基于实测PM_(2.5)、能见度和相对湿度分辨雾霾的新方法

霾是由于气溶胶增多或相对湿度增大引起气溶胶吸湿增长而导致的能见度降低的现象,而雾是气溶胶经过活化变成雾滴而造成的低能见度事件,在气象观测中如何对两者进行准确区分一直是一个存在争议的问题.本文以雾和霾在物理性质上的客观区别为基础,介绍了一种全新的基于实测PM2.5、能见度和相对湿度来分辨雾和霾的新方法.通过对当地历史观测的气溶胶谱分布数据进行拟合和统计,并结合气溶胶吸湿增长特性计算得到判别参考值.通过将实际测量的PM2.5、能见度和相对湿度与判别参考值相比对,来估计当前状况是雾或霾的概率.本方法可操作性强,基于常规观测仪器即可实现.     

应对雾霾天气:气象科学与技术大有可为

正雾和霾是发生在大气中的不同天气现象.雾是悬浮在地表附近大气中的微小水滴,能见度小于1 km,当雾由冰晶组成时称为冰雾.霾是悬浮在空气中的微粒,由于对光的散射而降低能见度,一般是气溶胶和光化学烟雾的混合物.一般公众感受到的雾霾天气大都是雾和霾同时存在的,其发生和演变离不开适合的气象条件.近几十年来,随着中国经济的高速增长以及气候变化,雾霾天气的频繁发生及其强度的增强,对人民生活、人体健康以及我国经济和社会的可持续发展带来了越来越多的负面影响.如何减缓、防治和应对雾霾天     

近50年我国雾和霾的长期变化特征及其与大气湿度的关系

根据近50年(1961~2011年)我国雾和霾台站长期观测资料的分析得到,雾日发生的频率呈先增(1980年之前)后减(1990年后)的变化,尤其是1990年以后明显减少,这与气候变暖引起的近地面相对湿度减小的趋势一致,而霾日发生的频率总体上呈增加的趋势.据此,本文进一步讨论了大气湿度减少在雾-霾转变中的作用,结果表明霾日的平均相对湿度在69%左右,比以前得到的值低,这意味着霾粒子更不易向雾滴转换,这可能是导致雾日减少的主要环境因子之一;雾和霾转换的相对湿度阈值平均为82%左右,这个值也低于以前得到的值,因而在气候变暖条件下,主要由于温度和饱和比湿增加导致的中国近地面相对湿度减少对雾和霾形成的环境条件可能产生了明显的影响.本文也研究了霾与能见度的关系,结果表明随着霾日发生频率的增加,能见度有明显的下降,从1961年至今平均能见度从4~10 km减小到2~4 km,大约下降一半左右.     

2013年元月我国中东部地区强霾污染成因分析

2013年元月,罕见强霾污染席卷我国中东部地区,引起社会各界高度关注．中国科学院“大气灰霾追因与控制”专项组,利用其建立的“中国气溶胶观测研究网”（CARE．China）对整个强霾污染过程进行了全程追踪观测,并对其成因进行了分析研究．本次强霾污染涉及我国整个中东部地区,污染最严重的京津冀地区共计发生5次强霾污染过程,其中两次超强过程发生在9—15日和25—31日,北京PM2．5小时浓度最高值分别达到680和530嵋m-。,石家庄和天津等重要城市强霾污染状况与北京相似．天气系统弱、强冷空气活动少和极其不利于污染物扩散的局地气象条件及地理位置,是造成本次强霾污染形成的外部条件;一次排放的气态污染物向颗粒态的快速转化,是本次强霾污染“爆发性”和“持续性”的内部促发因子,特别是大气中燃油排放为主的大量NOx促发了燃煤排放气态SO2向颗粒态硫酸盐的快速转化．通过NOx/SO2协同转化途径分析,发现气态污染物在细颗粒表面的非均相反应可改变大气颗粒物的粒径及化学组分,促使颗粒物中的二次无机盐（如硫酸盐和硝酸盐等）的比例逐渐增大,导致颗粒物吸湿性显著增强,从而对强霾污染形成起到了促进作用．     

