成都市污染边界层高度的演变特征分析

基于2014年1月21日至2月5日成都市人民南路四段逐时PM_(2.5)质量浓度、大气能见度资料以及同期Mie散射激光雷达探测数据,遵循消光系数与细颗粒物质量浓度之间的关系,探讨污染边界层高度的演变特征。结果表明:污染时段内的污染边界层高度偏低,平均为221m;污染边界层高度与地面PM_(2.5)浓度的变化具有明显相关性,但污染边界层高度改变在前,地面PM_(2.5)浓度响应在后;污染边界层高度的日变化表现为单峰单谷型,峰值和谷值分别出现在08:00时和14:00时前后。     

一次严重灰霾过程的气溶胶光学特性垂直分布

利用激光雷达在广州地区一次严重灰霾过程进行探测,并反演气溶胶消光系数及退偏比,分析边界层结构演变对气溶胶消光系数廓线分布的影响.结果表明,气溶胶主要在1.5km以下.发生灰霾天气时,霾层达到1km,午后可达1.5km,发生严重灰霾天气时,霾层只有500m.气溶胶消光系数随高度分布在清洁过程中呈线性递减,标高为1490m,在灰霾过程中呈指数递减,标高为789.5m.从气溶胶消光系数廓线变化可以很好地反演边界层结构的演变.气溶胶消光系数在残留层顶出现极大值.气溶胶退偏比有明显的日变化,白天的退偏比比夜间的高,午后出现峰值.该次过程气溶胶的退偏比小于0.2.本地气溶胶廓线只有在清洁过程时与Elterman廓线接近.     

利用微脉冲激光雷达分析上海地区一次灰霾过程

通过分析2008年6月至2009年5月期间浦东新区灰霾天气出现的特征,并以2008年12月19日至2008年12月21日一次典型的灰霾天气过程为例,利用激光雷达(Light laser detection and ranging,简称Lidar)数据资料反演得到气溶胶消光系数及其强度图和廓线图,结合地面气象数据和气溶胶观测资料,分析了此次灰霾天气形成的原因.一年的观测资料表明,上海地区冬季和春季易产生灰霾天气,冬季出现重度霾最多,秋季和夏季灰霾天气较少.较弱的太阳辐射以及静风、小风是导致灰霾天气发生的重要原因,且高湿度的霾天气对能见度影响更大.大气边界层(以下简称边界层)高度变化决定着灰霾天气发生的强度,当边界层高度在1km左右时,易发生轻微霾天气,当边界层高度降至600m左右时,易发生中度、重度霾天气,而太阳辐射强度变化决定着边界层高度的变化.轻微霾天气下,大气气溶胶垂直分布最强消光值约为0.15km-1,而重霾天气下可达0.30km-1以上.本次霾过程还受地面颗粒物排放的影响,主要是PM1和PM2.5,且在消光作用中散射性气溶胶的贡献大于吸收性气溶胶.轻微霾天气下PM2.5浓度为50μg·m-3,黑碳浓度为5000ng·m-3,浊度为200Mm-1,而重度霾时则分别达到200μg·m-3、24000ng·m-3和1400Mm-1.随着此次霾的出现,整层大气气溶胶光学厚度(AOD,550nm)不断增加,在重度霾时达到0.6左右,Angstrom指数在重度霾时显著降低,表明有大颗粒物导入,说明此次重度霾天气的发生还与气溶胶的输送有关.     

泰州地区激光雷达大气气溶胶观测

对激光雷达产品的消光系数、退偏振比、边界层高度和气溶胶光学厚度进行统计分析,并与环境监测数据和地面气象观测数据进行对比,验证产品的可靠性。总的来说,大气消光系数垂直变化趋势是接近的,从近地面开始增大,在1km左右高度达到峰值,这就是边界层的所在。4月、11月和12月大气消光系数较高,大气气溶胶浓度较高,8月、9月和10月较低,气溶胶浓度较低,与环境监测数据相吻合。地面能见度和消光系数具有较好的指数相关;近地面处PM_(2.5)、PM_(10)的浓度和消光系数均具有较好的幂相关性;气溶胶光学厚度与PM_(2.5)、PM_(10)浓度有线性正相关;边界层高度与PM_(2.5)、PM_(10)存在显著的负相关,但是相比其他相关性不高;气溶胶光学厚度与能见度有负相关。     

