我国东部夏季一次强对流活动过程中对流层上部大气成分变化的分析

利用星载微波临边遥感探测结果,对2006年6月28～29日江淮地区的一次强对流天气过程中对流层上部一氧化碳 (CO) 、臭氧 (O₃) 、水汽 (H₂O) 和冰水含量 (IWC) 的分布特点进行了研究.强对流天气过程前后的对比分析表明,CO混合比增大,在200 hPa处增加了0.12 ppm (1 ppm=10-6);O₃混合比减小,在70 hPa处减少了0.30 ppm;H₂O混合比在250 hPa处增加了400 ppm;IWC在强降水发生之前有大幅增长,在200 hPa处最大含量可达0.03 g/m3.CO和O₃含量与垂直运动速度两者的相关变化表明,对流垂直输送作用可能是造成对流层上层和平流层低层大气成分变化的机制之一.而H₂O和IWC含量的增加主要局限于对流层顶以下,这表明对流层上部水物质的质量和形态是由垂直输送作用和对流系统内部的微物理过程共同决定的.     

闪电产生氮氧化物对青藏高原臭氧低谷形成的影响

为了进一步了解青藏高原闪电的产生氮氧化物（LNO_x）经由光化学反应对O₃浓度变化及夏季O₃低谷形成的可能影响,本文利用2005~2013年由OMI卫星得到的对流层NO₂垂直浓度柱（NO₂ VCD）、O₃总浓度柱（TOC）和O₃廓线以及星载光学瞬变探测器OTD和闪电成像仪LIS获取的总闪电数资料,对青藏高原和同纬度长江中下游地区的TOC和NO₂ VCD月均值时空分布特征、闪电与NO₂ VCD的相关性和O₃的垂直分布特征及其与LNO_x的关系进行了对比分析。结果表明,青藏高原的O₃低谷主要出现在夏季和秋季,其TOC值比同纬度长江中下游地区低约10~15 DU（Dobson unit）。青藏高原NO₂VCD总体较小,表现为夏高冬低的分布特征。青藏高原夏季O₃浓度受南亚高压的影响总体呈减小趋势,但因强雷暴天气导致对流层中上部LNO_x浓度升高,并随强上升气流向对流层顶输送,同时通过光化学反应使O₃浓度增加,缩小了青藏高原和同纬度地区的O₃浓度差,减缓了O₃总浓度的下降,抑制了夏季O₃低谷的进一步深化。     

热带深对流云对CO、NO、NOx和O3的垂直输送作用

利用2005年11月至2006年2月ACTIVE (Aerosol and Chemical Transport in tropIcal conVEction) 外场试验期间在澳大利亚北部达尔文地区取得的CO、O3、NO和NOx飞机探测资料, 并结合HYSPLIT后向轨迹模式结果, 分析这几种气体成分在对流卷云砧内外的分布情况, 并探讨热带深对流云对于污染气体的垂直输送作用。分析结果显示, 在孤立对流云卷云砧中, 云砧内部O3、NO、NOx浓度均大于云外; 而CO则不同, 只有在近地面浓度高时才如此, 在近地面浓度较小时, 卷云砧内部的浓度反而小于云外。进一步分析造成这两类气体分布差异的原因, 发现CO主要借助深对流云将对流层下层以及对流云周围环境中的CO夹卷并动力垂直输送到对流云顶部卷云砧中, 而对于O3、NO和NOx来说, 除了上述作用以外, 还可能与对流云内部其他物理机制(如闪电), 造成新的O3、NO和NOx有关, 这些新生气体随着风暴内部强烈的上升气流被最终输送进云砧中。     

