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.     

近45年中国12个一级站大气气溶胶光学厚度变化特征

利用常规观测的总辐射和散射辐射日曝辐量资料,结合NASA GISS的月平均平流层气溶胶光学厚度(AOD)产品,反演计算了北京等12个台站1961～2005年0.75μm对流层AOD和气溶胶标高数据.基于这些数据,分析了各站AOD、气溶胶标高和地面能见度的年、季、月变化特征.结果表明:①就12个站45a总平均而言,光学厚度为0.276,年增长为0.0034;气溶胶标高为1.65km,年增加为0.015km;能见度为17.1km,年变化值为-0.08km;AOD春夏较大,秋冬较小;气溶胶标高夏季最高,春季次之,冬季最低.②各站点45a平均AOD范围为0.116～0.387;除格尔木外,各站AOD均有增长.年变化值为0.0010～0.0079.③20世纪70、80年代AOD增加明显;20世纪90年代以来,多数站点AOD有所下降,能见度有转好趋势.     

河北省气溶胶标高时空变化及其成因

以2012年河北省20个监测站的MODIS AOD(气溶胶光学厚度)和近地面水平能见度数据为基础,应用Peterson 模型和高斯模型,计算气溶胶标高月均值年内变化模型系数;应用全微分近似计算原理,构建了气溶胶标高时空变化的成因模型.结果表明:①全省平均气溶胶标高以夏季最高,为3.298 km;春、秋季次之,分别为2.864和2.284 km;冬季最低,为1.597 km. 全省气溶胶标高空间分布以夏季地域差异最显著,最大值为3.193 km;冬季地域差异最小,最大值为1.487 km. ②在全省尺度上,大气颗粒物排放强度和大气边界层高度每变化1%时,将会引致气溶胶标高分别变化0.577%和0.143%,二者对气溶胶标高变化的贡献率分别为80.1%和19.9%;在省内6个次级区域尺度上,大气颗粒物排放强度越大的区域,大气边界层高度对气溶胶标高的贡献率越大,如冀中南平原、沧州沿海平原和冀东平原的贡献率分别达到63.7%、57.8%、54.2%;反之则贡献率较低,如冀中平原、冀西北山区和冀东北山区的贡献率则分别仅为45.4%、32.6%、8.6%.      

基于AGRI颗粒物浓度遥感反演及季节变化分析

基于AGRI数据反演区域PM_2.5浓度.利用6S辐射传输模式,分析气溶胶光学厚度AOD与能见度相关性,建立AOD、气溶胶标高和能见度模型;通过对大气柱AOD垂直订正,构建AOD与近地面PM_2.5浓度关系的物理模型;同时引入了地面相对湿度数据.结果表明,FY-4A遥感的PM_2.5浓度与地面空气质量监测站的PM_2.5浓度变化趋势一致,算法计算效率较高.利用AGRI估算近地面PM_2.5与地面观测网对比分析,其结果不亚于于MODIS以及VIIRS的对比结果,AGRI估算的均方根误差和相对误差较小.从季节分析,冬季近地面颗粒物浓度是影响整层大气柱AOD值的主要因素,AGRI反演结果精度较好,夏季相关系数相对于其他三个季节偏低.总体而言,采用FY-4A/AGRI反演颗粒物浓度精度可靠,有利于实现区域气溶胶全天候实时监测.     

气溶胶等效复折射率反演的免疫进化算法

通过Mie散射理论公式构建目标函数,利用免疫进化算法对气溶胶等效复折射率的实部和虚部进行协同优化,据此创新性地提出了气溶胶等效复折射率反演的新途径.基于成都市2017年9~12月逐时的气溶胶散射系数和吸收系数观测数据以及该时段同时次GRIMM180大气颗粒物监测仪的连续监测资料,研究结果表明,气溶胶等效复折射率反演的免疫进化算法不仅是普适的,而且还具有收敛速度快、计算稳定和求解精度高等特点.通过与其它气溶胶等效复折射率反演方法的对比分析,进一步论证了新方法的优势,这为气溶胶等效复折射率演变机理以及气溶胶吸湿性增长模型的后续研究提供了算法保障.     