南京地区一次灰霾天气的微脉冲激光雷达观测分析

利用微脉冲激光雷达(MPL)对2012年10月南京地区的一次灰霾天气进行了不间断观测,结合地面气象要素和PM10、PM2.5质量浓度资料分析了此次污染过程颗粒物质量浓度、气象要素、气溶胶垂直方向光学特性和混合层高度(MLH)日变化趋势以及相关性并与11月11~12日非灰霾天气做了消光系数和MLH的比较.结果表明,本次灰霾天气颗粒物浓度与近地面消光系数日变化较相似,基本上呈现夜间高午后低的趋势;灰霾期间MLH峰值滞后于地面温度峰值2h,MLH与PM2.5呈现负相关关系,两者相关系数为-0.57;霾天MLH远低于非灰霾天;霾期间近地面消光系数大部分时刻大于1.0km-1,远大于非霾日0.1~0.25km-1范围的消光系数.     

广州地区灰霾过程和清洁过程的边界层特征对比分析

利用2014~2016年广州国家基本气象站的微波辐射计、风廓线雷达和地面观测数据,研究广州地区灰霾过程和清洁过程的边界层结构特征.结果表明：（1）灰霾过程中,270m高度以下风速随高度递减,270m高度以上的风速随高度递增,2000m以下的风速增率小于2000m以上的风速增率,盛行风向随高度的增加呈顺时针旋转,510m高度以下风速基本小于3.0m/s,其中08：00至20：00,390m高度以下风速小于2.0m/s;清洁过程中510~1590m和2790~3000m存在风速大于5.0m/s的高值中心,1830m高度以下,清洁过程各层的平均风速明显高于灰霾过程;（2）贴地逆温与能见度总体上呈负相关,与PM_2.5浓度呈正相关,相关系数分别为-0.367和0.455,而当贴地逆温和低空逆温同时存在时,其相关性更高,其相关系数分别为-0.5和0.601,说明多层逆温的存在更容易出现灰霾天气.灰霾过程中,低空逆温与能见度和PM_2.5的相关不明显,而清洁过程中,低空逆温的出现主要与冷空气南下有关,其与能见度呈正相关（0.217）,和PM_2.5浓度呈负相关（-0.64）,低空逆温不利于灰霾天气形成;（3）灰霾过程中,贴地逆温出现频率为60.68%,平均逆温强度为1.38℃/100m,平均逆温厚度为153.20m,明显高于清洁过程;清洁过程中,低空逆温的逆温强度、厚度和出现频率分别为0.27℃/100m、691.07m和64.61%,明显高于灰霾过程.（4）清洁过程的混合层高度明显高于灰霾过程,清洁过程的日均混合层高度（958.92m）是灰霾过程（398.03m）的2.4倍.     

气象要素对气溶胶光学厚度估算PM2.5的影响

地面监测得到的近地面细颗粒物PM_(2.5)浓度较为精确,但数据覆盖范围相对较小,卫星遥感反演的气溶胶光学厚度(AOD)数据可以反映污染物浓度分布,具有范围大且速度快的特点,因此,大多数学者通过建立PM_(2.5)-AOD模型来实现卫星遥感监测PM_(2.5)浓度,并通过引入气象要素来优化模型.然而,气象要素的选择与引入往往对模型的精度有较大的影响,如何有效地选择对PM_(2.5)浓度影响较大的气象要素一直是PM_(2.5)-AOD模型中的关键问题.因此,本文基于华东地区2014—2015年的MODIS AOD和地面监测站的PM_(2.5)浓度数据,结合再分析气象资料,利用多元逐步线性回归方法建立PM_(2.5)-AOD模型,从由特定时刻、高度上的气象要素与随时间、高度变化的气象要素组成的气象要素集中,筛选出对因变量PM_(2.5)浓度有显著影响的关键气象要素.结果表明:在地域与季节双重尺度下的PM_(2.5)-AOD模型精度更高;相较于特定时刻高度的气象要素,随时间和高度变化的气象要素对PM_(2.5)-AOD模型的影响更为显著;在地域与季节双重尺度下,1000～850 hPa经向风速差、世界时0:00—6:00近地面温度差、850～600 hPa温度差、6:00边界层高度、12:00—18:00近地面压强差、1000～850 hPa温度差对模型影响较大,但应依据不同季节和不同地区的具体影响程度作为选择标准.     

