北京城区大气混合层内臭氧垂直结构特征的初步分析——基于臭氧探空

本文利用2013年6月至2015年10月北京南苑观象台两年多午后臭氧探空资料,初步分析了北京城区大气混合层内臭氧浓度的垂直分布规律以及典型天气条件下大气边界层臭氧的变化特征.主要结果有：（1）季节平均而言,地表至对流层中部（8 km）的臭氧浓度在夏季最高,冬季最低,相差50~130 μg·m^-3,最大差异在边界层.总体而言,对流层臭氧浓度随高度有比较缓慢的增加,但是边界层内臭氧浓度的垂直结构随季节有比较大的差异：夏季混合层中部存在一个臭氧浓度极大值,这与夏季比较强的光化学生成臭氧有关;而在冬季地面臭氧浓度很低,平均值小于40 μg·m^-3,说明冬季地面是臭氧很强的汇.（2）臭氧浓度季节内变率的季节差异也十分明显,夏季最大、冬季最小.季节内变率在从边界层向自由对流层过渡区域最小（夏季为24 μg·m^-3,冬季仅为10 μg·m^-3）,在边界层内变率较大,夏季可达64 μg·m^-3（冬季为30 μg·m^-3）,这也说明边界层化学过程明显影响臭氧浓度的变化.（3）我们从所有白天样本中严格筛选了部分混合层样本,并把臭氧浓度在由混合层向自由大气过渡时的垂直分布分成了三类,即臭氧浓度随高度增大（Ⅰ型）、减小（Ⅱ型）以及基本稳定不变（Ⅲ型）;臭氧垂直结构类型有明显的季节特征,夏季主要是Ⅱ型,而冬季则以Ⅰ型为主.（4）此外,我们还针对一些典型天气过程（强风、静稳雾天和PM_2.5污染）边界层内臭氧的变化特征进行了分析,结果表明：强风切变产生的机械对流引起的充分混合,有利于高层臭氧向低层输送,使得混合层内臭氧浓度的垂直梯度明显减小,同时混合层高度较高,达3 km以上;在高湿度静稳天气控制下,大气混合层较稳定,对北京上空污染物的垂直扩散十分不利：颗粒物浓度升高,削弱到达近地层的太阳辐射,从而降低臭氧的生成效率,混合层内臭氧浓度与混合层厚度都处于较低水平.     

中国南部对流层中上层臭氧增加的气象场判识及臭氧变化的多尺度特征

副热带急流对中国南部地区对流层中上层臭氧浓度的影响程度及地理范围目前还研究较少,且缺乏综合使用常规气象资料及卫星资料来判识对流层中上层臭氧浓度增高的方法.本文利用NCEP再分析与最终分析资料、日本GMS-5地球静止卫星水汽云图资料,以2001年3月27~29日中国南部的临安、昆明、香港臭氧探测个例为基础,结合1996年3月29日香港与2001年4月13日临安对流层中上层高浓度臭氧分布个例对副热带急流对中国南部对流层中上层臭氧浓度的影响进行了详细分析,提出根据气象要素场判识春季中国南部对流层中上层臭氧浓度增高的充分条件为根据卫星水汽图像上的暗区、高空急流入口区的左侧辐合区、高空锋区、对流层中上层≥1 PVU的向下伸展的舌状高位涡区来综合判断.本文的分析结果表明,本文个例中对流层中上层高浓度臭氧来自平流层;香港对流层中上层低浓度臭氧来自热带海洋地区.不仅臭氧垂直廓线的多个极小与极大值表明臭氧垂直分布的多尺度变化特征,而且对流层中上层PV分布以及卫星水汽图像分析也表明大气中的多尺度运动对臭氧垂直分布特征有显著影响.本文的结果表明与副热带高空急流相联系的平流层空气侵入不仅发生在中国大陆的较高纬度地区,较低纬度的昆明与香港地区也有平流层空气侵入导致对流层中上层臭氧浓度升高.     

大气臭氧层的垂直分布及其变化的研究

为了进一步认识低纬度地区大气臭氧垂直分布及其变化的规律,本文采用逆转方法〈C〉计算了昆明地区冬春季大气臭氧的垂直分布.结果表明:臭氧垂直分布出现两种类型,一种是只在平流层中有一主极大值层;另一种是除主极大值层外,同时在对流层中还存在次极大值层.主极大值层的臭氧浓度变化相对较稳定,次极大值层主要受大气环流影响很不稳定,且随季节变化与位势高度、垂直速度等要素的关系存在着明显差异.此外,我们还分析了春季臭氧垂直分布的日际变化.     

