我国霾和光化学污染观测研究进展

霾和光化学污染已成为我国最严重的环境气象灾害,受到政府和公众广泛关注。针对我国的环境气象问题,国内外科研人员开展了大量研究工作,发表了一系列的研究成果。该文对近年来我国霾和光化学污染的观测、分析和影响研究方面的文献进行综述,为将来相关研究提供基础。在霾污染方面,主要回顾了霾的现象与判别、组成与来源、影响霾的气象因素、霾的长期趋势等方面的研究进展。在光化学污染方面,主要回顾了污染的特征与水平、污染的区域化、臭氧垂直分布、地面臭氧影响因素、臭氧污染发展趋势等方面的研究进展。此外,还概括了霾和光化学污染危害研究主要成果,在文献综述的基础上,提出了未来研究中值得关注的几方面问题,包括进一步加强霾和雾的科学判识方法、污染物相互作用、污染-气象-化学-生态间耦合效应研究,特别关注光化学污染发展态势,加强长期观测资料的积累、分析与应用等。     

Monthly Variations of Atmospheric Circulations Associated with Haze Pollution in the Yangtze River Delta and North China

Haze pollution in early winter(December and January) in the Yangtze River Delta(YRD) and in North China(NC)are both severe;however, their monthly variations are significantly different. In this study, the dominant large-scale atmospheric circulations and local meteorological conditions were investigated and compared over the YRD and NC in each month. Results showed that the YRD(NC) is dominated by the so-called Scandinavia(East Atlantic/West Russia)pattern in December, and these circulations weaken in January. The East Asian December and January monsoons over the YRD and NC have negative correlations with the number of haze days. The local descending motion facilitates less removal of haze pollution over the YRD, while the local ascending motion facilitates less removal of haze pollution over NC in January, despite a weaker relationship in December. Additionally, the monthly variations of atmospheric circulations showed that adverse meteorological conditions restrict the vertical(horizontal) dispersion of haze pollution in December(January) over the YRD, while the associated local weather conditions are similar in these two months over NC.     

Intensified haze formation and meteorological feedback by complex terrain in the North China Plain region

The North China Plain has been suffering from severe haze pollution in the past few decades. In addition to rapid urbanization and intensive anthropogenic emissions, the complex terrain in this region greatly influences the atmospheric circulation, thereby weakening the ventilation of air pollutants. Nevertheless, the vertical responses of surface-emitted pollutants to the gradient of the terrain and its impact on secondary aerosol formation, as well as its interaction with boundary layer meteorology, have not yet been fully understood. Here, in-situ observations and satellite retrievals together with meteorology–chemistry coupled modeling are integrated to shed light on the terrain effects on atmospheric chemistry and its interaction with physical processes. It is found that the blocking effect of the terrain can result in haze accumulation over the plains and updrafts of pollution along the mountains. Long-term averaged PM_2.5 concentrations show that nearly 70% of plain stations exceeded 75 µg m⁻³, compared with only 12% of high-altitude stations. In the highly polluted month of January 2018, the pollution layer was simulated to be elevated to an altitude of over 2 km. A higher oxidizing capacity in the upper boundary layer tends to accelerate secondary aerosol formation. Furthermore, the elevated pollution layer and the intense secondary formation due to the terrain effects jointly enhanced the aerosol–boundary layer interaction, weakening the vertical dispersion and further deteriorating the air pollution. This study highlights that there are intensified interactions between atmospheric chemistry and physics near complex terrain, which may substantially contribute to haze pollution in China.摘要华北平原地区冬季雾霾污染频发, 本研究结合地面观测, 卫星反演和大气动力-化学耦合模拟发现, 该地区复杂地形加剧了细颗粒物污染及其与大气边界层之间的相互作用. 一方面, 复杂地形导致污染在山麓平原积聚, 加强迎风坡上升气流. 在污染事件中, 污染层易被抬升至1–2公里高度, 高空较强的氧化能力利于二次气溶胶生成; 另一方面, 地形导致的污染层抬升和二次生成进一步加强气溶胶-边界层相互作用, 削弱垂直扩散并加剧近地面大气污染.     

