上海市PM_(2.5)浓度延伸期预测模型的构建及评估

基于PM_(2.5)浓度、次季节到季节预测项目(S2S)三家模式(CMA、UK和ECMWF)历史回报气象要素(2000~2014年)作为预测因子,利用长短时记忆神经网络(LSTM)深度学习方法和轻量级梯度提升机(LGBM)算法开发了上海PM_(2.5)延伸期预测模型,并应用LSTM模型建立了上海秋冬季(11月~次年2月)PM_(2.5)浓度延伸期预测融合模型.结果显示:融合模型11~40d逐候预测与实况的相关系数为0.47~0.76,比单一模型相关系数上升23.5%~31.1%;融合模型RMSE介于19~25.1μg/m^(3)之间,较单一模型下降19%~19.3%.融合模型能够较好地预报出未来11~40d上海秋冬季PM_(2.5)浓度的总体趋势、浓度峰值谷值的变化及发生时间等关键特征,逐候HSS技巧评分在0.18~0.5之间,显示出较好的预测技巧.对于典型污染过程个例的预测而言,融合模型在不同的预测时效预测准确率存在差异,提前11−40d的总体预测准确率为75.5%.对于持续3d及以上的3次污染过程,11~40d预测准确率达到100%.融合模型的预报时效可达40d,是目前污染数值预报模型(一般96~240h)预报时效的近4倍,且运算速度快,能够节省大量计算资源和时间成本.

沙尘气溶胶光学厚度的全球分布及分析

利用全球气溶胶数据GADS（Global Aerosol Data Set）计算了冬夏两季4种类型（积聚型、核型、粗粒型和传输型）沙尘气溶胶0．55μm光学厚度的全球分布。通过分析得出，气溶胶的消光系数和垂直厚度对光学厚度的影响很大。全球沙尘气溶胶分布具有明显的季节和地理差异，4个沙尘暴多发区，分别位于北非、中亚地区、澳大利亚西部和北美西部。中亚地区冬季沙尘气溶胶强度和范围比夏季大，北美和澳大利亚地区则相反，冬季光学厚度最大值位于北非的中部地区，而夏季其最大值位于非洲北部靠近大西洋的地区。沙尘气溶胶对〈8μm的辐射吸收作用很弱，散射能力较强；对于〉8μm的辐射吸收能力很强，吸收带位主要于8～11μm范围内。

近138年上海地区高温热浪事件分析

深入了解特大城市高温热浪的变化特征和发生条件对于科学防御其引发的灾害具有重要的实际意义。根据中国气象局高温日和高温预警信号阈值定义了上海地区高温热浪三级标准,并引入高温有效积温,基于1873-2010年上海市徐家汇站日最高气温资料分析了上海地区高温热浪的多尺度时频特征;基于环流指数和NCEP再分析资料,探讨了上海地区高温热浪异常偏强年的大气环流异常特征。结果表明:(1)将高温有效积温与高温热浪发生频次结合,可更合理地表征高温热浪的炎热程度。(2)近138年来上海共发生214次高温热浪事件,其平均高温有效积温为8.3℃,7月高温热浪发生频次和高温有效积温均多于8月。(3)近138年来上海地区高温热浪有三段持续偏多与偏强期:19世纪90年代初至19世纪末、20世纪20年代末至50年代初、80年代末尤其是21世纪初以来;最强的高温热浪事件出现在1934年;而21世纪初的10年,其炎热程度正呈明显上升趋势。(4)上海地区高温热浪异常偏强年的主要环流特征是夏季北半球副热带高压异常偏强、西太平洋副热带高压异常偏西和印缅槽异常偏弱,如高温热浪异常偏强年夏季平均的西太平洋副热带高压西伸脊点伸展至我国东南沿海约122°E附近,而低纬地区印度半岛至孟加拉湾的低槽区基本消失。

气象条件对上海世博会期间空气质量影响

观测资料显示,2010年世博会期间上海的空气质量为2001年以来同期最优。利用近10年上海近地面气象观测数据、美国环境预报中心NCEP/NCAR再分析资料和中国气象局国家气候中心的环流指数监测数据,分析了有利于空气污染扩散的近地面气象条件及大气环流特征,及其对上海世博会期间空气质量的影响。结果表明:2010年世博会期间,上海近地面东风明显偏多且偏大,近地层接地逆温明显少于往年,降水量和降水日数也较常年明显偏多,综合气象条件有利于空气质量的提高。西太平洋副热带高压较常年异常偏大、偏强、偏西,影响上海地区的夏季风更多源自西太平洋副热带高压南侧的偏东气流输送,这为上述区域的东风活跃创造了条件。尽管上海世博会期间的空气质量联防联控措施使得污染排放低于常年,但气象条件不利时,大气环流的输送扩散仍导致了上海世博会期间上海的3次污染事件,这说明气象条件是上海世博会期间空气质量优良的主要影响原因之一。

