1961—2017年华北区域大气自净能力变化特征及其影响因素分析

基于华北区域80个国家地面气象观测站资料,采用大气自净能力指数(ASI)分析了1961—2017年华北区域大气自净能力的气候分布特征及长期变率;用MK和MT法及Morlet小波对ASI进行了突变检验和能量谱分析;结合ASI的REOF空间载荷场分布特征,将华北区域进行分区,并研究了气象要素与华北区域及各分区的可能联系;对于大气自净能力较低的Ⅳ区,选择近年污染相对严重的部分城市（石家庄、保定和唐山）,对比了ASI与污染气象条件及不同级别AQI天数占比情况。结果表明:年、季尺度的大气自净能力在京津冀和山西大部、内蒙古东北部等区域呈现出较低的气候值,在内蒙古中部等其他地区呈现出相对较高的气候值,大气自净能力在季节尺度上呈现出从春季到冬季逐渐下降的变化趋势;区域变暖背景下,冬季风环流减弱,天气过程频率和强度减弱,地面风速随之降低,导致ASI降低;研究区域的ASI与混合层高度、地表通风系数、良和轻度级别天数占比均呈现出同相月变化,而与静稳天气指数、重度和严重级别天数占比呈现出反相月变化规律。根据风速和气温对大气自净能力的影响规律,推测未来大气自净能力很可能进一步降低,因此建议地方政府进行适当的大气污染减排和区域产业升级,有利于控制未来的空气污染形势。      

2008—2018年黑龙江省大气自净能力变化特征分析

利用2008—2018年黑龙江省33个观测站的定时观测气象资料,按照国标《大气自净能力等级》（GB/T34299—2017）,分析了黑龙江省大气自净能力时间、空间的变化特征,并以省会城市哈尔滨为例,结合逐日空气质量指数（AQI）数据,分析了大气自净能力与AQI的关系。结果表明：2008—2018年黑龙江省平均大气自净能力指数为12.6×10⁴ km·a^-1,整体呈上升趋势,2015年以来大气自净能力明显增强。春季大气自净能力最高,秋季次之,冬季最低;空间分布大致呈北低南高分布,包含二、三级两个级别,春季全省各地均处于第二级别,有利于对大气污染物的清除,冬季漠河处于第五级别,不利于对大气污染物的清除;哈尔滨市冬季AQI与大气自净力指数呈显著负相关,考虑了通风量和雨洗作用的大气自净能力与AQI关系密切,直接影响着空气质量状况。     

ERA5再分析云量在大气环境评估中的适用性研究

以河北省7个国家级气象站为例，利用1979—2013年ERA5云量和地面实测云量数据，依国标推荐法计算混合层高度，通过公式推导出通风量和大气自净能力指数，比较两套数据的计算结果，对ERA5再分析云量在大气环境评估中的适用性进行了研究；采用ERA5云量计算2013年3月至2021年2月的大气自净能力指数，对其与PM2.5浓度之间的关系进行分析。结果表明：①两种云量资料计算的月平均混合层高度、通风量和大气自净能力指数的相对误差近似符合正态分布，主要集中在0～5%；各月混合层高度：相对误差＞通风量＞大气自净能力指数，相关性则相反。秋冬季的相对误差（相关系数）大都低（高）于春夏季，邢台、石家庄和保定的误差明显小于其他站。②利用两种云量数据计算的大气自净能力指数的多年平均相对误差最小，通风量的次之，历年值的相关性和偏差也是中南部站点的更为理想。③2013年3月至2021年2月，各站月平均大气自净能力指数和PM2.5浓度呈反向相关，中南部站点的相关性更为显著。     

1961-2020年郑州主城区大气自净能力变化特征分析

利用郑州市主城区1961—2020年气象观测资料和2014—2018年空气质量监测数据,分析了郑州主城区大气自净能力指数的长期变化趋势与影响因子以及2014—2018年主城区大气自净能力与PM_(2.5)的关系。结果表明:郑州主城区大气自净能力指数30 a气候均值为4.42 t·(d·km^(2))^(-1),春季大气自净能力最强,为5.20 t·(d·km^(2))^(-1);秋季大气自净能力最弱,为3.88 t·(d·km^(2))^(-1),不利于对大气污染物的清除。1961—2020年郑州主城区大气自净能力呈显著的减弱趋势,其中1969年最强为6.85 t·(d·km^(2))^(-1),2020年最弱为3.06 t·(d·km^(2))^(-1)。影响因子中,1961—1980年混合层厚度与大气自净能力指数呈正相关;日平均风速≥2.5 m·s^(-1)的日数和小风日数与大气自净能力分别呈正、负显著相关;大气自净能力指数与降水日数显著相关,2015年后偏强降水日数的增加对大气自净能力在同时期的增强有一定影响。此外,研究还表明主城区大气自净能力和PM_(2.5)浓度存在显著的负相关,说明大气自净能力强时,对应的PM_(2.5)浓度低,环境空气质量趋好。     

