Acidity of Aerosols during Winter Heavy Haze Events in Beijing and Gucheng,China

We investigated the acidity and concentrations of water-soluble ions in PM_(2.5) aerosol samples collected from an urban site in Beijing and a rural site in Gucheng, Hebei Province from November 2016 to January 2017 to gain an insight into the formation of secondary inorganic species. The average SO_4~(2–), NO_3~–, and NH_4~+ concentrations were 8.3,12.5, and 14.1 μg m~(–3), respectively, at the urban site and 14.0, 14.2, and 24.2 μg m~(–3), respectively, at the rural site.The nitrogen and sulfur oxidation ratios in urban Beijing were correlated with relative humidity(with correlation coefficient r = 0.79 and 0.67, respectively) and the aerosol loadings. Based on a parameterization model, we found that the rate constant of the heterogeneous reactions for SO_2 on polluted days was about 10 times higher than that on clear days, suggesting that the heterogeneous reactions in the aerosol water played an essential role in haze events.The ISORROPIA II model was used to predict the aerosol pH, which had a mean(range) of 5.0(4.9–5.2) and 5.3(4.6–6.3) at the urban and rural site, respectively. Under the conditions with this predicted pH value, oxidation by dissolved NO_2 and the hydrolysis of N_2O_5 may be the major heterogeneous reactions forming SO_4~(2–) and NO_3~– in haze.We also analyzed the sensitivity of the aerosol p H to changes in the concentrations of SO_4~(2–), NO_3~–, and NH_4~+ under haze conditions. The aerosol p H was more sensitive to the SO_4~(2–) and NH_4~+ concentrations with opposing trends, than to the NO_3~– concentrations. The sensitivity of the p H was relatively weak overall, which was attributed to the buffering effect of NH_3 partitioning.     

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。     

北京春季沙尘和霾期间气溶胶的对比模拟研究

利用气象模式WRF驱动区域空气质量模式RAQMS,模拟研究了2014年北京地区春季颗粒物及气溶胶化学组分的时空变化,对比分析了沙尘期（3月17日、29日）和霾期（3月25～27日）的天气形势、气象要素和气溶胶化学组分特征,比较了沙尘和人为气溶胶表面非均相化学反应对大气化学成分的影响及相对贡献。结果显示,模式对于气象要素、PM2.5、PM10及其化学组分具有较好的模拟能力,考虑了气溶胶表面非均相化学反应后明显提高了模式对PM2.5及气溶胶化学组分模拟的准确性。沙尘期间,沙尘对PM10质量浓度贡献占主导地位（50.7%）,对PM2.5的贡献与有机气溶胶（OM）和人为排放的一次颗粒物（PPM）相当;霾期间,硝酸盐NO₃?（25.6%）和OM（23.6%）对PM2.5的贡献最大,在PM10中NO₃?、PPM和OM的贡献相当。沙尘期,粗粒子明显增加,在PM10中所占比例与细粒子相当,为45.5%;霾期,细粒子占主导地位,占PM10质量浓度的85.6%。非均相化学反应使沙尘期间硫酸盐（SO₄2–）和NO₃–浓度分别增加16.9%和83.8%,使霾期间的SO₄2?和NO₃–浓度分别增加14.5%和45.0%。2014年3月,非均相化学反应使北京月均SO₂、NO₂、O₃、SO₄2?、NH₄+和NO₃?的浓度分别变化了?2.5%、?5.7%、?3.4%、11.7%、18.6%和58.5%,本文结果表明非均相化学反应对二次无机气溶胶的生成有重要贡献。     

Characteristics of Turbulent Transfer during Episodes of Heavy Haze Pollution in Beijing in Winter 2016/17