黑碳气溶胶辐射强迫全球分布的模拟研究

利用一个改进的辐射传输模式,结合全球气溶胶数据集(GADS),计算晴空条件下冬夏两季黑碳气溶胶的直接辐射强迫在对流层顶和地面的全球分布。计算结果表明,与温室气体引起的整层大气都是正的辐射强迫不同,黑碳气溶胶的辐射强迫在对流层顶为正值,而在地面的辐射强迫却是负值。作者从理论上解释了造成这种结果的原因。对北半球冬季和夏季而言,在对流层顶黑碳气溶胶的全球辐射强迫的平均值分别为0.085W/m2和0.155 W/m2,在地面则分别为-0.37 W/m2和-0.63 W/m2。虽然气溶胶的辐射强迫主要依赖于其本身的光学性质和在大气中的浓度,太阳高度角和地表反照率对黑碳气溶胶的辐射强迫会产生很大的影响。研究指出:黑碳气溶胶在对流层顶正的辐射强迫和在地面负的辐射强迫的绝对值都随太阳天顶角的余弦和地表反照率的增加线性增大;地表反照率对黑碳气溶胶辐射强迫的强度和分布都有重要影响。黑碳气溶胶的辐射强迫分布具有明显的纬度变化特征,冬夏两季的大值区都位于30°N^90°N之间,表明人类活动是造成黑碳气溶胶辐射强迫的主要原因。

上海地区一次典型连续颗粒物污染过程分析

2013年3月4—9日上海地区出现了一次连续6 d的污染过程,本文利用PM_(2.5)和PM_(10)的小时监测资料、常规气象资料、激光雷达资料、FY-3A卫星监测资料及NCEP再分析资料,综合探讨了此次连续污染过程的气象特征,发现此次连续污染与天气形势的高低空配置有密切关系,槽后被西北气流控制,稳定的垂直层结及地面较弱的气压场,有利于污染物的积聚和污染天气的维持。文章还对此次连续污染过程中的重污染过程进行了深入的诊断分析,研究发现850 hPa及以上中低空西北气流将上游污染物输送至上海,再配合下沉运动沉降到地面,是造成此次重度污染过程的主因;同时,本地风力小、近地层垂直温度层结稳定等均不利于污染物在水平和垂直方向上的扩散,为污染物的积聚创造了条件。

上海地区持续东风系统控制下污染扩散条件分析

利用常规气象资料、物理量场资料、PM_(2.5)小时浓度数据和激光雷达资料,对2014年上半年上海地区持续东风系统控制下两次截然不同的污染变化时空分布特征及其扩散条件进行对比分析。结果表明:海陆温差变化造成两次过程垂直扩散条件显著不同。1月26日海温相对于陆地较高,东风气流为暖平流,海陆热力差异造成近地层垂直温度层结趋于不稳定,加速边界层污染物的垂直扩散;而3月10日过程则相反,海温相对于陆地较低,东风气流为冷平流,造成近地层垂直温度层结趋于稳定,抑制边界层污染物的垂直扩散。此外,激光雷达资料能够直观反映污染物垂直分布,对于了解污染过程的传输特征和形成有一定指导意义。

上海地区一次典型空气污染过程分析

利用上海地区大气污染物监测资料和美国环境预报中心(NCEP)逐6 h的1°×1°全球再分析资料,结合微脉冲激光雷达数据反演的气溶胶消光系数和美国NOAA研制的轨迹模式HYSPLIT气流后向轨迹的模拟结果,分析了2014年5月25—30日上海地区一次严重空气污染天气过程,初步探讨了此次污染过程的污染物源、输送路径、气象条件及大气边界层特征。结果表明:上海地区此次空气污染过程以PM2.5影响为主,主要受沙尘外源性输入和秸秆燃烧共同影响,过程持续时间长;中低空(850—700 h Pa)水平输送、垂直风场分布及大气层结变化为此次空气污染过程的发生提供了有利条件;微脉冲激光雷达监测的距离平方订正回波信号强度、气溶胶消光系数和PM2.5浓度之间存在正相关关系,对上海地区污染天气过程的预报具有重要指示意义。