呼和浩特市大气自净能力变化及其影响因素

基于呼和浩特市1981—2018年地面气象观测资料、2014—2018年的空气污染观测数据和1992—2013年夜间灯光指数,计算呼和浩特市大气自净能力指数ASI,分析大气自净能力与空气质量的关系,探讨近38 a呼和浩特市大气自净能力变化特征及其影响因素。结果表明:ASI与空气质量指数AQI呈幂函数的负相关关系,ASI越小,越容易出现空气污染。呼和浩特市年平均ASI呈显著下降趋势,特别是21世纪之后下降明显。风速、混合层高度对ASI的作用更大,而降水的作用较小。冷空气日数与ASI正相关关系显著,21世纪以后冷空气活动的明显偏弱对大气自净能力减弱造成一定影响;夜间灯光指数及夜间灯光区域面积均与通风量呈显著的负相关关系,大气自净能力的变化在一定程度上受到城市化进程的影响,特别是21世纪以后影响较大。     

乌鲁木齐市降水对大气污染的影响

根据2002—2003年乌鲁木齐市SO2、NO2、PM10的日平均浓度和日降水量分析了乌鲁木齐市降水对3种大气污染物的湿清除能力。分析表明大雨对SO2和PM10的湿清除能力大于小雨,而小雨大于中雨。中雪对SO2和PM10的湿清除能力大于大雪,而大雪大于小雪。小量以上降水(降雨和降雪)对NO2的湿清除能力基本相当。微雨对3种大气污染物具有湿清除能力,而微雪使3种大气污染物的浓度增加。     

一次深对流过程对不同溶解度大气化学气体成分垂直再分布作用的模拟

结合MEIC大气污染物排放源清单,利用耦合了大气化学模式的中尺度气象数值模式WRF-Chem,对2016年5月6日广东地区一次深对流天气过程及其大气化学气体成分变化进行模拟,着重研究深对流系统对大气化学气体成分再分布的影响。结果表明:数值模拟较真实地再现了这次深对流天气过程中大气污染物的时空分布特征。通过计算,评估了这次对流降水对不同溶解度的大气污染气体的湿清除效率,发现湿清除过程对低溶解度大气污染气体CO、NO_2和O_3的湿清除效率几乎可以忽略不计,而对SO_2、H_2O_2和HNO_3的湿清除效率则分别达到50.8%、98.6%和38.2%。随着溶解度的增大,清除效率并不一定增大,这是因为大气物理和化学过程共同影响着气体污染物的清除效率。     

大气氧化能力量化研究

大气氧化能力(AOC)通常是指大气通过氧化过程去除大气中微量气体成分的速率总和。在对流层和近地层大气中,AOC主要表观为对污染气体的清除能力或净化能力,亦称大气氧化性。AOC是地球大气自洁净的核心能力,但一直缺乏对其内涵的深入认知和对其指标的量化描述。本文作者通过承担国家重点研发计划“区域大气氧化能力与空气质量的定量关系及调控原理”研究等项目,从大气化学基本理论入手,对AOC开展了系列研究,并在其量化表达方面取得了突破性进展。本文将围绕“大气氧化能力量化研究”这一科学问题,对这些进展进行简要的描述。首先在深入认知AOC内涵的基础上,分别从大气化学的热力学和动力学基本原理出发,构建了大气氧化能力表观指数(AOIe)和潜势指数(AOIp),并通过二者归一化指数日变化闭合研究,发现了非均相化学过程对AOC的贡献不容忽视。随着PM_2.5污染的加重,无论夏季还是冬季,AOIe亦随之增加,但在冬季AOIp则出现了相反的情景,表现出AOIp的变化受气象条件的影响更大。AOC闭合研究思路用于大气OH自由基的储库分子HONO“未知源”研究,发现了北京大气HONO的重要非均相来源,阐...     

