冬季华北平原高空急流对近地层空气污染物作用的初步分析

研究表明东亚地区严重的近地层空气污染与高空急流之间存在着一定的联系。本文利NCEP/NCAR逐日风场、垂直速度资料以及Science Data Bank的地面污染物和气象要素数据,运用统计分析法研究了冬季东亚高空急流与近地面空气污染物高浓度区的关系并初步探讨了两者之间的作用机制。结果表明,2013~2018年冬季我国华北平原是颗粒物的高值区,华北平原污染物PM_(2.5)、PM_(10)的平均浓度分别为80.65μg m^(−3)、118.62μg m^(−3),超标天数分别共计459 d、489 d。颗粒物浓度均呈逐年缓慢下降趋势,PM_(2.5)/PM_(10)平均浓度约为0.65,该比值保持多年稳定。该地区的空气污染物浓度与东亚高空温带急流和副热带急流之间的强度反位相变化关系显著,两者可能通过地面温度以及经向风进而产生联系。当冬季高空温带急流强度偏强时,平均状态下副热带急流强度会偏弱,温带急流与副热带急流之间通过次级环流进行质量交换并稳定在这一状态,此时由于华北平原处于减弱的副热带急流右侧,上升气流减弱,地面温度升高,有增强的异常南风出现,有利于华北平原中部的PM_(10)、北部PM_(2.5)的堆积。反之,当冬季高空温带急流强度偏弱时,平均状态下副热带急流强度会偏强,此时上升气流增强,地面温度降低,有减弱的异常北风出现,此时不利于华北平原中部的PM_(10)、北部PM_(2.5)的堆积。

中国内地和印度黑碳气溶胶对东亚冬季气候的影响研究

黑碳(BC)气溶胶(简称黑碳)对区域和全球气候变化具有重要影响。为了进一步认识亚洲地区黑碳的区域气候效应,本文使用新一代的区域气候—化学模式RegCM4,研究了来自印度和中国内地的黑碳排放对东亚冬季气候的影响。结果表明:来自中国内地和印度的黑碳排放可导致东亚地区黑碳的区域平均柱含量、大气顶和地表有效辐射强迫分别变化了+1.78 mg m^(−2)、+1.98 W m^(−2)和−2.17 W m^(−2)。中国内地和印度黑碳对东亚气候的影响机制相同。印度黑碳对东亚冬季气候的影响主要通过对大气动力过程的调整来实现,由此造成的散射气溶胶浓度增加可导致该区域850 hPa附近和地表气温降低,而中国内地的黑碳还可直接影响东亚气候,其加热效应可导致该区域大部分地区850 hPa附近的气层变暖。由于中国内地黑碳在东亚地区占主导,其在影响东亚区域气候变化方面发挥着更重要的作用。总体而言,两地总的黑碳会造成850 hPa高度附近云量减少和气温升高;地表日照时数减少,气温、感热通量和地表蒸发量下降;边界层高度降低和散射气溶胶的柱含量上升。研究结果还进一步反映了东亚冬季气候对不同排放黑碳的响应表现出了一定的非线性。

中国地区黑碳气溶胶的第一间接辐射强迫与气候效应

将区域气候模式(RegCM3)与对流层大气化学模式(TACM)耦合,建立区域气候化学模拟系统(RegCCMS),用以模拟研究中国地区黑碳气溶胶的空间分布、第一间接辐射强迫及其气候效应。利用RegCCMS模式对2003年1月和7月进行模拟,结果表明,我国黑碳气溶胶主要集中在四川、河北、山东等地,1月份浓度最高值中心在四川,达到4μg.m-3;而在7月则出现在华中地区,高值中心值为3.5μg.m-3。地面浓度的季节差异不是很明显。1月和7月由黑碳气溶胶所造成的第一间接辐射强迫全国平均值分别为-0.389 W.m-2和-1.18 W.m-2,局部地区达到-4^-4.5 W.m-2。敏感性试验结果表明,考虑黑碳气溶胶的第一间接气候效应后,使得近地面气温下降,降水减少,1月变化的平均值分别为-0.025K和-0.0027 mm.d-1,7月变化的平均值分别为-0.16K和-0.095 mm.d-1,在不同季节和地区,气温和降水的变化存在明显差异。

