灰霾天气变化特征及垂直交换系数的预报应用

利用1998—2008年广东省广州、东莞和增城的常规气象资料及2004年6月10日—2008年12月30日Micaps 3.0的K指数、沙氏指数和L指数资料,重点分析了这三个地方10—12月的灰霾天气变化特征。研究结果表明,增城的能见度比例主要集中在大于10 km的范围内,空气质量最好,东莞的空气质量最差。广州和东莞10—12月的能见度等级百分比分布形态类似,轻微灰霾天气所占频率较大,其中10月占的比例最高。并提出垂直交换系数试图对污染物的垂直输送能力进行评估,进而尝试对灰霾天气进行预报。结果表明当垂直交换系数小于15 000时,城市容易出现灰霾天气,反之则说明该地的空气质量较为良好。     

乌海市灰霾天气的气候特征分析

利用乌海市1971—2009年每天4个时次（或3个时次）的常规地面观测资料和2004—2009年的空气质量状况（PM10、SO2、NO2浓度值）,统计分析了乌海市灰霾的分布特征和规律以及出现灰霾时的相对湿度、平均水平能见度、2分钟平均风速、风向特征和空气质量状况。得到：（1）乌海市1971—2009年共出现165次灰霾天气,2004年以后出现了161次,最多出现在2007年和2009年;春季出现次数最多,冬季最少;4月出现最多,1月和2月出现最少;82.4%的灰霾天气出现在08时。（2）当出现灰霾时,相对湿度在60%以下占71%,相对湿度在70%以上时绝大部分是与雾同时出现;灰霾天气出现最多风向是偏南风,最多风速是≤3.0 m.s-1。（3）2004—2006年出现灰霾时92%的空气质量出现了三级轻微或轻度污染,2007年以后出现灰霾时,在冬半年空气质量绝大部分为三级轻微或轻度污染,而在夏半年大部分空气质量为良。     

珠江三角洲地区的灰霾天气研究进展

珠江三角洲地区是我国气溶胶污染较严重的地区之一,也是国内较早开展灰霾天气研究的地区,从灰霾标准、科学概念、长期变化趋势、细粒子污染本质、水平输送和垂直扩散能力以及气溶胶的光学特性和物理化学特性方面进行了研究。结果表明,近年来珠江三角洲地区的气溶胶污染日趋严重,气溶胶云一年四季都出现,且长期稳定存在,重污染区位于珠江口以西的珠江三角洲西侧。灰霾天气主要出现在10月至次年4月。灰霾导致能见度恶化。自20世纪80年代初开始,该地区的能见度急剧恶化,灰霾天气显著增加,其中有3次大的波动,分别代表珠江三角洲经济发展相伴随的粗颗粒气溶胶污染、硫酸盐+粗颗粒气溶胶污染、光化学过程的细粒子+硫酸盐和粗颗粒气溶胶的复合污染时期。雾和轻雾造成的低能见度的长期变化趋势,没有由于人类活动影响或经济发展影响带来的趋势性变化,其波动主要反映了气候波动固有的年际和年代际变化。珠江三角洲能见度的恶化主要与细粒子关系比较大,PM10有一半年份的年均值超过国家二级标准的年均值浓度限值(70μg m–3),而细颗粒物(即PM2.5)各年都超过国家二级标准的年均值限值(35μg m–3),尤其是有些年份年均值浓度超过标准限值的2倍,细粒子浓度甚高。另外,近年细颗粒物占PM10的比重非常高,可达57%~79%,黑碳气溶胶浓度非常高,月均值达到5.0~9.1μg m–3,黑碳气溶胶污染严重。和20余年前的资料相比较,细粒子在气溶胶中的比重有明显增加,有机碳和硝酸盐、铵盐的占比增加,而硫酸盐占比略有减少,钙占比明显减少。区域气流停滞区的形成是发生严重灰霾天气的主要气象条件,垂直输送能力不足也是加重灰霾天气的气象条件之一。     

