北京城市大气环境污染机理与调控原理

该文主要介绍了科技部国家重点基础研究发展规划项目“首都北京及周边地区大气、水、土环境污染机理及调控原理”大气分项目的研究成果。项目分别于2001年和2003年重点开展了BECAPEX科学试验 (Beijing City Air Pollution Experiment)。BECAPEX试验同步进行城市边界层气象与大气化学观测, 通过卫星遥感、地面观测, 即城市空间和地面以及点与面结合的技术途径, 以揭示北京城市污染“空气穹隆”大气化学结构特征及其变化规律, 为城市环境大气动力-化学模式提供基本科学参数, 给出城市边界层大气物理化学过程综合模型, 为提高城市环境大气物理-化学过程耦合模式的准确性和可靠性提供科学依据。该项目揭示了北京城区和城近郊区城市边界层结构与湍流特征, 城市大气污染垂直结构特征; 发现了城市大气污染空间结构多尺度特征, 其中包括大气污染源影响和城市热岛多尺度特征; 揭示了城市大气重污染过程周边源影响域, 以及北京及周边地区气溶胶影响域和区域气候响应; 提出了北京市典型污染源排放清单; 发展了城市气象模式系统, 包括冠层模式、街谷环流和热力结构以及城市高大建筑群周围风环境数值模拟; 发展了空气质量模式技术, 包括二次气溶胶模拟试验、北京地区SO₂污染的长期模拟及不同类型排放源影响的计算与评估、影响北京地区的沙尘暴输送模拟、区域化学输送模式中NO_x和O₃源示踪法, 城市尺度的大气污染CAPPS模式及统计模型的应用、大气污染及紫外辐射数值预报模式和CMAQ-MOS空气质量预报方法; 改进了美国公共多尺度空气质量预报模式, 建立了CMAQ-MOS区域空气质量动力-统计模型预报模式, 以及发展的源同化技术, 突破了当前空气质量模式技术“瓶颈”, 使模式预报准确率明显提高。     

城市大气气溶胶的物理化学特性及其对人体健康的影响

根据在北京、重庆、上海等城市大气气溶胶的观测结果和气溶胶中有机化学成分的有关资料,分析城市地区大气气溶胶的浓度、尺度谱分布、日变化规律及其化学成分的谱分布特征,并与干净地区的结果作比较,进而探讨了大气气溶胶对人体健康的影响。     

新书架

<正>城市环境综合观测与大气环境动力学研究徐祥德等著该书系统地介绍了城市边界层动力学特征,城市大气动力—化学过程三维结构模型,城市气溶胶空间结构与相关模型,城市大气污染周边源影响域与源追踪模型,城市热岛多尺度与山谷     

贺兰山地区沙尘暴若干问题的观测研究

利用贺兰山地区沙尘暴历史资料和综合观测资料 ,对大气背景、浮尘、扬沙和沙尘暴发生期间的大气气溶胶数浓度谱、质量谱、大气总悬浮颗粒 (TSP)及粒径分布、微气象、分光日射观测以及沙尘样品进行中子活化处理 ,分析了该地区浮尘、扬沙和沙尘暴形成规律 ,气候变化特征和贺兰山的影响。并综合研究了沙尘气溶胶尺度谱特征、光学厚度和化学组分等变化特征 ,提出了若干结果。     