雾霾“大考”，辽宁率先交出“答卷”

2013年入冬以来,北方很多城市出现严重空气污染,京津冀等地区持续雾霾天气,笼罩在·片浓浓的雾霾之中,最严重的能见度不足十米,     

华北黄淮地区冬季雾和霾的时空气候变化特征

揭示了华北黄淮不同等级雾和霾的气候变化特征,指出霾易发期由冬季转变为全年,冬季霾日数明显上升.雾日数为霾的一半,不同等级雾的日数和趋势差别不大.20世纪80年代之前,雾和霾日数没有明显相关,但之后表现出显著正相关.雾的空间尺度较大,呈南多北少的分布特征,而霾主要发生在大城市周围,呈离散式分布.在东亚冬季风减弱和颗粒物充足的大背景下,霾天气与风力之间的负相关明显减弱,而与水汽条件(降水和湿度)的正相关明显加强.近些年,由于冬季风减弱,小风速常常出现,且风速变率减小,同时,气溶胶粒子有稳定的排放源和较强的吸湿性,水汽条件开始成为霾、尤其是能见度更低的湿霾天气发生的关键控制因子之一.与此不同,雾日数和降水量和相对湿度之间一直保持稳定的正相关关系,和风力的负相关也不太显著.     

一次罕见的平流辐射雾过程的特征

为研究大气成分对雾的影响,2006年12月份在南京市郊进行了雾的综合外场观测试验．12月24～27日,南京出现了持续4d的浓雾过程．揭示了这次浓雾过程一些罕见的特征：持续时间长,浓度大,雾顶高,雾水酸,爆发性增强．对这些特征进行了详尽的分析和成因的探讨．结果表明,这次雾是在夜晚辐射条件下形成,而后在暖湿平流作用下维持、发展,是一次平流辐射雾过程．     

北京及周边地区雾形成的边界层特征

采用国家科学技术部“973”项目北京环境大气外场科学实验(BECAPEX)获得的大气边界层探测, 包括大气风廓线仪、系留气艇、铁塔边界层梯度观测及超声风速仪等探测、大气成分探测以及常规高空、地面和加密自动气象站(AWS)观测资料, 对2001年2月北京及周边罕见大雾过程进行综合分析.对大雾的形成、发展、持续等不同阶段边界层动力、热力特征及层结结构演变特征进行分析.结果表明: (ⅰ) 作为城市大雾的典型例子, 北京及周边此次持续大雾形成前期低空出现逆温, 城市及周边大气中烟尘污染物SO₂及NO₂在城市低空积聚. 起雾前, 随着SO₂及NO₂浓度的增加, 凝结度迅速增长; 大雾期间, 随着凝结度增长, SO₂及NO₂浓度反而下降. 表明城市大气污染物作为凝结核在低空堆积对触发凝雾起重要作用. (ⅱ) 采用铁塔上布设的梯度平均场观测仪器及超声脉动风速仪的脉动观测资料分析, 均得到起雾之前, 在边界层低层有强扰动信号出现. 即起雾前约10 h, 边界层低层平均及扰动动能均出现显著跃升.揭示起雾前低空风切变增大, 有利于湍流的激发.此强信号对指示起雾、监测和预测雾的发生、发展十分有意义. (ⅲ)雾一旦形成后, 雾的凝结反馈效应使逆温层在大气低空的中、上层产生抬升、维持与再建过程, 对城市雾的持续起重要作用.     

