基于人体热量平衡模型的天津地区中暑气象风险预报技术研究

基于2016—2020年天津市中暑门诊和住院就诊数据,利用广义相加模型和分布滞后非线性模型对气象要素与中暑就诊率的关系进行了分析,引入人体热量平衡模型和热舒适评价指标(PMV),建立了本地化中暑气象风险预警指标。结果表明:天津地区中暑门诊人数和住院人数集中在每年6月下旬到8月上旬,5年中84%的中暑高发事件集中在6次连续过程中,其发生与当日和前一日气象条件相关性最高,当最高气温大于35℃时,中暑人数明显增多。男性比女性更易中暑,老人就诊率显著高于一般人群。中暑就诊率与平均气温、最高气温、相对湿度、太阳辐射强度呈正相关,与平均气温相关性最强,与风速呈负相关。引入人体热量平衡模型,显示PMV与中暑就诊率的相关性高于任何单一气象要素,PMV在评价中暑气象风险方面具备明显优势。并且,以PMV为关键指标形成预报方程。

天津一次雾过程的边界层特征研究

雾作为边界层内一种特殊的天气现象与边界层结构有着密切联系。本文利用天津边界层梯度观测平台分析2010年11月28日至12月2日一次雾过程的边界层结构特征。结果表明:此次过程雾Ⅰ阶段水汽最先在离地面80～100 m的高度凝结,雾Ⅱ(平流雾)阶段水汽由上往下传输;雾Ⅰ前,大气有明显的逆温,雾Ⅱ前大气处于不稳定状态,雾中大气趋于中性,在雾变薄过程中,边界层气象塔可观测到雾顶的强逆温;雾中长波辐射达到平衡,净长波辐射为0,可用此区分水雾和霾;雾对光化学烟雾有抑制作用,NO_x和小粒子会出现累积,影响人体健康。

天津夏季黑碳气溶胶及其吸收特性的观测研究

利用天津城市边界层观测站2010年8月12日~9月18日期间的黑碳、污染物和气象梯度观测数据,分析天津市夏季黑碳气溶胶浓度的变化特征及其影响因子.结果表明,观测期间,黑碳气溶胶浓度均值为6.309μg/m3,占PM10质量浓度的4.17%,其吸收消光占气溶胶总体消光的10.23%.受人类活动和边界层结构影响,黑碳气溶胶浓度日变化呈双峰型,7：00达到峰值,14：00~16：00最小,20：00达到次高峰.黑碳气溶胶浓度随风速增加呈下降趋势,当风速超过4m/s时,浓度一般低于5μg/m3,西风及西北风对天津城区黑碳气溶胶输送作用明显,其出现大于10μg/m3的高黑碳气溶胶事件概率为18.07%;逆温和大气稳定易造成黑碳气溶胶在近地层的堆积,形成高污染事件.

郑州地区大气气溶胶光学特性的地基遥感研究

根据自动跟踪扫描光度计观测资料，利用Bouguer-Lamber定律反演郑州地区2007年2-9月气溶胶光学厚度和波长指数，分析郑州地区该时段气溶胶光学特性的季节变化和日变化情况.结果表明，郑州地区2007年2-9月1020nm气溶胶光学厚度为0.49±0.09；870nm气溶胶光学厚度为0.60±0.13；670nm气溶胶光学厚度为0.76±0.20；440nm气溶胶光学厚度为1.08±0.34.季节变化以夏季最高，秋冬次之，春季最低.波长指数春季为0.37-0.69，夏季为1.18-1.26.春季有50%以上的天气，扬尘粒子为主控粒子，而夏季城市-工业气溶胶是主控粒子之一.日变化规律与近地面污染物浓度变化一致，8：30和17：00左右出现峰值，11：30出现谷值，由于气温上升，湍流剧烈，12：30左右气溶胶光学厚度有1个小高峰，但仍处于全天的低值区.