空气污染气象指数在上海地区的应用

利用常规气象观测资料和逐小时PM_2.5浓度实况数据,对上海近3年污染天气过程分析后发现,导致上海重污染的天气类型主要为冷空气输送型和静稳累积型。为更好地表征及描述两种导致污染的天气类型,并在业务预报中起到指示作用,本文在反映大气垂直扩散条件的通风系数和反映水平扩散条件的滞留指数的基础上建立了空气污染扩散指数,通过检验发现,空气污染扩散指数与PM_2.5浓度呈线性正相关,相关系数达0.525,并优于单一的通风系数和滞留指数对空气污染的指示作用。针对冷空气导致的区域输送型,结合历史个例分析改进了输送强度指数,将公式中排放源参数改为上游PM_2.5浓度实况,回算检验表明改进后输送强度指数和上海市PM_2.5浓度呈指数正相关,对区域输送性污染具有明显的指示性。

基于器测能见度的霾天气判断标准的探讨

利用2015年安徽6个地级市的器测能见度、相对湿度、降水等资料,结合环保部门公布的逐时细颗粒物(PM2.5)质量浓度资料,通过对PM2.5质量浓度与相对湿度关系的分析,初步给出了四个霾的诊断方案,然后利用上述方案进行回算,探讨了基于逐时器测能见度资料确定霾天气的客观标准。结果表明,"排除降水,临界相对湿度(RHc)取90%,器测能见度不超过5 km"作为小时霾的判据,6 h连续为霾算作一个霾日,得到的霾日数较为合理且具有历史延续性。另外,根据该方案得到的各级霾天气也具有较好的空气质量指示意义,因此,该方案是可取的。

沙尘气溶胶辐射强迫全球分布的模拟研究

为了定量了解沙尘气溶胶对气候的影响,文中利用一个改进的辐射传输模式,结合全球气溶胶数据集(GADS),计算了晴空条件下,冬夏两季沙尘气溶胶的直接辐射强迫在对流层顶和地面的全球分布,并讨论了云对沙尘气溶胶辐射强迫的影响。计算结果表明,对北半球冬季和夏季而言,在对流层顶沙尘气溶胶的全球短波辐射强迫的平均值分别为-0.477和-0.501 W/m2;长波辐射强迫分别为0.11和0.085 W/m2;全球平均短波地面辐射强迫冬夏两季分别为-1.362和-1.559 W/m2;长波辐射强迫分别为0.274和0.23 W/m2。沙尘气溶胶在对流层顶和地面的负辐射强迫的绝对值都随太阳天顶角的余弦和地表反照率的增加而增大;地表反照率对沙尘气溶胶辐射强迫的强度和分布都有重要影响。研究指出:云对沙尘气溶胶的直接辐射强迫的影响不仅取决于云量,而且取决于云的高度和云水路径,以及地面反照率和太阳高度角等综合因素。中云和低云对沙尘气溶胶在对流层顶的短波辐射强迫的影响比高云明显。云的存在都使对流层顶长波辐射强迫减少,其中低云的影响最为明显。因此,在估算沙尘气溶胶总的直接辐射强迫时,云的贡献不可忽视。

黑碳气溶胶光学厚度的全球分布及分析

利用全球气溶胶数据集GADS(Global Aerosol Data Set)计算了冬夏两季黑碳气溶胶质量浓度分布以及在波长0.55μm处的光学厚度、吸收系数和散射系数在全球的分布,并分析了原因。通过分析黑碳气溶胶复折射指数虚部、单次散射反照率、非对称因子、吸收系数、散射系数和消光系数随波长的变化,得出黑碳气溶胶的吸收系数和散射系数在小于0.5μm的短波范围内具有相同的数量级,随着波长的增大,吸收系数比散射系数大几个数量级;黑碳气溶胶对小于1μm的短波有强烈的吸收作用。另外还给出了冬夏两季南北半球及全球黑碳气溶胶平均光学厚度值、7个地区黑碳气溶胶光学厚度及质量浓度最大值,其中冬季黑碳气溶胶光学厚度的最大值为0.027 5,位于东亚地区;而质量浓度最大值为1.555μg/m3,位于西欧地区。