东亚夏季气溶胶—云—降水分布特征及其相互影响的资料分析

东亚季风气候受到自然因素和人类活动的共同影响,而人类活动因子中气溶胶的作用尤为关键,采用诊断分析的手段研究东亚地区气溶胶的特征及其与云和降水的相互关系具有重要的科学意义.本文利用MODIS（moderate-resolution imaging spectroradiometer）气溶胶和云资料以及TRMM（Tropical Rainfall Measuring Mission）降水数据,分析了东亚夏季气溶胶、云、降水的时空分布特征,研究了气溶胶与云和降水的相互关系.结果表明：中国四个典型地区（珠三角、长三角、四川盆地、京津唐）2001～2011年夏季（6～8月）平均气溶胶光学厚度（Aerosol Optical Depth,AOD）变化范围为0.40～0.68,云光学厚度平均值为18.7～23.6,水云云滴有效粒子半径在20.2～25.6 μm,冰云有效粒子半径在12.9～15.3 μm,云水路径为222.2～243.8 g m^-2,降水强度平均值3.6～8.6 mm d^-1;珠三角气溶胶光学厚度有显著降低趋势,年倾向为-3.31％,四川盆地云滴有效粒子半径（冰云、水云）和云水路径年变化趋势为-0.42％、-0.49％和-1.26％,京津唐夏季降水量年增幅为3.24％.气溶胶光学厚度和云光学厚度呈正相关,相关系数最大为0.77;在相对湿度较低（30％～50％）情况下,气溶胶光学厚度与云滴有效粒子半径呈负相关;气溶胶光学厚度与云水路径呈正相关,相关系数最大为0.92;相对于低污染情况（AOD＜0.5）,高污染情况（AOD＞0.5）下出现大雨（＞10 mm d^-1）的频率增加了6.6％～19.1％,小雨（＜1 mmd^-1）的频率减少了0.72％～7.3％.在水汽含量较少的情况下,气溶胶的增加导致云滴有效粒子半径的减少;气溶胶增强了南方地区的对流性降水,抑制了北方地区层云降水.

中国沙尘气溶胶的间接辐射强迫与气候效应

利用在线耦合的区域气候化学模式系统(RegCCMS),对2003～2007年的3,4,5月中国沙尘气溶胶的空间分布,间接辐射强迫和间接气候效应进行模拟.结果表明:沙尘分布主要集中在中国西北的新疆、内蒙、甘肃等地区.5月份最高的中心值浓度达到3500μg/m3,3个月地面浓度依次增大.3,4,5月由沙尘气溶胶造成的第一间接辐射强迫平均值分别为-1.26,-2.0,-2.69W/m2.局部地区达到-7W/m2.考虑到沙尘气溶胶的第一间接气候效应后,使近地面气温下降,降水减少,3,4,5月地面气温变化的平均值为-0.05,-0.07,-0.08K.3,4,5月降水变化平均值分别为-0.0037,-0.037,-0.1mm/d.不同的月份和地区,温度和降水的变化存在明显的差异.

中国地区硫酸盐气溶胶的第一间接气候效应研究

将区域气候模式(RegCM3)与对流层大气化学模拟(TACM)耦合,建立区域气候化学模拟系统(RegCCMS),用以模拟中国地区硫酸盐气溶胶的空间分布、第一间接辐射强迫及其气候效应。研究结果表明,中国地区硫酸盐气溶胶主要集中在四川、河南、山东等地,秋冬季浓度较高而夏季浓度较低。1月份浓度最高值中心在四川,最高达到50μg/m3,而7月则出现在河南等地,浓度最高达10μg/m3。1、4、7、10月硫酸盐气溶胶的第一间接辐射强迫全国平均值分别为-1.80、-2.75、-3.43、-1.83 W/m2,局部地区可达-12 W/m2。敏感性试验结果表明,硫酸盐气溶胶的第一间接效应引起气温降低,降水减少,在不同季节和地区气温和降水的变化存在明显差异。

东亚地区冬季风对气溶胶传输和分布的影响研究

随着东亚地区经济高速发展,气溶胶成为最主要的大气污染物之一,其时空分布受到东亚季风气候的影响.本研究利用MODIS(Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer)和TOMS(Total Ozone Meteorological Satellite)气溶胶卫星产品以及NCEP(National Centers for Environmental Prediction)月均气象场再分析资料,统计分析了1979—2011年东亚地区气溶胶光学厚度的分布特征以及冬季风的大气环流特征,同时分析了东亚冬季风对气溶胶传输和分布的影响.结果表明,东亚冬季风存在明显的年际和年代际差异,年际变化幅度较大.1979—2011年东亚冬季风出现逐渐减弱的趋势.近10年来东亚地区气溶胶光学厚度呈现上升趋势,主要是由于人类活动导致气溶胶排放量增加.东亚地区冬季风对气溶胶的分布有较大影响,强冬季风年会加强气溶胶的向南输送,同时降水增加导致气溶胶湿清除增大,使东亚气溶胶减少.在风场和降水对气溶胶的影响中,降水的清除作用更加明显.

