较差和混合层高度变化的原因。     

气象条件对石家庄PM_(2.5)浓度的影响分析

利用2013~2014年石家庄逐小时PM2.5监测浓度与地面及探空等气象观测资料,从大气的垂直扩散、水平扩散和地面局地环流等方面,探讨气象条件对PM2.5浓度的定量影响关系。结果表明:(1)石家庄PM2.5浓度具有明显的日、月和季节变化特征,早晨08时前后PM2.5浓度最高,下午16时前后浓度最低;冬季PM2.5浓度最高,夏季最低;(2)2 a共出现485 d逆温,其中10~12月出现频率最多,达82.8%~86.2%,逆温致使低层大气垂直运动受阻,不利于污染物扩散;(3)大气混合层高度与PM2.5浓度呈反相关,PM2.5浓度75μg/m3(空气质量优良),对应大气混合层高度平均为1 448 m,而PM2.5浓度≥150μg/m3(空气重污染)的混合层高度降到878 m;(4)受地形影响,石家庄地面风与边界层附近风对污染物的影响明显不同:925 h Pa西南风、地面偏东风不利于污染物扩散;925 h Pa西北风、地面偏西风有利于污染物浓度降低。925 h Pa风速4 m/s、地面偏西风风速2 m/s、地面偏东风风速3 m/s,有利于污染物扩散;(5)降水对污染物有湿清除作用,清除量不仅与降水量有关,还与前期PM2.5浓度有关,且冬季降雪过程对PM2.5的清除作用是降雨的4倍。     

河北邢台市连续重污染天气维持与消散成因分析

摘 要：本文利用环境监测数据、气象常规观测数据及NCEP的GDAS气象数据与HYSPLIT后向轨迹模式结合,通过对天气形势、垂直与水平输送、降水因子及污染物来源等因素进行分析,探讨了2016年12月16日-2017年1月9日河北省邢台市连续重污染天气维持及消散阶段的成因。结果表明：此次连续重污染过程在静稳的大气层结与地面均压场下,污染物容易积累,大气混合层高度与AQI值呈负相关,AQI<200时,大气混合层平均高度为1305m,AQI>200时,大气混合层平均高度为763m,最低降到437m;地面风场的辐合、强的逆温层结、高湿和静小风是重污染天气过程维持的关键,连续重污染过程中,小风(风速<3m/s)日数达22天（占比85%）,平均逆温层厚度443m、强度1.83℃/100m,平均相对湿度82.6%,导致污染物极易生成又不容易向高空扩散;降水与冷空气活动对污染物的消散起到一定作用,降水量>3mm时,清除率可达40%以上,降水量<1mm时,污染物浓度反而会增加;结合污染物来源分析,在空气重污染维持阶段50%以上的气团来自距邢台市200km以内的局地输送,高空远距离干洁空气的输送对污染物的消散起到有效的作用。     

An operational forecasting model for the variation of mean maximum mixing heights across the coastal zone

Variation exists in the maximum mixing height (MMH) across the coastal zone because of major differences in heat capacity between land and sea. By assuming that synoptic and microscale effects are all small as compared to the contribution from mesoscale temperature differences, a model is proposed to explain this variation. The model states that the variation of the MMH across the coastal zone is due primarily and is linearly proportional to the difference in maximum temperature between land and sea. Since the MMH is one of the most important parameters in the computation of distribution and concentration of aerosols, water vapor, and pollutants, a simple equation is also provided for the operational forecasting of the MMH or the mixing height over the sea. All inputs into the equation are routinely available. The model has been verified by available data and a relevant field experiment.     

An Operational Forecasting Model for the Variation of Mean Maximum Mixing Heights Across the Coastal Zone

Variation exists in the maximum mixing height (MMH) across the coastal zone because of major differences in heat capacity between land and sea. By assuming that synoptic and microscale effects are all small as compared to the contribution from mesoscale temperature differences, a model is proposed to explain this variation. The model states that the variation of the MMH across the coastal zone is due primarily and is linearly proportional to the difference in maximum temperature between land and sea. Since the MMH is one of the most important parameters in the computation of distribution and concentration of aerosols, water vapor, and pollutants, a simple equation is also provided for the operational forecasting of the MMH or the mixing height over the sea. All inputs into the equation are routinely available. The model has been verified by available data and a relevant field experiment.     