We analyzed the structure and evolution of turbulent transfer and the wind profile in the atmospheric boundary layer in relation to aerosol concentrations during an episode of heavy haze pollution from 6 December 2016 to 9 January 2017. The turbulence data were recorded at Peking University’s atmospheric science and environment observation station. The results showed a negative correlation between the wind speed and the PM_2.5 concentration. The turbulence kinetic energy was large and showed obvious diurnal variations during unpolluted (clean) weather, but was small during episodes of heavy haze pollution. Under both clean and heavy haze conditions, the relation between the non-dimensional wind components and the stability parameter z/L followed a 1/3 power law, but the normalized standard deviations of the wind speed were smaller during heavy pollution events than during clean periods under near-neutral conditions. Under unstable conditions, the normalized standard deviation of the potential temperature σ _θ /|θ_*| was related to z/L, roughly following a –1/3 power law, and the ratio during pollution days was greater than that during clean days. The three-dimensional turbulence energy spectra satisfied a –2/3 power exponent rate in the high-frequency band. In the low-frequency band, the wind velocity spectrum curve was related to the stability parameters under clear conditions, but was not related to atmospheric stratification under polluted conditions. In the dissipation stage of the heavy pollution episode, the horizontal wind speed first started to increase at high altitudes and then gradually decreased at lower altitudes. The strong upward motion during this stage was an important dynamic factor in the dissipation of the heavy haze.     

2006年冬半年我国霾天气特征分析

利用常规气象观测资料和NCEP再分析资料,对2006年10月至2007年2月我国霾天气的时空分布、环流形势特征和霾天气过程中气象要素的变化特征进行了统计和天气学分析.结果表明:2006年10月、12月、1月和2月是我国霾频发时期,11-14时发生的范围最大.霾主要发生在中阻塞、南支槽和纬向型三种不同的环流形势下.霾天气发生时的气象要素分布存在南北区域性差异,其中湿度的差别最为显著.14时华南地区相对湿度最大值为80%左右,长江中下游地区为70%,而华北地区只有60%.24小时气压减弱有利霾的发生.华北地区24小时负变温,而长江以南地区正变温时,霾更容易发生.能见度最小值的分布表明,广东、黄淮等部分地区发生霾时能见度较其他区域更小,只有2km左右.这些对于了解霾的发生规律和预报具有重要意义.     

Effects of Coordinate Rotation on Turbulent Flux Measurements during Wintertime Haze Pollution in Beijing,China

Eddy-covariance observations from the Beijing 325-m meteorological tower are used to evaluate the effects of coordinate rotation on the turbulent exchange of momentum and scalars during wintertime haze pollution(January-February 2013). Two techniques are used in the present evaluation; namely, the natural wind coordinate(NWC) and the planar fit coordinate(PFC), with the latter being applied by means of two methods for linear regression(i.e., overall and sector-wise). The different techniques show a general agreement in both turbulent fluxes and transport efficiencies, especially evident at the lower, 140-m level above the ground(compared to the higher, 280-m level), perhaps implying that the selection of a technique for coordinate rotation(NWC or PFC) is less of a concern for a sufficiently low level, despite the complexities of urban terrain. Additionally, sector-wise regression is a recommended approach for practical application of the PFC in a complex urban environment subjected to particulate pollution, because this method is found to produce a better correlation between the mean vertical velocity at the 140- and 280-m heights.     

北京冬春季气溶胶化学成分及其谱分布研究

1999年2月23～26日在北京气象塔47 m高度和3月10～12日在距地面6 m高度各进行了为期3天的气溶胶采样,获得12组分级采样样品,用PIXE方法对样品进行了分析,得到了20种元素的浓度及其谱分布,并对当前北京气溶胶的来源、化学元素成分的变化进行了研究。与过去相比,除Si、K、Ca、Ti、Sr、V元素浓度降低外,其他元素浓度均有不同幅度的增加。研究表明,当前北京地区气溶胶的来源已发生较大变化。     