气溶胶直接气候效应对天津气象和空气质量的影响

基于在线大气化学模式WRF/chem,发挥其在线模式的优势,假设是否考虑气溶胶直接气候效应2种情况,模拟2015年全年天津地区气象场和空气质量的演变,并与观测实况比较,定量剖析天气-气溶胶-天气-空气质量之间的相互关系.结果表明:2015年气溶胶直接气候效应导致天津地面太阳辐射下降27.42W/m^2,气温下降0.21℃,风速减少1.1%,相对湿度增加1.4%,边界层高度下降6.3%,气象条件向不利于大气污染扩散方向转变,由于上述作用的存在,2015年PM_(2.5)质量浓度增加3μg/m^3,PM_(10)增加5.5μg/m^3,SO_2增加1.2μg/m^3,同时由于气溶胶影响光化学条件导致的O_3质量浓度减少1.4μg/m^3.气溶胶直接气候效应形成天气-气溶胶-天气-气溶胶之间的循环作用并不是线性的,重污染天气显著强于清洁日和平均条件,从而导致重污染天气空气质量的进一步恶化.

天津低能见度特征初探

本文通过对天津气象站历史能见度资料和边界层观测站能见度、相对湿度、气溶胶观测资料进行分析,获取天津低能见度基本特征,在此基础上,基于WRF-Chem大气化学模式模拟了2010年10月和2011年1月天津地区大气水平能见度。结果表明:天津地区低能见度事件主要发生在每年11月至次年1月,在获取PM_(2.5)和PM_(10)质量浓度、相对湿度的基础上可较好地推算大气水平能见度,利用WRF-Chem大气化学模式和拟合公式,可以有效的进行能见度等级模拟和预报。

天津夏季大气消光性质的研究

利用2010年夏季天津城市边界层观测站颗粒物、黑碳气溶胶、氮氧化物(NOX)浓度、地面能见度和气象梯度观测资料,分析了天津夏季大气消光特性及低能见度事件产生的原因。结果表明,天津夏季主要污染物为PM10和PM2.5,大气气溶胶消光系数为529.06M.m-1,其中,吸收系数为50.17M.m-1,散射系数为478.89M.m-1,气体吸收系数为7.74M.m-1,气溶胶单次散射反射率为0.87。天津夏季边界层大气状态有近一半的时间为中性或偏稳定层结,当出现中性或偏稳定层结大气时则有接近一半的情况出现低能见度事件(能见度<5km),影响人们的日常生活。

长江三角洲地面太阳辐射变化和相关因素分析

通过对长江三角洲地区(南京,杭州,上海,合肥)1961—2000年辐射资料的比较,根据中国气象局编写的《气象辐射观测方法》对该地区年地面太阳辐射平均值进行计算,分析长江三角洲地区地面太阳辐射的长期变化及季节差异,并讨论长江三角洲地区两个重要城市杭州和南京的部分与地面太阳辐射息息相关的因子,分析长江三角洲地区直接辐射,散射辐射与总辐射的关系。结果表明:在40 a中长江三角洲地区4个代表城市总辐射长期变化分为两个阶段,1980s为谷值,谷值前有明显的下降趋势,后期总辐射变化趋势发生逆转,就所研究城市而言,1960s到1980s地面太阳总辐射的下降主要是由于直接辐射下降引起的。

室外热环境指标的简化计算和应用研究

利用天津市边界层观测站2008年5—9月、2009年5—7月温度、湿度、风速、湿球黑球温度(WBGT)和太阳辐射资料作相关性分析,结果表明:干球温度、相对湿度、太阳辐射、风速与湿球黑球温度具有一定的线性相关度。结合Rayman模型计算平均辐射温度,建立了以云、大气温度、相对湿度、风作为预报因子的湿球黑球温度统计方程。利用气象预报因子和WBGT统计方程,并结合GB/T 17244-1998和ISO7243标准体系,给出未来6小时劳动休息时间安排建议。结果表明WBGT计算方法实用可行,其预报产品可以减轻高温室外劳动对人体的伤害,对未来短时间内劳动日程的安排,有较好的指导作用。

21世纪以来天津细颗粒物气象扩散能力趋势分析

基于高精度的排放源和大气化学模式WRF/chem,在同排放源条件下模拟了2000~2015年天津地区PM_(2.5)质量浓度,根据NECP再分析资料和地面观测相关数据构建细颗粒物气象扩散指数,使用两种方法描述21世纪以来天津地区细颗粒物气象扩散能力变化趋势.研究结果表明:2000~2015年期间天津地区细颗粒气象扩散能力呈现周期性波动,不利气象条件的第一个峰值出现在2003~2004年,第二个峰值为2013~2015年,两个峰值相距11年,在2000~2015年间,天津地区气象扩散能力(主要针对PM_(2.5)影响)年际平均波动4.1%,最大值约为9%,对于大气污染防治目标制定和效果评估,必须考虑气象年际波动的影响;2008~2010年气象条件较有利于细颗粒物扩散,此后逐年转差,在2013~2015年处于历史正距平(不利扩散),从而导致2013~2015年雾霾和重污染天气频发;2015年相比2013年天津细颗粒物气象扩散能力没有明显提高,但PM_(2.5)质量浓度下降29%,大气污染防治措施的有效执行在其中发挥积极作用.