灰霾数值预报系统对不同天气型过程数值模拟分析

利用2010年南沙气象探测基地灰霾观测资料,采用灰霾数值预报系统对不同天气型灰霾过程进行数值模拟,研究珠三角地区空气污染的主要控制因子和主要污染成分及不同天气系统影响下各种排放源对珠三角地区的污染贡献。结果表明：灰霾数值预报模式模拟值与实测值趋势基本一致,除个别极值外,模拟结果能较好和定性的反应珠三角地区各污染物浓度变化,是适合珠三角地区的灰霾数值预报系统。在易出现灰霾月的变性高压入海型和不易出现灰霾月的热带气旋外围下沉气流控制时,各污染物浓度均较高,特别是PM₁₀、PM_2.5、元素碳EC（Elemental Carbon）、有机碳OC（Organic Carbon）和CO浓度尤其明显。在易出现灰霾月冷空气南下时和不易出现灰霾月无明显天气系统影响时,元素碳EC、有机碳OC和CO浓度较低,其他污染物浓度接近零。无论是否出现灰霾,相对于空气中的其他污染物,元素碳EC、有机碳OC和CO浓度均较高,说明在珠三角地区碳污染较重。     

沿海工业城市灰霾天气增多与海盐气溶胶粒子的关系

我国28年前在粉尘污染时代建立的空气质量评价体系,已经远远不能描述新型复合空气污染类型,尤其是不能描述细粒子污染的情况,能见度（vis）的恶化主要与细粒子的质量浓度关系比较大,而与气溶胶的质量浓度关系不大。vis与PM2.5,尤其是PM1有非常好的关系,因而目前用vis来描述灰霾天气是最好的指标。2008年珠三角灰霾的减少与大气环流形势有关,东亚环流径向度较大,冷空气影响岭南地区较为频繁;与2008年下半年爆发的金融海啸引发的加工业开工不足、物流减少亦有关联;另外各级政府对大气环境的治理收到成效也是灰霾天气减少的重要原因。尤其值得注意的是沿海工业城市灰霾天气增长较快,沿海工业城市灰霾天气增多与海盐气溶胶粒子的氯损耗机制关系密切。     

大城市气溶胶对光化辐射通量及臭氧的影响研究(Ⅱ)——数值试验分析

城市化已引起大量痕量气态污染物、气溶胶以及臭氧前体物的人为排放,从而引起区域大气化学循环的扰动变化。在分析国内外研究现状与观测实例的基础上,进一步用辐射模式与化学模式研究了气溶胶对到达地面的光化辐射通量以及臭氧形成的影响,表明气溶胶可显著减小到达地面的光化学辐射通量,减缓光化学反应进程,并进一步抑制臭氧的形成;在目前广州等大城市的污染过程中,高浓度的气溶胶可造成光化学辐射通量衰减高达70%~80%,紫外线的衰减比可见光更明显,在可见光波段随波长增大衰减幅度减小,气溶胶层的存在对短波长激发的光化学过程的影响更加显著。分析说明城市污染大气中光化学反应的生成物与反应物之间存在自抑制过程,在目前的城市群复合污染情况下,气溶胶与臭氧之间的非线性相互作用值得关注。     

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。     

近几年我国霾污染实时季节预测概要

近些年,中国东部经历了严重的霾污染,对人体健康、交通安全、生态系统以及社会经济有巨大的危害。在1周以内的霾污染预报之外,季节尺度的霾污染预测可以给减排治污措施的制定提供更长时间尺度的科学支撑。本文以年际增量为预测对象,选取前期外强迫因子为自变量,分别针对京津冀和长三角区域建立逐月的冬季霾日数季节尺度预测模型,并开展了实时的季节预测。总体来看,京津冀和长三角区域预测模型的性能大体处于相似的水平,均方根误差在2 d左右,对距平符号的捕捉率在80%以上,对霾日数变化的长期趋势具有很好的再现能力。在2016/2017年冬季京津冀霾日数实时预测中,模型预测的结果相对于常年值的定性结论全部准确,相对于前一年污染状况的结论大多数准确。在2017/2018年冬季长三角霾日数实时预测中,12月和1月的预测误差较小,2月的预测误差在2 d左右。     

