2006年大连沙尘天气机理分析

应用颗粒物质量浓度、降尘、卫星遥感以及激光雷达气溶胶消光系数监测等资料分析,结合沙尘天气物理量场分析,揭示出大连沙尘天气特征和动力机制.结果显示,沙尘天气空气中可吸入颗粒物浓度显著增高,沙尘对空气中总悬浮颗粒物浓度有显著贡献,并且增加城市的自然降尘量.经过大连上空传输的沙尘高度一般在4km以下,普遍分布在1～3km之间;沙尘气溶胶消光系数最大值超过2.0km-1;沙尘影响地面时,近地面附近气溶胶消光系数超过0.5km-1,强沙尘过程超过1.3km-1.大连的沙尘天气是在高空西风或西北风急流对沙尘的搬运前提下产生,大连附近锋面后部的下滑运动是地面沙尘浓度增高的主要原因;锋后下滑气流越强,地面沙尘污染越重.     

一次重污染天气过程的激光雷达探测数据与颗粒物浓度变化

根据河北邢台市2015年10月11—23日一次重污染天气过程的激光雷达探测数据,对大气污染物浓度和雷达反演得出的大气边界层(PBL)高度、气溶胶光学厚度(AOD)和消光系数的变化进行分析。结果表明:在剔除降水因子的影响后,PBL高度对PM_(2.5)浓度有显著影响,PBL高度越低,PM_(2.5)浓度越高,且两者的相关性夜间好于日间;大气污染物浓度的增加会导致AOD和气溶胶消光系数的显著升高,且AOD与PM_(2.5)浓度的相关性日间好于夜间,在降水的湿沉降效应和大气相对湿度增加的影响下,会出现大气污染物浓度下降,但AOD升高的现象;300 m高度的气溶胶消光系数与地面污染物浓度的日变化趋势较为一致,贴近地面处消光系数相对较小。整体而言,随着PBL高度下降、AOD上升和消光系数增加,环境大气质量逐步趋于恶化。     

我国西北半干旱区气溶胶类型的地基激光雷达判别

气溶胶类型的准确识别是进一步研究其气候与环境效应的重要前提。基于兰州大学半干旱气候与环境观测站2009年10月至2012年11月地基双波长偏振激光雷达观测资料，分别在清洁天、人为污染物、沙尘事件和强沙尘暴事件4种典型情形下挑选若干个例，对其气溶胶消光系数、体积线性退偏比、气溶胶退偏比等进行统计分析，明确不同气溶胶类型的判定阈值。结果表明：清洁天该区域气溶胶消光系数小于0.085 km^-1。在消光系数大于该阈值的污染情形下，人为污染物的体积线性退偏比小于0.07，相应的气溶胶退偏比小于0.09；污染沙尘的体积线性退偏比介于0.07和0.22之间，气溶胶退偏比为0.09～0.31；纯沙尘的体积线性退偏比大于0.22，气溶胶退偏比大于0.31。当出现强沙尘暴时，体积线性退偏比大于0.35，气溶胶退偏比大于0.49。     

敦煌沙尘气溶胶质量浓度垂直特征个例分析

针对兰州大学半干旱气候与环境观测站在敦煌地区的沙尘气溶胶加强观测试验,选取2012年春季自然和污染沙尘两种典型天气个例,利用激光雷达退偏观测的优势分离粗(沙尘)、细(背景气溶胶)粒子,反演并对比分析了沙尘气溶胶消光系数及质量浓度的垂直分布特征。研究发现,以4月26日为代表的自然沙尘,粒子退偏比垂直廓线均大于30%,质量浓度呈现单峰结构,1.5 km出现最大值(1 070μg·m~(-3));以4月6日为代表的污染沙尘,有明显的气溶胶分层现象,粒子退偏比介于5%～20%,沙尘质量浓度介于2～45μg·m-3;由于局地污染的影响,污染沙尘的质量消光系数(0.79m~2·g~(-1))明显大于自然沙尘(0. 48 m~2·g~(-1))。因此,为了准确评估沙尘气溶胶的质量浓度,对沙尘天气进行分类,并利用粒子退偏比有效分离沙尘气溶胶尤为重要。     

