冬春两湖盆地地区大气气溶胶污染的年代际变化特征及其与东亚经向风南北反相位的联系

基于MERRA-2及ERA5逐月再分析资料,本文采用EOF分析、线性回归和合成分析等方法,分析了1980~2020年长江流域中游两湖盆地地区气溶胶光学厚度(AOD)的年代际变化特征及东亚经向风南北反位相模态对其的影响。结果表明,在年代际尺度上两湖盆地地区AOD呈现非线性的变化趋势,20世纪80、90年代处于低值,21世纪初AOD持续升高,2010年后开始下降。空间场上表现为全区一致的变化特征,高值区主要位于两湖盆地中部,以洞庭湖为中心呈南北纵向分布。进一步对两湖盆地AOD年代际变化与大气环流异常关系的分析表明,在东亚经向风南北反相模的影响下,偏北风输送是影响两湖盆地AOD年代际变化的主要气象原因。在年代际尺度上,当西伯利亚高压的强度、面积增大,东亚大槽西移,西北太平洋副热带高压脊线南移时,东亚经向风南北反相模趋于正相位(即长江以北有异常偏南风、长江以南有异常偏北风)。此时,两湖盆地位于气旋性环流异常的底部,在异常的偏北风的作用下,西北地区的气溶胶向两湖盆地输送加强。且两湖盆地处于两个异常气旋性环流的中间,气压梯度小,风速偏弱,使得两湖盆地气溶胶输入大于输出,促进21世纪初AOD年代际升高。

“两湖盆地”秋季黑碳气溶胶的分布及来源特征

应用耦合了黑碳(Black Carbon,BC)区域源追踪方法的中尺度天气-化学模式(WRF-Chem),对位于长江中游的湖南湖北盆地(以下简称两湖盆地)秋季(2015年10月)黑碳的分布、区域来源和日变化特征进行研究。结果表明,由于两湖盆地所处地理位置及地形的特殊性,在不同的风场条件下,本地源和外来源对两湖盆地BC的贡献占比变化较大。两湖盆地秋季BC的来源主要有3种情形:1)北风控制下的传输型:地面风速大,BC质量浓度相对低,上风向源对两湖盆地近地面BC的贡献占比达30.6%,其中汾渭地区的贡献最大,本地源的贡献占比为61.7%。2)地面风速小、大气稳定条件下的静稳型:近地面BC质量浓度高,本地源的贡献占比高达79.6%。3)东北风控制下的传输型:本地源和外来源的贡献共同使得两湖盆地BC维持较高质量浓度,本地源的贡献占比为64.1%,外来源的贡献主要包括安徽省、汾渭地区及长江三角洲的输送。在垂直方向上,传输型的本地源贡献占比仅在300 m以下较高;静稳型的本地源贡献占比较高,可延伸到1500 m以上(本地源的贡献占比在近地面约为75%、至1500 m约为50%)。在日变化上,本地源与外来源对两湖盆地BC的贡献占比呈相反变化,夜间和早间本地源的贡献占比较高而外来源的贡献占比较低,午后本地源的贡献占比减小而外来源的贡献占比明显增大;相对静稳型而言,传输型的这一日变化特征更为显著。