华北平原夜间对流性天气对地面O3混合比的抬升效应

2013年6—9月在河北省固城站观测到多次夜间对流性天气伴随地面O₃混合比快速抬升的过程,并引起次日清晨到中午O₃混合比升高。大多数对流过程中,O₃混合比在半小时内升高至60×10-9～80×10-9,同时NO_x等反应性气体混合比下降,θ_se值降低,说明下沉气流将高空气团带到地面,造成了O₃混合比的升高。通过再分析资料得到下沉气团基本来源于对流层中下层,这一结论与当地进行的一次飞机观测结果吻合。多数对流过程中固城站和北京城区地面O₃混合比和θ_se值有相同的变化趋势和程度。根据观测结果,推测华北地区在夏季和初秋时,对流层中下层存在O₃高值区,混合比约为60×10-9～80×10-9。对流性天气对地面O₃抬升的影响区域与对流系统的影响范围有关,可达到中尺度范围。华北地区光化学污染严重,对流性天气引起的地面O₃混合比抬升程度比较强,对环境的影响值得关注。     

东亚区域对流层臭氧及其前体物的季节性关联

利用2010—2012年对流层臭氧（O₃）及其多种前体物的卫星遥感资料和全球水汽再分析资料,研究东亚区域O₃及其前体物的时空分布,以及在中国东部（分为南、北两部分）相关性的季节变化。结果表明:东亚区域NO₂与CO的对流层柱含量均表现为冬季高、夏季低的时空变化形式。O₃对流层柱含量夏季达到峰值,冬季为谷值。中国东部的北部与南部地区O₃与NO₂均在夏秋季呈正相关,冬春季呈负相关。夏季大部分地区NO_x的光化学循环反应对O₃生成有积极的促进作用,冬季大部分地区O₃的光化学循环生成受到抑制。O₃与CO在北部地区夏秋季和南部地区夏季正相关性最大,无论是在北部还是南部地区,O₃与CO的相关性在轻污染情况下最大,而在重污染和背景情况下较小,表明重污染气团向下风方的输送更有利于O₃的光化学生成。O₃与水汽在北部和南部地区的多数时间均呈较显著的正相关性,而在南部地区夏季和北部地区冬季具有较大的负相关性,反映出不同的环流形式、气团来源及伴随的天气条件变化对O₃分布的影响。     

2019年太原青运会期间空气质量评估

为评估太原青运会期间大气污染控制措施对空气质量的改善效果,对青运会会前、会期和会后三个阶段太原市6种污染物浓度的演变及气溶胶在垂直方向上的变化进行了分析。结果表明：青运会期间太原市PM₁₀、PM_2.5、CO、NO₂、O₃较青运会前分别下降30.5%、37.3%、20.2%、18.0%和18.6%,SO₂削减程度不明显。垂直方向上,青运会期间气溶胶消光系数峰值降低24.6%,其中低湿天气下气溶胶消光系数峰值下降46%,高湿天气下峰值下降21.6%,青运会期间大气中PM_2.5在PM₁₀中的占比降低,垂直大气中气溶胶的吸湿增长能力增强。与2017和2018年同期相比,青运会期间PM₁₀、PM_2.5、CO、NO₂浓度均有大幅下降,O₃浓度较近两年同期无显著变化。因此,青运会期间的各项控制措施有效降低了本地颗粒物浓度。     

2009年江苏一次强对流天气过程的遥感监测

以卫星水汽图为主,结合可见光云图、雷达资料和常规天气观测资料,分析2009年6月5日发生在江苏徐州沛县的一次冰雹、龙卷天气,结果表明：卫星水汽图中动力异常区与对流系统的交界处和可见光云图上两个对流云团出流边界处触发的新的雷暴云团区域容易产生龙卷等强对流天气;水汽图上的水汽输送带与可见光云图的对流云系相一致,并且水汽图像特征与导致垂直运动和气流变形场的大尺度天气过程有关系,代表着对流层中上部的动力特征;强对流天气发生在低亮温对流云团中。高时空分辨率的卫星和雷达遥感资料很好地反映了短时强对流天气系统的发展与演变,有效地补充了常规天气资料分析的不足,为短时天气预报提供一种思路。     