2018年春季北京一次沙尘天气边界层特征及来源分析

2018年3月27-28日,内蒙古中东部、中国东北地区、华北等地出现一次大范围沙尘天气。28日凌晨,沙尘进入北京,受此影响北京出现了严重的污染天气。本文利用中国气象局地面常规观测资料、气溶胶激光雷达、风廓线雷达资料、生态环境部大气成分等资料分析了北京沙尘天气前后边界层特征、沙尘来源以及沙尘天气前后大气污染特征。结果表明：此次沙尘天气期间,北京沙尘气溶胶退偏振比约为0.25-0.40,退偏振比数据显示此次沙尘首先从高空进入北京,比地面提前6 h。此次影响北京的沙尘主要来自于北路,东路沙尘有一定补充;沙尘影响时段,北京Ca、Fe、Na、K、Mn等元素浓度显著升高,与该物质地壳丰度相当,污染物元素Cu、Zn、Pb、Cd、As等浓度有所降低,丰度远大于该物质在地壳中丰度。     

塔克拉玛干沙尘天气的激光雷达探测个例分析

利用偏振微脉冲激光雷达对塔中一次沙尘天气过程进行了监测分析,得到沙尘的空间分布结构、变化过程等信息:(1)偏振微脉冲激光雷达对沙尘天气的探测能够区分沙尘暴和浮尘沙尘天气现象;(2)在沙漠近地面发生沙尘暴时段,各高度层沙尘浓度基本上较高,退偏比在0.3~0.4,而在地面发生浮尘开始时段,在4 500 m以上高度沙尘浓度基本上较高,退偏比在0.3~0.4,而在地面发生浮尘开始和结束时段,在4 500 m以下高度沙尘浓度相对较低,退偏比在0.2~0.3左右;(3)沙漠近地面发生沙尘天气时,高空沙尘浓度也较高且来源于周边,高空较高浓度沙尘的持续时间长于近地面。     

黑龙江省沙尘天气发生的气候背景和预报方法

对2000～2003年黑龙江省较典型的7次沙尘天气过程进行气候条件和地面天气形势分析，并对沙尘天气影响下哈尔滨地区的空气污染状况特别是颗粒物污染进行了分析。结果表明：持续少雨、高温、春季大风是发生沙尘天气的气候条件；沙尘天气发生时，中等以上污染的地面天气形势有高低压同时发展、强低压发展、春季其它类型鞍形场均值区和弱低压内3种类型；在沙尘天气影响下，哈尔滨地区的颗粒污染物浓度迅速上升，形成中、重度污染。建立了未来24h发生沙尘天气的高空及地面预报模型。     

2021年3月中国北方两次强沙尘天气污染特征

为探究沙尘天气发展规律和污染特征,以石家庄和济南为例,基于偏振-米散射激光雷达观测数据和城市颗粒物小时质量浓度等数据,分析2021年3月中国北方发生的两次强沙尘过程(3月15日与27日强沙尘过程,简称“3·15”过程与“3·27”过程)。结果表明：(1)两次过程沙尘入境时,两市PM₁₀质量浓度快速上升,PM_2.5与PM₁₀质量浓度比迅速减小。(2)两次过程期间,两市PM₁₀质量浓度符合正态分布,“3·15”过程石家庄和济南PM₁₀质量浓度高斯拟合的决定系数分别为0.92和0.76,“3·27”过程分别为0.83和0.89。(3)沙尘爆发期,近地面消光系数和退偏比都明显增大。(4)因沙尘沉降和多沙尘源,沙尘传输过程中出现多层结构,可分为近地面沙尘层、低空沙尘层和高空沙尘层。近地面沙尘层出现时间和地面颗粒物质量浓度急剧上升时间基本一致。(5)离地面近且雷达数据质量可靠的195 m高度处,“3·15”过程(“3·27”过程)石家庄和济南退偏比最大分别为0.29、0.23(0.28、0...     

北京秋季一次降雪前污染天气的激光雷达观测研究

以2009年11月5~8日北京地区发生的一次特殊天气形势下的重污染天气过程为例,研究分析本次污染特点和大气边界层结构特征以及此天气过程的大气温度和相对湿度结构特点。激光雷达是探测大气边界层及气溶胶的一个高效工具,利用ALS300激光雷达系统测量信号,应用Fernald方法反演大气消光系数,根据反演的气溶胶消光系数的最大突变,即最大递减率的高度来确定大气边界层的高度。利用其观测的退偏比分析大气污染物特性。利用微波辐射计数据,确定大气温度和湿度时空特征。研究结果表明:在本次污染天气下,大气具有很强的逆温结构,逆温最大可达近1 K(100 m)-1,500 m以上的大气相对湿度很低,在这种天气特征下的大气边界层高度在400 m左右,非常稳定。污染结束降雪开始前,大气逆温结构消失,大气湿度大幅度增加,接近饱和。根据lidar(light detection and ranging)退偏比的分析,本次污染天气是一次典型的烟尘类颗粒物的污染,污染具有区域性特点。PM2.5(空气动力学当量直径小于等于2.5μm的颗粒物)与AOT(Aerosol Optical Thickness)之间有明显的线性关系,相关系数达到0.72。该lidar系统能够反演出秋季降雪前本次污染天气背景下北京城区上空的大气污染特性和大气边界层高度。     