影响上海的一次沙尘过程WRF-Dust数值模拟

利用完全耦合大气化学模式WRF—Dust（Weather Research and Forecasting—Dust）对2011年5月1-4日影响上海地区的一次典型沙尘天气过程进行了数值模拟研究，并与观测资料进行了对比分析．结果表明：WRF—Dust模式成功模拟了此次沙尘过程的形成、发展和演变的整体特征及其影响时间及范围；较好地模拟了沙尘到达上海的时间（模式和观测均在1日11：00前后）和直接影响的结束时间（2日02：00前后），而且模式沙尘浓度与观测资料较为一致；但局部地区和部分时段的气象条件和沙尘模拟还存在一定的偏差，未能准确模拟过程后期沙尘回流对长三角沿海地区的影响．分析了导致模拟偏差的原因，并探讨了提高模式沙尘模拟能力的可能途径．

上海地区一次典型连续浮尘天气过程分析

研究分析了2011年5月1~4日上海地区一次典型的连续浮尘天气过程.利用微脉冲激光雷达数据资料反演得到的气溶胶消光系数和垂直廓线,结合地面气象数据和气溶胶观测资料以及卫星遥感资料,初步研究了此次连续浮尘过程的传输特征和形成的主要原因.结果表明,5月1日的浮尘过程以PM2.5的影响为主,而5月2~4日为回流浮尘过程,PM2.5比重较5月1日下降.外源性输入、垂直风场分布和大气层结变化为浮尘天气的发生和维持创造了有利条件.研究还发现,在此次浮尘的气溶胶大气消光作用中,其散射贡献大于吸收作用.

结合激光雷达分析上海地区一次连续浮尘天气过程

通过分析2010年3月至20日至3月22日上海地区一次典型的连续浮尘天气过程,利用激光雷达数据资料反演得到的气溶胶消光系数图和垂直廓线图,结合地面气象数据和气溶胶观测资料以及卫星遥感资料,初步得出了此次连续浮尘天气形成的原因。外源性输入和垂直风场分布是导致此次浮尘天气发生的重要原因,大气层结变化决定着浮尘天气发生的强度,当存在接地逆温时,浮尘天气维持,而太阳辐射强度变化决定着边界层高度的变化。第一次浮尘过程以大颗粒污染为主,且在消光作用中散射性气溶胶的贡献大于吸收性气溶胶,而第二次回流浮尘过程则PM2.5比重上升,吸收性气溶胶对消光系数的贡献与散射性气溶胶大体相当。

深度学习方法在上海市PM2.5浓度预报中的应用

为提升PM2.5浓度预报能力,尤其是对PM2.5重污染的预报能力,以中尺度气象-化学耦合模式系统(WRF-Chem)为基础,结合中尺度WRF气象预报数据、地面及高空气象观测数据、PM2.5浓度观测数据,基于人工智能深度学习序列到序列的算法建立了上海市PM2.5统计预报模型.结果表明,人工智能深度学习算法(Seq2seq)明显修正了WRF-Chem模式由于模型非客观性造成的偏差,提高了上海市PM2.5浓度的预报能力;该算法优化和修正了WRF-Chem模式结果,并通过检验发现可以使PM2.5浓度预报值与实况值间的相关系数由0.51上升至0.79,均方根误差由25.9μg/m3下降至15.01μg/m3.而单独使用套索法(Lasso)线性回归算法对WRF-Chem模式优化效果不理想.基于Seq2seq的PM2.5浓度预报修正模型能够有效提升预报精度.

影响上海PM_(2.5)污染不同源地和路径的数值模拟

对2014～2017年上海出现的PM_(2.5)中度及以上污染过程的地面形势进行分析,发现上海出现PM_(2.5)中度及以上污染的地面形势场主要可分为输送型、静稳型和叠加型3种类型,其中输送型是影响上海市PM_(2.5)中度及以上污染的主要天气形势,占比45.8%.通过选取典型个例,分析了3类污染天气型气象成因和维持机制.并利用WRF驱动FLEXPART模式,结合排放源清单,探讨不同污染天气型下影响上海的主要污染物来源:输送型污染有3条影响上海的主要污染传输通道,分别为东路(东海海面)、中路(江苏沿海)和西路(安徽-苏南),主要时段在污染前1d;静稳型污染影响上海的潜在污染源区集中在上海及周边地区;叠加型污染既存在明显污染输送通道,也有明显的上海及周边潜在污染贡献区域.