气溶胶与东亚季风相互影响的研究进展

中国科学院地学部在第33次科学与技术前沿论坛对气溶胶与季风相互作用进行了深入讨论和评估.本文综述了在此次论坛上所报告的国际和中国气溶胶与东亚季风相互作用有关的研究进展.研究表明:(1)东亚季风能影响气溶胶的输送,特别是可以为由气溶胶引起的持续性强雾-霾天气过程的生成和发展提供适宜的大气环流背景场,东亚季风还在季节、年际、年代际等多时间尺度上影响气溶胶的输送和空间分布特征,季风区域的高水汽特征还可能影响气溶胶的光学及辐射效应;(2)已有证据表明气溶胶对于中国部分区域云的物理特征和降水有明显影响,在东南沿海地区,增加气溶胶的含量可能会抑制轻型和中度降水,对强降水可能有强化作用,但是此问题极为复杂,值得深入研究;(3)东亚夏季风活动的年际变化对中国区域气溶胶浓度和空间分布有明显影响,而且近几十年季风的减弱很可能利于区域气溶胶浓度增加.同时期,中国大气污染排放量的显著增加很可能减小了海陆温差和纬向差异,也不利于季风的增强.此外,文章对未来加强季风与气溶胶相互作用的研究给出了部分参考建议,还指出气溶胶对于东亚季风环流影响研究的不确定性.     

两会代表支招河北治霾

正作为雾霾重灾区,河北如何治理雾霾成为该省和全国"两会"的关注点,很多"两会"代表也纷纷给河北支招,提出了很多值得参考的意见和建议。河北人大代表为治霾献策据了解,在向十二届全国人大四次会议提交的建议中,来自河北代表团的多位全国人大代表聚焦近年来广受关注的雾霾天气,并纷纷为治霾"支招"。河北省归国华侨联合会副主席胡翎在建议指出,农村冬季燃煤是冬季雾霾天气多发的重要因素之一,"北     

广州地区一次严重灰霾过程的垂直探测

利用激光雷达和微波辐射计在广州地区一次严重灰霾过程进行探测,采用小波变换协方差方法反演边界层高度,从热力和动力的角度分析边界层气象因子和能见度之间的关系.结果表明,边界层高度有明显的日变化过程,和地面能见度变化有很好的一致性.在清洁过程,边界层高度超过1 km,发生严重灰霾时,最高仅为500 m.50-100 m的温度梯度滞后30 h和能见度相关性更加显著,相关系数达到0.77.高层能见度（255 m）和下层稳定度有显著的负相关,清洁日负相关系数最大达-0.76,灰霾日负相关系数最大达-0.49.在相关的边界层气象因子中,地表通风系数和地面能见度成线性关系,相关系数最高,达0.88.边界层高度、地面风速、相对湿度和地面能见度的相关系数分别为0.76,0.67和-0.77.各气象因子之间具有较高的相关性.此次灰霾过程的主控气象因子为地表通风系数,在没有边界层高度探测的地区可利用地面能见度和风速估算边界层高度.     

夏季华北地区二次气溶胶的模拟研究

通过模式结果与观测的NOx,CO,O3,NH3,HNO3,SO2和PM2.5的对比,说明CMAQ空气质量模式能够较好地模拟华北地区污染物的变化.同时,模式结果表明河北、河南和山东地区NH3的浓度较高,平均浓度为(30～35)×10?9.模拟试验的结果表明高浓度的NH3使得二次气溶胶中硫酸盐气溶胶生成效率提高了大约30%以上,特别是在邯郸、安阳和长治交界地区其作用更显著,达到了50%.而且,NH3还会增加二次气溶胶中含氮气溶胶和铵盐成分,二者的质量浓度和与硫酸盐气溶胶相当.北京地区边界层高度在白天较高,中午平均高度为1500m.这使得SO2,NH3和HNO3可以输送到边界层上部850hPa.硫酸盐、铵盐和硝酸盐分别在边界层上部和下部形成各自的高浓度区.由于PM2.5的寿命较长,因此它们可以被输送到对流层的中层,形成深厚的气溶胶层,构成了北京地区气溶胶的穹隆.模式结果表明:如要控制华北地区夏季大气中气溶胶的浓度,除了减少SO2和NOx的排放以及一次气溶胶的排放外,降低大气中NH3的排放也是有效办法之一.     