中国超大城市综合实验:京、沪、穗气溶胶理化和吸湿特性

气溶胶对环境、气象和人体健康都有较大影响,这些影响与气溶胶理化特性(粒子尺度谱、化学组分、混合状态等)密切相关。为了深入研究气溶胶的环境和气候效应,发展了一套气溶胶在线综合观测系统。本文介绍了利用该系统在北京、上海、广州三个超大城市开展的综合观测实验结果。通过对比分析发现,广州气溶胶数浓度最高,其粒子尺度谱分布特征与北京特征相似,均以核模态为主,上海气溶胶数浓度则整体较低。对比三个超大城市的新粒子生成(New Particle Formation,NPF)特征发现,北京NPF的发生频率低于广州,主要由于北京地区大气中大粒径气溶胶更多,较高的碰并汇抑制了NPF的发生和发展。研究发现,观测期间北京和上海站点气溶胶的吸湿性强于广州,人为一次性排放气溶胶吸湿性较弱。气溶胶吸湿性日变化特征与人为活动、气溶胶老化程度密切相关。此外,三个超大城市中气溶胶光吸收系数的日变化特征存在明显差别,北京站点的气溶胶吸收系数呈现白天高、夜间低的特点,而广州站点气溶胶的吸收系数呈现相反的日变化趋势,这可能是由观测站周边的环境差异及大气边界层的变化特征差异造成的。     

多尺度空气质量模式系统及其验证I. 模式系统介绍与气象要素模拟

主要介绍一个多尺度空气质量模式系统及其在东亚地区的应用. 这套模式系统充分考虑了天气系统与中、小尺度气象过程对污染物的输送、扩散、转化和迁移过程的影响, 区域与城市尺度之间大气污染物的相互影响, 以及污染物在大气中的气相与液相化学过程、非均相化学过程、气溶胶过程和干湿沉积过程对浓度分布的影响, 可用于区域与城市尺度对流层臭氧、大气气溶胶、能见度和其他空气污染物的预报和环境评价. 模拟的气象要素(风向、风速、温度和湿度)与TRACE-P 和ACE-Asia期间三架飞机上获取的观测资料的比较结果表明, 模拟值与其相应的观测值具有非常好的一致性, 它们的相关系数都超过了0.96.     

“首都北京及周边地区大气环境污染机理与调控原理”开展外场观测试验

围绕北京城市大气边界层的物理化学结构特征和变化规律,进行了城市边界层大气动力结构的观测试验研究,开展了城市边界层大气污染物三维结构观测试验。同时还进行了城市边界层大气动力-化学过程相互影响等5次综合性观测试验研究。获得了一批有价值的科学数据,初步建立了城市环境边界层综合数据库,在此基础上进行了数据整理分析和数值模拟研究工作。     

首都北京及周边地区大气环境污染机理与调控原理

1 城市边界层大气物理化学结构特征 初步获得了城市边界层大气动力结构:城市热岛和城市风场;城市建筑群零平面位移和粗糙度;城市雾分布特征及其动力、热力影响。城市尺度模拟研究获得了北京城郊地形对城市风场的影响,城市建筑对城市环流的影响,分析了北京西、北郊马蹄型山脉特征地形对城市风场日变化及对城市污染形成及其输送、堆积的可能机理,并绘制出有关分布图。     

云降水物理与人工影响天气研究进展

<正>1云雾物理观测与数值模拟研究1.1环北京春季大气气溶胶分布、来源及其与CCN转化关系的飞机探测利用2009年春季开展的"环北京云观测试验"观测的气溶胶和云凝结核（CCN）数据,研究了试验期间大气气溶胶的分布、来源特征及其与CCN的转化关系。结果表明,高浓度气溶胶基本分布在4500 m以下的区域,量级可以达到10³ cm^-3。4500m以上气溶胶呈显著下降趋势,量级仅为10 cm^-3;气溶胶平均直径在0.16⁰.19μm之间。4500m以下气溶胶平均粒子谱呈双（多）峰分布,而在4500m以上基     

城市大气环境边界层观测试验

城市大气环境边界层观测试验工程提出了城市区域大范围大气污染"空气穹隆"动力过程三维结构,首次揭示出北京周边地形"山谷风"与城市"热岛"效应相互作用对城市大气环境影响的综合特征.试验采用卫星遥感-地面观测相结合的技术方案,揭示北京周边地区污染贡献及其气溶胶远距离输送轨迹特征,提出建立北京及其周边地区点-面结合、卫星遥感-地面观测相结合立体综合监测网的设计新方案.该项目被世界气象组织专家组工作会议评为国际城市大气环境观测优秀示范计划,项目研究成果于2002年作为特邀撰稿发表于美国<环境与健康>(SCI),研究成果在北京市及有关省市推广应用.     