北京地区一次持续重污染过程O3、NOx、CO的垂直分布分析

在2004年9月27日至10月12日期间,北京地区大气环境出现了严重污染事件,其间,使用紫外光度法O3分析仪、化学发光NO-NO2-NOx分析仪和气体相关过滤CO分析仪,在中国科学院大气物理研究所北京325 m气象与环境观测塔上进行了污染物浓度梯度观测,分别在8、120、280 m三层观测平台对大气中的O3、NOx、CO体积比浓度进行了垂直梯度的连续观测.通过分析该过程中大气污染物和相关气象因素的垂直分布数据得知,污染物浓度在280 m以内分布很不均一;较低气压控制下,24 h变温为正时,易形成由辐合、堆积造成的污染物浓度增高.通过敏感性分析计算,近地层臭氧光化学生成处于VOC敏感,是垂直梯度分布的主要因素;边界层顶存在高浓度氧化污染气团的振荡效应.     

南极大气臭氧和温度垂直结构及其季节变化的研究

利用南极中山站2008年2月至2009年2月臭氧和温度探空等资料,对中山站上空大气臭氧和温度的垂直结构及季节变化特征进行了研究.结果表明,在中山站上空热对流层顶和臭氧对流层顶的高度相近,年平均高度分别为7.9和7.4km.对流层顶的气压和温度都存在位相相反一波型季节变化.春季和冬季对流层顶的温度转折没有夏季和秋季明显,而依据臭氧变化恰能更好地确定对流层顶高度.在对流层臭氧垂直分布的季节变化不显著;而平流层却十分明显.春季下平流层臭氧严重耗损,14km处的臭氧最小分压仅为1.57MPa,最大分压出现在上平流层,其他季节下平流层臭氧随高度增加而升高.春季下平流层臭氧的严重损耗,与极夜过后低温条件和平流层冰晶云表面消耗臭氧的光化学过程有密切关系.大气臭氧和温度的垂直结构及季节变化特征,对春季南极臭氧洞的形成和发展具有重要意义.     

对流层臭氧污染对植物生理影响的研究进展

对流层臭氧是一种存在于近地面、对动植物有害的光化学污染物，定量评估和研究其对植物生理的影响和机制对保障全球粮食安全和人体健康具有至关重要的作用.由于过去三十年的快速工业化和城市化，对流层臭氧浓度正以每年约0.5%～2%的速度上升.针对当前臭氧污染加剧的情况，根据前人的基础理论研究和实验探索，本文就臭氧对植物表观、花粉和光合作用的影响特征及机制进行了总结和分析，得到以下认识：（1）臭氧污染下植物叶片受损、光合速率和固碳能力下降，影响干物质的积累与分配，是造成作物减产的主要原因；（2）臭氧污染导致花粉细胞膜受损，细胞脂质过氧化，改变了过敏原蛋白质的结构，增加了人体呼吸道过敏的风险.受损的化石花粉在沉积物中也有发现，通常与大规模生物灭绝同时期，推测与火山爆发或全球快速变暖导致的臭氧浓度增加有关.这些发现表明应加强自然环境下臭氧对植物生态习性的影响研究，重视植物地下生态过程的影响，开展缓解臭氧对作物影响和耐臭氧品种选育的研究.     

夏季青藏高原及其周边地区卫星MLS水汽、臭氧产品的探空检验分析

根据Aura卫星微波临边探测(MLS)2.2,3.3版水汽和臭氧廓线,采用线性内插方法,将夏季在青藏高原(西藏的那曲和拉萨)及其周边地区(云南腾冲)通过冷冻霜点仪(CFH)和电化学反应池型(ECC)探空仪分别测得的水汽和臭氧数据插值到与卫星产品规定的气压高度进行比较分析,以检验MLS水汽和臭氧廓线产品.结果表明:MLS 2.2和3.3版水汽相对误差在100 h Pa的对流层顶附近分别为(9.8±46.0)%(n=18),(23.0±45.8)%(n=17);在小于并包含82.5h Pa在内的下平流层则分别为(-2.2±15.7)%(n=74),(0.3±14.9)%(n=75);而在对流层316~121h Pa高度则分别为(21.5±90.6)%(n=104),(6.0±83.4)%(n=99).相应MLS 2.2,3.3版臭氧的误差分别为:(-3.5±54.4)%(n=27),(-8.7±41.6)%(n=38)(100 h Pa);(-11.7±16.3)%(n=135),(15.6±24.2)%(n=305)(下平流层);(18.0±79.1)%(n=47),(34.2±76.6)%(n=160)(对流层上层).MLS水汽和臭氧的误差垂直分布在对流层上层-平流层低层振荡和离散分布明显,部分误差可能由于此高度层水汽和臭氧浓度梯度大和比较用线性插值探空数据引起."臭氧低谷"期间,拉萨地区70 h Pa高度以下MLS卫星臭氧浓度误差明显增加;腾冲、那曲与拉萨三地的MLS臭氧误差的垂直分布特征较一致.卫星产品与探空测值的初步关系表明,MLS廓线的灵敏度与水汽和臭氧在大气中垂直分布有密切联系,3.3版水汽产品的灵敏度在82.5 h Pa以上高度略有提高,臭氧产品灵敏度没有明显变化.文中还讨论了导致MLS水汽和臭氧廓线产品误差的可能因素.     