小波变换在风廓线雷达探测大气边界层高度中的应用研究

大气边界层的高度是污染物扩散模式、气候模式、大气模式的一个重要输入参数,边界层高度的变化对数值预报中的物理过程,天气预报的诊断分析,城市污染物的监控也有相当重要的作用。然而,边界层高度的连续监测缺乏有力的手段,风廓线雷达凭借其高时间分辨率和空间分辨率,加上其能够连续探测等优点,可以成为连续监测边界层高度的有效工具。利用协方差小波变换对风廓线雷达距离订正后信噪比数据进行分析,来确定边界层的高度,并与无线探空仪确定的边界层高度进行比较,通过分析得到:(1) 协方差小波变换应用于边界层高度的确定时,尺度因子a和平移因子b的选取很关键,不同的a和b值得到的结果可能差异很大,在计算过程中要仔细选择合适的值;(2) 质量控制对正确判断边界层高度至关重要,好的质量控制方法可以起到剔除突变点的作用,使确定的边界层高度更符合实际情况;(3) 在晴空条件下,如果边界层湍流不均匀及杂波影响较大时,梯度法将不适用,它容易受到大气湍流不稳定以及其他因素引起的信噪比突变而产生较大误差,而协方差小波变换法作为梯度法的改进,能够较好地确定边界层的高度;(4) 通过质量控制,小波变换法和探空仪确定的高度很一致,两者的相关系数达到0.87。      

大气污染物SOx输送方程的尺度分析

文中用量纲分析方法分析了控制大气污染物输送方程的动力学特性。提出了 6种反映大气污染物输送过程中各种动力、物理和化学过程相对重要性的动力学参数。并以硫氧化物为例进行了各参数量级大小分析 ,尤其对 3种起汇作用 (去除机理 )的机理 (化学转化、干沉降和湿清除 )在不同尺度大气污染过程中的作用进行了详细分析。结果表明 :在一般情况下 ,SO2 的气相化学作用小于干沉降和湿清除的作用 ;干沉降作用很依赖于模式最底层厚度的选取 ;在有降雨时湿清除作用一般较大。文中还对大气污染物SOx 输送方程各项特征量的量级作了分析对比 ,得出了控制不同尺度大气污染物输送过程的零级近似方程和一级近似方程 ,并指出了这些方程的基本特征     

宁波地区空气质量及大气自净能力海陆差异对比

以镇海、奉化分别作为宁波沿海和内陆空气质量代表站。基于代表站2013-2017年污染物资料和2015年12月至2017年2月冬季激光雷达资料,对比分析宁波地区沿海和内陆站点的空气质量差异;利用NCEP的GDAS(Global Data Assimilation System)资料和ERA-Interim高分辨率再分析资料评估两地气溶胶来源及大气自净能力差异。结果表明:宁波沿海和内陆地区中度及以上污染主要集中于冬季,冬季首要污染物以PM2.5为主;镇海NO2浓度较奉化显著偏高,而两地PM2.5 和PM10 浓度差异较小。冬季镇海和奉化3km以下都存在消光系数大的气溶胶集中层,镇海3km内消光系数平均值较奉化偏高约40%。两地中度及以上污染时,镇海和奉化的气溶胶粒子主要来自宁波西北方向的内陆地区,比例分别为90%和63%,镇海地区其余10%左右来自近距离低空偏东气流的输送,而奉化地区有37%来自浙江西南部的短距离输送。冬季当宁波地区出现区域性优和中度以上污染时,浙江北部沿海分别盛行东北风和西北风,空气质量优时混合层内平均风速大于中度以上污染时。浙江省大气自净能力比值呈自西北向东南减小,宁波地区优等空气质量大气自净能力约为中度以上污染的 1.5倍。大气自净能力在不同空气质量等级下差异显著,可作为大气污染发生、发展和消退判定的参考依据。     

