城市中水体布局对大气环境的影响

城市下垫面状况在很大程度上决定城市大气物理环境的特征。在城市区域增加湿地等自然地表有利于城市的减温增湿,促使局地流场发生变化,改善局地微气象条件以及大气物理环境。城市规划大气物理环境多尺度数值模拟系统为城市规划大气物理环境定量评估提供了有效的模拟工具。利用该系统中的城市尺度模式模拟了水体布局为集中型和分散型,水体面积占有率分别为4%、8%、12%和16%条件下,城市大气温度、湿度、风速、城市大气扩散条件的变化及其对城市大气环境的影响,利用北京市城市水体气象观测数据,分析了水体周边和商业区、交通区温、湿度的差异,并对模式模拟结果进行了验证,揭示了城市水体布局对城市大气物理环境影响的可能机制。模拟和观测结果显示,城市水体布局会对城市微气象环境产生一定影响。无论分散型或集中型布局,城市水体面积的增加,都在一定程度上使城市气温降低、湿度增加、平均风速增大。比较而言,分散型水体布局对城市区域微气象环境的影响更为显著。

典型山地地形城市大气环境状况与成因分析

为研究山地地形对城市大气环境状况的影响,特选取江西省吉安市作为典型研究对象,统计分析2016年1月1日-2017年12月31日吉安市4个国控站PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO和O3逐时资料与吉水、吉安县、泰和及峡江站同期气象数据,并结合OMI遥感数据进行分析,同时对个例进行深入诊断分析。结果表明:相比2016年,2017年PM2.5、PM10、SO2、O3年均浓度分别上升15.4%、13.9%、7.3%、21.9%,NO2与CO分别下降6.3%、22.2%,颗粒物与臭氧复合型污染日趋严重。统计分析表明,吉安市山谷风日共计241天,占总天数33.0%,山谷风导致该城市重污染日,山谷风日吉安市SO2及NO2浓度变化与城区以外的电厂燃煤排放有关。从污染个例分析入手,进一步验证了山谷风日市区SO2日变化与城区以外的电厂燃煤排放有关。

成都地区大气污染物的城郊对比分析

为了解成都地区污染物的城郊差异,利用成都三道堰、人民公园2站在2010年1月-2014年7月期间的NOx（NOx=NO＋NO2）、SO2以及PM10数据,对比分析了成都市城郊2站大气污染物的日变化、月平均变化特征。结果表明：城区站NOx、SO2、PM10呈单峰型日变化,最高浓度出现在9：00;而郊区站除SO2呈单峰型日变化外,其余污染物为双峰双谷型日变化,最高浓度出现在夜间21：00左右。城郊SO2月平均浓度差异不大,城区其余各污染物的月平均浓度要远高于郊区。城郊2站NOx、SO2的日平均浓度都呈下降趋势,城区站PM10上升趋势明显。

孤立单体爆发性增长过程中的宏微观物理特征研究

为探究贵州威宁地区雹暴爆发性增长过程热动力、微物理和闪电活动特征,利用贵州威宁X波段双偏振雷达观测资料对2018-2019年23个降雹个例进行统计分析,对2018年4月25日一次具有“累积带”特征的孤立单体降雹过程的爆发性增长阶段热动力、微物理及雷电活动进行详细分析。结果表明:(1)通过统计,0℃层以上45 dBZ体积增长最大速率出现时间较降雹时间提前5~15 min,与最大上升气流(本文用径向速度垂直分量表征上升气流强度)提前量相关性最大,相关系数达到0.778。(2)在爆发性增长阶段上升气流对低密度霰(LDG)数量增长的贡献最大,上升气流强度与低密度霰最大增长速率相关系数达到0.62。(3)孤立单体雹暴爆发性增长阶段单体内上升气流强度大,正径向速度垂直分量最大值维持在2 m/s以上。(4)爆发性增长前期强上升气流将大量水汽输送至-10℃高度以上形成大量冰晶和低密度霰,同时0℃~-20℃高度范围内过冷水大量堆积形成“累积带”,过冷水粒子增长速率最高达到每分钟17.8距离库数。(5)爆发性增长后期雨夹雹大量生成,其主要贡献源为高密度霰在“累积带”区域过冷水条件下进行转化,高密度霰粒子库数占比减少1.94个百分点。(6)爆发性增长阶段雹云内冰晶和霰的数量急剧增多、动力场剧烈变化,非感应起电率增加,闪电频数显著增加。这些指标反映出贵州威宁孤立单体雹暴及其内部“累积带”在爆发性增长阶段的特征变化,为监测孤立单体雹暴爆发性增长以及冰雹预警提供一定参考依据。