天津地区霾天气特征研究

基于2014～2017年天津地区PM_(2.5)质量浓度,能见度和相对湿度监测数据开展霾天气特征研究.结果表明:天津中度以上霾过程分为五类:高压后部型,北部弱高压型,低压槽型,均压场型和锋前低压型.在现行标准下,中度霾一般对应重度污染天气,重度霾对应重度到严重污染天气;五级重度污染天气一般有中-重度霾发生,六级严重污染天气有重度霾天气发生.2013年"大气污染防治行动计划"开展以后,天津PM_(2.5)质量浓度和霾日均显著减少,2017年相比2013年霾日减少了55%,中度及其以上霾日由2013年的41d下降到2017年的20d,下降幅度超过50%.基于实况监测的PM_(2.5)质量浓度,能见度和相对湿度,可以较好的构建区域能见度计算方程.统计数据显示,其估算的能见度和实况值相关系数为0.94,相对误差为18.6%,非霾日辨识准确率为85%,霾日辨识准确率为95.6%,轻微霾辨识准确率为83%,轻度霾辨识准确率为78%,中度霾辨识准确率为93%,重度及以上霾辨识准确率为94%,对于判断霾等级,有较强的适用性.将该方程与空气质量模式结合开展霾等级预报,2015～2017年24h预报产品检验显示:能见度预报值与实况值相关系数为0.75,预报均值13.9km,实况均值14.1km,相对误差为29.6%,FAC2(预报值在实况值两倍范围内百分比)为98.1%,霾日预报准确率81.4%,霾日漏报率18.6%,霾日空报率20.6%,如果容错1级,轻微霾日预报准确率为96%,轻度霾日预报准确率为85%,中度及以上霾日预报准确率为69%,可有效支撑天津霾等级预报的开展.

基于WRF/Chem模式天津地区重污染天气成因分析

基于WRF/Chem数值模式,以CO为示踪物分解水平输送、湍流混合和垂直运动对近地面大气污染的影响,研究2014-2017年天津地区重污染天气成因。研究表明:基于上述方法可实现重污染天气水平输送、湍流混合和垂直运动影响的定量描述,完成重污染天气成因数值归因分析。如2017年1月26日的重污染天气湍流混合能力下降是其重要的影响因素,2017年2月12日重污染天气混合层厚度下降对其影响显著,2017年2月16日重污染天气水平输送对其有重要影响,2015年12月21日重污染天气是下沉气流、湍流混合能力下降和混合层降低共同导致。在分析中,可通过湍流混合导致地面CO质量浓度每小时下降速率小于40%,垂直运动使得CO质量浓度每小时上升速率大于等于1.4%,混层层厚度小于250 m,水平扩散导致地面CO质量浓度上升等指标表征气象条件易于重污染天气形成。2014-2017年99次重污染天气符合上述条件之一或者多个条件,覆盖所有重污染过程的85%,即使未满足上述条件,99%的过程也可以通过重污染天气成因分析标准予以解析。分析显示2014-2017年天津116次重污染过程,58%的过程由两个或者三个气象因素共同影响所致,且影响因素与天气类型密切相关,如高压后部型与水平输送、北部弱高压型与下沉运动影响等。相比水平输送和湍流混合能力下降,下沉运动带来的近地面大气污染物质量浓度上升往往会被忽略,但在部分过程中,下沉运动也会导致近地面质量浓度快速增加,成为重污染天气形成的重要影响因素,如2014年1月1011日。湍流扩散系数KZ和湍流混合导致地面CO质量浓度每小时下降速率β与近地面PM2.5质量浓度呈现较好的幂指数关系,其相关系数分别为0.57和0.73,可以在重污染成因分析和预报中发挥积极作用。

