苏州东山冬季大气边界层结构特征及其对污染物浓度的影响

利用2015年1月15—27日在苏州东山气象观测站系留气艇观测数据以及细颗粒物浓度观测资料,对东山大气边界层结构特征及其对污染物垂直结构分布的影响进行分析研究。结果表明:苏州东山地区冬季空气污染过程的边界层结构演变比较典型,夜间稳定边界层高度约为200 m,白天最大边界层高度可达1 000 m。边界层内污染物垂直结构分布易受边界层高度的影响,较低的大气边界层高度可使细颗粒物在近地层持续累积;反之,边界层高度较高,湍流发展旺盛,颗粒物垂直分布均匀。夜间大气边界层稳定,逆温结构多发,导致近地面出现细颗粒物堆积。风的垂直结构对细颗粒物空间分布也存在显著影响,在风速较小的低空层细颗粒分布较多,而风速较大的中高层的分布较少。      

微波波段大气折射率结构常数的仿真研究

大气折射率结构常数描述了大气湍流起伏的强弱,它表征了大气折射率随机不均匀性的剧烈程度。光波和无线电波在大气中传播时会受到大气湍流的影响而产生各种不良效应,如:光斑漂移、闪烁、相位起伏等。因此,对大气折射率结构常数的研究具有重要的意义。本文利用常规探空资料对微波波段大气折射率结构常数进行了仿真研究,结果表明:在低空,特别是大气边界层之内,大气折射率结构常数主要为湿度所贡献;在高空,大气折射率结构常数主要为温度所贡献。在微波波段,影响大气折射率结构常数最大的气象因子并不是温湿压的大小,而是它们梯度的大小,其中湿度梯度的大小对其影响最大,在实际的低空测量大气折射率结构常数时,主要考虑湿度梯度与温度梯度的影响。     

利用风廓线雷达资料对广州地区边界层日变化特征的分析研究

利用2010年11—12月亚运会期间设在广州五山站的车载式边界层风廓线雷达资料,对广州地区晴天条件下的边界层日变化特征进行分析。结论表明:（1） 折射率结构常数具有明显的日变化特征。夜间,受大气层结的抑制作用,湍流强度较弱,折射率结构常数的观测值约为10-17～10-18 m-2/3;白天,湍流在热力作用和动力作用的共同影响下,从底层大气向自由大气发展,观测值比夜间可增大两个量级,且在边界层顶部有较大阶跃。（2） 利用风廓线雷达谱宽资料可算出湍流耗散率,作为一种新的风廓线雷达二次产品,该参数对湍流的描述更为准确和细致。在晴天条件下,广州地区边界层顶从08时开始迅速上升,11时前后达到1 300 m左右,在日落前基本维持这个高度不变。      

黑河地区夜间低空急流和冷世流特征分析

本文根据在ＨＥＩＦＥ实验期间大气边界层的探测资料，分析了夜间冷泄流和低空急流的发展过程。在一般情况下，黑河地区夜间低空急流的特征与稳定边界层在惯性振荡作用下所形成的低空急流特征一致。由于祁连山的作用，在戈壁地带会发生夜间冷泄流，并带有干旱地区的明显特征。当午夜前有冷泄流发生时，会影响到低空急流的发展，使急流层高度下降到近地层顶附近。这些对黑河地区边界层结构与地气交换过程必将产生重要的影响。     

2013年1月持续性霾天气中影响污染程度的气象条件分析

利用南京本站气象观测记录、环保局监测数据以及NCEP/NCAR再分析资料,分析2013年1月持续性污染天气过程的大气环流背景,并结合南京地区探空资料、风廓线雷达资料以及激光雷达资料,分析这次持续性污染过程中空气质量属良好、轻度污染、中度污染、重度污染典型个例的大气垂直特征和边界层内气象条件的差异。得到如下结论:2013年1月份北方冷空气活动较弱,南京地区大气层结稳定,近地层风速小,污染物气象扩散条件差。加之近地层以弱偏东风为主,水汽较多,有利于污染物颗粒直径增大。大气垂直结构以及边界层内水平风速均对大气污染程度起到一定影响。AQI与逆温层高度存在显著负相关关系;大气污染时,1000 m以下出现逆温结构,且逆温层越低、越厚,污染程度越大;重度污染时,近地层出现贴地逆温层,厚度为700m左右。逆温层高度下降,PM₁₀颗粒物高浓度区高度也明显下降,近地层污染物浓度对垂直方向上污染物浓度正响应的高度降低。在空气质量良好时, 150~1500m存在风速大值区,且风无空,湍流作用明显,有利于污染物和周围的洁净空气相混合而得到稀释,加速污染物的垂直扩散进程。当中度污染日和典型重度污染日时,150~1500 m之间并不存在大风速区。此外, PM₁₀的300μg·m^-3高浓度垂直高度延伸至300 m附近时,近地层PM_2.5明显上升至100μg·m^-3以上,高浓度区数值越大,近地层PM_2.5越大。     