春季北京1次完整灰霾过程中的PM_(2.5)监测与分析

春季是北京等特大城市灰霾高发时期,在2013年4月19-24日间完整地发生了1次灰霾过程。基于对北京24个监测点在6 d 144 h 3 456份PM_(2.5)浓度数据,以及同期相关天气资料,对灰霾的形成、持续及消散过程进行的关联分析,指出北京在春季灰霾天气中PM_(2.5)浓度分布具有以下特征:(1)在风力较大的情况下仍可能发生较严重的灰霾;(2)存在某些监测点,其PM_(2.5)在灰霾过程中浓度值一直最高或最低;(3)各监测点之间PM_(2.5)浓度差异较大,最大可达8倍以上。     

2018年春节期间京津冀地区污染过程分析

为了解2018年春节期间京津冀地区空气污染情况,利用近地面污染物浓度数据、激光雷达组网观测数据,结合WRF气象要素、颗粒物输送通量和HYSPLIT气团轨迹综合分析污染过程.结果表明,春节期间出现3次污染过程.春节前一次污染过程,各站点PM_(2.5)浓度均未超过200μg/m~3;除夕夜,廊坊站点PM_(2.5)峰值浓度达到504μg/m~3,是清洁天气的26倍;年初二~初五,各站点PM_(2.5)始终高于120μg/m~3,且污染主要聚集在500m高度以下,北京地区存在高空传输,800m处最大输送通量达939μg/(m~3?s),此次重污染过程为一次典型的区域累积和传输过程.京津冀地区处于严格管控状态时,燃放烟花爆竹期间PM_(2.5)峰值浓度可达无燃放时PM_(2.5)峰值的3.2倍.为防止春节期间重污染现象的发生,需对静稳天气下燃放烟花炮竹采取预防对策.     

北京灰霾天PM_(2.5)中有机官能团和无机离子的ATR-FTIR研究

采用傅里叶变换衰减全反射红外光谱法(ATR-FTIR)研究北京西北城区灰霾天气下PM_(2.5)中有机官能团(R-OH羟基、R-CH脂肪族碳氢基、R-CO-羰基、R-NO2硝基官能团)和无机离子(NH_4~+、SO_4~(2-)、NO_3~-)的变化规律.结果表明,PM_(2.5)中无机离子(NH_4~+、SO_4~(2-)、NO_3~-)的ATR-FTIR吸收峰值高于有机官能团(R-CH,R-CO-,R-NO_2,R-OH)的峰值;有机官能团R-CH的吸收峰峰值高于R-CO-和R-NO_2官能团的吸收峰,R-OH官能团的吸收峰峰值最低.灰霾天PM_(2.5)中各有机官能团和无机离子的ATR-FTIR吸收峰值明显高于非灰霾天.说明灰霾天气下PM_(2.5)中这些官能团及无机离子的质量浓度均高于非灰霾天.灰霾天PM_(2.5)中无机离子(NH_4~+、SO_4~(2-)、NO_3~-)质量浓度高于有机官能团(R-CH,R-CO-,R-NO_2,R-OH)的质量浓度,且有机官能团以R-CH为主,R-CO-,R-NO_2次之,R-OH最少.     