内蒙古呼包鄂地区近56年来大气环境容量变化特征分析

为探讨内蒙古呼包鄂地区大气对污染物承载能力的变化,科学评价气候变化对大气环境的影响,利用1961—2016年呼包鄂地区8个国家气象站降水量、风速、云量资料,分析了该地区气象条件的变化特征及大气环境容量的时空分布特征,并对大气环境容量与气象要素之间的相关性进行了分析。结果显示:呼包鄂地区大气环境容量1月的最小、4月的最大,春季的>秋季的>夏季的>冬季的,年平均大气环境容量为62.4 t/d/km^2;月、季、年平均大气环境容量呈波动减小趋势,特别是20世纪70年代末期之后减小趋势更为显著;有明显的空间分布特征,由城区向郊区逐渐增大,城郊差异冬季最为明显,夏季差异最小;大气环境容量与降水相关性差,与风速和日最大混合层高度呈显著的正相关关系,特别是与风速相关性更显著,与小风日数呈显著的负相关关系。     

Statistical analysis of boundary layer heights in a suburban environment

The atmospheric boundary layer (ABL) is characterized by the turbulence eddies that transport heat, momentum, gaseous constituents and particulate matter from Earth’s surface to the atmosphere and vice versa. Thus, the determination of its height has a great importance in a wide range of applications like air quality forecasting and management. This study aims at estimating the height of the ABL in a suburban environment and at investigating its temporal variation and its relationship with meteorological variables, like temperature and wind. For this purpose, radiosonde data from the suburban area of Thessaloniki, Greece, are analyzed. The data analysis reveals that ABL height is usually below 200 m in the morning hours during all seasons of the year and that is also low when near-surface temperature and wind speed are low too. Additionally, noon ABL height exhibits a strong seasonal variation, reaching higher values during summer than during winter.Very high values of ABL height, of the order of ~3,000 m, are occasionally observed in Thessaloniki during summer. Moreover, sea breeze development during summer is related to a slight reduction of the ABL height.     

1961-2010年安徽省大气环境容量系数变化特征分析

基于1961-2010年安徽省气象台站的定时观测资料,采用国标法计算安徽省近50年大气稳定度、混合层厚度和大气环境容量系数,并结合合肥市空气质量逐日观测数据初步分析了大气环境容量系数对空气质量的影响。结果表明：安徽省大气稳定度以中性类居多,稳定类其次;近50年来,中性类稳定度呈明显下降趋势,不稳定类和稳定类呈显著上升;不稳定类和稳定类有明显的季节差异,中性类不明显。年平均混合层厚度显著下降;春季混合层厚度在2000年左右发生转折,夏、秋、冬三季下降趋势显著;春、夏季混合层厚度高于秋、冬季,冬季最低,春季最高。安徽省大气环境容量系数以沿淮中部、大别山区南部和沿江中西部最大,淮北大部、大别山区北部和江南南部最小,各地均呈现一致的显著下降趋势,并具有明显的年代际变化特征。年内大气环境容量系数呈"双峰型"分布,秋、冬季为低值时段,大气对污染物容纳能力较差,不利于扩散和清除,空气质量较差。总的来看,1961-2010年安徽省大气稳定度显著增加,混合层厚度较明显下降、风速快速减弱是全省大气环境容量系数变小、大气自净能力减弱的最主要原因。     

九龙站在西南低涡/晴朗天气背景下观测资料的对比分析

本文基于中国气象局成都高原气象研究所2017年西南涡加密观测资料,对比分析了西南低涡主要源地九龙站在西南低涡/晴朗这两种不同天气背景下,各个基本物理量的日变化特征及存在的差异,认为:西南涡天气背景下,边界层高度较低,而晴朗天气状况下,边界层大气湍流运动强烈,对流混合伸展高度非常惊人,能超过3000m。西南涡天气背景下,夜间大气较为暖湿,气压显著偏低,上层大气风速较大,便于动量下传。晴朗天气背景下,大气较为干燥,温度日较差偏大,大气压较高,白天湍流混合强。越靠近地面差异越显著,差值随高度的增加而逐渐减小。     

苏州东山冬季大气边界层结构特征及其对污染物浓度的影响

利用2015年1月15—27日在苏州东山气象观测站系留气艇观测数据以及细颗粒物浓度观测资料,对东山大气边界层结构特征及其对污染物垂直结构分布的影响进行分析研究。结果表明:苏州东山地区冬季空气污染过程的边界层结构演变比较典型,夜间稳定边界层高度约为200 m,白天最大边界层高度可达1 000 m。边界层内污染物垂直结构分布易受边界层高度的影响,较低的大气边界层高度可使细颗粒物在近地层持续累积;反之,边界层高度较高,湍流发展旺盛,颗粒物垂直分布均匀。夜间大气边界层稳定,逆温结构多发,导致近地面出现细颗粒物堆积。风的垂直结构对细颗粒物空间分布也存在显著影响,在风速较小的低空层细颗粒分布较多,而风速较大的中高层的分布较少。      