北京及周边气溶胶区域影响与大雾相关特征的研究进展

针对2011年12月初北京及华北持续近一周的严重大雾天气这一热点事件,从城市群大雾过程气溶胶区域影响的视角,基于"973"项目"北京及周边地区大气-水-土环境污染机理与调控原理"的研究工作,就北京及周边地区大雾天气与大气气溶胶区域影响的关系等方面进行了讨论.研究表明,北京城市大雾前低空SO₂和NO₂浓度存在"积聚"与"突增"现象.北京及周边地区冬季雾日数和气溶胶光学厚度则呈正相关,并具有"同位相"的年际变化趋势.研究同时发现北京及其南部周边的冬季气溶胶高值区呈南北向带状分布,其与北京周边居民户数高值区有所吻合,反映了冬季北京城市气溶胶颗粒物的远距离影响源区及大尺度输送效应.统计分析指出,冬季北京气溶胶颗粒物PM₁₀、PM_2.5主要影响成分是SO₂和NO_X,且有关研究也表明,电厂、采暖和工业面源是SO₂的三大本地排放源,而机动车、电厂、工业为NO_X的三大本地排放源,上述大气PM₁₀、PM_2.5主成分污染源亦与雾水样本化学分析结果相吻合,即冬季由于燃煤在生活能源中的比例较大,北京雾水中硫元素和碳元素的含量都较高.因此,北京冬季大雾不仅与北京城区气溶胶及其污染排放影响存在相关关系,而且与北京周边天津、河北、山东等地气溶胶及大气污染物的远距离输送和气溶胶区域影响效应有着重要的联系.因此,北京雾霾天气及相关大气污染的治理工作首先要着眼于局地污染物的减排,但同时如何做好区域大气污染的协同治理也是不容忽视的问题.     

雾霾“大考”,辽宁率先交出“答卷”

正2013年入冬以来,北方很多城市出现严重空气污染,京津冀等地区持续雾霾天气,笼罩在一片浓浓的雾霾之中,最严重的能见度不足十米,甚至连红绿灯都无法看清。为应对空气污染情况,北京、天津、河北、山东等地区对淘汰拆除燃煤锅炉将采取更严格的措施,禁止销售使用高硫煤炭和焦炭。     

强震前震中区域的临震气象和近地表大气静电特征

正通过对200多例国内外强震前7小时震中区域气象条件的分析,发现强震发生前均为晴天天气。据此选择晴天气象条件下发生的100多例3—8级国内外地震,分析大气静电场观测信号特征,发现震中及附近区域在震前约3—24小时的临震时段内,具有近地表静电场异常反向现象。文中用于研究的晴天气象条件标准是:(1)水汽少,即相对湿度要低(排除降水、雾、沙尘和气溶胶的影响,要求在关注时段干燥且能见度大于2 km,     

气溶胶辐射效应对城市边界层影响的数值模拟研究

近年来,伴随污染和城市化进程的加剧,气溶胶辐射效应对城市边界层的影响日益显著.文章以北京地区一次冬季污染过程为例,采用中尺度数值预报模式,在优化辐射方案中气溶胶垂直廓线的基础上验证了模式的有效性,分析了气溶胶对辐射和边界层的影响过程,最后通过敏感性试验探究了气溶胶、城市化和气象要素间的相互关系.结果表明:(1)优化后的模式可以较好地模拟北京地区温度场、湿度场、风场的分布特征.(2)气溶胶在大气中通过削减到达地面的入射短波辐射使地表温度降低,通过对辐射的吸收或后向散射作用,使高层温度升高,温度场的变化使层结稳定性增强,从而减少近地层的能量输送,使边界层高度下降.(3)随着气溶胶光学厚度的增加,乡村地区最易变为稳定层结,郊区较易变为稳定层结,城区最难变为稳定层结,且气溶胶辐射效应、城市下垫面以及二者的共同作用是影响城市边界层气象要素变化的主要原因.     

城市热岛效应和气溶胶浓度的动力、热力学分析

在能量平衡方程中引入气溶胶的吸收和散射作用,并与三维行星边界层运动方程组相耦合,根据温度分布显式求解运动场,探讨三维行星边界层内温度、运动、气溶胶浓度分布特征.结果表明,城市人为热释放直接决定了城市热岛效应的强度,城市面积越大,城市热岛效应的强度也越强,城市面积固定时,城市越分散,城市热岛效应的强度越弱,这为城市建设多采取卫星城的方式提供了一定的理论支撑.气溶胶的散射作用要大于吸收作用,其对城市热岛效应的强度主要起削弱作用,当气溶胶浓度较大时,吸收作用更显著一些,此时城市热岛效应的强度会有一定的增强,但是幅度不大.当城市热岛效应的强度增强时,其所驱动的环流也会增强,造成城区中心气溶胶浓度略有下降.     