1961—2008年银川市灰霾天气的气候特征

对1961—2008年银川市灰霾天气日数资料进行分析。结果表明：银川市灰霾天气呈逐渐增加的趋势2,0世纪80年代前为缓慢增加阶段,20世纪后灰霾天气显著增加2,000年后灰霾天气急剧增加。银川市灰霾日数最多为12月,其次为11月,最少为5月,呈现出冬季大于秋季大于春季大于夏季的季节特征。一般情况下,银川市灰霾日数持续1—3d,持续2d及以上的灰霾天气占17%,持续5d及以上的灰霾天气占1%。持续时间较长的灰霾天气集中出现在冬季11月至翌年2月。灰霾天气持续时间与年代际变化有关,2000年前,银川未出现持续5d以上的灰霾天气过程;2000年后,随着灰霾天气日数增多,灰霾持续时间延长。     

浙江城市区域灰霾天气的长期变化

大气气溶胶污染引起的灰霾天气已成为中国许多城市面临的重要环境问题,了解灰霾天气发生的时空变化特征对于控制气溶胶污染具有重要意义。对浙江省11个城市的灰霾历史数据进行分析,揭示1950年代以来,浙江城市地区灰霾天气发生特征。结果表明,1951—1953年期间和改革开放后的30年是浙江省灰霾天气出现比较频繁的时期,尤其2000年以后是灰霾天气出现最多的时期;1957年到改革开放初期是灰霾天气出现最少的时期。1950年代初期,杭州、温州、衢州是出现灰霾天气最多的地区,改革开放后的1978—1999年期间,随着市场经济和民营经济在浙江的快速发展,湖州、杭州、舟山、金华、温州、衢州等地区灰霾天气出现频率都很高;2000年之后,浙江省各地区灰霾天数都在迅速增加,尤为突出的是湖州、绍兴、杭州、嘉兴等浙北城市,这几个地区在2000—2007年之间的灰霾天数比2000年之前几十年总的灰霾天数还要多,说明近几年浙江省尤其是浙北地区大气环境污染非常令人担忧,控制大气气溶胶污染,改善空气质量,提高大气能见度已是迫在眉睫。     

珠江三角洲空气质量现状及特征

利用2000～2006年常规监测资料,对珠江三角洲地区二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）和可吸入颗粒物（PM10）的现状水平、污染特征、地区差异及演变趋势,进行数理统计的综合分析。结果表明,该地区空气质量总体稳定,不同城市之间空气质量存在显著差异,首要大气污染物各有不同,空气质量具有明显的月变化特征,于季空气质量明显劣于雨季。     

内蒙古主要城市灰霾天气的气候特征分析

灰霾天气在全国日趋严重,已经成为一种新型的灾害性天气。分析研究灰霾天气的发生规律及其成因,对准确预报灰霾天气、减少灾害损失、保障交通安全和提高环境质量具有重要意义。文章利用1971—2006年6月内蒙古12个主要城市地面气象观测资料,分析了12城市灰霾天气的时空分布及其主要气象要素特征和空气质量情况。结果表明:①全区12个主要城市中赤峰出现次数最多,巴彦浩特和临河最少,08时发生次数最多,02时最少,春季比其它季节明显增多,从2003年开始有增加的态势;②当灰霾出现时,大部分平均水平能见度在6.0~9.0km之间,相对湿度小于60%(或70%),风速小于3.0m.s-1,偏南风概率较大,空气污染严重。     

珠江三角洲典型灰霾天气过程和清洁过程近地层流场的EOF对比分析

利用广东省466个地面自动气象站资料、广州气象站常规气象资料及珠江三角洲4个主要城市的PM 10浓度等资料,通过矢量EOF方法,对选出的珠江三角洲典型灰霾天气过程(2004年1月4~10日)和清洁过程(2005年11月15~21日)的近地层流场进行对比分析。分析表明典型灰霾天气过程第二、三模态有非常明显的日变化特征,受局地中小尺度环流系统影响,污染物局限在当地,出现严重的灰霾天气;而清洁过程与强平流输送有关,主要受大尺度环流系统影响。     