民勤沙漠-绿洲低空沙尘暴结构特征研究

通过从沙漠到沙漠绿洲过渡带再到绿洲8.3 km水平梯度和近地层50 m垂直梯度的低空沙尘观测系统所收集的19次沙尘暴的沙尘水平通量、垂直通量及风速等相关气象数据,结合下垫面环境状况,定量研究了中小尺度条件下,民勤沙漠、沙漠绿洲过渡带和绿洲3种典型下垫面环境沙尘暴诸要素的水平分布和垂直变化规律及其与下垫面的关系,评估了绿...     

东亚一次典型切断低压引起的平流层空气深入侵过程的分析

利用ERA-Interim再分析资料、卫星资料以及轨迹模式,对2010年6月19-23日东亚夏季一次典型切断低压（COL）过程中的动力、热力及化学结构进行了分析,并详细分析了平流层空气深入侵过程和路径.AIRS臭氧资料与臭氧探空资料分析表明,在COL发展成熟阶段,由极区高位势涡度、高臭氧库区脱离出来的空气在COL的中心形成一个局地高位势涡度与高臭氧浓度区域,并在对流层中上部出现臭氧次峰结构.前向轨迹模式模拟结果表明：COL形成前期,高空槽加深,槽后偏北风急流可以引起极区下平流层空气向中纬度对流层中低层侵入,从而使对流层中低层臭氧浓度升高;COL发展成熟阶段,可以引起平流层空气的＂旋转式＂入侵.最后,应用后向轨迹模式对成熟阶段COL内部及周围空气块源地做进一步模拟分析.结果表明：（1）COL中心高浓度臭氧空气块源地有两个,一是中西伯利亚北部上空的副极地涡旋,这部分气块对COL中心的高臭氧浓度起主要作用;二是90°E以西,50°N附近的温带急流轴左侧的气旋式风速切变区.（2）COL周围低臭氧浓度的气块源地也有两个,一是COL底部臭氧浓度相对较低的空气块主要来自急流轴右侧反气旋式风速切变区,以平流运动为主;二是COL前部及后部的空气块主要来自COL南侧低层暖区,以上升运动为主.     

专家“把脉”长三角臭氧控制 聚焦“长三角区域臭氧污染控制研讨会”

正自《大气污染防治行动计划》实施以来,中国城市大气污染防治工作初显成效,整体空气质量有所好转,但臭氧浓度不降反升,达标城市比例下降。如何准确把握本地臭氧污染特征、制定科学的治理策略,成为3月17日至18日"长三角区域臭氧污染控制研讨会"上讨论的重点。此次研讨会由亚洲清洁空气中心、长三角区域空气质量预报预警中心、浙江省环境保护科学设计研究院、浙江省环境监测中心联合主办,旨在推动     

中层大气重力波的全球分布特征

从2002年1月到2009年12月的SABER温度剖面数据提取了可以反映重力波活动的垂直尺度2～10 km的中尺度温度扰动,分析了全球中层大气重力波的分布.重力波扰动在夏季和冬季明显强于春季和秋季,而冬季与夏季相比,在70 km以下的高度夏季弱于冬季,在70 km以上夏季比冬季要强.从全球重力波分布来看,较大值分布在冬...     

基于COSMIC掩星观测的中国内陆Es分布统计研究

我们采用COSMIC掩星系统提供的2009年1月1日至2010年12月31日的GPS信号信噪比（signal-to-noise ratio,SNR）的观测数据,通过计算SNR数据的归一化标准差对80~130 km高度范围内的中国内陆偶发E层（Sporadic E,Es）的空间分布以及垂直厚度等特性进行分析研究,获得了Es发生率的空间分布以及发生率随着季节的变化特征.中国内陆30°N纬线以上区域Es分布随季节变化较为明显,夏季最多,秋季次之,春冬季最少,而南部低纬地区发生率水平常年较高.一般情况下Es主要存在于90~110 km高度范围内,但在夏季100 km高度以下探测到了较多的Es事件,且主要表现为多层Es结构,可能是由大气重力波引起Es下行运动所致.Es厚度的分布统计表明：大结构Es的厚度分布在2.5~3 km范围内存在峰值,小结构Es厚度分布峰值出现在150~200 m范围内.     