2013年1月中国东部持续性强雾霾天气产生的气象条件分析

2013年1月,在中国东部地区发生了强度强、持续时间长、发生范围广的雾霾天气．本文利用资料诊断,从大气环流背景场和雾霾天气演变过程两个方面,分析了气象条件在这次持续性强雾霾天气发生中的作用．结果表明,2013年1月东亚冬季风异常偏弱,在中国东部区域,对流层中低层的异常南风有利于水汽向中国东部地区输送,500hPa的高压异常抑制了对流的发展,而表面风速的减弱不利于近地面附近的雾霾向区域外输送,水平风垂直梯度的减小减弱了天气尺度扰动的发展和大气的垂直混合,对流层低层异常逆温层的存在使得大气近地层变得更加稳定．这些气象背景场为雾霾天气的维持和发展提供了有利的气象条件．对雾霾天气演变过程的分析表明,雾霾天气区域内的表面风速及其上空对流层中低层的水平风垂直切变对雾霾天气过程具有动力影响,二者偏小（大）时雾霾天气偏强（弱）;对流层中低层的层结不稳定性以及近地面层的逆温状况和温度露点差对雾霾天气的演变可以产生热力影响,层结不稳定性和逆温偏大（小）以及温度露点差偏小（大）时雾霾天气偏强（弱）．多元线性回归分析的结果表明,热力和动力因子对这次雾霾天气过程具有大致相同的作用,气象因子可以解释超过2／3的雾霾天气逐日变化的方差,方差贡献达到0．68．     

基于VIIRS数据的中国东部气溶胶光学厚度反演算法改进

VIIRS(Visible Infrared Imaging Radiometer Suite)作为MODIS(The MODerate resolution Imaging Spectroradiometer)的后继传感器,可在全球范围内实现对气溶胶的连续时空监测.卫星反演的气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)是研究地球能量收支平衡、气候效应和空气质量的重要大气参数.但在中国重污染天气情况下,现有的VIIRS陆地气溶胶产品存在一定不足.因此,本研究改进云识别方法,优化像元筛选,约束气溶胶类型选择,实现重污染情况下AOD的反演.基于地基AERONET(AErosol RObotic NETwork)的验证结果表明,相比NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)产品,改进后的反演结果克服了反演值偏低的问题,且表现出更好的相关性,RMSE从0.236下降到0.219.为验证在重污染条件下改进算法的适用性和准确性,本文对比了两种污染条件下的反演结果(0.6AODAERONET 1和AODAERONET1).统计结果表明,在较重污染天气条件下(AODAERONET1),相比NOAA的AOD产品,本文结果的反演率从32.3%提升为68.8%,回归分析的斜率提高为0.80,相关系数达到0.76,均方根误差为0.307,在增加反演量的同时保证了反演的精度.     

北京城市下垫面对雾影响的数值模拟研究

为了探究北京城市下垫面对雾天气过程的影响,为北京地区雾数值预报水平的提高提供理论基础和科学依据,选取2011年10月29日北京地区雾天个例进行了数值模拟试验,通过对WRF/Noah/UCM模式系统中城市冠层参数的调整,显著改善了模式对此次雾天气过程的模拟效果.使用参数调整后的模式系统通过敏感性试验分析研究了北京城市下垫面对雾发生、发展和消散过程的影响.结果表明:参数调整后的WRF/Noah/UCM模式系统能够与实际观测较相符地模拟此次发生在北京地区的雾天气过程,北京城市下垫面主要通过对温度的改变对雾的形成、发展和消散产生显著影响,使雾不易在城市及其附近形成和发展,延后城市地区雾的形成,但城市的存在也使得城市地区及其附近雾不易消散,相较于没有城市时消散时间延后.