夹卷对郊外大气边界层内臭氧影响的数值模拟研究

夹卷是大气边界层与自由大气进行能量和物质交换的重要途径,对边界层动力结构及边界层内温度、水汽和各种污染物浓度有重要影响。利用化学-地表-大气-土壤(CLASS)模式定量评估了夹卷过程对远郊地区大气边界层内臭氧（O₃）浓度的影响并与大气化学反应贡献进行了对比,结合地面O₃、NO_x及边界层高度、位温和比湿等观测资料和再分析资料对CLASS模拟结果进行了定量评估。结果表明:CLASS模式能较为真实地模拟夹卷和大气光化学反应对远郊地区大气边界层臭氧浓度的影响,且当自由大气层内臭氧浓度达到一定值时,两者对边界层内臭氧峰值影响相当。数值试验结果进一步揭示,夹卷对控制氮氧化物（NO_X）和可挥发性有机物(VOC_S)排放源控制效果有重要影响,且当夹卷区内O₃跳跃值增大到一定时,可完全抵消源排放减排控制的效果。本研究旨在表明,为有效控制近地层臭氧浓度,在制定人为污染源减排措施时必须考虑自由大气层臭氧的夹卷贡献。      

多普勒声雷达对化音地区风场结构探测的初步分析

本文利用1990年8月多普勒声雷达在“HEIFE”区化音站探测的资料,对该地区的PBL结构进行了初步分析。结果表明,用声雷达回波强度的双对数廓线确定大气边界层高度仍不失为一有效的方法。大气边界层高度演变过程的特点是:白天对流层边界发展较快,但维持时间较短;而夜间稳定边界层维持时间较长,且在其发展较高时,在近地层又发展出一个新的稳定层结,呈现多层次的SBL结构。ML内垂直风速方差的归一化结果与Lenschow大致相同。另外,在一次冷锋过境天气背景下风场出现低空急流结构。     

一次雾霾天气过程的污染影响因子分析

利用常规天气资料、自动气象站资料、观象台风廓线雷达资料及污染资料,分析了2005年11月2-5日发生在北京的一次持续雾霾天气过程中中低空扰动、山谷风以及城市热岛对PM10浓度的影响。结果表明:PM10对中低空的扰动很敏感,且扰动越靠近地面,层次越厚,污染指数下降越明显;城区PM10浓度明显高于清洁对照站定陵,但北京地方性山谷风对城郊浓度日变化有明显影响,当谷风加强时,定陵站浓度接近城区并有可能高于城区浓度,谷风有对城区重污染向郊区输送的作用;雾霾天气下热岛效应显著,热岛对PM10浓度的影响相对气象条件和人类活动的影响来说很小。     

四川盆地南部一次持续性雾霾过程的特征及成因分析

本文利用常规气象资料、NCEP (1°×1°)再分析资料和环监站实时监测数据,分析了2017年12月四川盆地南部一次持续性雾霾的气象特征和增强机制。结果表明:(1)中高纬平直纬向环流、低层弱偏南偏东气流、地面均压场组成的静稳天气长时间维持为雾霾天气的形成和维持提供了有利的环流背景条件。(2)上干下湿、逆温明显的大气稳定层结,连续无降水、近地层高湿和较弱的风场提供有利的气象要素条件。(3)低层弱冷平流、上层暖平流促进稳定层结长时间维持和近地层水汽凝结作用加强,为雾霾天气的增强和持续起到了重要作用。(4)冷空气、降水,水平和垂直扩散能力增强是空气污染物浓度降低的重要条件。      