1961—2017年中国华东区域高空温度变化特征

利用中国华东六省一市13个探空站1961—2017年高空温度数据,对850 hPa、500 hPa、200 hPa高空温度的时间变化特征和空间变化特征进行分析,结果表明：1961—2017年中国华东区域对流层中下层增温趋势明显,向上增温趋势减弱,对流层顶增温趋势有所增强。850 hPa、500 hPa温度的年代际变化均呈现出先降低后升高的趋势,而200 hPa温度的年代际变化则呈现持续升高的趋势。秋、冬季在各个层次上均为显著的增温趋势,冬季的增温趋势明显大于其他季节,500 hPa春季和200 hPa夏季有微弱的降温趋势。不同层次年平均气温的空间分布均有明显的南北差异,且随着高度的增加,南北平均温差先增大后减小。850 hPa、500 hPa年平均温度的空间变化趋势一定程度上呈现出华东沿海地区增温趋势大于内陆的特征,200 hPa则呈现华东南部的增温趋势大于北部的特征。850 hPa各季节呈现出中国华东沿海地区增温、内陆增温趋势不如沿海地区或内陆呈现降温趋势,500 hPa的春季和200 hPa的夏、秋季则呈现出中国华东南部地区增温、北部地区降温的趋势。     

Investigation on the fine structure of sea-breeze during ESCOMPTE experiment

Surface and remote-sensing instruments deployed during ESCOMPTE experiment over the Marseille area, along the Mediterranean coast, were used to investigate the fine structure of the atmospheric boundary layer (ABL) during sea-breeze circulation in relation to pollutant transport and diffusion. Six sea-breeze events are analyzed with a particular focus on 25 June 2001.Advection of cool and humid marine air over land has a profound influence on the daytime ABL characteristics. This impact decreases rapidly with the inland distance from the sea. Nearby the coast (3 km inland), the mixing height Zi rises up to 750 m and falls down after 15:00 (UT) when the breeze flow reaches its maximum intensity. A more classical evolution of the ABL is observed at only 11-km inland where Zi culminates in the morning and stabilizes in the afternoon at about 1000 m height.Fine inspection of the data revealed an oscillation of the sea-breeze with a period about 2 h 47 min. This feature, clearly discernable for 3 days at least, is present in several atmospheric variables such as wind, temperature, not only at the ground but also aloft in the ABL as observed by sodar/RASS and UHF wind profilers. In particular, the mixing height Zi deduced from UHF profilers observations is affected also by the same periodicity. This pulsated sea-breeze is observed principally above Marseille and, at the northern and eastern shores of the Berre pond.In summary, the periodic intrusion over land of cool marine air modifies the structure of the ABL in the vicinity of the coast from the point of view of stability, turbulent motions and pollutants concentration. An explanation of the source of this pulsated sea-breeze is suggested.     

1954—2004年珠江三角洲大气能见度变化趋势

利用珠江三角洲5个城市气象观测站 (广州、深圳、台山、惠州、高要) 的长期能见度观测资料, 采用累积百分率、Ridit分析法和烟幕/霾日频率3种统计分析方法, 分析了1954—2004年珠江三角洲能见度变化趋势, 初步探讨了珠江三角洲大气环境的变化特征及其可能原因。结果表明:近50年来, 珠江三角洲城市能见度呈显著下降趋势。能见度的下降起始于20世纪70年代初, 并在经济高速发展的80—90年代初进一步恶化, 90年代中期之后虽然能见度变化趋于平缓, 但能见度下降的趋势仍未从根本上改变。珠江三角洲能见度与当地的人口增加和经济发展程度有密切的关系, 同时污染物的区域输送对西部下风向城市能见度也有很大影响。珠江三角洲能见度未得到有效改善的主要原因, 很可能是由于细粒子污染, 尤其是二次粒子前体物如SO₂和NO_X等的排放未得到有效控制。     

STUDY OF THE VERTICAL WIND FIELD STRUCTURE AND ITS RELATIONSHIP WITH PM2.5 AIR POLLUTION OVER THE PEARL RIVER DELTA IN AUTUMN

Meteorological conditions, particularly the vertical wind field structure, have a direct influence on the PM2.5 concentrations over the Pearl River Delta (PRD). In October 2012, an exceptional air pollution event occurred in the PRD, and a high concentration of PM2.5 was registered at some stations. During days with PM2.5 air pollution, the wind speed was less than 3 m s-1 at the surface, and the vertical wind field featured a weak wind layer (WWL) with a thickness of approximately 1000 m. The mean atmospheric boundary layer height was less than 500 m during pollution days, but it was greater than 1400 m during non-pollution days. A strong negative correlation was detected between the PM2.5 concentration and the ventilation index (VI). The VI was less than 2000 m2 s?1 during PM2.5 air pollution days. Because of the weak wind, sea–land breezes occurred frequently, the recirculation factor (RF) values were small at a height of 800 m during pollution days, and the zones with the lowest RF values always occurred between the heights of 300 and 600 m. The RF values during PM2.5 pollution days were approximately 0.4 to 0.6 below a height of 800 m, reducing the transportation capacity of the wind field to only 40% to 60%. The RF and wind profile characteristics indicated that sea–land breezes were highly important in the accumulation of PM2.5 air pollution in the PRD. The sea breezes may transport pollutants back inland and may result in the peak PM2.5 concentrations at night.     