All-Sky Direct Radiative Effects of Urban Aerosols in Beijing and Shanghai,China

Aerosol particles can directly alter the radiation balance by scattering and absorbing incident solar radiation, thus decreasing the amount of light reaching the surface and increasing the fraction of diffuse radiation—the so-called ‘aerosol direct radiative effect'. Using the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer aerosol products, the aerosol direct radiative effects under all-sky conditions in Beijing and Shanghai in 2007 were explored in this study. The total shortwave radiation was calculated using the Fu-Liou radiative transfer model, with the influence of clouds taken into account through sunshine-duration data, and the diffuse radiation was calculated with radiation decomposition models. Good correlation between measured and calculated total radiation was obtained at both cities, with an R greater than 0.9, and thus this calculation method was adopted to derive aerosol direct radiative effects. The presence of aerosols caused the mean total and diffuse solar radiation reaching the surface to change by-19.9% and +27.4% in Beijing, respectively, and by-18.4% and +6.5% in Shanghai. It was also found that, despite the strong negative correlation between aerosol optical depth and total radiation change, the diffuse radiation changes were determined predominantly by clouds. The effects of such changes induced by aerosols on plant productivity should be further studied.     

中国冬半年区域持续性低温事件的前期信号

大气变量物理分解的方法应用于寻找中国区域持续性低温事件的前期信号。1960～2008年的冬半年期间, 总数115次强的区域持续性低温事件的对流层低层出现了天气尺度温度的负值扰动, 而在对流层中高层至平流层出现了天气尺度位势高度的负值扰动。其中, 112次事件分别在850 hPa和300 hPa上出现了温度扰动负值中心和位势高度扰动负值中心。追踪850 hPa层的温度扰动能够提前5～9天预示中国区域持续性低温事件的出现。     

我国近46年来的寒潮时空变化与冬季增暖

使用中国气象局资料中心整编的572个站点1960年1月1日到2005年12月31日日最低温度、日平均气压、日平均风速和北极涛动(AO) 指数等气象要素，从一个新的角度分析了我国寒潮时空变化与冬季增暖的联系。寒潮爆发以降温、升压和大风天气为主要特征。定义1日和2日降温达到10℃以上的降温事件为寒潮，大于20℃为极端寒潮。发生在我国的寒潮以北方(35°N以北)最多，其次是中国东部的江南地区。东北的寒潮始于10月，而河套和江南的寒潮在4月份比较频繁。把10月到次年4月寒潮频繁活动的时段确定为冬季风时期。在所有的降温事件中，只有不到1/3的事件伴随有升压和大风天气。过去的45个冬季风期间，寒潮和极端寒潮事件普遍减少，我国新疆、华北、东北和华东减少最为显著，减少的最大幅度达到1～2次/10 a。降温事件、升压频次和大风频次也都在减少。AO指数升高表征了西风带上天气尺度斜压波动的减少和减弱，从而导致我国中高纬度寒潮事件的减少。降温频次的减少在一定程度上导致了冬季最低温度平均值的升高，形成了持续的暖冬。     

鄂中东部两次秸秆焚烧引发的严重灰霾天气分析

利用气象卫星监测、微波辐射计、常规气象观测、NCEP再分析资料及环境监测等资料,采用气流后向轨迹模拟,对2012年6月11日和6月15日发生在鄂中东部的两次灰霾天气,从特征和成因进行了综合分析。结果表明,这两日的污染物指数（API）分别达到233 μg/m3和139 μg/m3,11日PM2.5最高值达141 μg/m3 ;两日的能见度均在2 km以下,11日平均能见度仅565 m,最低能见度246 m。这两次灰霾天气与北方冬小麦主产区大范围秸秆集中焚烧,造成大量污染物排放有密切关系。在115°E,39°～32°N存在大范围逆温层,垂直高度950~850 hPa 厚度为一致的东北气流,使得排放的污染物在“逆温层盖”的阻挡下不能向高空扩散,而随东北气流向鄂中东部输送。同时鄂中东部近地面静风、地面“均压场”、逆温、近地层弱垂直速度、正涡度和负散度等物理量条件,及适宜的湿度条件等因素,导致污染物不能及时扩散或沉降,为灰霾在本地形成和维持提供了有利的气象条件,加剧了灰霾的严重性。     