重庆市不同天气背景下边界层高度和风场对PM_(10)浓度影响数值模拟研究

该文选取重庆市典型污染天气个例,利用WRF模式开展大气边界层数值模拟,分析了边界层高度(PBLH)和风场对PM_(10)浓度的影响。结果表明:夜间由于大气边界层比较稳定,PBLH对PM_(10)浓度的影响不大;白天,在有雾或阴天背景下,PBLH升高后2~3 h PM_(10)浓度才明显下降,而在晴天PBLH升高后1~2 h PM_(10)浓度就会明显下降;边界层风场的变化会直接影响PM_(10)浓度的变化,夜间重庆主城区主要受下沉气流影响,污染物向上的垂直扩散弱;当上午出现下沉气流时,PM_(10)向上的垂直扩散弱,PM_(10)浓度增加速度快;相反当出现上升气流时,PM_(10)向上的垂直扩散作用强,PM_(10)浓度增加速度慢,尤其是在高空风速大时,强烈的抽吸作用使大气垂直扩散能力得到显著增强,能较好地抑制地表PM_(10)浓度的增长趋势;下午由于太阳辐射强,边界层湍流强度增加,大气边界层垂直扩散能力强,因而PM_(10)浓度呈现明显下降趋势。     

气溶胶辐射效应对边界层结构及夹卷特征影响的观测分析

2017年12月22日至2018年1月18日利用无人机携带温、湿和颗粒物浓度探测仪对南京地区灰霾污染条件下大气边界层垂直结构开展加密观测。通过比较不同灰霾污染条件下温度、湿度和PM_2.5（直径小于2.5微米的颗粒物）浓度的垂直结构差异,结合地面热通量、2米空气温度、相对湿度、风速、风向及主要大气污染物（如臭氧和PM_2.5）浓度,定量评估了气溶胶辐射效应对边界层和夹卷过程的影响。分析表明,灰霾或气溶胶削弱到达地表太阳辐射,减小地表感热通量,延迟边界层发展,增加近地层大气稳定度,降低边界层高度,并加重灰霾污染。灰霾污染物在混合层顶处累积,导致PM_2.5浓度最大变化出现在边界层顶部而不是近地层。气溶胶辐射效应对夹卷特征及其特征参数有重要影响。灰霾浓度升高时,夹卷区厚度增加;无量纲化夹卷速度随对流理查逊数的变化不再符合负1次方幂函数关系,与大涡模拟结果一致。本研究进一步指出,为提高重霾污染条件下天气和空气质量数值预报水平,必须考虑气溶胶辐射效应对边界层和夹卷参数化的影响。     

2012年冬季北京三种高影响天气的关联与成因分析

2012年冬季,北京地区经历了12月持续低温寒冷、2013年1月持续雾霾和1月31日突发冻雨三种高影响天气。这三种高影响天气给北京这座特大型城市带来了许多不利影响,一度成为全社会关注的焦点。文章利用常规气象观测资料和大气成分观测资料,分析了这三种高影响天气的成因以及它们之间的内在联系,结果表明：(1)冷空气活动频繁并且强度偏强是持续低温的主要原因,并且此次持续低温寒冷是导致后期雾霾频发和冻雨的重要原因。(2)从大气稳定度角度对雾霾的发生所作的气象学分析,发现：水平稳定度上,冷暖平流表现出的水平稳定度对应了污染物浓度的高低,暖平流对应了污染物浓度增加,并在暖平流转为冷平流时堆积到最大值,而冷平流对应了污染物浓度的降低,冷平流转为暖平流时浓度最低;垂直稳定度上,前期低温寒冷导致的边界层气温偏冷和空中干暖平流共同造成的边界层顶强逆温极强地抑制了污染物垂直方向的扩散,对于雾霾堆积起了很大作用。(3)从大气温湿层结角度对冻雨的发生做了分析,发现：低空偏冷和空中回暖造成了1月31日08时空中逆温的层结结构,而温湿层结正好使饱和层的温度在-10~0℃之间,并且有足够厚的-4~0℃的饱和层使得过冷水含量很高,是冻雨发生的充分条件。上述三种天气虽然是极端天气,但关注前期低温寒冷导致的低空偏冷和空中快速回暖都能使雾霾和冻雨具有一定的预报性。而一个极端天气的出现,其可能引发的其他极端天气事件也要引起关注。     