南京城区上空大气一氧化碳的观测分析

利用南京大学城市大气环境观测站(32°03′20″N,118°46′32″E)2011年1～12月一氧化碳(CO)连续观测资料,分析南京市CO浓度变化特征;利用后向轨迹模式和聚类分析方法研究影响南京市的主要气团及其化学性质;基于MOPITT资料分析南京市CO的垂直分布.研究表明,南京市CO的年均浓度为(757.5±410.5)×10-9.CO浓度具有明显日变化特征,早上8:00浓度最高,下午16:00浓度最低.CO日变化具有季节差异性,春季最为明显,夏季幅度最小.一周之中CO在周五的浓度最高.CO存在明显季节变化,冬季1月浓度最高,夏季6月浓度最低.HYSPLIT4把影响该观测站的主要气团分为6类,其中来自江苏南部、浙江、上海的气团的污染物浓度最高,对南京市CO浓度贡献最大;源于西伯利亚高原,伴随强冷空气迅速向南移动的气团对南京市CO贡献最小.卫星数据分析结果表明,南京市夏季CO的垂直分布与其他3个季节有较大差异.与地面观测站相比,卫星反演的CO地面浓度要明显偏低.

大气棕色云和区域气候变化

2008年联合国环境规划署（UNEP）发布了研究报告《大气棕色云——亚洲区域评价报告》（Atmospheric Brown Clouds—Regional Assessment Report with Focus on Asia）,重点介绍了大气棕色云的基本概念、辐射强迫和气候效应,对有关亚洲大气棕色云和区域气候变化的最新研究进展进行了综述。

南京北郊黑碳气溶胶的浓度观测及辐射强迫研究

利用2008年南京大学浦口校区气溶胶采样数据对碳气溶胶的浓度变化特征进行了分析,建立了由气溶胶光学参量计算模块(OPAC)和辐射传输模型(TUV)组成的箱模式,并结合实际观测资料,利用该模式对南京北郊黑碳气溶胶的光学厚度及辐射强迫进行了评估。结果表明:南京北郊黑碳气溶胶(BC)的年平均浓度为6.7±4.6μg/m3,有机碳气溶胶(OC)的年平均浓度为21.3±13.3μg/m3,有机碳与黑碳气溶胶浓度的平均比值为3.4。黒碳气溶胶浓度具有夏季低、冬春季高的特点。由箱模式计算得到的黒碳气溶胶的年均光学厚度为0.07,年均吸收系数为44 Mm–1。白天正午晴空条件下黑碳所造成的最大瞬时地面辐射强迫可达-22.9±14.3 W/m2,在大气层顶造成的最大瞬时辐射强迫为12.5±7.3 W/m2。

不同云滴数浓度参数化方案对硝酸盐气溶胶第一间接效应影响的比较研究

在区域气候化学模式系统(RegCCMS)中,分别采用Hegg、Hansen、Ghan、Jones等4种云滴数浓度参数化方案,模拟研究了2003年10月硝酸盐气溶胶的浓度分布和第一间接气候效应,并对不同方案进行比较。结果表明,不同方案模拟的硝酸盐气溶胶分布大体上一致,主要集中在河南、山东、河北、四川等地,地面浓度最大值达18μg/m3。Hegg、Hansen、Ghan、Jones等4种云滴数浓度参数化方案计算得到的由硝酸盐气溶胶所造成的第一间接辐射强迫全国平均值分别为-1.48、-2.05、-1.61和-1.40 W/m2。4种方案模拟的硝酸盐气溶胶间接效应都表现为近地面气温下降,降水减少,其中Hansen方案的间接效应最强,Ghan、Hegg方案次之,Jones方案最弱。

东亚冬季风异常对区域气溶胶分布的影响

气溶胶已是东亚地区最主要的大气污染物之一,其时空分布会受到东亚季风气候的影响。利用2000~2014年MODIS/AOD(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer/Aerosol Optical Depth)和NCEP月平均气象场再分析资料,本研究分析了东亚冬季风长期变化趋势、气溶胶年际变化规律,探讨了东亚冬季风强度变化对气溶胶分布的影响。基于MODIS/AOD,发现近10年东亚地区冬季AOD呈现上升趋势,最大值为2007年的0.44,高值区覆盖四川盆地、华北平原及长江中下游大部分地区。风场特征类冬季风指数分析表明,东亚冬季风存在明显的年际和年代际差异,近年出现逐渐减弱的趋势。强冬季风年,海陆气压差增大、东亚大槽加深增强,东亚地区偏北风异常,风场的增强将引导更多冷空气南下,从而给东亚大部分地区带来明显的降温天气;弱年相反。气象场差异引起气溶胶分布变化,强年较强的偏北风将气溶胶向南方输送,东亚地区AOD出现“北低南高”的空间分布;弱年偏北风较弱,导致气溶胶集中在华北平原一带,AOD出现“北高南低”的空间分布。