珠江三角洲区域大气输送和扩散的季节特征

根据1985—2004年NCEP/NCAR再分析资料,采用HYSPLIT扩散模式和虚拟源方法,模拟分析了珠江三角洲大气污染物的空间和时间分布状况,初步讨论了珠江三角洲大气输送和扩散的季节特征,及其长期变化趋势。结果表明:珠江三角洲大气的输送和扩散有明显的季节变化特征,春、夏季大气污染物汇聚区位于珠江三角洲的西北侧,秋、冬季位于偏西侧;春、夏季的汇聚区明显强于秋、冬季。春、夏季大气分别向珠江三角洲西北和偏北方向的山区输送和扩散,而秋、冬季则沿着较为平坦的粤西海岸,向西南偏西方向输送和扩散。秋、冬季大气污染物的滞留时间明显比春、夏季短。1985—2004年大气输送和扩散能力存在年际差异,其中以2004年的输送和扩散能力最弱、1996年最强。     

Preface to the Special Issue on Atmospheric Oxidation Capacity,Ozone,and PM_(2.5) Pollution: Quantification Methods,Formation Mechanisms,Simulation, and Control

正The atmospheric oxidation capacity(AOC) is the essential driving force of atmospheric chemistry in forming complex air pollution, which determines the removal rate of trace gases and the production rates of secondary pollutants. The processes and rates of species being oxidized in the atmosphere thus constitute the key factors to quantify the AOC. Currently,     

最近40年中国雾日数和霾日数的气候变化特征

根据1971～2010年567个中国地面观测站点的雾日数和霾日数资料,分析了我国雾日数和霾日数的空间分布、季节变化以及年代际变化特征,并且利用REOF（旋转经验函数正交）分解对雾日数进行气候区划。结果表明：（1）雾主要分布在东南沿海地区、四川盆地地区、湘黔交界、山东沿海以及云南南部等地区。霾主要集中于华北、河南以及珠三角和长三角地区。（2）在季节变化上：秋、冬季雾和霾的分布大于春夏。（3）雾日数和霾日数年代际变化明显,雾日数在20世纪70至90年代较多,20世纪90年代以后减少;霾日数自2001年以来急剧增长。（4）雾日数可以共可分为10个区,其中华北区、川渝区以及长江中下游区是雾出现频率较高的几个重点区域。     

ATMOSPHERIC BOUNDARY LAYER CONCEPT MODEL OF THE PEARL RIVER DELTA AND ITS APPLICATION

Based on the geographical circumstance, climate and the boundary layer meteorology features of the Pearl River Delta, a boundary layer concept model of the Pearl River Delta was built. The concept model consists of four fundamental factors that affect the boundary layer meteorology of the Pearl River Delta and can convincingly explain the reason of the air quality change in the Pearl River Delta. The model can be used to the diffusion capability analysis, the air pollution potential forecasting or haze forecasting, etc.     

Construction and Characterization of an Atmospheric Simulation Smog Chamber

Currently, air pollution in Beijing has become a complex problem with two types of source pollutants： coal smoke and photochemical smog. Furthermore the maximum hourly mean concentration of O3 increases continuously, especially in the summer. In order to simulate the photochemical reaction, develop an air quality simulation model and further improve the air quality of Beijing, a precisely temperature-controlled, indoor, smog chamber facility was designed and constructed at Tsinghua University. Characterization experiments have been carried out to acquire the basic parameters of the smog chamber, such as the wall loss rates of NO2, NO, O3, C3H6 and particulate matter （PM）, the intensity of ultraviolet （UV） light in the chamber, the reactivity of the purified air and the reproducibility of the experimental results. The results indicate that the facility performs up to specifications, and can meet the demands required for simulating the photochemical reaction. The effect of high primary contaminated PM on the formation of ozone and secondary organic aerosol （SOA） is under investigation.     