Observing and Simulating Wind-Turbine Wakes During the Evening Transition

Wind-turbine-wake evolution during the evening transition introduces variability to wind-farm power production at a time of day typically characterized by high electricity demand. During the evening transition, the atmosphere evolves from an unstable to a stable regime, and vertical stratification of the wind profile develops as the residual planetary boundary layer decouples from the surface layer. The evolution of wind-turbine wakes during the evening transition is examined from two perspectives: wake observations from single turbines, and simulations of multiple turbine wakes using the mesoscale Weather Research and Forecasting (WRF) model. Throughout the evening transition, the wake’s wind-speed deficit and turbulence enhancement are confined within the rotor layer when the atmospheric stability changes from unstable to stable. The height variations of maximum upwind-downwind differences of wind speed and turbulence intensity gradually decrease during the evening transition. After verifying the WRF-model-simulated upwind wind speed, wind direction and turbulent kinetic energy profiles with observations, the wind-farm-scale wake evolution during the evening transition is investigated using the WRF-model wind-farm parametrization scheme. As the evening progresses, due to the presence of the wind farm, the modelled hub-height wind-speed deficit monotonically increases, the relative turbulence enhancement at hub height grows by 50%, and the downwind surface sensible heat flux increases, reducing surface cooling. Overall, the intensifying wakes from upwind turbines respond to the evolving atmospheric boundary layer during the evening transition, and undermine the power production of downwind turbines in the evening.     

夏季青海湖局地环流及大气边界层特征的数值模拟

使用美国NCAR新版MM5V3.6非静力模式,采用两重嵌套方法,模拟了青海湖区域的局地环流及大气边界层特征,并且与无湖试验进行了比较。结果表明:白天由于青海湖的存在有很好的降温作用,夜晚则有保温效应,表现出明显的冷(暖)湖效应;青海湖对感热和潜热的影响有很强的日变化,白天湖面感热、潜热都小,夜间情况相反,这使得白天青海湖是冷干岛,夜间是暖湿岛;青海湖使得白天湖面边界层顶低,陆面边界层顶高,夜间相反。这样的边界层顶高度和温度、地面能量通量相配合,形成了一个很好的保护机制,对青海湖的水土保持和生态环境的维持有正效应;青海湖使得湖面上空大气下沉,陆面上空大气上升,从而产生了湖面上空大气冷干,陆面上空大气暖湿的边界层特征;青海湖边缘的陆面形成的较大的湿气柱围绕着湖面,起到了保护湖面的作用;青海湖低空白天有明显的湖面向四周的辐散气流,而夜间则为从北偏东方向来的陆风。     

On the Possible Impact of a Following-Swell on the Atmospheric Boundary Layer

A simple model of the atmospheric boundary layer over the ocean where the swell impact on the atmosphere is explicitly accounted for is suggested. The model is based on Ekman’s equations, where the stress in the wave boundary layer is split into two parts: the turbulent and wave-induced stress. The turbulent stress is parameterized traditionally via the eddy viscosity proportional to the generalized mixing length. The wave-induced stress directed upward (from swell to the atmosphere) is parameterized using the formalism of the wind-over-waves coupling theory. The model can be seen as an extension of the model by Kudryavtsev and Makin (J Phys Oceanogr 34:934–949, 2004) to the scale of the entire atmospheric boundary layer by including the Coriolis force into the momentum conservation equation and generalizing the definition of the mixing length. The regime of low winds for swell propagating along the wind direction is studied. It is shown that the impact of swell on the atmosphere is governed mainly by the swell parameter—the coupling parameter that is the product of the swell steepness and the growth rate coefficient. When the coupling parameter drops below − 1 the impact of swell becomes significant and affects the entire atmospheric boundary layer. The turbulent stress is enhanced near the surface as compared to the no-swell case, and becomes negative above the height of the inner region. The wind profile is characterized by a positive gradient near the surface and a negative gradient above the height of the inner region forming a characteristic bump at the height of the inner region. Results of the model agree at least qualitatively with observations performed in the atmosphere in presence of swell.