北京夏季一次深对流过程对不同溶解度气体垂直输送的模拟

利用中尺度大气化学模式WRF-Chem,对2012年7月21日北京及其周边地区一次深对流过程中大气成分垂直输送过程进行了模拟,量化深对流系统对大气中不同溶解度气体成分再分布的贡献。将本次模拟个例与微波临边观测仪(Microwave Limb Sounder,MLS)卫星数据的对比发现,数值模拟可以较好地再现深对流天气过程中大气成分CO和O_(3)的分布特征。在本次模拟个例中,从CO、O_(3)、SO_(2)和NH_(3)等不同溶解度气体体积浓度随时间和高度的变化特征发现:深对流可以将不同溶解度的气体输送到对流层上层,甚至进入到平流层下层;在对流层上层,不易溶的CO(O_(3)),其体体积浓度由对流发生前期的70 ppb(1 ppb=10^(-9))(220 ppb)增加(降低)到对流最强盛期的111 ppb(102 ppb),增加(降低)的百分比为58.6%(53.6%);而易溶的SO_(2)和NH_(3),在对流层上层,其体积浓度分别由对流前期的0.036 ppb和0.011 ppb增加到对流最强盛期的0.4 ppb和0.15 ppb,增加的百分比为1011.1%和1263.6%。

拉萨市近地面大气成分时空变化及相关因子研究

拉萨市位于青藏高原腹地,近年来臭氧(O_(3))污染问题凸显。本文基于2013~2018年拉萨市区6个监测站点的O_(3)、NO、NO_(2)、NO_(x)、CO、SO_(2)、PM_(2.5)、PM_(10)监测数据,采用相关统计方法研究了拉萨市各污染物,尤其是O_(3)的时空分布特征及与前体物之间关系,并探讨了气象条件对其的影响。结果表明:(1)近年来拉萨市区O_(3)浓度呈上升趋势,O_(3)替代PM10,成为拉萨城区首要污染物。O_(3)浓度的年超标天数达55 d,占比为49.4%。(2)O_(3)浓度在2016年之后上升显著,上升率为16.34μg m^(−3)a^(−1),2018年O_(3)浓度最大(91.48μg/m^(3));年较差计算得出,每年生成的O_(3)浓度从2015年开始逐渐升高。(3)O_(3)浓度呈现春高冬低,城区高于郊区的变化特征,且与NO、NO_(2)和NO_(x)的浓度变化存在显著的负相关关系(-0.6),可能O_(3)生成被NO_(x)抑制。(4)O_(3)浓度与气温相关性较好,随着降水量和湿度的增加,抑制O_(3)浓度增加。O_(3)浓度受季节和风向风速影响较大,这可能与长距离传输特征及人类活动(固定源)对高原生态环境影响有关。

大气臭氧探空仪:技术指标及对比分析

臭氧探空施放过程中可以直接测量大气臭氧,被广泛用于获取地面至上平流层区域内的臭氧垂直廓线。迄今为止,应用较为广泛的臭氧探空仪有ECC、BM和KC三种。其中,ECC为含有正、负两个反应池的双池型臭氧探空仪,BM和KC均为含有一个反应池的单池型臭氧探空仪。国内利用自主研发的单池型GPSO3臭氧探空仪进行了超过20年的观测。相比之下,ECC双池型臭氧探空仪具有更加明显的技术优势,使其在国际上应用最为广泛,一些原来使用单池型臭氧探空仪的观测站点也先后转向使用ECC臭氧探空仪。为了获取更准确的观测数据,尽快发展具有国内自主知识产权的双池型臭氧探空仪势在必行。本文回顾了近些年来国内外臭氧探空技术的研制进展,介绍了不同类型臭氧探空仪的工作原理和技术细节,并重点探讨了双池型臭氧探空仪的探测性能,包括测量精度、准确度和误差来源等。本研究在系统调研国外先进臭氧探空的技术特点和测量性能的基础上,清晰认知其技术现状和发展趋势,最终旨在为顺利完成国内双池型臭氧探空仪的研制工作提供理论支持、细节参考和技术指导。

北京城区大气混合层内臭氧垂直结构特征的初步分析--基于臭氧探空

本文利用2013年6月至2015年10月北京南苑观象台两年多午后臭氧探空资料,初步分析了北京城区大气混合层内臭氧浓度的垂直分布规律以及典型天气条件下大气边界层臭氧的变化特征.主要结果有:(1)季节平均而言,地表至对流层中部(8km)的臭氧浓度在夏季最高,冬季最低,相差50~130μg·m^(-3),最大差异在边界层.总体而言,对流层臭氧浓度随高度有比较缓慢的增加,但是边界层内臭氧浓度的垂直结构随季节有比较大的差异:夏季混合层中部存在一个臭氧浓度极大值,这与夏季比较强的光化学生成臭氧有关;而在冬季地面臭氧浓度很低,平均值小于40μg·m^(-3),说明冬季地面是臭氧很强的汇.(2)臭氧浓度季节内变率的季节差异也十分明显,夏季最大、冬季最小.季节内变率在从边界层向自由对流层过渡区域最小(夏季为24μg·m^(-3),冬季仅为10μg·m^(-3)),在边界层内变率较大,夏季可达64μg·m^(-3)(冬季为30μg·m^(-3)),这也说明边界层化学过程明显影响臭氧浓度的变化.(3)我们从所有白天样本中严格筛选了部分混合层样本,并把臭氧浓度在由混合层向自由大气过渡时的垂直分布分成了三类,即臭氧浓度随高度增大(Ⅰ型)、减小(Ⅱ型)以及基本稳定不变(Ⅲ型);臭氧垂直结构类型有明显的季节特征,夏季主要是Ⅱ型,而冬季则以Ⅰ型为主.(4)此外,我们还针对一些典型天气过程(强风、静稳雾天和PM2.5污染)边界层内臭氧的变化特征进行了分析,结果表明:强风切变产生的机械对流引起的充分混合,有利于高层臭氧向低层输送,使得混合层内臭氧浓度的垂直梯度明显减小,同时混合层高度较高,达3km以上;在高湿度静稳天气控制下,大气混合层较稳定,对北京上空污染物的垂直扩散十分不利:颗粒物浓度升高,削弱到达近地层的太阳辐射,从而降低臭氧的生成效率,混合层内臭氧浓度与混合层厚度都处于较低水平.