基于双偏振雷达对一次多单体雹暴微物理特征的观测及数值模拟研究

为了解多单体合并作用对雹胚及冰雹演变的微物理特征,利用位于贵州威宁县雪山镇的X波段双偏振雷达,在观测资料质量控制的基础上,结合模糊逻辑粒子相态识别算法(HID)和WRF中尺度模式,对2018年6月28日云南鲁甸县的一次多单体合并降雹天气过程进行分析。结果表明:此次多单体合并过程,观测识别与模式模拟结果整体一致,经历3个主要阶段:合并前阶段、合并中阶段(合并初期)、合并后阶段(合并后期)。合并前阶段:低密度霰(LDG)由雪晶(AG)和冰晶(CR)作为共同低密度霰胚源进行凇附增长;高密度霰(HDG)的两种源项分别为LDG粒子撞冻过冷云水和以AG为高密度霰胚的凇附增长。合并阶段:AG主要由CR为晶核聚合而成,CR的凝华增长参与较小;霰粒子主要以AG为胚源,形成于-5℃~-35℃层,为过冷云水与AG的混合相态区。合并后期:合并作用促进了单体内HDG的碰并增长,并最终以HDG为雹胚源形成冰雹(RH),在RH下落过程中继续撞冻过冷水保持增长并及地。合并作用使单体内部产生新的动力,使处于衰减状态的单体出现新的发展趋势;合并作用导致降雹过程产生,且降雹过程出现在多单体合并的第三个阶段,即合并后阶段(合并后期)。

我国地闪活动和降水关系的区域差异

利用我国部分地区2005年的地闪定位资料和气象台站雨量观测资料,由南向北选取我国四个不同气候带区域(区域1～4),分析了这些区域的地闪活动与降水的相关关系。结果表明,由南向北及气候特征由潮湿趋于干旱的区域的地闪活动和降水相关性增强。闪电活动与有闪电降水(即对应闪电的降水)日变化的线性相关系数在由南向北的区域分别为0.56、0.46、0.56、0.80,旬变化的线性相关系数分别为0.73、0.86、0.89、0.92,月变化的线性相关系数分别为0.74、0.88、0.965、0.99;较干旱的区域3和区域4的地闪活动与所有降水的时间序列有较强的相关性,其线性相关系数日变化分别为0.31、0.41,旬变化分别为0.84,0.52,月变化分别为0.93、0.80;地闪与降水的空间线性关系相对复杂,但也表现出由南向北和气候趋于干旱对应关系增强的特征,区域4的闪电和降水相关性达到0.54。分析区域中较干旱地区的雷暴活动产生机制(主要受热力抬升作用)相比潮湿地区(既受热力抬升作用,又受大尺度系统相互作用)更为单一,这可能是干旱地区的闪电活动与降水有较好相关的重要原因。

