南京北郊秋季气溶胶理化特征及潜在源区分布

利用单颗粒气溶胶质谱仪(SPAMS)于2015年秋季对南京北郊大气颗粒物进行了连续观测,选取了4类主要颗粒:富元素碳颗粒(EC)、富有机碳颗粒(OC)、富钾颗粒(K-rich)和富金属颗粒(Metal),占总颗粒数的比例分别为29.39%,9.53%,26.55%,8.54%.分析了不同天气下4类颗粒的粒子数和粒径分布的变化,采用后向轨迹模型和浓度权重轨迹方法,得到了各类颗粒的潜在源区分布.结果表明,清洁、清洁降雨、污染、污染降雨,4类天气采集到的颗粒物平均数分别约为2900,1300,6450,5950h-1.污染天气下,EC和Metal颗粒对当地颗粒物污染的贡献增大,各类颗粒的粒子数均大幅上升,并且除了OC颗粒,其他类颗粒粒径普遍向大粒径段偏移.强降水对各类颗粒均有明显的清除作用,其中大粒径段颗粒数下降最显著,但在污染降雨天气下,降水清除作用不明显,且对各类颗粒的清除作用存在粒径差异.不同来源气团携带的细颗粒物数量与类别存在差异,总体上海洋气团比内陆气团更清洁,气团经过陆地时会显著受到当地排放源的影响.细颗粒物的高贡献源区主要在本地及西南侧的安徽马鞍山一带,各类颗粒物的强潜在源区分布也存在明显差异.

青藏高原热力强迫对中国东部降水和水汽输送的调制作用

从4个方面综述了有关青藏高原大地形热力"驱动"对中国东部雨带和水汽输送特征及其年代际变化的影响作用的研究进展:(1)中国三阶梯大地形热力过程变化与季风雨带季节演进;(2)青藏高原地-气过程热力"驱动"及其季风水汽输送结构;(3)青藏高原积雪冷源对中国东部水汽输送结构及其雨带分布的影响;(4)青藏高原视热源变化与雨带年代际变化相关特征及其可能调制。其主要研究结论是:(1)中国西部高原特殊三阶梯大地形结构强化了海-陆热力差异,尤其是高原大地形使地-气热力差异季节变化有由青藏高原向东北方向大地形区域延伸变化趋势,且其与季风雨带由东南沿海移向西北朝青藏高原与黄土高原边缘同步演进,两者似乎存在类似季节内演进的一种"动态的吸引"。(2)中国东部雨带时空变化特征和季风强弱变化趋势均与青藏高原热源强弱异常变化相对应。青藏高原热源异常影响低纬度海洋向陆地的水汽传输路径和强度,进而调制中国东部降水时空演变。在青藏高原热源强和弱年,中国降水变率空间分布特征分别为"北涝南旱"和"南涝北旱"。青藏高原视热源强(弱)异常变化"强信号"将对东亚与南亚区域的季风水汽输送结构,以及夏季风降水时空分布的变异具有"前兆性"的指示意义。(3)长江中下游地区作为独特南北两支水汽流的汇合带,该地区夏季青藏高原热源与水汽通量相关矢特征呈类似于青藏高原多雪与少雪年水汽通量偏差场中水汽汇合区显著特征差异,揭示了冬季青藏高原积雪冷源影响中国东部夏季长江流域梅雨水汽输送结构特征。(4)中国降水的年代际变化基本型态为中国东部呈"南涝北旱趋势",西北区域呈现出"西部转湿趋势"。但基于近10年青藏高原春季视热源出现"降后回升"趋势,中国东部"南涝北旱"的降水格局已出现转折趋势。

