我国大气电学研究的最新进展

大气电学主要研究地球大气和近地空间发生的电学过程及其机理和影响,其核心研究内容是雷电物理和雷暴电学。自1980年代以来,中国大气电学研究不断取得新的进展,特别是近年来,得益于高时间分辨率雷电探测技术的进步,大气电学研究不仅在雷电物理学和雷暴云电荷结构方面取得了重要成果,也在雷电和雷暴对近地空间的影响、强对流天气的雷电特征、以及雷电资料同化和预警预报等方面取得了重要进展。本文从六个方面对近五年来大气电学的主要研究进展进行回顾,包括高精度雷电探测和定位技术、雷电物理过程和机制、雷暴对中上层大气的影响、雷暴云电荷结构的观测和数值模拟、强对流天气的雷电特征与预报、雷电对气候变化的影响与响应等,最后对大气电学未来发展进行展望。

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。

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”。

搅拌子吸附-热脱附-气相色谱-质谱法分析北京大气中33种多氯联苯

用包覆聚二甲基硅氧烷(PDMS)吸附层的搅拌子作被动大气采样器,建立了搅拌子吸附-热脱附-气相色谱-质谱法(SBSE-TD-GC-MS)分析大气中多氯联苯(PCBs)的方法。优化后的热脱附温度为280℃,热脱附时间为6 min,聚焦冷阱的温度为-40℃,33种PCB单体的热脱附残留比例低于7%。验证了方法的线性、精密度和重复性。标准曲线5个点线性关系良好,33种PCB单体的相关系数r>0.998。方法精密度验证的相对标准偏差(RSD)为0.79%~20.2%(n=8),日内重复性实验的RSD为0.43%~29.8%(n=10),日间重复性实验的RSD为3.20%~29.6%(n=20),方法检出限(LOD)为0.01~2.51 pg,回收率为98%±18%。将建立的方法用于北京大气中PCBs的分析。检出8种PCB单体,质量为2.94~129 pg。在32 d的采样周期内PCB-52、PCB-123、PCB-155一直处于线性吸附阶段,而PCB-1和PCB-3经过了线性吸附阶段、曲线吸附阶段和平衡阶段。研究结果表明,SBSE-TD-GC-MS可以用于大气中PCBs的样品采集和快速分析。

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。

探索行星大气的人

在进入研究生院前。天文学家萨拉·西格尔曾花两个月的时间在加拿大荒凉的努勒维特地区划独木舟。她在沉重的行李中塞了一本物理书。她的未婚夫迈克·沃里克与她同行。两人在急流中划着独木舟。渡过一汪汪湖水。在湖泊之间。他们就拖着独木舟在森林中穿行。

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。

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。

大气隙外笼型转子磁力耦合器设计及性能研究

采用Halbach单侧聚磁特性,设计出了一种大气隙外笼型转子磁力耦合器(Long Air Gap External-cage Rotor Magnetic Coupler,LAEMC),并分析了其运行特性、调速特性及散热特性,推导出LAEMC电磁转矩解析表达式,据此分析了结构参数对电磁转矩的影响,得出了不同磁化比的Halbach结构对LAEMC电磁转矩的影响规律;根据LAEMC的运行特性,分析了其在离心式负载、恒功率负载及恒转矩负载的调速特性,表明其仅适合离心式负载调速并具有良好的节能效果;在离心式负载转差率为33%处的最大功率损耗点对LAEMC进行热仿真计算,得到永磁体工作温度约为60℃,而通过气隙与之相隔的笼条温度约为360℃,两者温度差达300℃以上,表明所提出的大气隙外笼型转子磁力耦合器———LAEMC在离心式负载上既具有良好的运行特性也具有良好的隔热效果。

酸性大气环境对钢梁腐蚀行为的研究

钢梁在酸性大气环境下的腐蚀是随时间逐渐进行的,了解其腐蚀深度及腐蚀速率是研究腐蚀后钢梁承载力和退化规律的前提。基于含SO_(2)的酸性大气环境下钢材腐蚀机理和幂函数模型,从金属电化学腐蚀理论出发,推导低碳钢在酸性大气环境下腐蚀深度的理论预测模型,并将得到的预测模型与大气腐蚀试验站测得的试验数据及幂函数模型进行对比,结果表明三者得到的腐蚀深度数据接近,且发展趋势一致。从电化学腐蚀角度给出预测低碳钢腐蚀深度的理论方法,为分析腐蚀环境下钢梁的稳定承载力奠定基础。

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.