我国北方地区对流层中下层臭氧收支

为了揭示我国北方地区对流层中下层臭氧(O₃) 的形成机理以及周边地区的污染输送对我国北方地区对流层中下层O₃收支的影响, 在与外场观测数据比较分析的基础上, 利用全球化学输送模式(MOZART-2) 采用收支分析方法定量分析了影响我国北方地区对流层中下层O₃的各个物理化学过程。结果表明:我国北方地区对流层下层O₃最重要的来源是光化学生成作用, 约占总来源的58.3%(41.5 Tg), 光化学生成反应中HO₂对于O₃生成的贡献最大; 最大的汇是干沉降过程, 约占总汇的43.2%(26.2Tg); 水平净输送作用对我国北方地区对流层中下层O₃收支的影响非常大, 在我国北方地区对流层下层, 41.6%左右的O₃来自水平净输送, 随高度增加, 水平输送影响增大, 我国北方地区对流层中层大约81.5%的O₃来自水平净输送。     

一次右移传播的强对流风暴研究

对1998年6月21日华北平原强对流风暴的天气动力学分析表明, 这次强对流风暴是发生在华北区域出现前倾性阶梯槽形势下, 对流层中、下层的差动温度平流和干暖盖的存在是对流不稳定层结形成和发展以及有效对流能量存储的重要条件;对流层中、低层的西风扰动触发对流云团生成, 而对流云团在明显右移传播过程中不断发展增强, 是与对流云团南侧存在明显的动压垂直加速度、高能暖湿气流的不断输入以及对流云团的合并有关。     

2015—2019年太行山南麓O3浓度特征及其与气象因子的关系

利用2015-2019年太行山南麓(即山西省晋城市)O₃浓度和中国太阳总辐射资料,分析了该地区O₃浓度的时空变化特征,及其与风、相对湿度、降水、雾霾、气温、太阳总辐射等气象因子的关系。结果表明：O₃浓度呈逐年增加趋势,夏季浓度明显高于冬季,月变化为单峰型,峰值出现在6月,谷值出现在1月,日变化白天高于夜间;O₃浓度的空间分布有明显的地域差异,呈现中部和南部高,东西部和北部低的特征,表现出与气候倾向率一致的特性。风速对O₃浓度影响明显,风速小于1.5 m·s^-1时,O₃浓度升高速度快,大于2.5 m·s^-1时,O₃浓度迅速减小;O₃浓度与相对湿度为负相关,峰值出现在相对湿度为30%-70%的区域;不同量级降水对O₃浓度的影响差异较大,中雨时O₃浓度较低,其他量级较高;无降水日O₃浓度明显大于有降水日。有雾霾时O₃浓度明显低于无雾霾天气;O₃浓度与气温具有明显正相关,与太阳总辐射也呈正相关,但是相关性低于O₃浓度与气温的相关性。     

Downward transport and modification of tropospheric ozone through moist convection

This study estimated the largely unstudied downward transport and modification of tropospheric ozone associated with tropical moist convection using a coupled meteorology-chemistry model. High-resolution cloud resolving model simulations were conducted for deep moist convection events over West Africa during August 2006 to estimate vertical transport of ozone due to convection. Model simulations realistically reproduced the characteristics of deep convection as revealed by the estimated spatial distribution of temperature, moisture, cloud reflectivity, and vertical profiles of temperature and moisture. Also, results indicated that vertical transport reduced ozone by 50% (50 parts per billion by volume, ppbv) in the upper atmosphere (12–15 km) and enhanced ozone by 39% (10 ppbv) in the lower atmosphere (<2 km). Field observations confirmed model results and indicated that surface ozone levels abruptly increased by 10–30 ppbv in the area impacted by convection due to transport by downdrafts from the upper troposphere. Once in the lower troposphere, the lifetime of ozone decreased due to enhanced dry deposition and chemical sinks. Ozone removal via dry deposition increased by 100% compared to non-convective conditions. The redistribution of tropospheric ozone substantially changed hydroxyl radical formation in the continental tropical boundary layer. Therefore, an important conclusion of this study is that the redistribution of tropospheric ozone, due to deep convection in non-polluted tropical regions, can simultaneously reduce the atmospheric loading of ozone and substantially impact the oxidation capacity of the lower atmosphere via the enhanced formation of hydroxyl radicals.     