大气环境变化中大气颗粒物PM_1的重要作用——关中平原MODIS气溶胶产品的气候分析

利用MODIS 3km气溶胶产品中的气溶胶光学厚度(AOD)和细粒子比例(FMF),本文对关中平原气溶胶近15a的时空变化进行了气候分析,揭示了大气环境变化中大气颗粒物PM1的重要作用.结果表明,关中平原为AOD高值区和FMF低值区.其中,最大值AOD出现在西安及周边地区高达1.06,而FMF主要集中在0.3以下较低水平.伴随关中平原近几年大气气溶胶水平的降低,PM1比重却逐年上升.关中平原AOD年际变化在2001~2011年间为显著上升趋势,2011~2015年间则呈下降趋势;而2001~2015年之间FMF的年际变化呈现持续上升趋势,反映了逐年加重的人为气溶胶对大气环境的影响.近15a关中地区AOD与FMF区域变化的相互关系表明,大气气溶胶低水平(AOD<0.5)时,伴随FMF上升,AOD显著减小;气溶胶较高水平(AOD>0.5)时,AOD随FMF上升而增大.这表明大气颗粒物PM1对区域清洁和污染大气环境变化均具有显著作用.

青藏高原大气水分循环特征

青藏高原对亚洲季风环流的形成有重要作用,同时作为"世界屋脊"拥有丰富的冰川、积雪、河流、湖泊和地下蓄水层。青藏高原特殊大地形动力和热力作用深刻地影响着亚洲与全球大气水分循环,也对全球气候与环境产生深远的影响。基于青藏高原在亚洲夏季风系统大气水分循环过程的重要地位,从青藏高原对全球大气水分循环重要作用的视角,综述了青藏高原大气水分循环过程中青藏高原局地热力对流、高原的"阶梯式"水汽流爬升"第二类条件不稳定(CISK)"物理模型、青藏高原视热源结构影响及多尺度水汽汇流通道、海洋-青藏高原"水汽源-汇"结构、青藏高原跨半球垂直环流圈水分循环结构、青藏高原大气水分循环综合模型等的相关研究进展,剖析了青藏高原大气水分循环综合模型的研究背景,探讨了青藏高原特殊大地形热力驱动机制及其云水效应,描述出与青藏高原热力驱动的亚洲区域和跨半球垂直环流圈水分循环结构,揭示了青藏高原热力强迫与海洋-大气-陆地水文过程特殊的相互反馈作用。青藏高原发源的亚洲河流水系是为人口众多的亚洲区域供给生活、农业和工业用水的重要水资源之一。因此,认识在全球变暖背景下青藏高原的水分循环及其对水资源变化影响至关重要,仍需深入地探讨青藏高原大气水分循环机制及其全球影响效应。

南京雾、霾期间含碳颗粒物理化特征变化分析

利用单颗粒飞行时间质谱仪(SPAMS)对南京2014年8~9月内清洁、霾及雾时段内含碳颗粒物的理化特征进行分析,归类得到EC-fresh、EC-SN、NaK-EC、OC、ECOC、ECOC-S、ECOC-SN和Ammonium等8大类含碳颗粒物.雾和霾时段内,OC占比出现明显降低,而EC-SN和NaK-EC的占比约为清洁时段内的2倍.清洁时段内含碳颗粒物总占比的减小率>雾>霾.雾时段内各含碳颗粒物中硝酸组分出现富集,有更多小粒径段的OC生成.EC-SN和NaK-EC的颗粒物酸度(R_(va))表现为清洁时段<霾<雾,OC和ECOC-SN的Rva值则在清洁时段达到最大.此次分析得到的含碳气溶胶理化特征有助于对南京不同天气条件下大气碳气溶胶的来源及其在大气中的传输与演变过程的理解.