精准还是脱靶:政策工具与政策目标的适配性研究——基于大气环境规制政策的模糊集定性比较分析

党的二十大报告指出,要深入推进环境污染防治,基本消除重污染天气。大气环境治理政策目标的成效关键在于选取行之有效的政策工具,但政策工具是否一定能与其设定目标精准对接?应用模糊集定性比较分析方法能够深入探讨政策工具与政策目标之间的适配性问题。通过分析31个省级行政单位在大气环境治理中的政策工具与政策目标匹配情况,发现高水平政策目标不可仅凭政策工具的单项施行所实现,而是多元政策工具综合配置的结果,同时政策工具与政策目标之间的相互关系呈现出波动性,在绝对精准与全然偏离的连续谱系间存在多种适配可能性。研究结论有助于阐释在实现政策目标时政策工具之间的协同效应和联动匹配模式,深化在复杂环境中政策工具与政策目标关系的理论探索,为推动高质量公共政策制定提供实践启示。

中昆仑山北坡持续性暴雨的水汽输送及其大气三维结构特征

利用基于拉格朗日方法的HYSPLIT_4轨迹模式,结合地基GPS-MET观测资料,对2019年6月24~26日中昆仑山北坡一次持续性暴雨天气大尺度水汽输送特征及水汽源地进行分析,阐明了干旱区强降水期间大尺度环流异常与水汽持续接力输送过程的关系。结果表明:(1)降水前副热带高压(简称副高)位置异常偏西,副高外围偏南气流造成高原增湿明显。强降水期间,副高继续向西北伸展,低纬度水汽沿印度夏季风环流向北输送,经青藏高原接力输送至暴雨区,与塔什干低涡前偏南气流共同构成了中昆仑山北坡持续性强降水的水汽输送通道,水汽持续接力输送造成暴雨区可降水量(PWV)出现两次急剧增湿过程,测站PWV峰值达到气候平均值近2倍。(2)300 hPa温度异常对于本次中昆仑山北坡持续性大暴雨天气水汽输送具有重要的作用。降水前和降水期间,300 hPa暖异常中心激发200 hPa反气旋式环流异常和经向风正异常中心,同时,在暖异常中心南侧(印度半岛北部)和西侧,激发500 hPa反气旋式环流异常中心和气旋式环流异常中心,反气旋式环流后部经向风正异常中心将低纬度地区暖湿气流向北输送,与气旋式环流东部偏南气流在暴雨区汇合,为持续性暴雨的发生提供充沛的水汽供应。

我国6个典型城市大气能见度及其影响因素研究

采用线性相关性分析、分类变量分析等统计学方法,分析了巴彦淖尔、石家庄、廊坊、郑州、武汉、广州六市2019—2020年的PM_(2.5)与气象观测数据,研究了PM_(2.5)浓度与大气相对湿度对大气能见度的影响。结果表明:六市大气能见度年变化规律虽存在较大差异,但最低值均出现于每年12月—次年2月,且年变化规律基本一致;气象条件、相对湿度、PM_(2.5)浓度对能见度的影响明显,其中相对湿度通过改变PM_(2.5)物化性质间接影响能见度,与能见度相关程度相对较弱。PM_(2.5)浓度与能见度的线性相关性良好,以幂函数为主;整体上,相对湿度与PM_(2.5)浓度对大气能见度影响呈协同作用,相对湿度越大的城市对PM_(2.5)的控制要求越高。此外,PM_(2.5)浓度高于平台点时,大气能见度基本不随PM_(2.5)浓度增加而继续降低,只有PM_(2.5)浓度低于突变点时,大气能见度才会随PM_(2.5)浓度降低而显著提升,各市能见度突变点与平台期点所对应PM_(2.5)浓度差异较大。