河谷城市通风系数研究

通风系数是科学确定污染物排放总量的基础.利用WRF模式模拟的边界层高度和风速计算了兰州新区2014年4个季节的通风系数,探讨了风速的季节性变化和日变化特征.结果表明:①WRF模式模拟得到的兰州新区的混合层平均风速呈夜间高、日间低的特征,日间混合层内平均风速最大值出现在20:00左右,这与地面风速积分法确定的平均风速具有较高相关性,验证了利用模式模拟边界层内平均风速特征的能力.②混合层高度季节变化呈现春夏季高、秋冬季低的特征;受太阳辐射的影响,日间混合层高度明显高于夜间.③通风系数具有明显的季节性变化特征（4个季节的通风系数分别为4 607.6、5 424.1、1 316.4、706.9 m2/s）,夏季高,冬季小,这与混合层高度和混合层内平均风速的季节性变化特征一致;日变化呈现单峰型的变化规律,冬季的峰值出现在15:00,而其他3个季节的峰值则出现在17:00左右.研究显示,WRF模式的模拟结果可以较好地反映混合层平均风速的基本特征,利用WRF模式模拟的结果计算得到的河谷地形的通风系数较为合理,不同季节的通风系数差异较大.      

浙江北部一次爆发式发展重度大气污染的气象特点和成因

基于全国空气质量指数和PM_(2.5)监测、常规气象观测、浙江省6种主要大气污染物和自动气象监测、宁波镇海激光雷达、美国国家环境预报中心GDAS和欧洲中期天气预报中心ERA-interim再分析等多种资料,对2017年12月30日―2018年1月1日浙江北部一次爆发式发展大气污染事件气象特点及成因进行分析,应用HYSPLIT4模式进行粒子后向轨迹分析.结果表明:PM_(10)和PM_(2.5)质量浓度在浙江省表现出明显的爆发性增长和自西北向东南传输的特征,污染程度自浙北向浙中、浙南逐渐减轻,重度污染时浙北大范围出现2000 m以下的重度霾,污染粒子主要来自上游的安徽和江苏省.大气污染爆发式发展与冷空气有关,1000 m以下边界层内冷空气偏弱,但足以将盛行风改变为西北风,是污染物粒子输送的动力条件,污染粒子集中在该层内,层内没有下沉运动,因此水平风场对污染事件爆发有决定性作用;1000 m以上层次冷平流表现明显,且伴有下沉运动,抑制了边界层粒子的垂直扩散,对污染事件的发展和维持有间接影响.激光雷达的消光系数变化不仅与污染物粒子浓度变化有关,还与气象条件密切相关.污染物粒子质量浓度通量散度的变化对预报粒子浓度的增减有较好的参考作用.     

北京市海坨山冬季不同污染过程下气溶胶化学组分及其潜在来源分析

为了探讨京津冀地区冬季背景大气中气溶胶化学组分特征及其来源分布,使用GRIMM 180、单颗粒黑碳光度计(SP2)和高分辨率飞行时间气溶胶质谱仪(HR-TOF-AMS)观测了海坨山2020年12月28日至2021年2月3日PM和化学组分,结合气象数据和HYSPLIT模式,计算了潜在源贡献因子(PSCF)和浓度权重轨迹(...     

冷空气过程对江苏持续性霾的影响研究

利用地面气象观测资料、PM_(2.5)浓度监测资料和数值模式产品对2016年12月14—24日江苏遭遇的一次长时间霾天气过程进行分析.研究结果表明:过程期间有两次冷空气南下影响江苏省,两次冷空气均带来大风和降水,有效地清除了前期污染物,但随后全省PM_(2.5)浓度开始升高.第一次冷空气强度强于第二次,造成的污染也较重.WRF-Chem模式对本次过程的气象场和PM_(2.5)浓度模拟均较好,模拟观测相关系数分别达到0.52~0.99和0.40.模式能够较好地模拟出污染物的输送过程和时空分布.与第二次冷空气过程相比,第一次冷空气过程存在明显的污染物自北向南输送过程,100~500 m高空持续偏北气流(第2次过程为西北-偏西气流),期间全省平均边界层高度(PBLH)只有260 m(低于第2次过程的500 m),不利于污染物垂直扩散,造成地面浓度较高.利用HYSPLIT-4模式追踪了两次过程中淮安、泰州、无锡三站上空100 m处大气48 h后向轨迹,发现第一次过程中污染物来自山东中西部,第二次来自西部内陆地区.     