1991-2010年全球沙尘气溶胶排放量气候特征及其大气环流影响因子

利用全球气候模式CAM5.1的20年(1991—2010年)沙尘气溶胶排放量模拟,分析全球沙尘气溶胶排放量的时空变化及其大气环流影响因子。结果表明:20年全球年平均沙尘气溶胶排放总量为1 152±28 Mt,全球沙尘气溶胶排放源主要集中在北非、阿拉伯半岛和中亚、东亚、澳大利亚及北美沙漠地区。北非沙漠地区作为全球最大的沙尘排放源区,占全球沙尘源总量的61.8%。各沙漠区均有显著的沙尘排放的季节变化和年际波动,沙尘气溶胶呈现春、夏季强排放和秋、冬季弱排放的季节循环。相对于沙尘排放的季节变化,其年际变化幅度明显偏弱。基于大气环流指数与沙尘气溶胶排放年际变化的相关显著程度,确定主要影响全球和主要沙漠地区沙尘排放量的大气环流因子:南方涛动指数SOI、北极涛动AO、南极涛动AAO、大西洋年际振荡指数AMO、北太平洋遥相关指数NP以及西太平洋指数WP。全球主要沙漠地区沙尘排放量与大气环流因子之间的相关性具有明显的区域分布特征,在同一沙漠的不同区域甚至可以表现出正负相反的相关性。热带海气相互作用的ENSO循环中,拉尼娜年(厄尔尼诺年)北非地区的沙尘排放量偏多(少),阿拉伯半岛和中亚地区的沙尘排放量偏少(多)。

塔克拉玛干沙漠腹地大气边界层参数化方案的模拟评估

沙尘起沙、沉降、传输均受到沙漠地区大气边界层条件的制约。沙漠地区观测资料匮乏,限制大气边界层模拟效果的检验和评估。利用WRFV3.7.1中尺度数值模式中5种边界层参数化方案(ACM2、BL、MYJ、MYNN2.5、YSU),模拟2014年4月塔克拉玛干沙漠大气边界层特征,并与塔中80 m塔及风廓线雷达晴朗天气下的观测资料对比分析。结果表明:5种方案均能模拟出近地面气温及地表温度,边界层高度,感热、潜热、地表热通量的变化趋势,但未能模拟出边界层风速的日变化趋势,温风湿廓线能较好的反映晴日沙漠地区边界层结构的变化特征,但未模拟出风速随高度变化趋势。沙漠地区下垫面干燥,热容量低,晴天极易形成对流不稳定边界层,非局地湍流参数化方案,ACM2方案是沙漠地区大气边界层模拟较为合理的选择。

北京地区雷电灾害天气系统的动力-微物理-电过程观测研究

在国家"973"项目"雷电重大灾害天气系统的动力-微物理-电过程和成灾机理"(简称:雷暴973)资助下,2014~2018年连续五年在北京组织开展了雷电(也称闪电)灾害天气系统的暖季综合协同观测实验,旨在获得对北京及周边城市群区域的雷电天气系统特征和规律的实际认识,探索雷电资料在数值预报模式中的同化方法,以期改进雷电重大灾害天气系统的预报效果.主要观测设备包括:由16个子站构成的雷电(全闪)三维定位系统、2台X波段双线偏振多普勒雷达和4台激光雨滴谱仪等,协同观测还充分利用了中国气象局在京津冀地区的中尺度气象观测网.观测结果表明,受地形和环境条件影响,飑线和多单体雷暴是影响北京地区的两类主要的雷电灾害天气系统,它们除产生频繁的雷电活动外,还常伴随突发性局地短时强降水和冰雹,造成城区突发洪涝灾害.雷电密度的高值区位于北京昌平区东部、顺义区的中部和东部以及中心城区.超强雷暴(占总雷暴数的5%)、强雷暴(占比35%)和弱雷暴(占比60%)对总雷电分布的贡献分别为37%、56%和7%.北京城区的热岛效应对过境雷暴增强产生了重要作用,超强雷暴在中心城区的雷电频数可以高达每分钟数百次.雷电活动与雷暴云的热动力、微物理特征之间存在紧密联系,因此雷电频数可以作为冰雹、短时强降水等灾害性天气的指示因子.在对流可分辨数值预报模式中,建立并引入雷电资料同化方案,通过调整或修正模式的热动力和微物理参量,可明显提高模式对强对流和降水的预报效果.