MODIS气溶胶产品在大气能见度监测中的应用

利用MODIS气溶胶产品和气象观测资料分析了能见度与MODIS气溶胶产品和气象要素的相关关系,并运用多元回归方法建立了安徽省不同季节能见度的反演模型,在此基础上分析安徽省能见度的时空分布特征。结果表明:(1)能见度与气溶胶光学厚度(AOD)、气溶胶质量浓度(MASS)和相对湿度呈显著负相关,AOD、MASS经气溶胶标高垂直订正后,与能见度相关性显著提高;(2)反演能见度与实测能见度相关系数为0.689(P0.001),对于平均值为16.80 km的能见度观测值,反演的平均偏差MBE为-0.25 km,均方根误差RMSE为4.21 km;(3)安徽省能见度空间分布不均,皖南山区、大别山区,以及淮北平原能见度较高,沿江、江淮之间中部,以及沿淮部分地区为能见度的低值区;能见度有明显的季节变化特征,春、夏季高于秋、冬季,6月份能见度明显小于下半年的其他月份,可能与秸秆焚烧有关。     

我国西南地区吸收性气溶胶时空分布

利用2006~2017年的MERRA-2再分析数据、CALIPSO卫星反演数据以及欧洲中心（ECMWF）提供的ERA5再分析资料研究了西南地区吸收性气溶胶的时间变化趋势及空间分布特征.结果表明2006~2017年吸收性气溶胶四川盆地与云南南部整体呈下降趋势,同时存在季节性差异.CALIPSO反演的烟尘气溶胶（主要由强吸收性的碳质气溶胶组成）的三维时空分布及演变趋势表明,云贵高原的黑碳气溶胶消光系数最大,四川盆地次之;从高度分布上来看,黑碳气溶胶在青藏高原的夏季能够被抬升至8~10km（海平面高度以上）左右,而云贵高原黑碳气溶胶主要分布在2~4km左右,四川盆地则集中在1~3km左右.     

利用MODIS遥感数据反演广州市气溶胶光学厚度

利用中分辨率成像光谱仪(MODIS)数据和NASA的V5.2气溶胶业务反演算法,对广州市进行了高空间分辨率气溶胶光学厚度的反演,并应用地面太阳光度计(CE-318)观测的气溶胶光学厚度进行验证.结果表明,利用MODIS L1B数据进行高分辨率气溶胶光学厚度反演,结果精度较高.利用反演结果分析2008~2009年冬季广州市的气溶胶光学厚度时空变化特征,2008年12月的气溶胶光学厚度较低,平均大约为0.65,随后气溶胶光学厚度逐渐增大,到2009年2月,气溶胶光学厚度平均大约为1.35.广州市气溶胶光学厚度空间差异显著,在0.1~1之间变化,呈东北低西南高的空间分布特征.即森林覆盖率比较高的地区气溶胶较低.     

基于遥感影像的PM_(2.5)浓度与大气气溶胶光学厚度间模型建立的探索——以鄂南地区为例

利用MODIS遥感影像反演方法来探索鄂南地区大气气溶胶光学厚度AOD与PM2.5浓度关系模型,首先对MODIS影像在ENVI中进行发射率、反射率几何校正及合成,角度数据的处理、云检测、气溶胶反演等过程,并利用Arc GIS处理有关数据,可得到该地区的气溶胶光学厚度。其次对鄂南地区国控点监测站的PM2.5浓度进行实时监测,定量分析鄂南地区PM2.5的浓度分布。最后在得到气溶胶光学厚度及PM2.5浓度后,利用SPSS对其进行建模分析,并得到三次关系模型y=17.53+67.55x-14.25x2+0.82x3,经验证模型在已有数据下具有较高的拟合度。本文的研究结果可以为改善鄂南地区环境承载压力提供科学的有益参考。     