上海地区空气污染变化特征及其气象影响因素

利用2013—2014年上海地区6种空气污染物小时浓度和逐日空气质量分指数(IAQI)的监测资料,统计分析了上海地区空气污染的变化特征及其气象影响因子。结果表明:2014年上海地区空气质量优良率达77.0%,空气质量总体较2013年明显好转。2013—2014年上海地区AQI具有季节性特征,表现为冬季空气质量较差、秋季空气质量较好的特征,其中12月空气质量最差。由首要污染物分布可知,上海地区最主要的污染物为PM_(2.5),其中冬季PM_(2.5)污染出现最多;O_3则为夏季的主要污染物。由污染物浓度的周循环变化可知,上海地区PM_(2.5)、PM_(10)、NO_2和O_3浓度均存在周末低于工作日的"周末效应",但PM_(10)和NO_2浓度的"周末效应"更显著。由2014年上海地区霾日与PM_(2.5)浓度的变化可知,当PM_(2.5)浓度达到轻度及以上污染时,霾天气出现的概率大幅提高,但二者并非对应的关系。天气形势对PM_(2.5)污染影响较大,基于上海地区天气形势特点可以将PM_(2.5)污染的地面形势分为7种类型,其中高压中心型和高压楔型为PM_(2.5)污染的主要天气型。由于上海地区冬季冷空气活动频繁,西北风将上游地区颗粒物输送至本地,易造成较严重的污染天气;同时在冷高压的控制下,高压中心型和高压楔型天气频繁出现,导致颗粒物不易扩散,也易造成空气污染。夏季和秋季在副热带高压的控制下,水平和垂直扩散条件均较好,不易出现PM_(2.5)污染,但由于气温较高,光照条件较好,易出现O_3污染。

2015年上海地区空气质量状况及其与气象条件的关系

利用2001—2015年上海地区空气质量监测资料和2014—2015年气象观测资料,详细分析了2015年(强厄尔尼诺年)大气环流背景下上海地区的空气质量状况及其变化特征,并分析了引起这种变化的气象因子的特征。结果表明:2015年上海地区PM_(10)和SO_2年平均浓度均达2001—2015年的最低值,NO_2为次低值。上海地区空气污染已从S、N和PM_(10)等传统煤烟型污染转为以PM_(2.5)为代表的复合型污染和以O_3为代表的光化学污染。在上海、广州和北京3个一线城市中,2015年上海市空气质量优良率、PM_(2.5)和PM_(10)年平均浓度均介于北京和广州市之间,上海市年平均NO_2和O_3浓度最低,SO_2年平均浓度最高。2015年上海市PM_(2.5)浓度较2014年出现上升趋势,其中春季和夏季PM_(2.5)浓度明显下降,而易污染季节(1月、2月、10月、11月和12月)PM_(2.5)浓度显著上升,主要是由于易污染季节平均风速减小,连续小风次数出现增多,逆温强度增强和逆温次数增多及西向输送增加。受强厄尔尼诺事件影响,易污染季节北半球极涡收缩,欧亚纬向环流增强和东亚大槽偏东偏弱,导致冷空气活动减弱,为2015年上海市空气质量变差提供了大气环流背景。

2017年上海臭氧污染气象条件分析及臭氧污染天气分型研究

根据2016-2017年上海空气污染物和相关气象要素数据,分析上海2017年O3变化特征以及气象影响因素,并对造成O3污染的天气系统进行主观分型。结果表明:2017年上海市空气质量优良天数为275 d,占全年天数的75.3%,O3-8h污染天数为55 d。上海市O3-8h年均浓度115μg·m-3,同比增幅超过10%,为2013年以来的最高值,主要体现为夏半年O3浓度的上升。与2016年相比,2017年夏半年西太平洋副热带高压偏西偏强,上海地区风速风向、温度、水汽、光照、辐射条件均有利于O3浓度上升。造成2017年高浓度O3污染主要有4种天气类型:副热带高压控制型(SH)、地面高压型(G)、均压场型(J)和低压型(D)。其中副热带高压控制型是典型的O3-8h污染天气型,占总污染日数的29.1%,且污染程度较重;低压型出现次数较少;地面高压型的臭氧平均污染程度最弱。