天津重污染天气混合层厚度阈值及应用研究

在对比云高仪反演数据和中尺度模式不同边界层方案模拟数据的基础上,构建天津地区混合层厚度数据集,并收集2009—2015年天津地区PM_(2.5)质量浓度和能见度资料,开展天津地区重污染天气混合层厚度阈值和相关规律研究。结果表明:2000—2015年期间天津地区混合层厚度呈现波动性逐年增加趋势,与255m气象塔观测近年天津地区逆温层底升高以及夜间边界层高度增加有较强的一致性。统计显示PM_(2.5)日均质量浓度和混合层厚度呈现指数关系,混合层厚度越低PM_(2.5)质量浓度越高,其阈值天津地区可以以200、400、600和800 m作为界限判断大气污染垂直扩散能力,当日均混合层厚度<200m时,天津地区重污染天气出现概率52%,中度以上霾出现概率46%,需要特别关注。PM_(2.5)日均质量浓度和混合层厚度的负相关并不适用于所有过程,对于输送型过程由于大气污染的输送一般由高空影响地面,在污染的起始阶段,混合层厚度的增加,反而有利于上层大气污染物向下的传输,使得近地面PM_(2.5)质量浓度升高,在运用混合层厚度阈值指标时需要特别考虑。

天津冬季雾霾天气下颗粒物质量浓度分布与光学特性

2013年1—2月连续在线观测天津ρ(PM2.5)、ρ(PM10)、大气能见度、σsp(气溶胶散射系数)、σap(气溶胶吸收系数)和AOD(大气光学厚度),结合气象资料,分析天津城区雾霾天气下的颗粒物质量浓度分布与光学特性.结果表明:在为期52 d的观测期间,发生雾日8 d、轻雾日1 d、霾日29 d,雾霾日占观测时长的73%;霾日ρ(PM2.5)ρ(PM10)为0.65,SSA(单次散射反照率)为0.95,MSE(气溶胶质量散射系数)为3.30 m2g,均高于非雾霾日,表明雾霾日下细粒子的散射作用是大气消光的主要贡献者;雾霾日的σsp和σap均高于非雾霾日,随着霾等级增强,σsp和σap逐渐增大,重度霾天气的σsp和σap与中度霾天气相当,分析高RH可能是造成能见度进一步降低的主要因素;雾霾天气下AOD500 nm和波长指数均显著高于非雾霾天气,表明雾霾天气下气溶胶浓度远高于非雾霾天气,并且细粒子占主导地位.

天津冬季相对湿度对气溶胶浓度谱分布和大气能见度的影响

于2013年1月连续在线观测天津城区气溶胶数浓度谱分布和大气能见度,并结合相关气象资料,探讨相对湿度(RH)对气溶胶浓度谱分布和大气能见度的影响.结果表明,观测期间发生了4次连续雾霾天气过程,4次雾霾天气过程对应着气溶胶粒子数浓度的连续高值,低能见度天气系高浓度气溶胶粒子和高相对湿度协同所致;随着RH增大,PN1和PN2.5-10呈增长趋势,RH>90%后,PN1和PN2.5-10有所降低,PN1-2.5则持续增长,高RH对气粒转化和气溶胶粒子的碰并聚合作用明显;气溶胶吸湿增长因子计算表明,高RH下水汽对能见度影响很大,尤其是大雾天气下其影响甚至可能超过气溶胶粒子浓度对其的影响.

天津市PM_(10),PM_(2.5)和PM_1连续在线观测分析

利用2010年9月1日─11月30日在中国气象局天津大气边界层观测站采集的ρ(PM10),ρ(PM2.5)和ρ(PM1)数据,分析了观测期间可吸入颗粒物的统计特征,结合同期气象观测资料,分析了典型天气条件下ρ(PM10),ρ(PM2.5)和ρ(PM1)的日变化特征及与风速、风向的关系.结果表明:观测期间,ρ(PM10)日均值有超过12的天数超过《国家环境空气质量标准》(GB 3095─1996)二级标准限值;ρ(PM2.5)有63 d超过美国国家环境保护局(US EPA)1997标准限值,超标率高达76.8%;不同天气条件下,ρ(PM10),ρ(PM2.5)和ρ(PM1)日变化特征明显,三者一般在大雾或扬沙浮尘天气条件下出现高值,有降水过程时出现低值;可吸入颗粒物以粗粒子(PM2.5～10)和PM1为主,PM2.5～10,PM1～2.5和PM1主要分布在风速小于3 m/s,风向为225°～280°和70°～110°范围内;风速大于3 m/s时,ρ(PM2.5～10)和ρ(PM1～2.5)有所增加.ρ(PM10),ρ(PM2.5)和ρ(PM1)未出现周末效应,但存在明显的周内变化.