边界层低空急流导致北京PM2.5迅速下降及其形成机制的个例分析

2015年3月17日18:00~23:00北京地区的PM_(2.5)质量浓度快速下降,在此期间并未出现与冷空气活动相伴的强偏北风.本研究分析了导致空气质量迅速改善的原因,结果表明边界层急流起着关键的作用.随着边界层内偏南风速增大,大气的通风量增大,污染物浓度降低.急流发展也加大了边界层内水平风的垂直切变,从而导致湍流增强和混合层增厚.此外,3月17日20:00在混合层顶附近出现气旋性地转涡度,Ekman抽吸的方向为垂直向上,于是底层的污染物就被带到高空并随强劲的西南风输送到下游.边界层急流的发展与惯性振荡和大气的斜压性有关.     

北京地区冬夏季持续性雾-霾发生的环境气象条件对比分析

在北京地区,除冬季供暖期外盛夏也是雾-霾天气的高发季节,与我国南方不同.使用微波辐射仪、风廓线和常规气象探测资料、NCEP再分析资料以及大气成分观测结果,通过对比分析揭示了冬、夏季持续6 d的2个雾-霾过程形成和维持机制的异同.冬季雾-霾过程出现在高空西北气流、低层多短波活动的背景下,其形成和维持的主要机制是边界层内始终有逆温层、地面弱风场、底层湿度逐渐增大.逆温层昼高夜低、湿度昼小夜大是影响PM2.5质量浓度和能见度日变化的重要环境因子.在雾-霾天气持续期间地面弱风场能够维持主要源于冷空气势力弱、常不能影响到地面.此外,入夜后地面迅速辐射降温、边界层上层有暖平流以及空气过山后下沉增温在逆温层的形成中起了关键作用.然而,对于夏季持续性雾-霾天气,气溶胶区域输送、环境大气保持对流性稳定、空气的高饱和度是其发生的重要条件.在副热带高压长时间控制下对流层低层盛行偏南风,北京的PM2.5质量浓度随着偏南风风速增大升高.对流层底层系统性偏南风与北京附近的山谷风共同构成了从北京以南气溶胶累积地向北输送的机制.夏季雾-霾过程低层没有逆温,但是北京上空一直维持超过200 J·kG-1的对流抑制能量,它同样限制了污染物的垂直扩散.夏季自由对流高度也存在昼夜变化,其对PM2.5浓度和能见度的作用与逆温层高度升降相同.因此,冬、夏个例分别代表了2种不同类型的持续性雾-霾过程,导致差异的根本原因在于大气环流型.     

Numerical study of the effects of local atmospheric circulations on a pollution event over Beijing-Tianjin-Hebei, China

Currently, the Chinese central government is considering plans to build a trilateral economic sphere in the Bohai Bay area, including Beijing, Tianjin and Hebei(BTH), where haze pollution frequently occurs. To achieve sustainable development, it is necessary to understand the physical mechanism of the haze pollution there. Therefore, the pollutant transport mechanisms of a haze event over the BTH region from 23 to 24 September 2011 were studied using the Weather Research and Forecasting model and the FLEXible-PARTicle dispersion model to understand the effects of the local atmospheric circulations and atmospheric boundary layer structure. Results suggested that the penetration by sea-breeze could strengthen the vertical dispersion by lifting up the planetary boundary layer height(PBLH) and carry the local pollutants to the downstream areas; in the early night, two elevated pollution layers(EPLs) may be generated over the mountain areas: the pollutants in the upper EPL at the altitude of 2–2.5 km were favored to disperse by long-range transport, while the lower EPL at the altitude of 1 km may serve as a reservoir, and the pollutants there could be transported downward and contribute to the surface air pollution.The intensity of the sea–land and mountain–valley breeze circulations played an important role in the vertical transport and distribution of pollutants. It was also found that the diurnal evolution of the PBLH is important for the vertical dispersion of the pollutants,which is strongly affected by the local atmospheric circulations and the distribution of urban areas.     