自贡市一次重雾霾过程天气特征及高发原因分析

目前中国存在四个雾霾严重的地区,分别是京津冀地区、长江三角洲、珠江三角洲和川渝一带,而自贡市是四川雾霾最严重的区域,研究自贡雾霾高发原因十分必要。文章以2005～2016年自贡地面观测数据为基础,以2017年12月21日～2018年1月3日自贡持续性雾霾天气过程为例,借助空气质量数据、地面气象要素、高空观测数据,分析了地形、气象因素与环境污染之间的关系。结果表明:当自贡为偏东偏北气流时,污染物在风的输送作用下易在山前的平原地区汇聚,再加上四川盆地南部易形成气旋式流场使大气污染物难以远距离扩散输送并形成涡旋,自贡恰处于污染物滞留中心区,造成市区污染物累积浓度升高。自贡受到本身地理位置和自然气候特征的限制,气象条件先天不足,大气环境承载力低,大气自净能力不强,容易出现雾霾。      

2017年冬季北京霾日极少的大尺度气候和环流背景:兼论“霾气候”预测研究

近年北京霾问题受到广泛关注。2017年冬季北京霾日显著偏少,同样令人瞩目。Pei等2018年提出一种影响北京持续性霾事件多寡的大尺度气候和环流背景机制,指出西北太平洋关键区（K区）海表温度距平起重要作用。文中据此对比分析2017和2016年冬季情形发现:2016年冬季K区偏暖,东亚冬季风系统偏弱,华北地区多异常偏南风距平,低层大气偏稳定,导致霾日偏多;而2017年情形恰好相反。这说明北京霾也受制于大尺度气候异常。进而简述现有研究存在的问题,就如何推进“霾气候”预测研究提出若干建议。      

近50年中国霾年代际特征及气象成因

根据1961-2013年全国745个国家基准站的长期观测资料,分析中国霾日数年代际变化特征及可能的气象成因。结果表明:近50年来,中国霾天气主要集中在东部从华南到华北的大部分地区,霾日数呈增加趋势。秋冬两季是霾天气发生最频繁、变化最明显的两个季节。中国东部淮河以南地区秋冬两季霾日数在2000年前呈增加趋势,其后增加趋势变得较为平缓,20世纪90年代前霾日数与近地面风速呈显著负相关关系,90年代后则与大气相对湿度呈显著负相关关系,随着90年代前近地面风速减小和90年代后大气相对湿度降低,该区域霾日数表现出明显的增加趋势。中国东部从淮河到华北大部分地区秋冬两季霾日数1980年后增加趋势变得不明显,这可能与该区域近地面风速和大气相对湿度的变化趋势较为平缓有关。     

中国主要城市群在灰霾污染下的近地面风场特征

利用2015—2016年全国PM_(2.5)质量浓度站点资料及CCMP(Cross Calibrated Multi-Platform)风场再分析资料,对中国华北、长三角、珠三角以及四川盆地主要城市在PM_(2.5)污染下的近地面风场及其影响进行统计分析。结果表明:(1)近地面风速与PM_(2.5)质量浓度表现为负相关,低风速有利于PM_(2.5)的积累,但是该相关关系并不完全显著,体现出"冬强夏弱"的季节性差异;(2)不同地区PM_(2.5)质量浓度对不同风向的反应不同,华北地区在偏南风主导下PM_(2.5)质量浓度较高,长三角则是在偏西风主导下PM_(2.5)质量浓度较高,而珠三角地区冬季PM_(2.5)质量浓度较高,主导风向为偏北风;(3)通过分析地面散度场发现不同地区主导的污染类型不同,华北地区、长三角以及珠三角污染类型主要为区域性污染,四川盆地主要为局地型污染。     