宁夏典型沙尘天气条件下气溶胶分布特征研究

利用2006-2010年期间云—大气气溶胶激光雷达红外探索卫星(CALIPSO)星载激光雷达(CALIOP)数据和宁夏地区常规气象观测资料,分析研究了典型沙尘天气条件下宁夏地区大气气溶胶光学性质的分布特征。结果表明:CALIPSO资料能有效地反映宁夏地区沙尘气溶胶相关特性的垂直分布特征。在沙尘天气下,处于贺兰山背风坡海拔较高区域的沙尘可以被抬升到对流层中层以上,近地层大气中主要以粗粒子为主,不规则的非球形气溶胶随着高度的增加而增加,高层大气中以波长比在0.4~2.0之间的粗粒子为主、退偏比在0.4以上的不规则非球形气溶胶在7 km、10 km左右高度出现极大值,这与沙尘天气下湿度垂直分布廓线相一致。在晴空天气条件下,退偏比均在0.2以下,波长比主要在0.2~0.4之间,且两者出现频率随高度的变化较小。在沙尘天气下宁夏地区气溶胶光学厚度主要分布在0.60~2.00之间,晴空天气下主要分布在0.33~0.43之间。     

一次浮尘过程气溶胶光学特性及其辐射效应的研究

利用激光雷达对2006年6月17日出现浮尘天气进行观测,反演分析浮尘天气气溶胶消光系数特征,并将其消光系数放入LOWTRAN模式中模拟了大气长波冷却率。结果表明:浮尘刚出现时沙尘的消光系数较小,其峰值在地面附近,相应光学厚度也较小。浮尘发展时沙尘的消光系数增大,沙尘粒子慢慢从地面上升至高空,边界层高度达1 500 m左右,边界层内部沙尘气溶胶充分混合,消光系数趋于一致,光学厚度最大达0.41;17日浮尘期间(19:00—23:00),2 200 m以下20:00 h和21:00 h冷却率较其它时刻大,这两个时刻的沙尘浓度也较大;有浮尘时长波冷却率较无浮尘时增加,最大增加值在2 250 m的高度层达到0.04 K/h。      

大连一次沙尘天气的遥感研究

利用中韩合作沙尘暴监测项目的微脉冲激光雷达（micro pulse lidar,MPL）观测了2005年11月6日影响大连的一次沙尘天气过程。MPL观测发现,影响大连的沙尘气溶胶层位于1～2km高度,厚度达1km,层内最大消光系数高达1．08km^-1,占整层气溶胶光学厚度（aerosol optical depth,AOD）的47％,接触到地面后可使地面消光系数达到0．23km^-1。沙尘气溶胶层与气象要素的垂直分布密切相关,整层的相对湿度很低。沙尘气团影响时地面空气动力学直径小于10μm的粒子质量浓度（PM10）达到峰值1678．9μg·m^-3,PM10的时间变化与MPL反演的近地面消光系数相当一致．两者之间的转换系数在1．94到6．50mg·m^-3·km^-1之间.     