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。

山西北部极端降水时空演变规律及与大气环流因子的响应

基于山西北部28个国家气象站点,1972—2020年逐日降水资料,选用8个极端降水指数,采用线性回归、Pearson相关分析、连续小波和交叉小波变换分析等方法,研究了山西北部极端降水的时空变化及其与大气环流因子的相关性和周期特征。结果表明:(1)在时间上,山西北部8个极端降水指数都是在20世纪70年代后期和21世纪00年代后期到10年代,年总降水量(PRCPTOT)、中雨以上日数(R10mm)、强降水量(R95P)、极强降水量(R99P)、1 d最大降水量(Rx1day)、5 d最大降水量(Rx5day)均增多,日降水强度(SDII)显著增强,持续湿期日数(CWD)也略有增多。整个20世纪80年代降水异常偏少。(2)在空间上,极端降水指数呈从东北向西南地区逐步增加的态势。从站点趋势变化来分析,大多数站点的极端降水指数呈上升趋势,其中,上升趋势最显著的站点均位于忻州市境内西南部。朔州市境内和忻州市东南部站点PRCPTOT和SDII都呈增加趋势,但CWD则呈减少趋势,由此说明朔州市境内和忻州市东南部地区发生极端降水事件的概率较大。(3)通过小波变换分析发现,1990—2020年山西北部极端降水指数表现出约4 a左右的周期特征。在选取的大气环流指数中,北大西洋涛动指数(NAO)对山西北部极端降水影响最明显,NAO越大,PRCPTOT、R10mm、R95p、R99p、Rx1day、Rx5day、SDII则越小,同时CWD也越少,山西北部产生少雨干旱的几率较大,反之,易发生多雨、洪涝现象。研究结果可为山西北部气象灾害的防御提供科学理论依据。

内河航道船舶大气污染物扩散模拟研究

为探究内河航道船舶大气污染物在沿岸建筑物群的扩散规律,基于船舶自动识别系统数据构建南京市内河某航道段船舶大气污染物排放计算模型,采用“自下而上”方法计算得到船舶SO_(2)、NO_(2)、PM_(10)、PM_(2.5)、CO和挥发性有机物6种大气污染物排放量。通过Revit软件与Fluent软件建立船舶大气污染物在沿江居民区的扩散模型并进行可视化模拟分析。结果表明:在常风向全年平均风速条件下,污染物扩散与建筑群布局密切相关,在密集建筑物群背风面易出现负压区,该处污染物浓度较低,但在整体建筑物群背风面稍远处,出现气流旋涡区,导致较高浓度的污染物聚集,短期内产生持续污染影响。研究思路与结果可为航道沿岸居民区规划建设,降低船舶大气污染物影响提供理论依据。

塔里木盆地及其周边地区大气可降水量分布及其与降水关系的研究

利用2018年7月至2022年6月塔里木盆地及其周边地区17部地基GPS水汽探测仪遥感的大气可降水量(PWV)资料、 14个地面气象站逐时和逐日降水资料,分析了塔里木盆地西部(区域A)和东部(区域B)PWV分布特征及其与降水关系。结果表明:(1)研究区年平均PWV高值区主要集中于盆地北部和盆地西南部平原地区,海拔超过1300 m站点的PWV年平均值与海拔成反比,低于1300 m的低海拔地区PWV年平均值在10~12 mm。夏季测站PWV平均值是春、秋季节的2倍。(2)区域A和区域B PWV月变化呈单峰型分布,分别在8月和7月达到峰值。区域A有、无降水日PWV均在23:00(北京时,下同)达到日峰值。区域B有、无降水日PWV日峰值出现时间相差5 h,分别出现在11:00和17:00。(3)区域A和区域B多数测站ΔPWV(PWV与PWV月平均值差值)峰值分别在降水开始前0~1 h和降水开始时刻前后1 h出现。春季区域B降水前PWV跃变程度较区域A更剧烈,夏季各区域σPWV(PWV与PWV月平均值倍数)提前降水开始时刻1 h、 5~6 h达到1~1.8倍的天气过程较其余时次偏多。秋季和冬季区域BσPWV分别集中在1.4~2.0倍和1.6~2.4倍。(4)海拔高于1400 m测站的5-6月、 7-8月PWV值达到10~20 mm和15~25 mm,对应降水结束时刻。海拔低于1400 m测站5-8月降水结束时刻PWV值逐渐由15~25 mm增至25~35 mm。

黄渤海地区大气折射环境参数统计分析

大气折射环境显著影响微波、超短波无线电装备的性能,能够减小或者扩展标准大气环境下的无线电视距。文中以黄渤海交界处的荣成为例,基于2018年探空数据统计分析了荣成站的大气折射环境参数,包括地面折射率、1 km折射率梯度、100 m折射率梯度等参数。其中,地面折射率年度变化范围可达100 N单位,地面折射率年平均值为332.3 N单位;1 km折射率梯度年平均值为-48.5 N/km;100 m折射率梯度年平均值为-44.2 N/km,100 m折射率梯度小于-100 N/km的时间概率为3%。进一步地,文中给出了计算雷达视距需要用到的等效地球半径因子以及用于表征相对标准大气无线电视距的扩展或减小的视距因子分布。结果表明:等效地球半径因子最大可达4.5;相对标准大气环境下,大气折射环境对视距影响的最大变化范围可达80%以上。研究结果可为黄渤海地区试验装备的系统设计、性能评估提供大气折射环境参考。