Process analysis of characteristics of the boundary layer during a heavy haze pollution episode in an inland megacity, China

Ground observation data from 8 meteorological stations in Xi'an, air mass concentration data from 13 environmental quality monitoring sites in Xi'an, as well as radiosonde observation and wind profile radar data, were used in this study. Thereby, the process, causes and boundary layer meteorological characteristics of a heavy haze episode occurring from 16 to 25 December 2013 in Xi'an were analyzed. Principal component analysis showed that this haze pollution was mainly caused by the high-intensity emission and formation of gaseous pollutants (NO₂, CO and SO₂) and atmospheric particles (PM_2.5 (fine particles) and PM₁₀ (respirable suspended particle). The second cause was the relative humidity and continuous low temperature. The third cause was the allocation of the surface pressure field. The presence of a near-surface temperature inversion at the boundary layer formed favorable stratification conditions for the formation and maintenance of heavy haze pollution. The persistent thick haze layer weakened the solar radiation. Meanwhile, a warming effect in the urban canopy layer and in the transition zone from the urban friction sublayer to the urban canopy was indicated. All these conditions facilitated the maintenance and reinforcement of temperature inversion. The stable atmospheric stratification finally acted on the wind field in the boundary layer, and further weakened the exchange capacity of vertical turbulence. The superposition of a wind field with the horizontal gentle wind induced the typical air stagnation and finally caused the deterioration of air quality during this haze event.     

京津冀重霾期间PM_(2.5)来源数值模拟研究

厘清PM2.5的来源是开展重霾污染防治的前提条件.本研究利用嵌套网格空气质量预报模式系统(NAQPMS)及其耦合的污染来源追踪技术,针对2013年1月我国中东部的重霾污染过程,定量模拟分析京津冀各城市PM2.5浓度的来源和相互贡献.研究结果表明,NAQPMS模式能够合理反映京津冀不同城市PM2.5浓度的变化特征.京津冀各城市近地面PM2.5浓度主要受本地排放影响,本地贡献率介于29.8%~63.7%.而800 m高空层各城市PM2.5浓度以外来贡献为主(69.3%~86.3%).在污染最严重的东南部地区(包括邢台、邯郸、沧州和衡水),PM2.5浓度受区域外的山东和河南的显著影响,贡献率可达25.2%~31.5%.因此,在京津冀区域内进行协同减排控制的同时,需进一步将山东、河南等省份纳入联防联控范围,才能有效防控重霾污染.     

佛山地区干季边界层垂直风温结构对空气质量的影响

利用佛山地区2013年12月大气边界层观测试验得到的垂直风温资料和相应逐日AQI资料、逐时PM_(2.5)浓度资料,研究了佛山地区大气边界层垂直风温结构对空气质量的影响.结果表明:佛山地区干季持续存在的逆温结构是导致PM_(2.5)污染较重的重要原因.干季污染日近60%的最低逆温层高度低于1000 m,而非污染日低于1000 m的最低逆温层仅占36%,污染日佛山贴地逆温频率高达31.2%.逆温层出现高度较低,将污染物压缩积累在贴地层大气中导致污染较重.在大陆冷高压控制下,佛山地区的边界层结构演化非常典型,最大边界层高度和最大边界层通风量表现出了显著相关,污染日日平均边界层高度始终维持在较低的水平,多数时候不足500 m,最大边界层高度则大部分小于1000 m,日平均边界层通风量主要分布在500~1500 m~2·s~(-1)之间,在极端情况下甚至不足300 m~2·s~(-1),最大边界层通风量大部分处于1500~5000 m~2·s~(-1)之间,导致污染物始终聚集在较低的大气边界层内,使得PM_(2.5)浓度长时间维持在较高的污染水平.佛山地区风场存在显著的3层结构,较小的底层风速意味着大气的输送和扩散能力较弱,高度较低的中层使得污染物进一步被压缩累积在大气底层,垂直风场的不稳定性使得污染日佛山地区局地回流活跃,回流(RF)指数极小值多分布在0.2~0.4之间,污染日RF指数普遍小于非污染日,垂直风场的有效输送能力被显著削弱.