香港及珠三角地区MODIS高分辨率气溶胶光学厚度的反演

为了有效解决地区性和城市范围内的气溶胶分布并反演陆地上气溶胶的性质,一种针对中分辨率成像光谱辐射计(MODIS)的气溶胶反演新算法应运而生.本文首先通过改良的最小反射率技术(MRT)来确定季节性的地表反射率和利用瑞利通道辐射率中解析出大气上气溶胶的反射率来估计气溶胶的反射系数.结果表明,MRT地表反射率的图像和MODIS地表反射系数的产品(MOD09)有很好的契合度.两者的相关系数高达0.9.此外,考虑到不同气溶胶的光学性质和太阳观测组合对计算辐射传输的影响,本研究还制定了全面广泛的差算表(LUT).由此产生的卫星500m分辨率的气溶胶光学厚度(AOT)和香港太阳光度计(AERONET)及MicrotopsⅡ观测资料的相关系数r分别为0.96和0.87(相伴概率值P<0.0001).该研究证明了城区高分辨率气溶胶反演的可行性,还能帮助研究气溶胶的分布和城区大气瞬态污染的影响.此外,MODIS 500m分辨率的气溶胶光学厚度图像还可用于研究跨境气溶胶,使定位珠江三角洲区域污染源变得可行.     

华北平原AOD时空演化与影响因素

深入了解大气气溶胶时空变化及其影响因素,对控制大气污染,改善大气环境具有重要意义.首先利用2013～2019年的VIIRS IP气溶胶光学厚度（AOD）数据分析华北平原AOD的时空变化规律.其次,选取SO₂、 NO₂、 PM_2.5、气象数据、 NDVI、 DEM、 GDP和POPU作为影响因素,基于XGBoost模型分别建立华北平原5个代表城市的AOD与其影响因素之间的连接模型,定量估算并揭示AOD时空分布规律背后各个影响因素的贡献.结果表明在空间分布上,华北平原AOD以太行山脉为界,呈现东南高西北低的格局.在时间变化上,5个城市AOD年均值整体呈下降趋势,AOD月均值先上升后下降,最高值出现在7月,最低值出现在12月.此外,建立的华北地区5个城市AOD估算模型精度较高,R²在0.60～0.67之间.华北平原的AOD影响因素中,NO₂和SO₂是对5个城市AOD贡献最大的影响因素,此外,PM_2.5是另外一种重要的污染排放影响因素.气象因...     

结合激光雷达分析2014年春季南京地区一次大气污染过程

利用环境监测数据、气象数据以及数值模拟结果,结合激光雷达数据反演的气溶胶消光系数,分析了2014年5月26日至6月1日南京地区一次典型的大气污染过程.本次污染过程受到外源性沙尘和烟尘输入以及本地污染排放叠加影响.气象因素对污染物的生消起到了重要作用,低压、逆温等因素阻碍污染物扩散,最终强降雨的出现使本次污染过程终结.整个污染过程中大气边界层高度偏低且变化不大,大气形势稳定,污染物扩散困难.激光雷达可以有效探测气溶胶的垂直分层结构,能直观准确地反映出污染物的分布聚集情况以及时空变化,对大气污染监测具有重要意义.     