四川盆地大气气溶胶污染时空变化的地形影响研究进展

四川盆地作为我国一个特殊的大气气溶胶污染区域,亟待厘清其大气污染时空变化与独特盆地地形影响相关机理。本文综述了近年来一系列相关研究成果,包括:（1）揭示了四川盆地大气环境变化中大地形影响作用,青藏高原东侧区域气溶胶空间分布“避风港”效应,以及大地形热力强迫对盆地空气质量变化的“气候调节”影响; （2）探明了四川盆地大气边界层结构对大气气溶胶变化的影响,冬季重霾期间大气边界层垂直结构变化特征及其相关PM_2.5物理化学特性;（3）明晰了大气气溶胶在四川盆地暴雨过程中的重要作用机理,以及四川盆地气溶胶高污染分布导致的降水分布型态的气候变化。这些研究提升了四川盆地气溶胶污染形成机理及大地形对大气环境变化影响效应的科学认识,并表明未来应该深入研究四川盆地地形背景下独特大气边界层结构,人为与自然源排放和环境大气物理-化学过程变化。      

2017年冬季长沙一次重度霾污染天气过程气象成因分析

利用空气质量监测资料、常规气象资料,根据气象条件的水平和垂直扩散能力,以及地面湿度和动力条件等分析了2017年1月27—29日长沙地区这次严重空气污染事件的污染特征。结果表明:污染发生时段,南支槽不断加深东移,槽前势力强盛的西南气流将孟加拉湾一带的水汽向长沙地区输送,进一步增加了该地区的空气湿度。同时,持续东移的脊前暖平流对长沙中低层大气增温有显著影响,为稳定的大气层结创造了有利条件。长沙处于弱高压的底后部,受大范围的弱鞍型场及均压场控制,地面有暖倒槽发展,且由于高压较弱,导致地面和低空的风速较小,不利于污染物的水平扩散,同时有利于夜间地面的辐射降温。稳定的大气环流形势为霾天气和严重污染提供了持续稳定的大气环境场,逆温结构和稳定温度层结在一定程度上减弱了大气在垂直方向上的湍流交换和热力对流,大气中的污染颗粒不易扩散,为此次污染事件的维持、加剧提供了重要的气象条件。长沙地区处在罗霄山脉和雪峰山脉之间的湘江故地,受周边地形阻挡的影响,污染物在下沉气流的控制下聚集到长沙地区后,很难通过水平输送离开,这也是造成此次霾污染的原因之一。     

中国中东部冬季霾日的形成与东亚冬季风和大气湿度的关系

利用1961-2013年中国地面台站长期观测资料和同期NCEP/NCAR再分析资料,以华北、江淮和华南为研究区,分析了中国中东部冬季霾日的形成与东亚冬季风以及大气湿度的关系。结果表明:(1)冬季霾日与东亚冬季风强度成显著的负相关。首先,东亚冬季风强度的减弱使得地面风速减小,进而导致冬季霾日增多。其中,华北7-8 m/s最大风速日数和江淮6-8 m/s最大风速日数的减少,及华南≤2 m/s最大风速日数的增多对各区冬季霾日的增多作用较大。其次,东亚冬季风减弱引起冬季气温的持续升高,易导致冬季霾日的增多,这在华北地区较之在江淮和华南更为明显。(2)由于气候变暖,冬季气温升高,使得近地面相对湿度减小。在江淮和华南地区,冬季霾日的增多与近地面相对湿度的减小显著相关,而在华北地区这种相关较弱。(3)冬季气温升高也有利于大气层结稳定度的增强,3个区域冬季霾日的增多均与大气层结稳定度的增强显著相关,特别是与对流层中低层(850-500 hPa)大气饱和度的降低显著相关。(4)冬季霾日数变化与区域水汽输送关系密切。其中,华北地区的冬季霾日数与水汽总收入成显著正相关,江淮地区与纬向水汽收入成显著正相关,与经向水汽收入成显著负相关,华南地区与经向水汽收入成显著负相关。