欧美国家大气环境监测经验与启示

美国、欧洲是世界上大气环境监测技术较为先进的国家和地区。美国国家环境保护局(EPA)作为美国联邦政府的独立行政机构,设置有空气与辐射局专职负责大气环境管理,其下设置空气质量规划与标准司,负责大气环境质量标准制修订、全国大气监测网络运行、空气质量达标判定、大气污染防治政策制定等全流程管理工作,制定了完备的法律法规、标准和技术规范。

一种光波大气折射率剖面模型构建方法

根据经典光波折射率计算公式和ITU-R建议书中水汽密度经验公式,给出了一种新的光波大气折射率计算公式;借鉴Hopfield折射率静力项剖面模型和ITU-R建议书中水汽密度剖面模型,给出了一种基于历史气象探空数据构建光波大气折射率剖面模型的方法。以青岛地区为例,通过对1986—1995年历史气象探空数据的处理并结合参考标准大气,建立了适合当地的光波大气折射率剖面模型;统计剖面模型预测折射率剖面与实测折射率剖面的均方根误差,结果表明:构建的剖面模型具有较好的预测精度,这对光学外测设备的折光修正数据处理具有很好的参考价值。

考虑大气稳定度的典型复杂地形风场CFD模式

为评估中国典型复杂山地风资源,实现风资源的高效利用,结合雷诺时均的k-ε两方程模型、大气粗糙度壁面函数和热浮力作用,提出能模拟不稳定、中性和稳定状态复杂地形风场特性的大气CFD模式,并针对湍流参数、大气粗糙度对风速廓线的影响进行参数化研究。采用两种方式驱动CFD模式:一种是通过来流上游的实测风速廓线驱动CFD模式,一种是通过WRF模式输出风速廓线和温度廓线驱动CFD模式。利用山西神池南桦山丘陵山地测风数据进行大气CFD模式验证,通过WRF-CFD耦合仿真研究山地公里级范围热浮力作用对风场的影响,详细对比不同热浮力作用下的大气CFD模式仿真精度。结果表明大气CFD模式能准确地模拟不同稳定度状态下的山区大气风环境,但对于不稳定状态下山后风场的模拟能力稍差。

大气氧化能力量化研究

大气氧化能力(AOC)通常是指大气通过氧化过程去除大气中微量气体成分的速率总和。在对流层和近地层大气中,AOC主要表观为对污染气体的清除能力或净化能力,亦称大气氧化性。AOC是地球大气自洁净的核心能力,但一直缺乏对其内涵的深入认知和对其指标的量化描述。本文作者通过承担国家重点研发计划“区域大气氧化能力与空气质量的定量关系及调控原理”研究等项目,从大气化学基本理论入手,对AOC开展了系列研究,并在其量化表达方面取得了突破性进展。本文将围绕“大气氧化能力量化研究”这一科学问题,对这些进展进行简要的描述。首先在深入认知AOC内涵的基础上,分别从大气化学的热力学和动力学基本原理出发,构建了大气氧化能力表观指数(AOIe)和潜势指数(AOIp),并通过二者归一化指数日变化闭合研究,发现了非均相化学过程对AOC的贡献不容忽视。随着PM2.5污染的加重,无论夏季还是冬季,AOIe亦随之增加,但在冬季AOIp则出现了相反的情景,表现出AOIp的变化受气象条件的影响更大。AOC闭合研究思路用于大气OH自由基的储库分子HONO“未知源”研究,发现了北京大气HONO的重要非均相来源,阐释了MCM(Master Chemical Mechanism)机制对冬季AOC低估的重要原因。AOIp用于预测我国大气臭氧污染潜势格局,发现臭氧光化学生成表观潜势(AOIp_O_(3))与NO_(2)的光解系数[J(NO_(2))]直接相关,全国J(NO_(2))的年均值为4.39×10^(-3)s^(-1),高值区主要分布在四川、贵州、重庆和湖南等地。与其他化学反应氧化性指数对比,AOIe与AOIp组合指数更具准确性、普适性和实用性,可评价已发生的污染过程AOC的变化,亦可预测城市或区域重污染发生的可能性及其变化和格局。