南京市两次秋季污染过程及成因分析

为探究南京秋季污染过程的特征和影响因素,利用MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)传感器获得的气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth)、波长指数(Angstrom Exponent)、火点数据及CALIPSO(Cloud-Aerosol Lidar And Infrared Pathfinder Satellite Observations)卫星数据和来自NECP、MICAPS的温度、相对湿度、风向风速等常规气象要素数据,对南京2015年10月、2016年9月两次污染过程进行分析.研究结果表明:两次污染过程的AE412-470值(埃斯特朗波长指数α)均高于1,由此判断两次污染均以人为排放产生的细粒子为主.但2015年10月的AE412-470值明显低于2016年9月,说明在2015年10月污染过程中粗粒子所占比重高于2016年9月.结合对后向轨迹的分析发现,南京地区2015年10月污染天气的发生还受长距离输送的影响,污染源主要为来自内蒙古、山西等地的污染型沙尘粒子.研究还发现,较高的相对湿度、较低的地表风速、低混合层高度及贴地逆温等气象条件会导致污染物难以扩散稀释而累积在南京地区,造成该区域在秋季出现较严重的污染天气.     

天津大气稳定度和逆温特征对PM2.5污染的影响

利用气象铁塔资料分析了逆温频率和强度,采用温差-风速法计算了天津地区大气稳定度,探讨了其相互关系及对PM_2.5浓度月均值和超标日的影响,并对一次重污染过程中大气稳定度和逆温分布特征进行了分析.结果表明,2015年9月~2017年8月A,B,C,D,E和F类大气稳定度发生频率依次为6.7%,11.4%,22.4%,46.1%,11.1%和2.2%,秋冬季节稳定类天气（E,F类）较多,全年白天各时段均以不稳定类大气为主,夜间大气稳定度以中性为主,秋冬季夜间稳定类高达30%~40%.观测期内冬季逆温频率最高,5：00~8：00和21：00~23：00超过90%,冬季逆温强度也最高.随着稳定类大气层结日数的增多,PM_2.5月均值和污染日数均有所增大,同时逐月PM_2.5均值、污染日发生频率均与逆温发生频率呈正相关关系.2016年12月16~21日的一次重污染天气过程显示,PM_2.5受到大气稳定度和逆温发展的影响,霾形成、雾-霾交替和消散等阶段大气稳定度和逆温特征具有显著的不同.大气持续趋于稳定及逆温强度的逐渐增大,对污染生成和维持起了非常重要的作用,污染过程中大气稳定度和逆温特征的精细化分析有助于提升重污染天气预报预警水平.     

北京地区大气消光特征及参数化研究

为了研究大气消光系数的特征及规律,从2013~2014年在北京地区对大气能见度、气溶胶质量浓度、气溶胶散射系数、黑碳质量浓度、反应性气体以及气象要素开展了系统加强观测,并对已发表的气溶胶光散射吸湿增长因子[f(RH)]拟合方案进行了对比,系统分析了大气消光特征和影响大气消光能力的关键因子,最终建立了大气消光系数参数化模型,探讨不同季节、不同污染条件下参数化方案的特征.结果表明,气溶胶散射作用占环境总消光作用的94%以上,在夏秋季,相对湿度可以使气溶胶的散射能力提升70%~80%.包含气溶胶质量浓度和相对湿度两个因子的参数化模型,可以较好地体现出气溶胶和相对湿度对大气消光系数的影响机制,以及消光能力的季节差异.     

西安市一次霾过程中气溶胶垂直分布特征及气象要素影响

为探讨西安市典型霾过程中的气溶胶垂直分布特征和气象要素影响,利用地面空气质量数据、CALIPSO卫星激光雷达资料以及气象要素资料,并结合HYSPLIT后向轨迹模式、天气形势分析、相关性分析等,对西安市2016年12月17-21日霾过程依据RH（相对湿度）进行干霾、湿霾和雾霾的划分,并分析不同阶段的气溶胶垂直分布特征.结果表明:前期干霾阶段,西北沙尘的输送使得高空气溶胶退偏比和色比较大,以沙尘型气溶胶为主;中期湿霾阶段,RH的增大使得低层细粒子增多,消光系数达1.7 km-1,以污染型气溶胶为主;后期干霾阶段时,低层大气中非球形粗粒子增多,以混合型气溶胶占主导.气象要素对霾过程影响较大,静风、高湿、"双逆温"效应不利于颗粒物的清除,逆温强度的变化与污染物的消长具有一定的滞后一致性.RH和ρ（PM）共同影响能见度变化,RH高于80%时,能见度由RH主导,相关系数达到-0.871;RH低于80%的污染阶段,ρ（PM）对能见度起主导作用,相关系数达0.85以上.研究显示,不同霾阶段气溶胶垂直分布特征差异较大,气象要素对霾过程的消长有重要影响.      