珠江三角洲大气灰霾导致能见度下降问题研究

大气气溶胶的气候效应和环境效应研究是当今国际科技界的热门话题.近年来珠江三角洲地区的气溶胶污染日趋严重,一年四季长期稳定存在气溶胶云,重污染区偏于珠江口以西的珠江三角洲西侧.灰霾天气主要出现在10月至次年4月.大气灰霾导致能见度恶化.自20世纪80年代初开始,该地区的能见度急剧恶化,灰霾天气显著增加,其中有3次大的波动,分别代表与珠江三角洲经济发展相伴随的气溶胶污染、硫酸盐加气溶胶污染、光化学过程的细粒子加硫酸盐加气溶胶的复合污染时期.雾和轻雾造成的低能见度的长期变化趋势,没有由于人类活动影响或经济发展影响带来的趋势性变化,其波动主要反映了气候波动固有的年际和年代际变化.珠江三角洲能见度的恶化主要与细粒子关系比较大,PM10有一半月均值超过国家二级标准的日均值浓度限值(150 μg/m3),而PM2.5月均值全部超过美国国家标准的日均值浓度限值(65 μg/m3),尤其是10月至次年1月的月均值浓度几乎超过标准限值的1倍,细粒子浓度甚高.另外PM2.5占PM10的比重非常高(58%-77%),尤其是旱季比雨季更高.与15 a前的资料相比较,细粒子在气溶胶中的比重有明显增加,因而在目前珠江三角洲的气溶胶污染中,主要是细粒子的污染.     

粤北灰霾天气的气候特征分析

根据1980～2007年粤北15站逐月灰霾日数资料,利用统计方法分析其时空分布特征,并利用12项目环流指数和500hPa高度场格点资料,分析了灰霾日数与大气环流异常的联系.分析结果表明,粤北地区1980～2007年灰霾总日数的极大中心在始兴县,极小中心在乳源县;1月和12月出现灰霾日数最多,7月最少;大部分地区的灰霾日数逐渐增多,尤其1990年以后增加非常明显,其中增加最快的地区在清远和佛冈.对粤北地区灰霾日数影响最明显的是前一年2月、10月和11月的大气环流.     

珠三角城市群热岛及其气象影响因子研究

城市群热岛效应的合理评估关系到城市化对区域气候和环境的影响研究。以珠三角城市群为分析对象,并将其划分为东中西三个区,分析1999—2008年20个气象观测站资料,利用实测气温标准差方法定量选取郊区代表站,通过城郊对比方法研究热岛的时空特征及其气象影响因子,结果表明:珠三角平均热岛强度为0.71 ℃,线性增加趋势为0.29 ℃/(10 a)。热岛强度空间结构呈纬向三极子分布,广州、佛山、东莞和深圳等经济发达城市为高强度带,东西两侧逐渐减弱为两个低强度中心。热岛强度秋强(1.06 ℃)春弱(0.39 ℃)的季节变化和夜强(0.91 ℃)昼弱(0.53 ℃)的日变化特征明显。影响热岛出现频率的气象因子依次为低云量、相对湿度、风速和降雨量,并表现为负相关。研究结果对珠三角城市群的发展规划及气象和环境风险区划有良好借鉴意义。      