Meteorological prerequisites of formation of severe wintertime air pollution episodes in Moscow

Large-scale and local weather conditions during severe wintertime air pollution episodes in the Moscow megalopolis are analyzed. Concentrations of CO, NO, and NO₂ obtained from the automated network of the atmosphere pollution control are used as tracers for atmospheric processes in the urban atmospheric boundary layer. It is shown that a high surface air pollution level in the city is formed at a weak wind in the lower atmosphere and only in the presence of a surface or low elevated temperature inversion. Temperature contrasts in the urban heat island generate the circulation that promotes air pollution in megapolis regions remote from large emission sources. It is supposed that in case of severe frosts the amount of anthropogenic heat in the megapolis sharply increases, promoting active turbulent mixing, thus preventing pollution accumulation in the surface air.     

北京地区热岛非均匀分布特征的卫星遥感-地面观测

针对北京城市热岛的空间变化特征及其发展趋势,重点探讨了北京城市热岛总体演变趋势及其多尺度非均匀分布特征与城市建筑群面积、中高层建筑群空间布局的相关关系。采用晴空过程北京城郊地面自动气象站AWS(Automatic weather station)气温观测真值对卫星遥感云顶黑体温度TBB(Temperature of black body on the top of cloud)高分辨率场实施变分订正,解决城市热岛研究中高分辨率卫星遥感的客观性订正问题。研究结果揭示了北京城市建筑群面积及中高层建筑群布局对城市热岛群总体演变趋势、多尺度热岛群非均匀分布特征的显著影响效应。结果表明,北京晴空过程城区及近郊区多尺度热岛效应可由强、弱程度不同的热岛群"合成",北京地区热岛分布呈多尺度非均匀特征,即城区东西两侧为强热岛区,城西北园林区与古城中轴线区域为相对弱热岛区;在北京城市高速发展背景下,城郊街区热岛群的非均匀分布特征与城市建筑群布局之间存在着相关关系;城市建筑群面积及中高层建筑密集程度的差异可产生区域性强弱不同的热岛效应,这间接反映出北京城郊中高层建筑群暖气或空调排放热源的局地影响效应。上述研究结果可为城市发展有关建筑群布局与园林绿地规划设计提供科学依据。     

Numerical simulation of the anthropogenic heat effect on urban boundary layer structure

In this paper, several methods of incorporating anthropogenic heat release into the boundary layer are compared. The best scheme was one that included anthropogenic heat release in both the surface energy balance equation and the thermodynamic equations. In addition, it included diurnal variations and a distribution of heat based on building concentrations. We further investigated the influence of anthropogenic heat release on urban boundary layer structure and the urban heat island, and found that the contribution of anthropogenic heat release to the urban heat island is greatest in the evening and at night, and least at noon. The daily average contribution ratio of anthropogenic heat to urban heat island intensity in the winter is 54.5%, compared with just 43.6% in the summer. Anthropogenic heat strengthens the vertical movement of urban surface air flow, changing the urban heat island circulation. It also makes the urban boundary layer more turbulent and unstable, especially in the morning and evening. The degree of influence of anthropogenic heat release on local boundary layer structure depends on its importance to the surface energy budget.     

Investigation of temporal-spatial parameters of an urban heat island on the basis of passive microwave remote sensing

Summary Quantitative measurements of the impact of an urban environment on the thermal state of the atmospheric boundary layer are presented. Temperature profiles up to the height of 600 m were obtained in a continuous series of measurements by three microwave profilers MTP-5 located in different areas of Moscow. The influence of this large city on urban heat island (UHI) parameters was estimated on occasions with stationary atmospheric processes and during cases with frontal passage. Two types of UHI were identified: one with a dome of urban warmth at all levels, and another with a low warm dome in combination with a lens of cold air above.     