基于综合观测的中国中东部地区一次严重污染过程分析

利用寿县国家气候观象台GRIMM80颗粒物监测仪、Aurora3000浊度计等探测的气溶胶浓度、大气散射系数分析了2018年1月中国中东部地区发生的一次严重污染过程.利用Airda微波辐射计探测的近地层温湿廓线数据,结合地面常规气象观测资料及EC再分析资料,探讨了此次污染过程形成、短时消散及清除的气象原因.结果表明：与历史同期相比,500 hPa极涡较浅、经向环流减弱;850 hPa西南气流强盛,中低层水汽充足加剧污染.污染发生于冷空气间歇期.在此污染过程中,地面平均风速为1.5 m·s^-1,日均日照时数为0.1 h,相对湿度为91.2%,高湿、小风、多云寡照不利于污染水平扩散.1月18-22日边界层持续存在多层逆温,第一逆温层基本多为贴地逆温,逆温高度低于200 m,近地层大气比湿超过5 g·kg^-1,最大值高于7 g·kg^-1.在此期间出现两次空气质量短时段好转,这主要源于对流层中低层转为西北风,900 hPa以下聚集相当位温（Q_e）低于288 K的浅薄冷空气堆,导致贴地逆温层消失地面污染被稀释.但两次弱冷空气没有打破边界层内有利于污染聚集的逆温、高湿结构,地面气团温度露点差无明显变化.23日较强冷空气使高空干洁大气入侵近地层,850 hPa以下Q_e<284 K,表明地面污染气团被置换,污染过程结束.     

北京市MODIS气溶胶光学厚度与PM_(10)质量浓度的相关性分析

利用北京地区2012年1—12月NASA MODIS气溶胶光学厚度(AOD)和通过空气污染指数(API)转换得到的PM10质量浓度进行了相关性分析.结果发现,二者的直接相关程度较低,在引入季节变化的气溶胶标高且考虑了气溶胶的垂直分布后,进行标高订正,二者的相关系数有所提高;在考虑了湿度影响因子后,进行湿度订正,二者的相关系数显著提高;引入平均风速、平均气温和平均气压等气象因素,进行多元回归分析,相关系数进一步提高.证实了卫星遥感气溶胶光学厚度在经过垂直和湿度订正并考虑气象因素的情况下,可以作为监测北京地区颗粒物污染物地面分布的一个有效手段.     

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.     

淮北地区一次春季浮尘天气成因研究

利用激光气溶胶雷达和风廓线雷达,结合卫星遥感资料、地面气象要素资料、大气气溶胶浓度资料和HYSPLIT模型,研究了2017年5月5—8日淮北地区一次沙尘天气过程的特征.结果表明,2017年5月5—6日上午的浮尘(过程1)是由西北-华北地区的远距离输送所致,其中PM_(10)峰值浓度高达766μg·m~(-3),而6日下午—7日的浮尘(过程2)是冷空气回流所导致.外源输入、气象要素和垂直风场的变化为浮尘天气的发生和维持创造了有利条件,降水的出现使本次浮尘天气过程结束.激光气溶胶雷达可以有效监测此次浮尘天气的大气气溶胶消光系数的空间分布,能直观准确地反映出污染物的分布聚集情况以及时空变化,对大气污染监测具有重要意义.本研究还提出了适合江苏地区的浮尘客观判定方法,SO_2/PM_(10)、NO_2/PM_(10)以及PM_(2.5)/PM_(10)的比值可以有效判别浮尘天气.