十三陵“清洁区”秋季O3在地面及近地边界层垂直分布变化的探测研究

利用2001年9月7~12日北京郊区十三陵(40°17′15″N, 116°12′51″E)探测资料, 对O₃在地面及近地边界层垂直分布特征进行了研究. 结果显示, 在十三陵地区地面和近地边界层内O₃浓度平均日变化特征较为一致, O₃浓度在早晨最低, 上午逐渐增加并在下午2~5时之间升至最高, 夜间逐渐下降. 日出前或日落后受山谷下沉气流、近地面逆温层及沉降的综合影响, 200~300 m以下的O₃浓度普遍是低值. 十三陵地区O₃高浓度的臭氧与北京城区污染输送有密切联系. 当主导风向来自北京城区时, 中午至下午则出现轻度、中度甚至重度O₃污染现象; 相反, 当主导风向为其他来向时, O₃浓度低. 十三陵“清洁区”盆地地形特点使得来自北京城区污染物在该地累积, 并在光化学反应有利的情况下, 造成局地的高O₃污染现象, 此结果在城市发展规划中应引起重视.     

东南亚地区生物体燃烧影响华南地区对流层臭氧垂直分布的个例分析

2001年3月7日与8日在香港与昆明用电化学臭氧探空仪探测到了对流层低层异常的高浓度臭氧分布. 本文使用NCEP（美国环境预报中心）分析资料、中尺度数值模式MM5模拟的大气环流数据、卫星观测的东南亚地区的生物体燃烧状况、气溶胶指数等资料,分析了这段时间的天气形势、大气环流、空气的后向轨迹以及生物体燃烧产生的烟尘的轨迹,结果发现高浓度的臭氧空气来源于有生物体燃烧的中南半岛地区. 燃烧烟尘的轨迹还表明生物体燃烧地区的下风方的对流层低层臭氧的分布会受到上游地区生物体燃烧产物的影响.     

大别造山带的地壳结构研究

介绍横穿大别造山带的深地震测深剖面的地壳P波速度结构和密度结构.地表高程最大的岳西至晓天之间存在约5km厚的山根,在晓天-磨子潭断裂下方莫霍界面达4.5km垂直错断表征三叠纪碰撞的古缝合线,在超高压带3km深度以下的相对高速异常区,可能与含量较高的超高压变质岩有关.     

2014年新疆于田MS7.3地震及余震序列定位研究

使用区域一维速度模型,利用单纯形法,结合和田台阵的方位角测定了2014年2月12日新疆于田MS7.3地震的主震位置.使用双差定位方法对于田主震和465次余震序列进行了重新定位.结果表明:NS、EW和UD 3个方向的平均相对误差分别为0.13 km、0.14 km、0.15 km,平均走时残差为0.012 s.余震整体分布呈北东向展布,并向主震的西南和北东两个方向延伸,主震的西南方向长近40 km、宽约30 km,北东方向长近20 km、宽约20 km,震源深度集中在5～15 km.余震序列的空间形态沿破裂显示了分段和非均匀特征:主震的西南方向地震数量较多,展布较宽,且近南北向分布,震源深度优势分布在5 ～15 km之间;北东方向地震较少,震源深度优势分布在5 ～10 km之间;靠近山脉的地震震源要比远处的深.余震序列的时间特征为在震后的3天内,震源深度集中在5～15 km,此后的震源深度集中在5～10 km,震源深度总体呈现变浅的趋势.     

1988年云南澜沧-耿马地震的烈度分布及地表破裂

1988年11月6日,在云南省西南部的澜沧-耿马断裂带上发生了两次大于7级的地震.地震造成的严重破坏和人员伤亡主要是由于极震区内抗震性能极差的毛石房、砖柱土坯房的大量倒塌所致.澜沧地震的震中基本烈度可达Ⅸ度,耿马地震极震区烈度达Ⅹ度.澜沧地震构造活动的地表证据主要是出现在极震区内的张性地裂缝带和小断层陡坎.地裂缝带和小断坎主要出现在四条相对连续的北北西走向的狭窄地带内,其长度从几百 m 到6km 不等.澜沧地震地表破裂带长约35km,宽约3km,最大垂直位移量和最大右旋水平位移量分别为1.5m 和1.4m.耿马地震地表断裂活动的明显证据包括一系列北北西走向的地裂缝带和一段长约5km的地震断层陡坎.耿马地震地表破裂带长约24km,其最大垂直位移3.5m,最大右旋水平位移为3m.两次地震形成的地表破裂带均具有右旋-正断层性质.本文讨论了这两次地震的 度分布及地表破裂特征.      