冬季亚洲两种大气环流型对云南低温事件的影响

利用1961—2022年云南125个国家气象站冬季逐日平均气温观测资料、NCAR/NCEP大气环流再分析资料,分析了冬季亚洲环流变化的主要类型及其对云南低温事件的影响,发现冬季亚洲500hPa大气环流存在纬向型和经向型两种环流类型,并对云南低温事件产生明显不同的影响。纬向型环流时,冷空气从贝加尔湖直接南下,主要影响东亚东部,云南低温事件也主要发生在东部地区,此时的低温过程与乌拉尔山高压和西伯利亚高压加强、欧亚中高纬度波列的活动密切联系;而经向型时,冷空气伴随贝加尔湖地区的异常反气旋东侧偏北气流沿着东亚大陆东部沿岸南下,并在中低纬度地区以回流的形式向东南推进,活动位置偏南偏西,使得云南全省、青藏高原和东南亚低纬度地区气温偏低,此时的低温过程主要与副热带波列的活动和青藏高原海平面气压(Surface level Pressure,SLP)的正距平加强有关,与乌拉尔山和西伯利亚地区的高压加强关系不密切。

激光束光斑漂移反演大气湍流各向异性实验研究

设计了两束正交激光束光斑漂移的实时影像记录系统,进行了一系列的激光束大气传输外场实验,对比研究大气湍流环境下两正交方向激光束的光斑漂移,反演研究大气湍流的各向异性。实验结果表明,近地面大气湍流具有各向异性且表现为:一、与风向相关,当激光传输路径与风向夹角很小时,其垂直和水平方向的光斑漂移量会出现较大的差异,当激光传输路径与风向正交时,其垂直和水平方向光斑漂移量基本一致。二、与实时气温相关,表现为两正交激光束的光斑漂移量统计值在垂直和水平方向的四个分量中的不均匀分配,且气温降低会使不均匀分配的强度增加。分析研究成果,本文提出大气湍流各向异性强度指数A的概念,该指数的大小可以综合性的表征大气湍流各向异性特征及其强度。

基于MSISE-90研究高海拔宇宙线观测站处的大气深度廓线模型

高海拔宇宙线观测站(LHAASO)位于四川省稻城县海子山,它的广角切伦科夫望远镜阵(WFCTA)主要是通过观测广延大气簇射过程中产生的切伦科夫光信号对宇宙线进行研究.WFCTA的标定、模拟和重建都和大气深度有关,目前使用的大气深度模型是美国标准大气深度廓线模型.本研究中将美国标准大气深度廓线模型与卫星TIMED搭载的红外辐射计SABER记录到的LHAASO处14-50 km处的大气深度廓线进行比较,同时也与LHAASO处地面气象站记录的大气深度进行比较,美国标准大气模型的大气深度均偏小.MSISE-90大气模型描述了地球大气中从地面到热层的中性温度和密度,进一步研究发现MSISE-90大气模型与TIMED/SABER和LHAASO处地面标准气象站记录的大气深度的一致性较好.根据MSISE-90大气模型计算得到LHAASO处的大气深度均值廓线在1月最低,其次是2月、3月、4月、11月和12月,这也是WFCTA运行的最佳观测月份.4月份的大气边界层最高,其大气深度存在约2%的日变化.利用美国标准大气模型的函数形式,拟合每月的4.4-100 km处的大气深度廓线,得到了LHAASO处的每月的大气深度廓线模型,并比较了30°天顶角入射的100 TeV的宇宙线质子在MSISE-90大气模型和美国标准大气模型中产生的切伦科夫光的横分布的差异,二者最大差异约可以达到20%.

基于星载同步大气参数的多光谱卫星影像校正方法

大气状态随时空变化具有显著差异,因此遥感卫星影像大气校正一直受限于难以动态获取与图像时空匹配大气参数的现实问题。高分辨率多模综合成像(高分多模)卫星作为我国目前空间分辨率最高的民用光学遥感卫星,搭载了首颗民用同步大气校正仪(SMAC)。SMAC是一台偏振多波段大气探测装置,采用时间同步和空间覆盖的探测方式,获取与同平台的主相机时空同步的大气信息。基于SMAC探测反演的大气参数,提出了一种利用星上同步大气参数校正高分辨率卫星遥感影像的方法Syn-AC。首先,基于时间同步的原则,结合主相机辅助数据,对SMAC原始数据进行预处理,形成SMAC-Level1产品;然后根据SMAC-Level1数据,进行SMAC云像元的判别,接着对无云覆盖的像元进行气溶胶和水汽参数的反演,形成Level2产品;最后采用同步反演大气参数,基于6SV辐射传输模型,对高分多模卫星Level1A级遥感影像进行大气辐射校正和邻近效应校正,得到主相机Level2地表反射率产品。在实验部分,利用Syn-AC对高分多模卫星多光谱影像进行大气同步校正试验,对大气校正前后的图像质量进行了定量评价。进一步地,结合地面实测反射率数据分析校正后的地表反射率,讨论同步大气校正方法的校正精度。同时,应用经典大气校正方法-FLAASH对多光谱影像进行大气校正,并与Syn-AC校正结果进行了性能比较。结果表明,同步大气校正得到的地表反射率与地面实测值比较一致,人工靶标校正后的平均反射率与地面实测值的平均绝对误差为0.012 2(FLAASH为0.027 4)。基于SMAC同步大气参数的大气校正方法在提高卫星图像质量和遥感定量化应用中具有很大的潜力。