随州市2015—2020年冬季二次气溶胶对PM_(2.5)贡献分析

二次气溶胶是大气气溶胶的重要组成,量化二次气溶胶贡献是认识PM_(2.5)污染成因的关键.本研究通过近似包络法(AEM)估算了随州2015—2020年冬季的一次气溶胶和二次气溶胶浓度,分析了二次气溶胶对PM_(2.5)贡献的变化特征及其可能的影响因素,得到以下主要结论:①随州冬季PM_(2.5)及其一次和二次组分均呈逐年下降趋势,分别为5.8、3.8和1.7μg·m^(-3)·a^(-1),而二次气溶胶对PM_(2.5)贡献呈逐年上升趋势(2.1%a^(-1)),反映了减排进程中二次气溶胶对空气质量变化的重要贡献.②人为活动和化学转化分别影响了一次和二次PM_(2.5)日变化分布.一次PM_(2.5)双峰结构(09:00和21:00)对应了早晚人为活动高峰,二次气溶胶在午后(13:00—15:00)和凌晨(03:00—06:00)对PM_(2.5)贡献最大;PM_(2.5)正午峰值可能与当地二次污染生成密切相关.③二次气溶胶对随州冬季PM_(2.5)平均贡献为60.0%;随着PM_(2.5)污染程度加重,二次气溶胶对PM_(2.5)贡献明显增加,从清洁条件的29%上升到重污染条件的72%,表明二次气溶胶对重污染事件的显著贡献.④二次气溶胶贡献与污染物浓度及气象条件的关系分析表明,相对高温高氧化条件下的光化学氧化作用加速了气态前体物的消耗,明显促进了二次气溶胶的形成.特定气象条件驱动下的大气污染物区域传输也可能对二次气溶胶生成有一定的贡献.因此,未来需要坚持以PM_(2.5)和O_(3)协同控制为核心,强化区域协同减排,做好对二次污染源的控制,加强对二次污染的针对性治理措施.

华北平原和山区城市PM_(2.5)和O_(3)变化关系比较分析

利用2015~2019年环境监测数据,对比分析华北地区平原城市保定市和山区城市张家口市PM_(2.5)和O_(3)变化和相关关系.结果表明:保定市PM_(2.5)夏低冬高,O_(3)夏高冬低,日变化为午后单峰型,而张家口市PM_(2.5)浓度低,日变化幅度较弱,冬季O_(3)日变化为午后峰值和凌晨5:00左右弱峰值双峰型.张家口市冬季全天及春夏秋季夜间O_(3)浓度显著高于保定市,甚至夏季出现夜间O_(3)超标异常,最高浓度达到202μg/m^(3),反映了平原城市和清洁山区大气物理化学过程变化的影响.PM_(2.5)和O_(3)在4~9月为正相关,11~3月为负相关;保定市PM_(2.5)-O_(3)相关系数日变化呈单峰型,张家口市为双峰型变化,凌晨和午后各有一峰值,华北地区平原污染区和高山相对清洁区,大气复合污染物PM_(2.5)和O_(3)作用关系的日变化及季节特征具有明显差异.

基于气溶胶和大气风场激光雷达对北京一次沙尘过程分析

基于北京南郊观象台的气溶胶激光雷达探测得到的气溶胶消光系数和粒子退偏振比,多普勒测风激光雷达探测的大气风场、地面气象要素PM10等综合观测资料,对北京2017年5月4日至5日的一次强沙尘天气过程进行分析。结果表明:5月3日下午水平风速开始减小,高空中出现垂直向下的气流,利于沙尘从高空降落到地面;5月4日12时至20时之间,在40~1350m整个高度层出现统一向上的垂直气流,速度最高达到2m/s,导致低空沙尘向高空扩散;从激光雷达的数据可以得到沙尘的立体分布情况,初期沙尘层高度在1km左右,中期沙尘高度在2km左右,后期沙尘高度回归到1km左右;激光雷达最低观测高度处的消光系数与地面PM10浓度变化的相关系数为0.8308。研究表明气溶胶激光雷达和测风激光雷达相结合能够有效地监测和预报大气气溶胶的分布及扩散。