夏季青藏高原北部对流层臭氧垂直分布的观测研究

对流层臭氧垂直分布变化对气候环境有重要的影响,然而观测数据一直较为稀缺。利用2016年7月下旬-8月青海省格尔木市对流层臭氧探空观测资料开展夏季青藏高原北部对流层臭氧垂直分布变化特征及其形成机制的大气背景研究。结果表明,在大气背景的转换下对流层臭氧垂直分布整体上呈现高(低)臭氧与低(高)水汽和高(低)位势涡度的对应。除7月25-27日高空低压槽过境导致的平流层向下输送使对流层臭氧浓度升高明显外,阻塞暖高压反气旋和源自青藏高原主体地区的强对流天气过境也对对流层臭氧分布有影响:阻塞暖高压在观测点东北部形成后导致7月31日至8月8日格尔木对流层连续出现罕见东风,但对流层臭氧浓度仅在8月2日因东北=西南方向反气旋切变而出现较高值,其中6 km高度以下则因为东风输送而出现高臭氧、高比湿的污染性气团;强对流天气过境影响使得8月12-14日10 km高度以上出现臭氧最低值和比湿最高值。与西宁历史夏季(1996年7-8月初)臭氧探空测值比较,格尔木对流层臭氧浓度8月偏低,该特征与季风影响青藏高原纬度最高地区所在月份一致。与林芝(2014年7月)、那曲(2011年7月末-8月中旬)和拉萨(1998年8月)历史夏季臭氧探空测值比较发现,纬度效应对青藏高原地区对流层臭氧浓度有影响。

拉萨夏季大气边界层气溶胶垂直结构特征

大气污染物的垂直梯度观测是识别区域输送和本地贡献的必要手段。基于此,2020年8月在拉萨市利用光学粒子计数器(the Printed Optical Particle Spectrometer,简称POPS)在地面和系留气艇分别对0.13~3.39μm粒径范围的气溶胶数浓度进行了测定。结果表明:(1)拉萨近地面气溶胶数浓度在16 cm^(−3)到870 cm^(−3)范围之间,比华北和珠江三角洲地区小2~3个量级;(2)气溶胶数浓度呈现两峰两谷的日变化结构,峰值通常以0.13~0.4μm的小粒径粒子为主,且对应北京时间早(10:00)、晚(21:00)高峰时段;(3)气溶胶数浓度垂直分布与边界层演变密切相关,稳定边界层中的气溶胶随高度递减,粒子数浓度为194±94 cm^(−3),对流边界层和残留层中的气溶胶分布均一,数浓度分别为165±99 cm^(−3)和123±95 cm^(−3),且显著低于稳定边界层。以上研究结果表明,拉萨的污染源主要为局地机动车排放,机动车污染物减排是打造高原生态旅游城市的必由之路。

首次在北半球平流层西风带探测到汤加火山喷发的气溶胶

2022年初,南太平洋汤加火山喷发向平流层注入大量气溶胶和水汽,影响了全球气候.目前对于火山气溶胶演变过程和作用的认识仍存在很大不确定性,尤其在喷发初期,缺乏火山烟羽中微物理量的原位观测数据.汤加火山喷发12周后,球载探测仪在云南丽江测到火山烟羽,这是在北半球平流层西风带首次实现此类观测.观测数据显示气溶胶数浓度为~1 cm^(-3),粒径集中在0.42~1.27μm,大于背景气溶胶(0.22~0.42μm);在火山烟羽中存在明显的气溶胶与水汽分层现象.这是首次利用原位观测数据给出汤加火山烟羽的微观特征,有助于进一步模拟火山烟羽中的物理化学过程.

中国地区下平流层惯性重力波参数分布特征的资料分析

重力波参数特征的确定是全球大气环流模式中平流层重力波参数化的一个重要环节,这些参数的选取需要根据观测资料来确定.本文根据中国地区南北向8个站点（自北向南依次为嫩江、锡林浩特、北京、郑州、南阳、宜昌、怀化和南宁,纬度范围为22°~49°N）两年多的垂直高分辨率无线电探空资料,分析了下平流层（18~25km）惯性重力波活动的季节变化及其随纬度的分布特征.主要结果有：（1）与全球其他地区一样,中国地区下平流层重力波能量具有明显的季节变化和经向分布特征：冬季大夏季小,且随着纬度增加而减小;纬向和经向速度扰动大小一致,表明重力波能量在水平方向上是各向同性的.（2）重力波垂直波长随纬度没有明显变化,集中在1~3km,占所有样本的85%以上,平均值约为2.0km;水平波长80%以上集中在100~800km,平均值约为450km,有随纬度增加而降低的趋势（南北水平波长相差达40km左右）,水平波长与垂直波长之比大约为200：1,表明下平流层重力波基本上沿水平方向传播,垂直方向的夹角极小.（3）固有频率和科氏参数之比有随纬度增加而减小的特征,集中在1~2,平均值约为1.5.（4）重力波能量主要向上传播,各站点重力波上传频率均在60%以上;水平传播方向有比较显著的方向性,主要是东西方向传播且与盛行风向有关,但是该各向异性随着纬度的增加有所减弱.