直升机大气数据系统及其误差校正

直升机大气数据系统是飞行员和地面指挥人员、试飞测试人员掌握飞行器的飞行状态和飞行环境的重要数据来源。其主要测量总压、静压、大气静温、大气总温等,并基于部分大气模型假设、理论原理,以获取直升机的指示空速、爬升速度、气压高度、大气温度等重要状态参数。大气模型基于国际标准大气(ISA),见图1和理想气体假设见图2。国际标准大气是指:在离地高度50km以下,采用ISA模型;在离地50~70km空间大气,采用临界标准大气(Interim Standard Atmosphere)。

空间目标监视雷达大气折射修正技术研究

无线电波在大气层中传播时,大气介质的不均匀分布会对电波产生折射效应,从而影响雷达的探测精度。对于航天目标的雷达探测,影响无线电波的介质主要是电离层。本文利用实时TEC数据同化的方式,建立了电离层电子密度现报模型,实现了电离层折射率剖面的实时构建。在此基础上,利用射线描迹法完成了航天目标雷达探测的折射误差修正。结果表明,相对于单纯使用电离层经验模型-国际参考电离层(International Reference Ionosphere,IRI)模型,利用电离层同化现报模型建立的电离层折射率剖面可大大提高折射误差修正的精度。

中国大气污染防治政策与空气污染治理——基于城市级面板数据的实证研究

2013年颁布实施的《大气污染防治行动计划》是我国首个针对环境突出问题开展综合治理的行动计划;为巩固治理效果,应对动态变化的环境问题,2018年国务院进一步发布了《打赢蓝天保卫战三年行动计划》。研究利用中国258个城市2013年1月至2020年9月日度空气污染数据,实证检验了上述两阶段政策对空气质量的影响,并从不同污染物治理效果、时间和区域异质性等角度分析了政策效应的差异。结果指出:第一,“大气十条”和“蓝天保卫战”均显著降低了AQI、PM_(2.5)、PM_(10)、SO_(2)、NO_(2)、CO;第二,相比“大气十条”,“蓝天保卫战”对NO_(2)的减排效应更高,且实现对O_(3)的协同治理;第三,“大气十条”和“蓝天保卫战”对各污染物的减排效应因供暖时期、地区能源资源禀赋呈现出较强的异质性特征。

2022年华南极端“龙舟水”与大气环流及海温异常的关系

利用华南192个国家气象观测站逐日降水资料,NCEP/NCAR大气环流再分析资料,NOAA月平均海表温度资料(ERSST V5)及向外长波辐射(OLR)资料,采用相关、合成分析的方法研究了2022年华南“龙舟水”异常与大气环流及海温异常的关系。结果表明,2022年“龙舟水”期间,东亚大槽、东北冷涡偏强,南下冷空气偏强,同时西太平洋副热带高压和南支槽均偏强,在华南存在明显的水汽辐合。2022年发生的拉尼娜事件,大气环流对其有明显响应,Walker环流增强,华南对流明显加强,菲律宾以东存在异常反气旋环流,副高加强导致其西北侧的西南风加强,向华南水汽输送显著增强,同时华南存在显著的上升运动。大气环流和海温的异常导致2022年华南极端“龙舟水”。