西伯利亚高压对两湖盆地冬季PM_(2.5)异常变化的驱动作用

利用华中地区两湖(湖南-湖北)盆地2015~2022年1月PM_(2.5)浓度观测数据,结合2000~2021年中国1km分辨率近地表PM_(2.5)浓度再分析数据集(CHAP)、ERA5气象再分析资料,借助统计相关性分析、大气环流异常诊断和数值模拟等方法,探究了东亚冬季风(EAWM)系统中西伯利亚高压强度(SHI)与两湖盆地冬季PM_(2.5)异常变化的关联与物理机制.结果表明,在剔除人为排放长期变化对PM_(2.5)影响的基础上,两湖盆地2015~2022年1月观测PM_(2.5)年际变化与同期SHI相关性达到-0.82(P<0.05,n=7,剔除疫情年影响),并且2000~2019年1月PM_(2.5)再分析与SHI年际变化也呈显著负相关-0.77(P<0.05,n=20),揭示了以SHI表征的东亚冬季风强度变化主导了两湖盆地冬季PM_(2.5)年际变化的气候特征.EAWM背景下西伯利亚高压是调制两湖盆地冬季大气扩散能力和PM_(2.5)年际异常的一个关键影响系统.SHI强(弱)年,对流层中高层大气纬向型环流偏弱(强),高空西风分量减弱(增强),东亚大槽加深(减弱),中低层为异常偏北(南)风,有利(不利)冷空气入侵南下,增强(减弱)两湖盆地通风系数,从而调制了区域PM_(2.5)异常变化.通过FLEXPART-WRF模拟也验证了西伯利亚高压通过调控两湖盆地大气扩散能力和本地源贡献,进而影响局地PM_(2.5)浓度变化.

两湖盆地冬季区域大气颗粒物污染特征及独特的风场和下垫面影响

为认识近年来长江流域中游两湖(湖南-湖北)盆地大气环境变化特征,本文利用两湖盆地2015~2019年冬季近地面PM_(2.5)和PM_(10)观测数据,结合风速、地形和植被指数等资料,探讨两湖盆地冬季大气颗粒物PM_(2.5)和PM_(10)的变化特征及其与风速、地形和下垫面的关联.结果表明:(1)两湖盆地2015~2019年冬季PM_(2.5)污染频发,其中两湖盆地西北部的襄阳和荆门的冬季平均分别多达62 d和61 d出现PM_(2.5)污染(PM_(2.5)>75μg·m^(-3)),襄阳重污染(PM_(2.5)>150μg·m^(-3))多达19 d,表明两湖盆地是长江流域中游地区一个区域性PM_(2.5)污染中心.(2)在空间上,两湖盆地污染呈现出西北重东南轻、城市群污染较重的特征,这主要与冬季风驱动的大气污染物的区域传输和两湖盆地城市地区的强排放有关.(3)近地面风速与PM_(2.5)和PM_(10)地面浓度变化呈现特殊的"U"型非线性关系,PM_(2.5)和PM_(10)浓度拐点值分别为153μg·m^(-3)和210μg·m^(-3),揭示了两湖盆地局地大气颗粒物累积主导了轻/中度污染,大气污染物区域传输决定了重度污染的独特区域特征.(4)两湖盆地冬季PM_(2.5)和PM_(10)地面浓度与地形高度和植被指数均呈显著负相关,反映了两湖盆地地形和城市化下垫面变化的大气环境效应.

两湖盆地襄阳地区PM_(2.5)重污染过程区域传输的观测和模拟分析

两湖盆地位于华中地区,横跨湖北、湖南两省,海拔高度低于200 m.襄阳为华中地区两湖盆地的“风口”,PM_(2.5)污染严重.为认识襄阳地区大气环境变化特征,对其2016年1月的大气污染过程进行研究分析,研究气象条件对PM_(2.5)浓度的影响.结果表明:冷空气南下入侵对两湖盆地襄阳地区产生PM_(2.5)重污染有重要驱动作用.强风是驱动大气污染物区域传输的主要因素,受东亚冬季风影响,上风方的PM_(2.5)跨区域传输到下风方两湖盆地,导致襄阳地区的PM_(2.5)污染水平上升.基于FLEXPART-WRF模式,定量估算了2016年1月襄阳地区4次PM_(2.5)重污染过程的区域传输贡献,估算发现4次大气重污染过程的外源贡献率均高于50.0%,最高达80.3%,体现了大气污染物区域传输对两湖盆地大气重污染事件的主导作用.两湖盆地襄阳地区PM_(2.5)污染主要潜在源来自东北路径,以华北平原为主.