无机盐热力学平衡模式的简化及其应用

利用查表法简化无机盐热力学平衡模式ISORROPIA,对温度、相对湿度、总氨(NH3+NH4+)、总氮(HNO3+NO3-)和总硫(H2SO4+SO42-)等5个影响因子进行分档,建立不同组合情况下硫酸盐、硝酸盐、铵盐等物种平衡浓度的查算表。在区域气候化学模式系统(RegCCMS)中,分别用查算表检索法和直接耦合热力学平衡模式的方法模拟我国2003年1月和7月硝酸盐气溶胶的浓度分布。结果表明:查表法既能显著提高计算效率,在无机盐模拟性能方面又与直接耦合法保持较好的一致性,在气溶胶气候效应研究方面具有良好的应用前景。

“长三角地区城市空气污染及环境气候效应”专栏前言

长江三角洲地区（简称长三角）是我国经济发展迅速、城市化进程快速、人口密集度高的最重要的经济中心之一,30多年来的发展逐步形成了以上海、江苏和浙江两省一市为核心、带动周边省份共同发展的世界级城市群.由于经济的发展、人口的增加,造成能源的大量消耗,工业化过程中有毒有害气体的排放使得酸雨事件频发,汽车数量的增加加剧了光化学污染的产生,生产生活中颗粒物的排放导致其浓度居高不下,长三角时常蒙受严重雾霾的侵扰,形成以细颗粒物、臭氧和酸雨为主要特征的大气复合污染．

南京市细颗粒物来源解析研究

细颗粒物现已成为南京大气中的首要污染物,研究细颗粒物的来源可以为大气环境管理和污染控制对策提供科学依据.本文通过对南京市2011年8月(8.4—8.17)、11月(10.28—11.16)、2012年1月(1.19—1.31)、3月(3.12—3.31)草场门、固城湖环境监测子站的PM2.5观测样品和各排放源源样品进行浓度和化学成分的特征分析比较,结合化学质量平衡模型(CMB)解析南京城区和郊区细颗粒物来源,确定不同排放源对细颗粒物浓度的贡献率.结果表明,草场门、固城湖两观测站点PM2.5浓度四个月平均值分别为(100.9±45.2)μg·m-3、(85.4±37.8)μg·m-3,月均浓度值在8月最低,分别为82.7μg·m-3、50.4μg·m-3,草场门月均浓度在3月最高,为134.7μg·m-3,固城湖月均浓度在1月最高,为94.3μg·m-3.细颗粒物最主要的化学成分是NO-3、SO2-4、OC、NH+4、EC、Ca、Cl-、K、Fe、Al、Na等,各类排放源分别为煤烟尘、冶炼尘、土壤尘、汽车尾气、二次气溶胶.草场门、固城湖两个站点细颗粒物中贡献最大的源为二次无机盐气溶胶(63.9%、65.1%),其次为汽车尾气(12.5%、16.5%).可见,为了减轻南京细颗粒物浓度水平,工业源和汽车尾气应为控制重点.

东亚海盐气溶胶时空分布及其直接气候效应研究

在耦合的区域气候化学模式Reg CCMS中增加了海盐的起盐机制,并引入海盐的光学参数,使之能够模拟海盐气溶胶浓度的时空演变特征和直接气候效应,研究了2006年四季(以1,4,7和10月为代表)东亚海盐气溶胶的空间分布、直接辐射强迫及其直接气候效应。结果表明,东亚海域海盐气溶胶年平均浓度达14.69μg·m-3,冬季为26.27μg·m-3,夏季为7.59μg·m-3;海盐气溶胶高值中心呈明显的季节变化,冬季高值中心主要在南海,夏季在黄海。晴空条件下该区域年平均海盐气溶胶的直接辐射强迫在大气顶达-2.35 W·m-2,在有云条件下达-1.17 W·m-2。海盐气溶胶直接气候效应导致海岛及沿海陆地降温,其中在7月和1月台湾降温分别为-0.1094 K和-0.0083 K,沿海陆地则分别为-0.1330 K和-0.0142 K。

