基于风廓线雷达的大气扩散条件参数研究

利用河北省13套风廓线雷达资料,基于大气动力学原理和动力条件反演算法,计算出垂直风切变、散度、涡度和边界层通风量等参数产品。通过与探空资料计算结果对比,以及与近地面浓度联合分析,对4种参数算法进行检验,结果表明,反演产品的变化趋势和特征表现较为合理。以2022年11月9-11日河北境内一次区域PM_(2.5)(空气动力学直径小于等于2.5μm的颗粒物)污染过程为例,4种产品的具体分析结果表明:在污染积累过程中3 km以下垂直风切变从对角线到右下角依次减小,右下角数值多小于5 m/(s·km);涡度、散度数值基本都在20×10^(-5)s^(-1)以下,950 hPa等压面以下多小于15×10^(-5)s^(-1),静稳形势明显;边界层通风量数值小于3000 m^(2)/s。在污染物消散前垂直风切变整层数值升至10 m/(s·km)以上,2~3 km高度与0~1 km之间10 m/(s·km)以上风切变大值区对污染消散敏感性最强;850 hPa高空涡度、散度数值首先增大到30×10^(-5)s^(-1)以上,当20×10^(-5)s^(-1)以上涡度和散度区域扩展到边界层以内时,近地面PM_(2.5)浓度迅速下降;边界层通风量数值升至4000 m^(2)/s时,污染物浓度达标,沿着冷空气传输路径,下游站点数值增大滞后,多站点联合分析可用于下游站点的污染消散预报。

河北环境气象智能评估系统研发与应用

基于B/S架构(Browser/Server,浏览器/服务器模式)和WebGIS(网络地理信息系统),建立环境气象智能评估系统,实现减排调控效果模拟评估、源排放清单动态反演、颗粒物来源解析、气象贡献评估、运行监控管理五大功能。基于“Web”前台操控Linux系统自动运行脚本和数值模式作业,利用“云后台”集合了多源气象和环境大数据。以多种空气质量数值模式为支撑,把复杂计算封装在后台,解决了非专业人员开展数值模拟评估的技术难题。实现科研级模拟评估技术的低门槛、广应用,为减排效果模拟评估、污染物来源解析和气象条件贡献定量评估等研究性工作转向业务应用提供支撑,为省市县气象部门在削峰降污、精准治霾中发挥重要作用提供技术保障。

Deformation characteristics of the ‘7.20' heavy rainfall event in North China

A heavy-rainfall event that occurred in North China during 19–20 July 2016,resulting in severe flooding,was investigated in this study.In this event,high-value total deformation overlapped the precipitation region,implying a close relationship between them.By deriving the nongeostrophicωequation in a non-uniformly saturated moist atmosphere,the relation between vertical velocity and deformation was diagnosed.The Q-vector divergence on the right-hand side of the newωequation was divided into three compositions,associated with horizontal divergence,vertical vorticity,and horizontal-wind deformation,respectively.It was found that the deformation component of Q-vector divergence contributed most to the negative Q-vector divergence in the precipitation region,implying an important role of deformation forcing in facilitating the vertical motion.In order to track the precipitation on the basis of deformation,potential deformation was proposed by virtue of the generalized potential temperature.The high-value potential deformation and precipitation were always overlapping,and shared an analogous temporal trend.This means that potential deformation can reflect the variation of heavy precipitation to a certain extent,and can serve as a tracker of the precipitation region.

1822号台风“山竹”的涡旋Rossby波特征分析

采用WRF中尺度模式对2018年22号台风“山竹”进行高分辨率的数值模拟,在此基础上,分析台风的精细动力结构和雨带特征。分析结果发现,台风“山竹”的眼墙处具有低层辐合流入、高层辐散流出的动力配置;台风眼墙附近存在切向风速的高值区和明显的垂直上升区,并且随着高度逐渐向外侧倾斜,同时该处的雷达回波也较强,对流系统较为深厚。然后利用尺度分离方法得到涡旋罗斯贝(Rossby)波的扰动场,进一步分析了台风“山竹”内部的涡旋Rossby波特征。研究发现:1)1波和2波会同时沿着切向和径向方向传播,2波的振幅明显小于1波;1波和2波的正涡度扰动大值区基本覆盖强的雷达回波区域,同时伴有较强的对流活动。2)垂直方向上,降水区的涡度扰动呈现出上层为正、下层为负的动力配置时,同时散度扰动的垂直方向也有类似配置时,则会加强对流系统的发展,有利于降水的增强。由此可见,1波和2波扰动的上层辐散下层辐合的动力配置会促使对流系统的加强,同时也会对台风降水的强度和分布有一定的作用。