云对云中大气臭氧影响因子的分析

应用一个较详细的气相光化学和液相化学耦合的箱体模式, 研究了云层对云中大气臭氧的影响过程。这一过程可分解为三个因子来考虑： 因子Ａ （云的辐射效应）, 由于云的存在改变太阳光辐射通量, 使得对流层光化学反应减弱或增强, 从而降低或增加臭氧浓度; 因子Ｂ（云的吸收效应）, 云层中液态水对大气臭氧及其前体物 （ＮＯｘ、ＮＭＨＣ、自由基等） 的直接吸收作用; 因子Ｃ（云的液相化学效应）, 吸收进入云中的物质发生液相化学反应从而改变大气臭氧浓度。数值研究结果表明： 上述三因子对云中臭氧浓度影响的程度差别很大, 并且与云层的物理结构有密切关系。讨论了云的吸收及液相化学效应影响臭氧浓度的主要原因     

The vertical transport of air pollutants by convective clouds. Part III: Transport features of different cloud systems

The vertical transport features of gaseous pollutants, with a negative exponent profile of concentration, by dif-ferent types of convective cloud systems are numerically investigated by using a two-dimensional, reactionless convective cloud transport model. The results show that an isolated, weak storm is able to pump pollutant gas out PBL and transport it to the mid-troposphere, whereas a deep, intense thunderstorm can very efficiently transport air pollutants up to the mid and upper troposphere and laterally spread with anvil, forming an extensive concentration surge layer at altitude of ten-odd kilometers altitude. Each type of convective transport results in concentration re-duction in PBL. In a wind shear environment the transport efficiency of deep thunderstorm significantly increases and the pollutants enter into clouds on the downshear side at low-level and spread downwind in anvil layer. On the other hand, for a cumulus cloud with plenty of liquid water, the gas dissolution effect is increased, and the irreversible aqueous reactions, in extreme, may significantly weaken the vertical transports of pollutant gases even with solubility coefficients no more than 103 M atm-1.     

The Vertical Transport of Air Pollutants by Convective Clouds．Part Ⅲ：Transport Features of Different Cloud Systems

ＴｈｅＶｅｒｔｉｃａｌＴｒａｎｓｐｏｒｔｏｆＡｉｒＰｏｌｌｕｔａｎｔｓｂｙＣｏｎｖｅｃｔｉｖｅＣｌｏｕｄｓ．ＰａｒｔⅢ：ＴｒａｎｓｐｏｒｔＦｅａｔｕｒｅｓｏｆＤｉｆｆｅｒｅｎｔＣｌｏｕｄＳｙｓｔｅｍｓＫｏｎｇＦａｎｙｏｕ（孔凡铀）ａｎｄＱｉｎＹｕ（秦...     

深对流云输送对于对流层O3、NOx在分析的作用

利用一个冰雹云模式与云化学输送模块耦合而成的三维对流云化学／输送模式, 研究对流云对重要的大气污染物臭氧 （Ｏ３）、氮氧化物 （ＮＯｘ, 包括ＮＯ 和ＮＯ２） 的输送作用。模式较好地体现了一个单体积云的发展过程及其特征。云化学／输送模式的结果表明, 云内强烈的垂直输送能在３０ ｍ ｉｎ 左右, 把低层低体积分数的Ｏ３和高体积分数的ＮＯ２快速、有效地输送到对流层的上部, 造成化学物种的再分布。而在云顶附近, 由于对流穿透了对流层的顶部,造成了上层高体积分数Ｏ３的向下侵入,说明云的对流活动除了能把边界层内的污染物向上输送, 其夹卷作用还可以造成平流层和对流层化学物质的交换。     

Organization of tropical convection in a GCM with varying vertical resolution; implications for the simulation of the Madden-Julian Oscillation