北京冬季雾霾事件的气象特征分析

利用观测的气象要素和细颗粒物(即PM2.5)浓度资料,并结合中尺度数值天气模式WRF(Weather Research and Forecasting Model),对2013年1月北京地区雾霾污染期间天气条件和边界层气象特征进行了分析。模拟与观测对比表明,WRF模式可以较好地反映北京—天津—河北地区地面和高空主要气象要素的时空分布。对1月10~14日、27~31日两次重雾霾天气的分析表明,雾霾的形成是高浓度的大气颗粒物和特殊的气象条件共同作用的结果。小风或静风、稳定的大气层结,使大气扩散能力减弱,造成污染物堆积,偏南气流将周边污染物和水汽输送到北京,不仅增加了污染物浓度,而且有利于气溶胶吸湿增长,消光增强,使能见度下降,进而形成雾霾。     

四川盆地一次持续性雾霾天气演变特征及其成因

根据单站雾霾日数和区域雾霾过程的确定方法,挑选2014年12月16日至2015年1月27日四川盆地典型雾霾过程,结合空气质量指数(AQI)、污染物质量浓度、气象要素特征和大气环流背景,研究此次持续雾霾天气的产生、演变及转化特征。结果表明:(1)此次雾霾过程表现出强度强、持续时间长、发生范围广的显著特点。(2)AQI和污染物质量浓度的变化与雾霾天气过程高度一致,本次雾霾过程的主要污染物为PM_(2.5),其次是PM_(10)。(3)此次过程出现了不同强度的污染物积累、到达峰值及急速减弱阶段,雾霾天气过程的强弱与天气形势、边界层垂直结构密切相关,与历史同期相比,这次超长雾霾过程盆地平均气温偏高1.24℃,降水偏少34.77%,日照时数偏多10.33 h,相对湿度偏低2.67%,风速基本持平略偏大,稳定的大气环流形势为雾霾天气和严重污染提供了持续稳定的大气环境场;强逆温层结、边界层的下沉运动、地面弱风场中的辐合均使水汽和污染物存留在近地层不易向高空扩散,造成雾霾天气持续。     

我国低空垂直环流特征与污染物分布关系初探

通过分析１９８７年我国各测站低空（３０００ｍ以下）各层次风随高度分布廓线和各经、纬度平均垂直环流，得出边界层内风随高度变化的几种典型分布以及在１０８°Ｅ以东我国边界层内存在一对经向反、正垂直环流圈。他们的活动特点与我国污染物浓度分布、垂直输送有一定关系，对进一步了解我国低空环境大气的垂直流场以及分析大气污染物扩散输送规律提供重要依据。     

淮安一次雾霾过程的污染物变化特征及来源分析

2012年6月9-11日淮安及周边地区出现了一次严重雾霾天气,PM2.5、NOx、CO、SO2等大气污染物浓度急剧升高.本文综合利用地面空气污染监测资料、气象观测资料,分析了该次雾霾过程中污染物的变化特征和影响因素,并对污染物的来源进行了探讨.结果发现：在这次连续雾霾过程中,SO2的质量浓度都在0.049 mg/m3以下;NOx、PM2.5、CO的质量浓度与能见度呈反相关,并在整个雾霾过程中出现两个峰值,均出现在能见度低于1 000m的雾过程中;在雾霾天气过程中,中低层一直维持一个逆温层结,其中四个时次中逆温层底在975 hPa,逆温层顶在925 hPa附近,这种稳定的大气垂直结构不利于大气湍流、水汽的垂直交换以及污染物的垂直扩散,为雾霾的长时间维持创造了良好的热力条件.整个雾霾过程中,近地层始终维持偏东风向,能见度在风速下降的时候随之下降,在风速增大的时候随之增大.应用轨迹模式分析表明,有利的天气条件和大面积秸秆燃烧的结合是造成这次淮河下游连续雾霾过程发生的主要原因.     

