基于光化学指示剂法研究华北平原臭氧生成敏感性及气象因素影响:以2021年为例

近年来,随着大气污染防治措施的实施,我国城市地区空气质量得到有效改善,以细颗粒物(PM_(2.5))为代表的污染物年均浓度持续下降,但是臭氧污染并没有得到很好的控制.明确臭氧生成敏感性变化规律及气象影响因子是制定有效臭氧污染控制策略的基础.本研究利用WRF-Chem模式数据计算VOCs/NO_(x)、HCHO/NO_(2)和H_(2)O_(2)/HNO_(3)(均为质量浓度的比值)三类光化学指示剂,对华北平原2021年4−9月的臭氧生成敏感性(OFS)控制区进行划分,并探讨不同天气状况下影响OFS的关键气象因子.结果表明:华北平原OFS控制区变化存在地域与季节性差异.人为活动水平越高的区域,OFS受挥发性有机物(VOCs)的影响越大,唐山市−北京市−天津市、石家庄市−邢台市、潍坊市−淄博市−济南市等地带臭氧生成主要处于VOCs控制;华北平原的VOCs控制区面积在4−7月间缩小,在7−9月间扩大,其中7月VOCs的控制区范围最小.此外,在华北平原地区,阴雨天相较晴天更利于发生OFS的日变化.晴天时,高温是OFS变化的关键因素;阴天时,高温高湿是引起臭氧敏感性转变的关键;而雨天,高湿条件发挥了更为重要的作用,但当雨量较大时,反而会抑制OFS发生转变.研究显示,华北平原的OFS与VOCs浓度密切关联,在不同天气下,气象因子通过影响VOCs浓度进而影响OFS.因而,针对不同天气状况实施差异化的前体物减排策略是有效控制臭氧污染的关键.

北京山地森林站非持续生长型新粒子生成事件的数值模拟研究

鉴于新粒子生成(New particle formation,NPF)对气候的重要效应,过去很多研究重点关注持续增长型NPF事件;但新粒子生长过程中时常也伴随着非持续型生长,如生长粒径先增长后下降的收缩型以及粒径明显不增长的团块型NPF事件,对于这类NPF事件的生长机制尚不清楚。基于此,本研究于2019年夏季在中国科学院北京森林生态系统定位研究站(39.96°N,115.43°E,1170 m a.s.l.,以下简称北京山地森林站)进行了NPF事件的野外观测,发现了4次持续生长型NPF事件和3次非持续生长型NPF事件。本文借助WRF-Chem模式进一步探究非持续生长型NPF事件的生长机制,发现其主要成因有三个:首先,北京山地森林站与成核相关的气态前体物充足,但颗粒物中SO_(4)^(2-)、NO_(3)^(-)、NH_(4)^(+)等无机盐浓度较低,削弱了新粒子的后续增长能力;其次,后向轨迹显示非持续生长型NPF事件的气团来源于清洁的北方地区;最后,通过过程分析发现水平和垂向输送是非持续生长型NPF事件的重要物理过程。本研究对非持续增长新粒子传输来源和生长机制的解释,对于完善新粒子增长的物理化学机制的理解具有重要意义。

基于BP神经网络预报风场改善WRF对强降水的预报效果——以青岛为例

本文将全球预报系统(GFS,Global forecast system)分析数据和预报数据作为训练集和测试集,利用BP(Back propagation)神经网络后报风场,将BP后报结果松弛逼近到天气研究和预报(WRF,Weather research and forecasting)模式的后报阶段,改善WRF模式对强降水的预报效果。以2018年5月22日青岛地区强降水为例,利用青岛地区7个气象站的观测数据和雷达回波图检验优化方法对强降水的后报效果。结果表明,松弛逼近BP后报风场后,降水强度有了明显改善,相比于不松弛逼近任何数据的WRF模式,松弛逼近BP后报风场的WRF模式24 h降水量误差减少了8.62 mm,但后报降水量仍弱于实际降水量。

降雨非绝热加热对2023年2月上旬中国东部“南雨-北霾”事件的影响

2023年2月上旬,华南地区经历了持续性降雨过程,而同期华北平原出现了持续性PM2.5污染天气,即中国东部出现了“南雨-北霾”现象.本研究基于观测和再分析资料,利用相关分析、动力诊断分析和数值模式试验等方法,深入分析了此次“南雨-北霾”事件的气象成因.结果表明:西北太平洋异常反气旋(或称东北亚异常反气旋)是此次“南雨-北霾”事件的主导因子.一方面,该异常反气旋引导西南气流为华南地区输送了大量水汽,并与中国内地对流层高层异常气旋配合引起强上升运动,导致华南地区出现大范围降雨过程.另一方面,该异常反气旋西侧的东南气流削弱了华北平原气候态北风,使得污染物的水平扩散条件变差,同时与该异常反气旋有关的华北平原大气边界层高度降低和相对湿度增加,使得华北平原PM2.5浓度升高.进一步研究发现,该异常反气旋的发展与华南降雨潜热释放对应的非绝热加热有关.华南降雨通过非绝热加热不仅加强了华南地区的降雨过程(贡献约为11.5%),还在西北太平洋对流层高层(如200h Pa)激发出反气旋异常,该反气旋异常加强了背景环流引起的西北太平洋异常反气旋(贡献约为27%),进而影响“北霾”的发展.本研究为理解中国南方降雨对华北平原霾天气的贡献提供了新的理论依据.