 Experiments using a GCM with two different vertical resolutions show differences in the amount of variability in the tropical upper tropospheric zonal wind component associated with the Madden-Julian Oscillation (MJO). The GCM with lower vertical resolution shows very little variability in this quantity whereas when the vertical resolution is doubled in the free troposphere, the GCM produces variability which is of the same strength as observations. However, the eastward propagation of an enhanced convective region from the Indian Ocean into the west Pacific is not well represented in either simulation of this atmospheric GCM. A water-covered or “aqua-planet” version of the same GCM is used to investigate the behaviour of tropical convection when the vertical resolution is doubled. When the vertical resolution is increased, the spectrum of tropical cloud types changes from a bimodal distribution with peaks representing shallow cumulus and deep cumulonimbus clouds to a trimodal distribution with a third peak in mid-troposphere near the melting level. Associated with periods when these mid-level congestus clouds are dominant, the detrainment from these clouds significantly moistens the mid-troposphere. The appearance of these congestus clouds is shown to be partly due to improved resolution of the freezing level and the convective processes occurring at this level. However, due to the way in which convective detrainment is parametrized in this model, the vertical profile becomes rather noisy and this too contributes to the change in the nature of the convective clouds. The resulting cloud distribution more closely resembles observations, particularly during the suppressed phase of the MJO when cumulus congestus is the dominant cloud type. Received: 17 April 2000 / Accepted: 30 November 2000     

Responses of Vertical Structures in Convective and Stratiform Regions to Large-Scale Forcing during the Landfall of Severe Tropical Storm Bilis （2006）

The responses of vertical structures,in convective and stratiform regions,to the large-scale forcing during the landfall of tropical storm Bilis(2006) are investigated using the data from a two-dimensional cloud-resolving model simulation.An imposed large-scale forcing with upward motion in the mid and upper troposphere and downward motion in the lower troposphere on 15 July suppresses convective clouds,which leads to ～100% coverage of raining stratiform clouds over the entire model domain.The imposed forci...     

深对流云对不同高度示踪气体层垂直输送的数值模拟研究

采用考虑化学气体传输过程的云模式模拟了2014年7月30日发生在安徽滁州境内一次深对流过程,研究深对流活动对不同高度示踪气体的输送及再分布作用。结果表明,在积云发展阶段,强上升气流使得云内源层示踪气体有效地向上输送,对流层中部强的夹卷过程及水平入流使得云外气体入云输送至主要对流区,并在垂直气流的作用下进一步影响各层示踪气体的分布。各层示踪气体均可向上输送至对流层上部,其中对流层中部示踪气体（2.1~4.5 km、4.5~7.5 km和7.5~10.8 km）的向上输送作用与近地层示踪气体（0~2.1 km）的贡献相当。例如,输送到11~13 km的示踪气体有4.9%来自近地层,6.3%来自2.1~7.5 km。此外,近地层示踪气体可在深对流的水平输送下向云侧边界扩散,将局地污染输送到云外周边地区。源层高度位于2.1~4.5 km的示踪气体可下沉输送至近地层,形成新的局地污染。随着源层高度的抬升,示踪气体向下输送作用减弱,其中对流层上层示踪物（10.8~15 km）无法输送到6 km以下。     

The Vertical Transport of Air Pollutants by Convective Clouds Part Ⅱ：Transport of Soluble Gases and Sensitivity Tests

ＴｈｅＶｅｒｔｉｃａｌＴｒａｎｓｐｏｒｔｏｆＡｉｒＰｏｌｌｕｔａｎｔｓｂｙＣｏｎｖｅｃｔｉｖｅＣｌｏｕｄｓＰａｒｔⅡ：ＴｒａｎｓｐｏｒｔｏｆＳｏｌｕｂｌｅＧａｓｅｓａｎｄＳｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙＴｅｓｔｓＫｏｎｇＦａｎｙｏｕ（孔凡铀）（Ｄｅｐａｒｔｍｅ...