上海地区臭氧周末效应研究

分析了2006年上海5个臭氧监测站（徐家汇、崇明、宝山、浦东和金山）周末与工作日臭氧浓度的变化规律,发现上海徐家汇与国外许多城市中心一样,存在周末臭氧浓度比工作日高,而臭氧前体物NO,NO2,CO和VOCs的浓度却是周末要比工作日低的“臭氧周末效应”．一方面,上海徐汇区NO2／NO在周末比工作日要高25．61％,NO排放的减少是造成上海臭氧周末效应可能的化学原因;另一方面,上海徐家汇由于周末NOx（NO＋NO2）比工作日在清晨（05：00-09：00）平均减少近12．13％,使清晨NO抑制臭氧生成的持续时间比工作日少近半个小时,周末臭氧积累持续时间更长,臭氧平均生成速率更大．臭氧的产生率是关于环境中VOCs与NOx混合比率的函数．上海徐家汇VOCs与NOx比率周末为4．55,工作日为4．37,位于VOC敏感区．由于周末NOx和VOCs减少,VOCs／NOx比率增加,使臭氧从73mL/L增加到80nL/L,这与上海徐家汇的“周末效应”基本一致．利用MICAPS云量资料做进一步分析．周末、工作日臭氧值都随云量增加而降低,并且明显发现徐家汇臭氧“周末效应”随云量增加而逐渐减弱．云量的增加最终结果使臭氧“周末效应”几乎消失,说明徐家汇臭氧“周末效应”是由于臭氧光化学生成引起的．     

基于观测模型的重庆大气臭氧污染成因与来源解析

2015年夏季,在重庆开展了针对臭氧污染形成机制的多站点空气质量联合观测实验,使用局地臭氧化学收支分析、相对增量反应活性和经验动力学模型等多种方法对重庆臭氧的来源、局地光化学产生速率和控制因素、关键VOCs物种进行了定量分析.研究发现,重庆具有较高的局地光化学臭氧污染潜势,污染日城区上风向南泉站、城区市超级站和城区下风向山区背景站缙云山站的局地臭氧化学生成速率均较快,平均值约为30×10~(-9)V/Vh~(-1)左右,日间化学积累可达180×10~(-9)V/V以上,臭氧高值区主要集中在下风向郊区和重庆市上空,多数站点监控区域的局地臭氧化学生成主要受VOCs控制,其中VOCs的活性以芳香烃与烯烃为主;结合VOCs的来源解析,发现局地臭氧产生主要受机动车和溶剂使用源排放的VOCs控制.此外,西北部郊区站点表征区域属于NO_x控制区,污染过程中郊区站点臭氧化学生成速率提升显著,臭氧增量对NO_x敏感性强.综合而言,重庆现阶段臭氧污染控制应以VOCs控制为主,但重污染过程中区域NO_x削减对于降低重庆臭氧峰值浓度有重要意义.     

基于InSAR和GPS观测数据的尼泊尔地震发震断层特征参数联合反演研究

利用日本ALOS-2和欧空局Sentinel-1A卫星获得的尼泊尔地震同震形变场,结合GPS同震位移数据,联合反演了断层滑动分布特征和空间展布.结果表明:尼泊尔地震的同震形变场主要集中在150km×100km的范围内,且分为南北两个相邻的形变中心,南形变中心的视线向抬升量约为1.2m,北形变中心的视线向沉降量约为0.8m,均位于发震断层上盘.位于形变抬升区的KKN4和NAST两个GPS站,抬升量和南向运动量均达到了m级,而远离震区的其他GPS台水平和垂直观测量均在1cm以内.联合反演得到的断层位错分布主要集中在沿走向150km,沿倾向70km的范围内,最大滑动量为5.59m,平均滑动量为0.94m.断层面倾角在浅部约为7°,随着深度增加,倾角逐渐变大,到垂直深度20km时倾角接近12°;5月12日MW7.2级余震位于主震破裂区的"凹"型滑动缺损区域;主震破裂区的上边界与MBT空间位置十分吻合,主震破裂区主要集中的MBT以北50~60km处,垂直深度为8~9km,倾角为9°,继续向北时主震破裂面以10°~12°的倾角向深延伸,在18~20km可能与MHT交汇.因此,初步判定MBT为此次地震的发震断层.