空气污染对珠江三角洲一次大暴雨影响的数值模拟

利用完全在线耦合气溶胶-云-化学WRF-Chem数值模式,采用Lin双参数云微物理方案,对珠江三角洲地区2010年5月14日的一次大暴雨过程进行了模拟。在无污染物排放源(控制试验)和有污染物排放源(敏感试验)背景下对云微物理结构和转换过程进行对比分析。结果表明:在降水中心位置和范围上,敏感试验和控制试验均与实况降水相近。但加入污染物排放源后,总累积降水量减少,而平均降水率峰值有所提高,并且降水初始时刻会比无污染物排放源时滞后一些。云水蒸发和雨水蒸发在降水初始阶段的减少,延缓了降水的发生;云水自动转化成雨水的增加致使雨水混合比在降水加强时段增加,造成平均降水率峰值提高;以雨水被霰收集为主的冷云过程的减少导致总累积降水量减少。      

珠江三角洲东部低层大气流动与中尺度扩散特性

采用拉格朗日随机粒子扩散模式和三维风场诊断模式及实际气象观测资料,模拟分析以大亚湾核电厂厂址为中心的珠江三角洲东部地区低层大气流动和气载污染物的中尺度扩散情况。结果表明:(1)该区域低层大气流动受盛行风背景、天气系统、海陆风局地环流以及当地地形扰动的共同作用,季节变化明显。(2)冬-春-秋季,核电厂扩散的可能影响区域总体分布在偏北内陆方向和西南方的珠江出海口及外海地区,夏季总体分布于北方内陆地区。(3)污染物扩散输送出200km×200 km模拟区域的平均时间约12~20 h;污染物在模拟区域内滞留24 h以上的情况,冬-春-秋季三季的出现频率为1/5左右,夏季出现较少,约占1/20的比例。     

珠三角地区前汛期强对流潜势预报方法研究

利用2004—2006年前汛期探空资料计算的物理量,选取与强对流天气相关性好的大气温湿类(整层比湿积分IntegralQ)、层结稳定度类(K指数)、动力类(潜在下冲气流指数MDPI)、热力动力综合类(瑞士第一雷暴指数SWISS00)作为预报因子,通过对各指数的空间分布特征和数值进行二值Logistic回归分析,得到各指数的参数估算值,建立强对流诊断预报方程,得到前汛期强对流潜势预报因子P,从而制作珠江三角洲(以下简称珠三角)地区未来12小时出现强对流天气的潜势预报。并用此法回报2003—2006年3—6月前汛期的强对流天气。结果表明,P值大于0.9的准确率可达77.5%,P值小于0.5出现强天气的概率仅为3.8%。由于资料有限,对2007年3—4月发生的7次强对流的经验检验效果不明显,但P值小于0.5时不发生强对流的经验检验效果明显。此法对珠三角地区的短时强降水和雷雨大风等强对流天气的临近监测预警有较好的指示意义。     

珠江三角洲城市地区MODIS气溶胶光学厚度产品的检验分析

根据2004年1—11月地面太阳光度计的气溶胶光学厚度的观测数据,对美国航空航天局(NASA)发布的中分辨率成像光谱仪气溶胶光学厚度产品(MODIS AOD C004)在珠江三角洲城市地区的准确性进行了检验,并分析了造成MODIS AOD误差的可能原因。分析结果表明:⑴MODIS AOD的误差在NASA的预期误差范围内,MODIS AOD可作为气候变化的研究和区域大气污染监测的有效手段。⑵与世界上其他地区的检验结果类似,MODIS AOD在珠江三角洲城市地区存在一定的系统性偏差:当AOD较小时,MODIS AOD值大多高估,而当AOD比较大时,MODIS AOD值偏低,这一系统性偏差大于全球平均偏差。其中广州和南海的偏差最为显著,东莞和番禺次之。⑶导致MODIS AOD在珠江三角洲城市地区出现较大系统性偏差的原因包括:珠江三角洲工业化和城市化的发展,使地表的植被覆盖率已大幅减少,MODIS AOD反演所采用的地表反照率估算值可能偏小;气溶胶模型中设定的单散射反照率值偏高,低估了珠江三角洲城市地区气溶胶的吸收性。     

