北京2005—2014年PM2.5质量浓度的演变特征

利用2005—2014年北京宝联（城区）和2006—2014年上甸子本底站（郊区）的PM2.5质量浓度监测结果揭示了其长时间的演变特征。结果表明,2005—2007年北京地区PM2.5污染最重,2008年以后PM2.5年平均浓度明显降低,中度以上污染日数减少,但是2013—2014年有加重趋势。城区秋、冬季平均浓度最高,春季和夏初次之。然而,近年来春、夏季污染有减轻的趋势,高浓度值出现的时间越来越向秋、冬季集中,从而导致季节性差异变大。春季沙尘天气是其影响因素之一。上甸子春、夏季的PM2.5平均浓度高于秋、冬季,与城区不同。但2011年以后城郊差异逐渐变小,表明污染事件的区域性特征增强。北京城区中度污染日数年平均为30 d,重度污染为26 d,严重污染为4.7 d。污染日数月际变化明显并且月分布具有年际差异。2013—2014年,中度污染日数减少,严重污染日数增加,PM2.5年平均浓度与秋、冬季重污染过程的相关性增大。上甸子中度以上污染日数是城区的1/3。持续性重污染过程多发生在秋、冬季。2008—2014年以后中度以上污染持续超过3 d的过程每年平均发生1.9次,重度以上污染0.6次。绝大多数严重污染只持续2~3 d。重度以上污染日多出现在污染过程的中后期,因此遇不利气象条件提前采取减排措施将有可能减少重污染发生的频次。     

北京雷暴大风日环境特征分析

雷暴大风是指由对流活动带来的除龙卷以外的地面灾害性强阵风。根据北京地区21个观测站2000～2007年的观测资料,将出现在该期间的雷暴大风按强阵风出现时降水量的大小划分为干、湿两种类型,探讨了两类雷暴大风日环境大气的热力稳定度条件、环境风垂直分布及演变等特征。结果表明,绝大多数干型雷暴大风产生在对流有效位能较小但对流层中低层环境风垂直切变却比较大的环境中,因此反映热力不稳定性的对流参数在干型雷暴大风的预报中具有一定的局限性,给对流初生的预报带来了一定难度。而湿型雷暴大风则多发生在热力不稳定的条件下。两种类型雷暴大风日环境大气温湿廓线有较大差别是造成热力不稳定性不同的原因之一。因此在预报雷暴大风时,除了环境大气的热力不稳定性外,还应考察环境风垂直切变等因素。下沉气流的热力稳定性和对流层中下层环境风速的演变是判断对流活动能否给地面带来短时强阵风的两个重要因素。下沉对流有效位能（DCAPE）的分析结果表明,多数雷暴大风日临近时刻的下沉对流有效位能大于600 J·kg-1,而且86%的干型个例和59%的湿型个例在地面大风出现前DCAPE呈现增加的趋势,这对雷暴大风特别是干型雷暴大风的潜势预报具有一定的意义。在雷暴大风来临前,抬升凝结高度以下的环境温度直减率明显增加,这种演变趋势也可为临近预报提供有用的信息。此外,风廓线仪观测资料是对常规探空的有效补充。分析表明,有一些雷暴大风的产生与高空水平动量下传有关。在雷暴大风出现前,高空环境风陡增,具有较高数值的等风速线连续下落,在雷暴大风产生时到达地面。有效地使用风廓线仪观测资料,将有利于提高雷暴大风的临近预报和预警水平。       

导致“7.21”特大暴雨过程中水汽异常充沛的天气尺度动力过程分析研究

2012年7月21日北京发生了历史罕见的特大暴雨,最大累计降水量达到541 mm,最大雨强100.3 mm/h,强降水持续10多个小时,造成了巨大的损失。使用常规观测资料和NCEP再分析资料在讨论环境大气湿度条件与特大暴雨关系的基础上,分析了实现充沛的水汽远距离输送到华北并在北京上空积累的天气尺度动力过程及其形成的原因。结果表明,“7.21”特大暴雨产生在大气异常潮湿的环境中。在暴雨发生时,比湿最大值达到19 g/kg,而且,对流层中下层的比湿比北京区域性暴雨历史个例高40%。产生长时间强降水的重要原因是边界层以上高湿的特征在暴雨产生的过程中一直维持。充沛的水汽被一支从低纬度一直贯通到40°N附近的低空偏南气流从孟加拉湾和中国南海向北输送。偏南风持续增大形成低空急流,增大了水汽的输送。而且,随着急流核向东北方向移动逐渐靠近北京,在北京上空对流层低层产生了-17.7 g/（hPa·m²·s）异常强烈的水汽通量辐合。同时,高空强烈辐散与低空辐合的耦合不断加强,不仅增加了低层水汽在暴雨区汇集,而且也通过增强垂直速度将更多的潮湿空气向上输送,使高层大气湿度增大。通过上述两个天气尺度动力过程,实现了水汽的远距离输送,并在暴雨区上空强烈辐合,导致北京地区水汽异常充沛。输送水汽的偏南风持续增大的原因主要有两个：一是台风外围环流的影响;二是在海上副热带高压稳定维持的情况下,大陆上低压加强、东移,造成东西向气压梯度增大,在地转偏向力的作用下,南风增强。最后,得到了实现水汽远距离输送的天气尺度动力过程机理模型。     

2008年北京奥运会期间降水天气及其环流形势分析

使用MICAPS常规地面高空、加密自动站观测资料和NCAR/NCEP再分析资料对2008年北京奥运会期间降水天气的总体特点、大尺度环流形势及几次主要降水过程的降水量分布和环流形势特点进行了分析总结。该期间降水天气的总体特点为:降雨过程多、降水量异常偏多、降水的局地性和突发性较强、城区降水多出现于午后和凌晨。奥运期间平均的高空环流形势与常年接近,但从500hPa位势高度沿116°E的时间-纬度剖面图上在40°N一带存在槽脊间隔分布的低高低高的随时间演变规律,经向风分析表明8月8日至14日冷暖空气在华北地区的活动相当频繁,造成了一次次对流性降水天气过程。其中,8月8—14日共出现4次明显降水天气,其过程雨量分布特点明显不同,分别为部分地区型、带状分布型、城市中心型、波状分布型。其对应的环流系统属于造成夏季暴雨典型天气型中的副高西来槽型,但处于西来槽和副高相互作用的不同阶段。虽然四次主要降水过程的大尺度环流形势和影响系统相近,但造成的降水分布明显不同,其原因可能是不同的物理机制产生的中小尺度系统不同。