气溶胶直接效应对中国夏季降水影响的数值模拟研究

在东亚地区,气溶胶是一个重要的气候强迫因子,它与季风之间的相互作用具有很强的不确定性,利用数值模式进一步研究气溶胶与季风降水之间的关系十分必要.本文采用ICTP(International Centre for Theoretical Physics)第四代区域气候模式(RegCM4),通过两组对比试验和多年长期积分来研究气溶胶直接效应对中国夏季降水的影响.采用TRMM卫星降水资料和MODIS卫星气溶胶光学厚度资料评估了区域气候模式对中国夏季气溶胶和降水的模拟能力.总体来看,RegCM4能够再现我国夏季气候的主要特征,对我国夏季风环流和降水具有一定的模拟能力.气溶胶直接效应使得对流层温度降低,减弱了经向风环流,加强了位于20°N^30°N范围的上升气流和35°N以北地区的下沉气流,在我国东部引起了气旋式环流异常,并在110°E附近产生了速度接近1m·s-1的北风增强.总降水量的变化呈现出"南多北少"的趋势.在季风区,对流性降水和非对流性降水分别减少了0.05mm·d-1和0.07mm·d-1,其中非对流性降水的相对变化较大.从各类型降水的日变化可以看出,降水的减少主要发生在夜间至凌晨时段.

长三角典型城市臭氧污染特征和影响因素研究

利用2013年6月27日至2014年5月30日长三角各城市环境监测站点的臭氧小时浓度数据,选取上海、杭州、南京3座城市作为长三角地区代表性城市,研究分析长三角地区臭氧浓度分布及影响因素。结果表明,臭氧表现为明显的"单峰型",最大值在15:00左右,夏季日最小值在06:00时、其他三季节推迟1h。温度较高、风速适中时,臭氧浓度较高;相对湿度较高、降水较多,臭氧浓度降低。运用HYSPLIT模式计算3个典型城市的72h后向轨迹,并应用PSCF、CWT做来源分析。发现上海和杭州夏季臭氧超标主要是因为本地光化学反应,以及周边城市、福建北部、浙江中部等地的臭氧输送;南京春季臭氧超标主要是因为本地臭氧产生和周边城市以及安徽东南部的臭氧输送。

新冠疫情防控期间昆山市空气质量变化

为了应对新冠疫情,昆山市严格遵守国家防疫规定,自2020年1月24日开始采取了严格的封锁管控措施。以机动车活动为首的人为排放量因而减少,空气质量也因此发生变化。利用昆山市环境监测网络,并结合气象观测系统,综合运用数理统计和空间分析方法,针对疫情防控前期(2020年1月1至20日)和疫情管控期间(2020年1月27日至2月15日)两个阶段,调查人类活动模式变化对昆山市空气质量的影响。结果表明,昆山市污染治理工作取得良好进展,与过去3年同期(1月1日至2月15日)相比,颗粒物(PM_(2.5)和PM_(10))超标天数减少了4天,但日最大8小时臭氧(O_(3))浓度(MDA8 O_(3))升高了14%,表明严重的O_(3)污染已不局限于夏季,而即将成为全年多发性问题。由于疫情期间以交通部门为首的排放量减少,O_(3)的重要前体物二氧化氮(NO_(2))以及颗粒物浓度均显著下降,疫情管控期间内MDA8 O_(3)的升高(62%)。选取污染个例研究发现,即使在减排的情况下也可能发生严重的污染事件,因而气象条件对空气质量的影响是不可忽视的。本研究进一步了解了昆山市主要污染物在冬季的浓度特征,并探究了人为源及气象要素对污染物的影响,也将为长三角城市尺度的气溶胶的模拟和预测结果提供科学参考。

区域大气环境模拟系统RegAEMS的研究进展

区域大气环境模拟系统RegAEMS是我国自主发展的空气质量模式之一,包含中尺度气象模式MM5/WRF/TAPM和大气环境模式AEM,并能与区域气候模式RegCM耦合,可以用于酸沉降、光化学烟雾、细颗粒物、重金属元素等大气污染的形成机理、模拟预测、管控对策、环境影响和气候效应研究.本文主要介绍RegAEMS的发展历程、框架结构和主要性能,重点介绍近期的模式改进和模拟验证情况.研究表明,改进的RegAEMS在硫酸盐、二次有机气溶胶、臭氧和氮沉降方面具有较强的模拟能力,可以用于区域大气复合污染模拟预测和管理控制的基础研究及业务应用.