北京冬季PM2.5重污染时段不同尺度环流形势及边界层结构分析

城市重霾污染事件的发生除排放源内在原因之外,气象条件是最直接的客观外因。本文以2013年2月21~28日北京地区典型细颗粒物(即PM2.5)重污染过程为例,基于颗粒物水平和垂直监测数据,常规及加密自动气象站数据和高时间分辨率风廓线数据,分析了重污染过程中不同尺度环流形势以及边界层结构的变化对细颗粒物重度污染形成、累积和消散的影响。结果表明:弱低压场或弱高压场控制下,局地西南风和东南风输送与北部山区偏北风在山前的汇聚,配合边界层低层顺时针方向的风切变,易发生大气中细颗粒物的爆发性增长;而均压场控制和近地层持续偏南气流输送,配合高层持续稳定的西北风,是污染长时间持续稳步增长的主因。此外,近地层低风速、高湿度和逆温的维持是区域霾污染爆发增长和长时间持续增长的关键气象因素。高压前部的系统性西北大风是污染得以驱散的直接外部动力。     

重污染下我国中东部地区1960~2010年霾日数的时空变化特征

对1960~2010年我国中东部地区霾日数的时空变化特征的分析结果表明:1)霾日数大值区主要分布在人口众多的四川盆地、北京-天津-河北地区、长江中下游地区以及广东-广西中部。2)季节变化上,霾日数冬季较多,其中北京-天津-河北地区中部和西南部、四川盆地和东北地区东部和南部等地超过20 d,夏季最少。3)霾日数气候趋势系数在北京-天津-河北地区、长江三角洲地区和珠江三角洲地区趋势系数高达0.8。4)霾日数呈现明显的上升趋势[3.69 d(10 a)–1],其气候趋势系数为0.82,通过了99.9%的信度检验。5)我国中东部气溶胶光学厚度和对流层NO2的空间分布与年平均霾日数的分布基本一致,近51年来能源消耗量的稳定上升趋势也表明,人为因素导致的大气污染物排放量增加是引起霾天气出现频率上升的重要因素。     

华北地区一次强灰霾污染的天气学效应

利用在线耦合的大气化学模式WRF-Chem V3.6(Weather Research Forecasting Model with Chemistry Version 3.6)及环境、气象观测数据,在完成大气化学方案优选的基础上,研究了华北地区一次重霾污染过程(2013年2月15~17日)对气象条件的反馈作用。重点关注一次颗粒物、无机气态成分和挥发性有机污染物的人为排放对PM2.5(空气动力学当量直径小于等于2.5μm的颗粒物,即细颗粒物)生成的贡献,探讨了由此引发的气象条件的变化。模拟结果显示,上述3种人为源的综合排放对华北地区PM2.5浓度的平均贡献率为91.27%,其中对北京、秦皇岛和沧州的贡献率分别达96.9%、95.9%和97.2%。这使区域地面太阳向下短波辐射降低近15.99%,区域平均地面辐射强迫达-26.51 W m-2,由此导致地面温度下降0.14°C(3.68%),逆温增强,垂直温度梯度(?T/?z)升高0.026 K km-1,边界层高度降低18.92 m(8.77%),平均风速减少约0.014 m s-1(0.35%),相对湿度绝对值升高0.51%,地面平均气压降低0.86 Pa。对于15~17日污染过程,人为源综合排放的气溶胶对短波辐射的影响在天气过程中占主导地位,对边界层高度的影响较大,但不起主导作用,对温度、风速、相对湿度、气压的作用则远小于天气系统本身。挥发性有机污染物(Volatile Organic Compounds,VOCs)作为二次有机气溶胶(Secondary Organic Aerosol,SOA)的前体物,其人为排放对SOA浓度的贡献率约为99.6%。同时,VOCs通过调整大气反应活性促进无机气态成分向无机盐转化,它对硫酸盐和硝酸盐浓度的贡献达50%以上。然而,VOCs对整个PM2.5浓度的贡献不及各种源综合贡献的1/4。人为排放的VOCs对气象场的反馈与综合排放的作用基本一致,但对地面气压的影响VOCs排放时以热力因子为主,而人为源综合排放时以动力因子为主。上述结果暗示,灰霾污染过程所引发的气象条件向不利于污染物扩散方向改变,这可能促进污染物的局地累积、增强污染程度并延长区域内重污染的持续时间。因此,在探讨区域性灰霾污染成因时,灰霾自身通过辐射强迫作用对大气的调节是不可忽视的重要影响因素。     