南极菲尔德斯半岛(Fildes Peninsula)和阿德利岛(Ardley Island)大气中六溴环十二烷(HBCDs)的分析

在2009—2010年南半球夏季,用大流量采样器(high-volume air sampler,HVAS)和聚胺酯泡沫(polyurethane foam,PUF)被动采样器采集了南极菲尔德斯半岛和阿德利岛6个点的大气样品,分析了HBCDs的浓度水平、异构体组成、气相-颗粒相分配和空间分布趋势.主动和被动采集大气样品中ΣHBCDs浓度(α-HBCD、β-HBCD、γ-HBCD的浓度)范围分别为n.d.(未检出)—2.73 pg·m^(−3)和0.41—3.39 pg·m^(−3),与北极和偏远地区浓度水平一致,远低于城市和工业区的污染水平.HBCDs在主动采集的颗粒相和气相中的平均比例分别为67%和33%,颗粒相以α-HBCD(57%)为主,气相以γ-HBCD(53%)为主;被动采集的PUF样品中γ-HBCD(64%)占优势.经过主动采样和被动采样的对比研究,对采样速率进行校正后,PUF被动采样器可以用于南极大气样品的采集.南极大气中HBCDs的检出,表明HBCDs具有持久性和潜在的长距离大气传输能力;南极长城站附近大气中HBCDs浓度水平略高,反映了有限的人类活动对南极环境产生了影响.

高层大气密度的午夜极大值特征分析与建模

利用CHAMP(CHAllenging Minisatellite Payload)、GRACE-A(Gravity Recovery and Climate Experiment-A)、SWARM-C(The Earth's Magnetic Field and Environment Explorers-C)等3颗极轨卫星的资料,研究360—480km高层大气密度在低纬度区域的午夜极大值(Midnight Density Maximum,MDM)现象.MDM一般出现在23:00-02:00 LT(Local Time)之间,峰值位置在低纬度15°以内,谷值位置在中纬度35°-45°附近,整体略偏向南半球,振幅约为平均密度的26%.随着高度增大以及太阳辐射水平的增强,MDM振幅呈减小趋势;冬至和夏至日附近的季节效应会减弱MDM振幅,在春秋分日的振幅最大.用3个主流大气模型DTM2000(Drag Temperature Model 2000),NRLMSISE00(US Naval Research Laboratory,Mass Spectrom-eter and Incoherent Scatter radar)和JB2008(Jacchia-Bowman 2008 model)对MDM进行模拟,JB2008没有刻画出MDM现象;另两个模型低估了MDM效应,在360km和480km两个高度DTM2000模型的振幅仅为观测的46%和53%,NRLMSISE00模型仅为观测的33%和26%;模型没有准确刻画出MDM与高度、辐射水平和季节的关系.联合3颗卫星的资料,研究了-种基于地理纬度的6阶勒让德多项式,同时融合地方时和高度因素的经验函数,在振幅和相位上可以较好地刻画MDM特征,相关系数达到0.923,可为大气密度模型的修正提供借鉴,服务于低轨道航天器高精度轨道预报.

雄安新区绿色金融与大气环境耦合协调的时空演变

绿色金融与大气环境耦合协调发展是经济可持续发展的一个重要问题,也是雄安新区建设绿色之城的前提和保障。以雄安新区为研究对象,构建绿色金融与大气环境综合评价的指标体系,运用熵权TOPSIS法、耦合度模型、协调度模型和相对发展度模型,研究了2018年1季度至2021年4季度雄安新区绿色金融与大气环境耦合协调的时空演变。研究表明:(1)从时间层面来看,雄安新区绿色金融和大气环境综合指数呈现波动上升的趋势,两系统耦合度处于0.193~0.862之间,其相互影响逐渐增强;协调度水平从0.227增长到0.697,进入初级协调等级;相对发展度大幅上升,但整体上仍处于绿色金融发展滞后的阶段,绿色金融对大气环境的支撑力度还有待加强。(2)从空间层面来看,雄安新区绿色金融与大气环境耦合度、协调度和相对发展度总体水平均高于其周边绝大多数区县,雄安新区的设立与建设极大促进了该地区绿色金融与大气环境的协调发展。