NUMERICAL PREDICTION OF AN EXTREME RAINSTORM OVER THE PEARL RIVER DELTA REGION ON 7 MAY 2017 BASED ON WRF-ENKF

An ensemble Kalman filter based on the Weather Research and Forecasting Model (WRF-EnKF) is used to explore the effectiveness of the assimilation of surface observation data in an extreme local rainstorm over the Pearl River Delta region on 7 May 2017. Before the occurrence of rainstorm, the signals of weather forecasts in this case are too weak to be predicted by numerical weather model, but the surface temperature over the urban area are high. The results of this study show that the wind field, temperature, and water vapor are obviously adjusted by assimilating surface data of 10-m wind, 2-m temperature, and 2-m water vapor mixing ratio at 2300 BST 6 May, especially below the height of 2 km. The southerly wind over the Pearl River Delta region is enhanced, and the convergence of wind over the northern Guangzhou city is also enhanced. Additionally, temperature, water vapor mixing ratio and pseudoequivalent potential temperature are obviously increased over the urban region, providing favorable conditions for the occurrence of heavy precipitation. After assimilation, the predictions of 12-h rainfall amount, temperature, and relative humidity are significantly improved, and the rainfall intensity and distribution in this case can be successfully reproduced. Moreover, sensitivity tests suggest that the assimilation of 2-m temperature is the key to predict this extreme rainfall and just assimilating data of surface wind or water vapor is not workable, implying that urban heat island effect may be an important factor in this extreme rainstorm.     

珠江三角洲局地强风暴发生的环境条件

中纬度地区局地强风暴发生的环境条件已有过许多研究[1-6],陶诗言[7]归纳出三个必要条件：(1)对流层中下层为明显位势不稳定,(2)有强的垂直风切变,(3)中层十分干燥。同类的热带地区研究工作比较少见。本文根据1976-1983年3-8月出现在珠江三角洲的局地强风暴和广州站逐日08时探空资料,分析了各月局地强风暴发生的有利和不利条件。发现本地区局地强风暴发生的环境条件与中纬地区相比,在垂直风切变、中层湿度和稳定度等方面是不同的。     

珠江三角洲城市群对雷暴的影响

利用2000—2007年广东省闪电定位仪所获得的地闪资料和广东省86个气象站所统计的雷暴日资料,对广东省(特别是珠江三角洲城市群区域)的雷暴日闪电频次变化进行了分析。结果表明:虽然珠三角城市群雷暴日与非城市群雷暴日相差不大,8年中变化也不大,但总闪远多于非城市群,总闪在8年中也有显著增长。珠三角城市群的单个雷暴的闪电频次要远多于非城市群区域,总闪增长也主要是单个雷暴的闪电频次的增长。而且,珠三角城市群对前汛期雷暴影响大,对后汛期影响相对较小。     

珠三角城市扩张对春季主要气象参数和O3浓度的影响

利用新一代大气化学在线耦合模式WRF-Chem研究城市扩张对珠三角地区春季气象条件的改变及其对地面O3浓度的影响。研究结果表明:受城市扩张的影响,珠三角城区的月平均气温上升0.35℃;城区夜间相对湿度下降幅度为4%～6%,影响程度大于白天;风速在白天和夜间都有不同程度的下降,城市月平均风速下降1.89 m/s;边界层高度在白天和夜间均升高,城市月平均边界层高度上升39.82 m。城市扩张后,城市月平均O3浓度增加0.89 ppbv,增幅大于1.5 ppbv的区域主要在佛山和东莞,白天O3浓度增幅为0.6～1.5 ppbv,夜间增幅及影响范围都大于白天,O3浓度增加区域与主要气象要素变化的区域相一致;白天14:00城区混合层内总臭氧柱浓度增加了80 ppbv;O3浓度对气象要素的敏感程度表现为:温度>边界层高度>风速>相对湿度;白天O3浓度增幅呈U型,其中14:00的O3增幅最小,为0.2 ppbv;夜间O3增幅呈倒V型,其中20:00的增幅最大(>1.5 ppbv)。