北京2009~2013年期间持续性大雾的类型、垂直结构及物理成因

北京地区持续性大雾天气近几年呈显著增加趋势,但由于缺乏高时间分辨率的雾微物理和大气廓线数据,限制了对大雾垂直结构和物理成因的深入了解。本文基于美国Radiometrics公司生产的35通道MP-3000A型微波辐射计廓线仪(Microwave Radiometer Profiler,简称MWRP)及常规气象和卫星观测资料分析研究了2009~2013年期间北京地区13次大雾天气过程的类型、垂直结构特征及其产生的物理成因。按照雾产生的基本条件,将13次大雾天气主要划为平流雾和蒸发雾两类,辐射雾存在于持续性大雾过程中,不做单独划分。平流雾的平均雾顶高度不超过1.0 km,而蒸发雾的平均雾顶高度在0.5~1.5 km之间。平流雾主要是由来自西南和东南的暖湿平流移经北京地区冷下垫面后冷却降温过程产生,强逆温的形成有利于雾的持续发展。而蒸发雾是由本地区降水蒸发冷却形成,或是冷平流移经暖湿下垫面形成。按照微波辐射计连续观测的雾宏微观垂直结构特征,将13次大雾天气过程又划分为单一雾结构和云雾共存结构,并采用卫星和地面气象观测数据对部分典型雾个例进行了比较验证研究。结果表明,在13次大雾天气中,平流雾和蒸发雾各占69%和31%。由此说明北京地区持续性大雾天气主要是由暖湿平流过程和降水蒸发冷却过程造成,与天气过程的异常密切相关。单一雾结构仅占15%,而云雾共存结构占近85%,且持续三天以上的大雾天气基本具有云雾共存结构。     

近30年我国南方区域持续性暴雨过程的分类研究

利用中国站点日降水资料对1981~2011年我国南方地区区域持续性暴雨(PHREs)进行了分类研究。按照区域内至少连续5 d或5 d以上有不小于10个格点[分辨率0.25o(纬度)×0.25o(经度)]出现大于等于50 mm降水且相邻两日雨带重合率不小于20%的标准,采用客观分析的方法分别挑选出我国江淮区域和华南区域PHREs。江淮区域非台风影响的PHREs 31例,集中发生在6月中旬到7月中旬,平均持续8.29 d,华南非台风影响的PHREs 34例,集中发生在6~7月,平均持续6.24 d,这两类事件的发生频次和强度均呈年代际增长。江淮区域受台风影响的PHREs 4例,集中发生在7月中下旬到8月初。华南受台风系统影响的PHREs 31例,集中发生在7~9月,此类事件的发生频次和系统强度在2000年以后均明显上升。采用场相关的客观分类方法对非台风影响的PHREs进行较为细致的分类,将江淮区域持续性暴雨事件分为A型(主雨带在长江以南)、B型(主雨带在长江以北)和C型(主雨带在长江沿江地区),将华南区域持续性暴雨事件分为E型(主雨带在云贵高原以东)和F型(主雨带位于云贵高原和广西),该分类将为下一步的机制研究提供帮助。     