平流层臭氧和辐射场的季节分布特征

利用美国NCAR化学气候耦合模式WACCM3对平流层温度场、风场、臭氧及辐射场进行了模拟.结果表明,在适宜飞艇长期驻留的准零风层高度20~22 km(对应大气压强范围为50~30 hPa,以下均采用气压值表征对应大气高度),7—8月风速小于5m·s^(-1)的风带可长期稳定在40°N以北.臭氧空间分布显示,在30hPa气压高度处中国地区臭氧浓度出现了带状分布,30 hPa高度以下低纬度地区臭氧浓度低于中纬度地区.平流层太阳加热率的时空变化表明,在平流层上层,太阳加热率可达100×10^(-6)K·s^(-1),而在平流层下层,只有10×10^(-6)K·s^(-1).6—8月中国区域的太阳加热率大于9月;在100~30 hPa高度内,中纬度地区太阳加热率高于低纬度地区,在30 hPa高度以上,低纬度地区太阳加热率高于中纬度地区;8—9月30~40 hPa高度处,太阳加热率的空间变化较小.在30 hPa高度上,太阳加热率在40°N昼夜变化最大;50 hPa高度处,太阳加热率的昼夜变化小于30 hPa高度处,而且白天太阳加热率出现极大值的纬度明显靠北.平流层低纬度地区的长波加热率小于中纬度地区.青藏高原由于地形特殊,其6—7月的臭氧浓度、太阳加热率和长波加热率均小于同纬度其他地区.

成都地区闪电产生氮氧化物的观测研究

为了解四川盆地闪电产生的NOX向低空的传输特征,利用大气平均电场仪、氮氧化物分析仪、臭氧分析仪对成都地区雷暴过程中闪电产生的NOX进行了地面观测,并结合风廓线雷达测得的地面0.4km的风速风向数据进行了分析。研究结果表明:(1)、NOX浓度随时间的变化与NO浓度随时间的变化呈正相关关系,O3的浓度随时间的变化与NOX的浓度随时间变化呈负相关关系;(2)、雷暴过程中,NOX和NO的浓度值都比晴天背景大气条件下的地面值要高,O3的浓度值则低于平均值,闪电频次与氮氧化物浓度存在正相关关系;(3)、LNOX从高空传输到地面也受风速风向的影响,风速与NOX浓度存在负相关关系,气流被偏北风控制的情况下,NOX的浓度值较低,气流在偏南风控制时,NOX则出现高浓度积累。

基于微波辐射计的张掖地区水汽、液态水变化特征分析

针对张掖地区大气水汽变化特征和分布规律,利用张掖国家气候观象台地基微波辐射计反演数据对大气水汽总量(IWV)和液态水含量(LWP)的变化特征进行分析,并利用探空资料进行检验。结果表明:微波辐射计的反演数据可用性较好,通过了0.05的信度检验,夜间反演效果好于白天。张掖地区IWV和LWP的最大值分别出现于7月和4月,分别为2.34 cm和0.84 mm;IWV的日变化"双峰型"特征明显,主峰在17:00,次峰在03:00,LWP的日变化存在4个峰值,但峰值间数值接近;IWV和LWP的季节日变化均差异明显,IWV季节日平均值夏季(2.242 cm)>春季(0.975 cm)>秋季(0.893 cm)>冬季(0.320 cm);LWP主要集中于0.6~1.2 km高度,最大值出现在0.9 km(0.042 mm)。晴空条件下,张掖市观象台所在地区水汽来源以太阳加热地表导致的局地蒸发为主。降水和IWV及LWP的变化相关,当IWV和LWP明显增大时降水明显增强,IWV高值出现时间较降水高值提前1小时。

雨滴谱的变化对降水估计的影响

针对雨滴谱的变化对降水估计的影响,提出根据激光雨滴谱仪上方雷达回波的结构特征将降水过程划分为对流云降水和层状云降水交替分布5个部分,通过基于2种降水类型的第Ⅰ种分类Z-R关系、基于5个部分的第Ⅱ种分类Z-R关系和基于整个降水过程的总体Z-R关系分析雨滴谱的变化对降水估计的影响。结果表明：当对流云降水向层状云降水过渡时,指数谱从无到有、多峰谱比例减小,Nw减小、μ增大、Dm变化不大;Nw与R变化相似,当Z增大时μ和Dm分别是递减和递增的;Z-R关系（Z=aRb）中a值变化范围较大、系数b在1~2波动且与层状云阶段相比,对流云阶段的a和b值较小;利用第Ⅱ种分类Z-R关系反演的雨强与基于雨滴谱仪观测数据计算的雨强最接近;雨滴谱仪在层状云阶段的反演效果明显强于对流云阶段,这与对流云降水中雨滴谱信息变化大且快等因素有关。