珠江三角洲霾天气的近地层输送条件研究

近年来, 珠江三角洲地区气溶胶污染日趋严重, 霾天气造成能见度恶化和空气质量下降。近地层输送条件即地面流场与大气污染物稀释扩散密切相关。利用2004—2005年广东省466个地面自动气象站资料、广州观象台常规气象资料、珠江三角洲大气成分站网器测能见度资料、珠江三角洲城市环境监测站网的PM₁₀浓度资料等, 使用矢量和分析方法, 分析珠江三角洲近地层风及其对严重霾天气过程和清洁对照过程的影响。结果表明: 2004年霾天气高发季节, 东亚纬向环流比2005年同期显著, 纬向环流不显著的年份, 气流南北交换显著, 冷空气跨越南岭、到达珠江三角洲的机会比较大, 伴随冷空气的大风等天气有利于污染物扩散; 纬向环流显著的年份, 冷空气跨越南岭、到达珠江三角洲的机会比较小, 污染物易于堆积。珠江三角洲霾天气具有区域性特征, 旱季出现最多, 雨季出现最少。严重霾天气过程出现在每年12月至次年4月, 清洁对照过程出现在台风直接影响或冷空气活动频繁的季节。与2004年相比, 2005年的静风频率较低, 且旱季风速较大, 不利于霾天气的形成。矢量和分析表明:区域霾天气过程与区域内静小风过程, 即出现气流停滞区有密切联系, 清洁对照过程与强平流输送有关。     

彭州市大气污染物浓度变化特征研究

本文利用2017年彭州市大气污染物(SO₂、NO₂、O₃、CO、PM₁₀、PM_2.5)小时浓度数据并结合地面气象观测资料,统计分析了该地区大气污染物浓度的演变规律及影响因素。结果表明:该地区细粒子(PM₁₀和PM_2.5)污染较为严重,O₃次之,其它污染物浓度水平则低于国家新二级标准限值。观测期间,各污染物浓度表现出明显的日变化与季节变化,其中SO₂、O₃呈单峰型日变化,NO₂、CO和细粒子则呈双峰型日变化;污染物浓度的季节变化基本表现为冬高夏低、春秋次之的变化特征(O₃为夏高冬低),并且固态污染物(PM₁₀、PM_2.5)与气态污染物(NO₂、CO)之间有显著的相关性。在污染物浓度与气象要素相关性分析中表明,湿度对于污染物浓度的影响整体上要弱于温度和风速,除了O₃与温度、风速呈正相关外,其它污染物与两者均呈负相关。除此以外,风向对于当地各种大气污染物的积累与清除也有直接的影响。      

Dynamical controls on the diurnal cycle of temperature in complex topography

We examine the climatological diurnal cycle of surface air temperature in a 6 km resolution atmospheric simulation of Southern California from 1995 to the present. We find its amplitude and phase both have significant geographical structure. This is most likely due to diurnally-varying flows back and forth across the coastline and elevation isolines resulting from the large daily warming and cooling over land. Because the region’s atmosphere is generally stably stratified, these flow patterns result in air of lower (higher) potential temperature being advected upslope (downslope) during daytime (nighttime). This suppresses the temperature diurnal cycle amplitude at mountaintops where diurnal flows converge (diverge) during the day (night). The nighttime land breeze also advects air of higher potential temperature downslope toward the coast. This raises minimum temperatures in land areas adjacent to the coast in a manner analogous to the daytime suppression of maximum temperature by the cool sea breeze in these same areas. Because stratification is greater in the coastal zone than in the desert interior, these thermal effects of the diurnal winds are not uniform, generating spatial structures in the phase and shape of the temperature diurnal cycle as well as its amplitude. We confirm that the simulated characteristics of the temperature diurnal cycle as well as those of the associated diurnal winds are also found in a network of 30 observation stations in the region. This gives confidence in the simulation’s realism and our study’s findings. Diurnal flows are probably mainly responsible for the geographical structures in the temperature diurnal cycle in other regions of significant topography and surface heterogeneity, their importance depending partly on the degree of atmospheric stratification.