惠东高潭三次极端强降水过程成因对比分析

基于ECMWF的ERA-Interim全球大气再分析资料、MICAPS实况数据和广东省气象观测资料,对比分析了广东惠东高潭1979年、2013年和2018年的三次极端强降水过程的成因。结果表明:造成高潭极端强降水的影响系统有台风本体环流、登陆后的台风残余环流、季风低压外围环流等,其中2018年季风低压影响过程降水量最大;不同过程对流层低层强迫暖湿气流辐合抬升方式不同,分别为冷暖气流相互作用、西南季风和偏南季风地交汇、季风涌、边界层急流等;各过程中伴随的低空西南气流和偏南气流的风速大小差异明显,2013年台风残余环流影响时低空西南(偏南)风风速最大。相同点有:影响天气系统移动缓慢,并长时间维持,为极端强降水的发生发展和维持提供有利的动力条件;西南(偏南)季风、边界层急流或西南气流源源不断的水汽输送,为极端强降水的发展和维持提供了充足的水汽条件,同时低空暖湿气流的输送使得暴雨区大气层结不稳定状态长时间维持,利于持续性强降水的发展。研究结论可为今后高潭及其附近地区极端强降水的预报和决策服务提供理论支撑。      

重庆市一次严重雾霾过程的阶段性特征及成因

针对2014年1月26日—2月3日重庆市主城区出现的一次严重雾霾过程,对污染物浓度、环流形势和气象要素进行综合分析。结果表明,雾霾强度变化与AQI指数、PM_(10)和PM_(2.5)浓度有比较好的对应关系,PM_(10)和PM_(2.5)是此次过程的首要污染物,SO_2和NO_2有明显的单峰型日变化,但对AQI指数的影响较小。高空持续稳定纬向环流和中低空西南暖湿气流,逆温层持续存在且低空风速小是有利于连续雾霾过程的背景条件。地面平均风速小,平均日温差小,相对湿度大于85%,能见度低使地面湍流活动弱,大气维持静稳状态,空气污染持续加重。     

高原东南缘大气近地层湍能特征与边界层动力、热力结构相关特征

基于云南省大理2008年3、5、7月GPS加密探空试验时段(14和02时)资料,结合边界层铁塔综合观测资料,采用温度梯度法、逆温强度法和涡动相关法分别计算高原东南缘对流边界层(convective boundary layer,CBL)及稳定边界层(stable boundary layer,SBL)顶高度,通过计算获取感热通量、潜热通量、湍流动能、切变项以及浮力项与大气动力、热力过程垂直相关特征综合分析,可发现湍能方程中浮力项、感热、潜热通量与NCEP再分析资料计算获取的大气视热源相关特征显著,这某种程度反映了高原东南缘近地层大气湍流动量、热量输送对低层大气视热源Q_1的重要贡献。低层视热源Q_1亦表现出与湍能方程分量类似的日变化周期,此特征反映了高原东南缘大气热源变化与下垫面水热过程及其湍流输送日变化密切相关;浮力项与湍能等项对大气低层热源与涡动特征、热力混合结构的形成有重要作用;低层大气视热源、水汽汇均与边界层高度有显著相关,综合分析结果某种程度描述了青藏高原东南缘近地层湍流动量、热量输送状况与低层大气热源,热力混合边界层结构的综合相关物理图像,初步探索了高原东南缘对流活跃区大气湍流运动与大气动力、热力过程相互作用特征。研究表明近地层湍流通量变化某种程度可反映未来局地大气视热源垂直结构变化的"强信号"特征。本文上述研究结论也可启发我们进一步关注近地层湍流通量异常变化特征及其对局地降水过程大气热源结构演变的影响问题。     

宜昌冬季两次降水过程大气边界层的观测分析

利用宜昌2007年12月10-25日的加密观测资料,分析了两次低值系统经过宜昌时大气边界层的温湿风廓线结构及其日变化特征。结果表明：位温廓线具有明显的日变化特征,对流边界层在白天出现和发展,其高度可达600m,而稳定边界层在夜间出现和发展,其高度可达300m,降水会抑制对流边界层和稳定边界层的发展;湿度廓线结构及其日变化与对流边界层的发展有关,总体上湿度随高度减小,贴近地面的薄层湿度随高度减小较快,而混合层内湿度随高度变化较小,出现降水时,近地层的湿度有明显增加,大气边界层内湿度随高度快速平稳减小;风速廓线结构比较复杂,总体上风速随高度增大,在大气边界层低层有时会出现一个风速极大值,风速廓线没有明显的日变化特征,大气边界层内风向变化较大,但以偏东风为主。