华北地区气溶胶垂直分布特征的观测与分析

利用2006 2013年CALIOP激光雷达Level 1B数据的气溶胶衰减后向散射系数、退偏比和色比观测,分析了华北地区大气气溶胶光学特性的垂直分布特征。统计结果显示:2010-2013年,华北地区4-8 km高度范围内衰减后向散射系数均值呈减小的趋势,而0-4 km高度范围内衰减后向散射系数均值呈增长趋势。说明2010年以后近地面层(0-2 km)气溶胶散射作用逐渐增强,高层(4-8 km)气溶胶散射作用逐渐降低,这与近年华北地区霾天气(颗粒物主要聚集在近地层)日趋增加、沙尘天气(沙尘气溶胶层经常存在于4-8 km的范围)有所减少相吻合。20062013年,华北地区冬季0-4 km高度范围内衰减后向散射系数均值最大,近地面层气溶胶散射作用最大,这与该地区冬季取暖燃烧排放增加有关。春、秋两季4-8 km高度范围内衰减后向散射系数均值较大,夏季0-8 km各高度范围内衰减后向散射系数均最小,说明春、秋季节的气溶胶散射贡献主要来自4-8 km的对流层上部大气。春季对流层上部的高后向散射系数与华北地区春季频发的沙尘天气有关,秋季对流层上部的高后向散射系数与华北收获季节的生物质燃烧有关。2008年以后,华北地区2-8 km范围内各高度层的退偏比均值逐年减小,这说明规则的球形气溶胶粒子在近几年有所增加。0-4 km范围的低层大气,2009年后色比均值缓慢增加。而6-8 km范围内的色比均值从2008年后一直都是减小的,说明2008年后对流层上部大气(4-8 km)气溶胶粒子的尺度在减小,这也与近几年沙尘天气减少、霾天数增加的现象是一致的。0-8 km各个高度范围内的退偏比和色比均值春季最大,且退偏比随着高度的增加而增加,再次证明春季华北受沙尘天气影响,不规则的粗粒子气溶胶最多。夏、冬季节近地面层(0-2km)退偏比和色比均值略大于2-4 km高度层的,夏、冬两季近地面主要以人为活动排放的气溶胶为主,冬季除了汽车尾气排放和工业排放外,还有取暖增加的排放。近地面层易受人为活动影响混合一些不规则气溶胶。     

一次环境大气重污染过程的监测分析

针对2015年12月17—27日出现的区域性重污染天气过程,根据布设在污染中心邢台市的脉冲偏振激光雷达和地基多通道微波辐射计数据,分析了污染过程中气溶胶消光系数、逆温层、水汽含量等的变化,利用Hysplit模式分析了气团后向轨迹。结果表明:此次重污染天气过程主要受局地气象扩散条件变化所致,稳定的高空大气环流和地面均压场是出现环境重污染事件的背景场,100 m高度上的气团对污染物累积和区域输送起到了主要作用;消光系数与细颗粒物PM2.5质量浓度和水汽压的相关系数分别为0.8622和0.7421,随PM2.5质量浓度和水汽压的升高,消光系数增加明显,由PM2.5质量浓度和水汽压建立的消光系数回归方程(R2=0.8811)可以很好的表征消光系数的实际变化;逆温强度在污染发展阶段达到最大,水汽含量在污染加重阶段达到最大,污染缓解阶段的逆温强度和水汽含量则出现明显的下降。     

成都夏季气溶胶消光特性研究

本文利用成都2017年6~8月的米散射微脉冲激光雷达观测数据,对成都夏季气溶胶消光系数、边界层高度以及气溶胶光学厚度进行了反演,并结合太阳光度计观测资料、地面颗粒物浓度以及大气能见度数据研究了气溶胶消光系数日变化与月变化规律,气溶胶消光系数的垂直分布特征及影响因素。结果表明:气溶胶消光系数的日变化受人类活动以及边界层日变化影响显著,表现出凌晨与傍晚最大,早晨次之,午后最小的特征。消光高值出现在200m以下和300~700m的高度区间,夜间观察到的消光高值可能与颗粒物在夜间近地面浓度较高以及本地夜间降水频发有关。激光雷达反演的消光系数与光度计反演的气溶胶光学厚度在夏季各月的表现一致,夏季各月消光极值均出现在100~150m的近地面层。近地面消光系数与地面颗粒物浓度之间具有较好的正相关,并且粒子粒径更小时相关性更好。气溶胶光学厚度主要来自低层大气的贡献,0.1~0.2μm的细粒子气溶胶占比对于大气消光有主要影响,但气溶胶对大气的消光影响除了与粒子浓度有关,还与粒子的理化性质有关。      

恒河流域和蒙古国南部AERONET站沙尘气溶胶光学物理特性对比分析

沙尘气溶胶作为气溶胶的重要类型之一,对全球和区域水分循环以及亚洲季风系统有着重要影响.利用气溶胶自动观测网(AERONET)印度Kanpur和蒙古国Dalanzadgad两个站点数据,采用阈值法提取了沙尘和人为气溶胶信息并进行了对比分析.结果表明,Kanpur站受印度夏季风影响较大,沙尘气溶胶和人为源气溶胶的排放具有叠加效应,远源输送可能是Kanpur站沙尘气溶胶的主要来源.Dalanzadgad站受东亚夏季风影响较小,春季大风带来了大量的沙尘,这可能与大风天气和植被覆盖度低等因素有关,是春季气溶胶光学厚度显著升高的主要影响因素之一,沙尘具有局地起源特征;在其他时段,人为源气溶胶是当地大气气溶胶的主要来源,但总排放量相对较低.此外,Kanpur站所在的恒河流域大气颗粒物绝对含量远远高于Dalanzadgad所在的蒙古国南部地区.在沙尘天气中,两站颗粒物的光学物理特性相似.     