中国地区城市热岛环流研究进展

城市热岛环流是由城市热岛激发的、存在于边界层的局地环流。这一环流常影响城市区域污染物的扩散及城市降水,是城市气象学的重点研究对象。在过去30多年间,中国城市热岛环流的研究不断取得突破,研究成果丰富。为了今后更有效地开展相关研究,本文从观测分析、理论与数值模拟研究两方面,回顾并总结了我国在热岛环流研究方面取得的成果,包括热岛环流的时空特征、产生机制,以及热岛环流与其他局地环流的相互作用。此外,本文总结了热岛环流对城市及其周边地区污染物水平和垂直分布的影响。     

北京奥运会开幕式期间的中尺度天气系统研究

利用北京地区稠密的地面观测网资料以及北京市观象台、海淀、上甸子3部风廓线仪的观测资料,通过分析2008年8月8日北京奥运会开幕式期间发生在北京地区的降水过程,讨论了此次过程中在环境风场、地形和城市热岛作用下,中尺度系统发展或减弱的可能机制及对城区降水的影响。结果表明:城市热岛和地形作用形成的次级环流圈对城区南北两侧的影响不同,在城区南侧,次级环流圈使南风减弱,同时受次级环流圈下沉气流影响,中尺度系统北上时会减弱;在城区北侧,次级环流圈使南风加强,中尺度系统南下时会使气流辐合增强,有利于中尺度系统发展。当环境风场是较弱的偏南风时,城市热岛-地形次级环流圈在城区1500 m以下形成辐合,以上辐散,在3000 m左右辐散最强,不利于北上的中尺度系统向城区发展形成降水。     

A puff model revised by Monte-Carlo method on mesoscale range

A puff model is developed in this study, which simultaneously considers the Monte-Carlo technique, the time and space changes of atmospheric parameters, multiple continuity pollutant sources, linear chemical trans-formation and removal of pollutants, and the effect of complex terrain. The continuously observed turbulent statistical quantities, Lagrangian time scales, mesoscale flow field, and mixing layer depth in the PBL in the Dianchi area in China are directly put into the model, and the diurnal variations of air pollution are forecasted, which are dominated by such mesoscale local circulations as mountain and valley breeze, land and lake breeze, and city heat island (Kunming City). The results show that in the case of inputting the same data, they are in good agreement with the experimental data, as well as with the results of the three-dimensional advection-diffusion model (TD-ADM); the diurnal variation of mesoscale local circulation results in the obvious diurnal variation of mesoscale concentration distribution patterns; the Dianchi lake (appr. 300 km2) has a considerable effect on the distribution of air pollution in the area.     

不稳定层结下的热岛环流

采用对数压力坐标系的大气热力、动力方程组，分析了由于城市的加热和摩擦作用，在大气层结不稳定情况下的热岛环流，给出了表征热岛基本特征的垂直运动，水平运动和温度场的空间结构，从理论上证实了热岛环流在不稳定城市边界层中存在的可能性，并得出了如下主要结论:(1) 垂直运动在市区是上升运动，在郊区是下沉运动，在低层z=150m处有一闭合中心；(2) 流场在市区上空呈一层波动，波谷在上风区，波峰在下风区，波长为城市半宽的4倍；(3) 地面的高温区出现在城市的下风区，且无逆温层出现。     

基于多源融合资料分析北京一次超强城市热岛三维结构特征

城市热岛效应是人类活动对大气系统影响的最主要体现之一。本文利用(Space and Time Multiscale Analysis System, STMAS)时空多尺度分析系统,融合了地面自动站、雷达、卫星等多源高时空分辨率观测资料,建立了城市热岛三维数据集。并在此基础上统计了2021年北京夏季的城市热岛强度变化特征,选取其中一次超强城市热岛个例(2021年6月11—12日)详细分析了其三维精细化结构特征。结果表明：(1)本个例中,夜间郊区近地面迅速降温,形成逆温层;而城市近地面降温缓慢,使得近地面城郊温差不断增大。(2)本次超强城市热岛三维温度场暖心结构在地面和990 hPa以下低空等压面清晰可见,风场距平呈现气旋性环流特征并在低空从郊区向城区辐合,引起可到达中高空的上升运动,说明城市热岛效应有增强垂直环流的作用。