天津城区春季大气气溶胶消光特性研究

利用天津大气边界层观测站2011年4月1日~5月10日气溶胶散射系数、吸收系数、PM2.5质量浓度、大气能见度和常规气象观测数据,分析了气溶胶散射系数和吸收系数的变化特征,以及气溶胶消光系数与PM2.5质量浓度和大气能见度的关系,并对两种方法计算的消光系数进行了比较.结果表明,观测期间天津城区气溶胶散射系数为369.93 Mm-1,对大气消光贡献为86.7%,气溶胶吸收系数为36.32Mm-1,对大气消光贡献为8.5%,单次散射反照率为0.91;气溶胶散射系数和吸收系数的日变化特征具有明显的双峰结构,对应于早晚交通高峰;不同天气类型下其日分布特征存在较大差异,霾日散射系数和吸收系数最高,沙尘日和降水日次之,晴日最低;气溶胶散射系数和吸收系数与PM2.5质量浓度呈线性正相关,与大气能见度呈指数负相关,观测期间气溶胶质量散射效率均值为2.95m2/g;采用Koschmieder’s公式反算能见度获得的大气消光系数,与通过测量气溶胶散射系数、气溶胶吸收系数、气体散射系数和气体吸收系数等分量加和获得的消光系数相比一致性较好,高相对湿度天气下能见度反算值高于各系数加和值.

基于多种边界层方案的天津PM_(2.5)集合预报试验

基于大气化学模式WRF/Chem采用4种边界层方案(YSU,BL,MYJ和MYN3)模拟2015年全年天津地区细颗粒物质量浓度演变趋势,分析不同边界层方案对天津地区PM_(2.5)质量浓度模拟和预报的影响,并构建多种边界层方案的集合预报产品,以期提高天津地区PM_(2.5)质量浓度预报效果。结果表明:大气化学模式的4种边界层方案在空气质量模拟中均有较好的适用性,PM_(2.5)模拟值与观测值相关系数达到0.76左右,晴空和大风天气BL方案表现较优,阴天和小风天气YSU和MYJ方案表现优于其他两种方案,综合所有过程没有任何单一方案具有显著优势。基于上述原因,该文开展多种边界层方案的天津空气质量集合预报试验,经过对2015年全年模拟值分析,多边界层方案和多气溶胶机制扰动的集合预报可以减小PM_(2.5)质量浓度预报的相对误差和均方根误差,降低重污染天气预报的漏报率,提升空气质量等级预报能力,在计算资源得到保证的基础上,是一种可以提升数值模式PM_(2.5)质量浓度预报能力的有效手段。

2009年天津城区地面O_3和NO_x的季节变化与相关性分析

作为城市污染大气的首要光化学污染物,臭氧的变化特征与NO、NO2密切相关.分析天津城区2009年全年O3、NO和NO2体积浓度变化特征,结果表明,O3体积浓度春夏季高,这种分布特征与短波辐射的季节分布有关,日照时数和云量的分布证实了这一点.NO浓度冬季最高,夏季最低,NO2浓度秋季最高,夏季最低;相关性分析表明有NOx参与的光化学反应是O3生成的主要方式.OX(OX=NO2+O3)浓度与NOx浓度的相关性分析表明,春季O3背景值最高,区域污染最重,夏季大气光化学反应最为强烈,大气氧化能力最强,局地NOx对O3生成的贡献最大.

天津采暖期大气PM_(2.5)中重金属元素污染及其生态风险评价

为揭示天津地区大气中重金属污染的潜在风险,分析了天津采暖期城区和武清大气PM2.5中重金属元素水平,并分别采用富集因子法和潜在生态风险指数法对重金属污染风险进行了评价.结果表明,天津城区大气PM2.5中重金属元素的浓度水平排序为Zn>Ti>Mn>Pb>Cu>Cr>Co>As>Cd>Hg,武清则为Zn>Ti>Pb>Mn>Cr>Cu>Co>As>Cd>Hg;Cu,Zn,Pb和Cd等元素的富集因子高于10,表明其系人为污染元素;重金属元素污染评价显示Ti和Mn基本无污染,As、Cr、Co等元素存在一定污染,Cu、Zn、Pb和Cd等元素潜在生态风险高,Cd生态危害程度极强,总体潜在生态风险指数分别为1381.1(城区)和1251.1(武清),达到极强程度.