1981～2015年华北地区持续霾事件的特征及其环流分类研究

根据1981～2015年华北地区地面基本气象要素定时值数据集和地面气候日值数据集站点资料,分别利用14时实测值法和目标区域极端事件的客观识别方法挑选霾日数和持续霾事件,并分析了它们的特征;,然后对持续霾事件进行了分类研究。结果表明:（1）华北地区霾日数空间分布极不均匀,有4个大值区:吕梁山和太行山之间的河谷地区、沿太行山以东的平原、河南北部、环黄海和渤海地区。（2）华北地区共挑选出111个持续霾事件,其中,持续3～5 d的事件最多,占了总数的86.5%,最长的事件可达12 d。（3）持续霾事件和霾日数的空间分布特征相似,且存在明显的年、季变化。1981～2015年持续霾事件数呈增加趋势,冬季增加最显著,其次是秋季和春季,夏季最少。（4）结合地形、霾日数、持续霾事件的分布和环流特征把持续霾事件分为7类,对发生频次较多的4类（华北地区型,河南北部及太行山以东的平原型,河南北部型,河南北部及环渤海、黄海地区型）的环流进行了对比分析。其环流形势的主要特征包括:对流层的中低层华北地区为纬向西风气流或脊前西北气流,我国南部或东南部地区高压西部的西南气流与华北地区的偏西气流产生弱辐合下沉气流;近地面层由于地形的影响形成垂直环流圈,霾最严重的地区一般出现在地形的东坡和垂直环流圈的下沉支。近地面东南气流和低层的西南气流向该地区输送了暖湿空气和污染物。华北地区霾发生位置的不同,主要由低层我国东部或者南部高压的位置和强度,以及局地垂直环流的下沉支的位置决定。这些研究结果可以为华北地区持续性霾的防控提供参考。     

2009年11月北京极端低温和强降水事件分析

2009年10月底到11月底,包括北京在内的华北地区连续出现2次较强冷空气过程,造成大范围的低温、雨雪天气。利用北京地区11个气象站近50年逐日气温、降水资料,对全市历年11月低温雨雪事件的演变特征进行了分析。结果表明,2009年11月全市月平均气温、月平均最低气温均突破了50年的最低记录,月平均最高气温位列1981年11月之后,接近历史极值;2009年11月降雪量也位列有记录以来第一位,冰冻日数历史排位第三;从气温和降水极端事件发生的频次来看,2009年11月日平均气温、日最高气温和日最低气温通过5%分位值标准的极端低温事件频次都明显偏多,在50年中居于第2位,降水量通过95%分位值标准的极端强事件频次在50年中居于第四位。2009年11月的严重低温雨雪事件出现在区域气温总体变暖、低温事件频率总体下降的气候趋势背景下,在一定程度上放大了负面影响。亚洲中高纬地区500hPa高度场经向度异常加大、冷暖气流交换活跃,是造成2009年11月极端低温和大雪的直接环流因子。     

Decadal Features of Heavy Rainfall Events in Eastern China

Based on daily precipitation data, the spatial-temporal features of heavy rainfall events (HREs) during 1960-2009 are investigated. The results indicate that the HREs experienced strong decadal variability in the past 50 years, and the decadal features varied across regions. More HRE days are observed in the 1960s, 1980s, and 1990s over Northeast China (NEC); in the 1960s, 1970s, and 1990s over North China (NC); in the early 1960s, 1980s, and 2000s over the Huaihe River basin (HR); in the 1970s-1990s over the mid-lower reaches of the Yangtze River valley (YR); and in the 1970s and 1990s over South China (SC). These decadal changes of HRE days in eastern China are closely associated with the decadal variations of water content and stratification stability of the local atmosphere. The intensity of HREs in each sub-region is also characterized by strong decadal variability. The HRE intensity and frequency co-vary on the long-term trend, and show consistent variability over NEC, NC, and YR, but inconsistent variability over SC and HR. Further analysis of the relationships between the annual rainfall and HRE frequency as well as intensity indicates that the HRE frequency is the major contributor to the total rainfall variability in eastern China, while the HRE intensity shows only relative weak contribution.     

利用地面自动化观测系统监测2011年北京大雾

利用北京地区地面自动化观测资料中的能见度、相对湿度及人工业务观测记录数据,结合卫星观测的雾厚度数据图,对2011年10月底至12月初的3次大雾天气过程进行了实时动态监测和数据分析,初步形成地面自动化观测资料在雾的监测过程中的应用产品,研究表明,利用能见度数据以及相对湿度数据可以完整地监测大雾的发生、发展、持续和消散过程,与气象业务上应用的卫星观测到的雾生消趋势基本一致,但是在生消时间的监测上更具优势。