2018年冬季河北省气象条件变化对PM_(2.5)影响研究

利用河北省2017~2018年逐日PM_(2.5)浓度地面观测数据和CUACE空气质量模式的PM_(2.5)气象条件评估指数(EMI,evaluation on meteorological condition index of PM_(2.5) pollution),定量评估了2018年相比2017年河北省冬季气象条件对PM_(2.5)浓度的贡献,并分析了石家庄市气象条件和PM_(2.5)浓度的同期月变化。结果表明:与2017年相比,2018年冬季河北省气象条件不利于PM_(2.5)浓度的下降,其中,北部、西北部地区气象条件极为不利,使PM_(2.5)浓度同比上升28%~45%,不同城市的气象条件变化存在显著差异;2018年石家庄市PM_(2.5)年均浓度同比下降12.7%,其中气象条件使PM_(2.5)浓度同比下降3.1%,说明石家庄市大气污染防治减排措施对PM_(2.5)浓度下降贡献显著。可见,EMI指数可定量诊断和评估污染期间气象条件对PM_(2.5)浓度的影响。

基于随机森林算法的石家庄市首要污染物分类预报技术研究

基于2018年1月-2022年6月石家庄市逐日首要污染类型数据和ERA5逐6 h再分析气象要素资料,构建了机器学习所需的多维特征量数据集,并利用随机森林算法学习训练,得到石家庄市首要污染物分类预报最佳模型,实现了不同气象条件下首要污染物分类识别及预报。结果表明,随机森林模型预报首要污染物分类准确率达到76%,对PM10、PM2.5首要污染物分类结果最好,召回率达到93%、89%,O3首要污染物次之,召回率为74%。与中国气象局下发的空气质量指导产品(CMA-ZD)和国家级雾霾数值预报业务系统产品(CUACE)相比,预报准确率分别提升11%、36%,明显优于指导产品。

基于CMAQ模式的自适应“nudging”源反演方法的中国主要污染区排放特征分析

中国中东部地区的空气污染主要集中在京津冀、长三角、珠三角、东北地区及汾渭平原等区域,各区域的污染排放特征各异.本文应用基于CMAQ(The Community Multiscale Air Quality)模式的自适应“nudging”源反演方法,反演中国中东部地区2016年12月—2017年1月逐日NOx污染源,分析上述主要污染区的污染物排放强度空间分布特征,并与2016年MEIC(The Multi-resolution emission inventory for China)排放源进行比较,检验反演源的可靠性.结果表明,2016年冬季各个区域反演源NOx排放强度空间分布特征与2016年MEIC排放源基本一致.京津冀地区高强度排放区域形成沿山前区域东北-西南走向的NOx高强度排放带;长三角地区NOx高强度排放区域位于常州、苏州、上海和湖州等城市构成的城市群;珠三角地区NOx高强度排放区域位于以广州为中心的大范围城市群且排放强度呈现向四周逐渐降低的放射状分布;东北地区NOx高强度排放区域空间分布特征呈现以城市为中心且稀疏分布;汾渭平原排放区域呈现以城市为中心且向峡谷中间集中分布,排放区域轮廓与汾渭平原狭长的新月状相符.

基于变分订正TROPOMI卫星数据的京津冀地区NO_(2)时空变化与气象影响分析

为研究京津冀地区NO_(2)时空变化与气象条件影响,本文利用变分方法订正TROPOMI卫星NO_(2)遥感数据,结合环境气象评估指数(EMI)分析气象条件对NO_(2)浓度变化的影响.结果表明,经过变分方法订正过的NO_(2)浓度具有更可靠和高分辨率的时空分布特征.京津冀西北部地区的NO_(2)浓度低,东部和南部浓度较高.北部燕山、西部太行山形成的半包围地形阻挡了大气污染物在京津冀平原地区的扩散,产生了不利的气象条件.其中,燕山南部的北京、天津和唐山以及太行山东部的保定、石家庄、邢台、邯郸等地气象条件较差,而高海拔地区的张家口、承德、秦皇岛大气扩散条件较好.NO_(2)浓度在春、夏季受到气象条件变化的显著影响,而在秋、冬季受到气象条件变化的影响较小.气象条件对NO_(2)不同浓度区间的作用不同,NO_(2)浓度较低和较高时气象条件对其作用更为显著,而浓度处于转折区间时,气象条件对其影响较小.本研究开展的TROPOMI卫星变分订正、NO_(2)浓度时空分布特征及气象条件影响分析为提升区域大气环境变化中气象作用的认识提供了参考.