北京地区春末-秋初气溶胶理化特性的观测研究

分析了1997年5～9月和1998年4～9月北京整层大气气溶胶光学厚度、近地面气溶胶粒子数浓度的日变化、季节变化及其与气象要素的关系,还分析了 1997年5月16日、7月21日和8月2日收集的北京单个气溶胶粒子样品的形态、大小和化学元素组成.结果显示,北京地区春末-秋初整层大气气溶胶光学厚度在0.1～1.6之间变化;气溶胶数浓度(D>0.3μm)为几～几百个/cm3;整层大气气溶胶光学厚度的日变化型式与近地面气溶胶数浓度呈现相反的走向;气溶胶光学厚度和数浓度的日、季节变化显示了整层大气和近地面大气气溶胶与该地区气象、气候条件的关系.气溶胶数浓度与大气相对湿度呈正相关,与风向的关系是偏东风数浓度大,西、西南风数浓度小.电子显微镜分析的结果表明:颗粒物的形态以不规则形、丸形、液态滴形和方形为主;颗粒物化学元素组成有Si、K、S、Al、Mg、Ca、Fe等元素;人类活动排放的Zn、P、Ti、pb、Ba等元素也探测到;北京近地面粒子的一个显著特点是富含Ca和K元素,它们可能分别来自建筑粉尘和有机物的燃烧;给出了一个典型的碳黑粒子和一个粒子经过凝结过程的"卫星"滴环绕的矿物粒子的照片和元素谱图.     

北京冬季雾霾事件的气象特征分析

利用观测的气象要素和细颗粒物(即PM2.5)浓度资料,并结合中尺度数值天气模式WRF(Weather Research and Forecasting Model),对2013年1月北京地区雾霾污染期间天气条件和边界层气象特征进行了分析。模拟与观测对比表明,WRF模式可以较好地反映北京—天津—河北地区地面和高空主要气象要素的时空分布。对1月10~14日、27~31日两次重雾霾天气的分析表明,雾霾的形成是高浓度的大气颗粒物和特殊的气象条件共同作用的结果。小风或静风、稳定的大气层结,使大气扩散能力减弱,造成污染物堆积,偏南气流将周边污染物和水汽输送到北京,不仅增加了污染物浓度,而且有利于气溶胶吸湿增长,消光增强,使能见度下降,进而形成雾霾。     

2010年辽宁一次沙尘天气过程的气象因素及污染特征

利用常规气象观测资料以及环保监测数据,对2010年4月8日辽宁沙尘天气过程的高低空天气形势和主要气象要素进行探讨,并对沈阳地区的空气污染状况进行分析。结果表明：沙尘天气过程主要是受贝加尔湖地区东移冷空气和蒙古低压的共同影响,强大的蒙古气旋造成地面强变压导致地面风速加大,是形成沙尘天气的动力因子;沙尘天气来临前后,风速、能见度和湿度等发生急剧变化;在沙尘天气影响下,沈阳地区的PM10浓度迅速上升,而大风等有利的扩散条件,造成黑碳、气态污染物SO2和NO2浓度出现不同程度的下降。     

基于激光云高仪的北京沙尘气溶胶特征分析

利用激光云高仪对2015年春天北京沙尘天气过程进行连续观测,结合常规地面气象要素、能见度和PM_(10)颗粒物质量浓度变化分析了两次沙尘天气过程中浮尘、扬沙和沙尘暴三类天气现象时气溶胶后向散射系数的时空分布特征,分析了云高仪后向散射系数与PM_(10)颗粒物质量浓度的相关性。结果表明:激光云高仪能够监测沙尘气溶胶粒子的时空变化,扬沙和沙尘暴期间后向散射系数随高度的增加而减小,后向散射系数在0.005 km~(-1)·srad~(-1)以上的沙尘层厚度约500 m;云高仪的近地面大气后向散射系数变化趋势与PM_(10)颗粒物浓度变化相同,10、50和100 m高度上的后向散射系数与PM_(10)颗粒物质量浓度的相关系数均在0.82以上。