热浸镀Zn-Al-Mg镀层在模拟湿热海洋大气环境中的腐蚀行为研究

目的 为详细研究热浸镀Zn-Al-Mg镀层在模拟湿热海洋大气下的腐蚀行为及作用机理,同时为热浸镀Zn-Al-Mg镀层在湿热海洋大气环境中服役提供数据参考。方法 采用腐蚀失重、XRD、SEM、电化学等测试方法对热浸镀Zn-Al-Mg镀层在模拟湿热海洋大气环境下的腐蚀行为进行研究。结果 腐蚀产物主要由Zn_(5)(OH)_(8)Cl_(2)·H_(2)O组成,腐蚀一段时间后,发现少量ZnO、Zn_(5)(OH)_(6)CO_(3),腐蚀产物具有与锌腐蚀类似的层状结构,1 848 h呈“三明治”型,相比于上下两层暗色物质,中层亮色腐蚀产物富集更多的Cl元素。热浸镀Zn-Al-Mg镀层腐蚀速率大体随时间延长呈上升趋势,只在672~840 h腐蚀速率下降,对比镀锌在模拟环境和锌在湿热大气环境中的腐蚀,热浸镀Zn-Al-Mg镀层在模拟湿热海洋大气中表现出较好的耐蚀性。结论热浸镀Zn-Al-Mg镀层在模拟湿热海洋大气下腐蚀产物演变与腐蚀过程中Mg的参与有关。腐蚀672~840h阶段腐蚀速率下降的原因与腐蚀产物中ZnO的减少和Zn_(5)(OH)_(8)Cl_(2)·H_(2)O占比增加有关。对比镀锌在模拟环境和锌在湿热大气环境中的腐蚀,预测热浸镀Zn-Al-Mg镀层在严酷湿热海洋大气中仍具有较高的耐蚀性,可以优先考虑作为湿热海洋环境的建设用材。

空空导弹海洋大气自然环境试验研究

针对空空导弹随航母服役需求和海洋大气自然环境适应性风险,结合相关标准和研制经验,对空空导弹海洋大气自然环境试验方案设计流程、方法及要点进行了研究。提出了一套空空导弹海洋大气自然环境试验方案,可用于指导新研型号科学有效地开展自然环境试验,为回答空空导弹海洋大气自然环境适应性指标提供了支撑。空空导弹应系统策划海洋大气自然环境试验,以尽早暴露问题,实现产品设计改进,为上舰环境适应性的提高奠定基础。同时,还应大力开展自然加速环境试验技术和动态自然环境试验技术研究工作。

电子激发高空大气辐射模拟装置的研制及初步应用

地球大气组分与高能电子之间的电荷交换和能量传递在极光和气辉等高空大气发光现象中扮演着重要角色。通过搭建基于真空系统的电子激发高空大气辐射地面模拟装置,验证了高能电子对高空中性大气的电离激发及其辐射跃迁机制。该装置可实现从10^(2)Pa过渡到10^(-3)Pa超过5个量级的真空梯度、10^(2)~10^(3)eV能量范围内的电子加速聚焦以及近紫外-可见光-近红外波段的宽光谱测量。将该模拟装置初步应用于N_(2)和O_(2)的电子激发实验,比较了大气中两种主要成分的谱线分布特征,发现激发光谱强度与电子能量成正相关,且在相同条件下N_(2)的激发光谱强度远大于O_(2)。利用单组分气体的已知光谱带系标定了实际大气的电子激发光谱,结果表明实际大气与纯N_(2)的激发光谱分布趋于一致但强度有所下降。初步测试与应用表明该装置可用于模拟高能电子沉降过程中与中高层大气组分的碰撞激发反应。

面向星地激光通信的大气湍流预报研究进展(特邀)

激光通信系统在大气环境下应用的性能受到严重制约,当激光在大气湍流中传输时,其波面会发生畸变。在激光通信系统中,对大气湍流相关参数进行预报可以提前对星地数据传输链路进行调度,避免建立无效的通信任务。此外,大气湍流预报在天文选址、光学遥感等领域也有重要价值。随着国内外相关工作的长期积累以及算力、观测设备等硬件的能力提升,当前科研人员已经提出了一些大气湍流预报方案。文中主要综述了国内外学者在大气湍流预报方面的研究进展,首先详细介绍了目前应用比较广泛的中尺度数值预报技术,列举了使用中尺度数值预报方法对国内外典型区域的大气湍流进行预报的相关工作;然后介绍了深度学习方法在大气湍流预报中的应用情况,对其优势与局限性进行了讨论;最后介绍了一种面向星地激光通信的大气相干长度短时预报方法。

城市大气颗粒物中锑污染研究进展

随着工业化和城市化发展,高强度人类活动及锑化合物的广泛使用使城市大气环境中锑污染日趋严重。进入大气中的锑能长时间驻留并随大气环流进行长距离迁移造成跨区域污染。鉴于锑对人体的潜在毒性及致癌性,城市大气环境锑污染引起学术界和国家相关部门的高度重视,然而目前国内关于大气环境中锑的研究仍处于初期阶段。对城市大气颗粒物中锑的来源、污染特征、源解析等方面进行综述,在此基础上对大气环境中锑污染来源、迁移转化过程研究中的锑同位素应用前景进行展望,为进一步开展城市大气颗粒物锑污染研究、防治和环境管理提供参考。