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.     

利用观测及UV日均法统计的广州霾日变化特征

利用广州5个地面观测站1961-2013年的天气现象观测资料,及1980-2013年相对湿度、能见度,采用观测法及UV日均法,分析了2种霾日数统计方法下,广州年霾日时空特征和变化。结果表明:观测霾日及UV日均法计算霾日得到的灰霾影响区较一致,广州中心城区为多灰霾区;年平均观测霾日及年平均计算霾日分别以18.8和10.0 d/10 a的速率显著增加,变化趋势一致,但观测霾日的上升速率要明显大于计算霾日;观测霾日与计算霾日的年序列均在20世纪80年代中期左右发生增加的突变。5个站的年观测霾日的长期趋势变化均为一致的显著增加,但计算霾日长期趋势变化有明显的空间差异,花都、增城显著增加,而广州为减少趋势。各单站计算霾日也均大于观测霾日。     

2013年12月初长江三角洲及周边地区重霾污染的数值模拟

运用WRF-CMAQ模型模拟了2013年12月1~9日长江三角洲及周边地区的一次重霾污染过程.初步探究灰霾天气下大气细颗粒物(PM2.5)的时空分布特征和区域输送过程,并定量研究了外部源区域输送和本地源对长江三角洲地区PM2.5的贡献.结果表明:模式能够合理再现灰霾天气下长江三角洲及周边地区PM2.5的时空分布特征和演变规律.静稳天气下大气细颗粒物仍然存在着显著的区域输送.污染期间来自安徽、山东南部、苏北地区的跨界输送对长江三角洲区域PM2.5的贡献率分别为3.5%~24.9%、0.14%~30.0%、0.03%~17.5%.整个污染期间本地贡献占49%左右,本地贡献和外地贡献基本相当.     

1960~2013年华南地区霾污染的时空变化及其与关键气候因子的关系

利用线性回归、聚类分析及相关分析等统计方法对华南地区57个地面气象站的观测资料进行分析,探究近54年华南地区霾日数的时空变化特征及其气候成因.结果表明,年平均霾日数大值区主要分布在广东珠江三角洲(珠三角)地区和广西中东部.54年来霾日数呈现显著的上升趋势,而2008年后有所下降.霾日数的季节变化表现为冬季最多,其次是秋季和春季,夏季最少.2008年以后春、夏、秋3季霾日数有所下降,而冬季仍维持在较高水平.不同等级霾日数在近54年来均有不同程度的上升,霾污染不仅在日数上有明显的增加趋势,而且污染强度在加强.不同地区霾日数的快速增长时期不一样,污染严重和正常污染地区发生在20世纪90年代,而相对清洁地区发生在2000年以后.另外近10年污染严重和正常污染地区霾日数有所下降,但相对清洁地区仍维持快速的增长趋势.近54年华南地区年降水日数、年平均风速、大风日数和年小风日数等气候因子变化结果致使气溶胶粒子的湿沉降减弱,污染物扩散能力下降,霾天气生成概率增加.     

基于多卫星遥感的东北地区霾污染时空特征研究

利用多卫星(MODIS、CALIPSO、VIIRS)观测的气溶胶产品、地面空气质量监测数据和气象资料,获取了东北地区2006—2015年期间气溶胶光学厚度(AOD)的季节和年际变化特征,并对2014年10月14日东北地区一次典型重霾污染过程的特征及其潜在传输路径进行了深入讨论.研究结果显示,自2008年起东北地区灰霾污染范围扩大且污染程度加剧,呈带状空间分布(营口-长春-哈尔滨);区域内AOD值呈春、秋和冬季高,夏季低的时间变化特征.采用CALIPSO星载激光雷达数据与MODIS、VIIRS卫星获取的AOD开展综合分析,可有效弥补MODIS、VIIRS卫星因冬季积雪亮地表干扰所产生的AOD缺省区域,增强对长期积雪覆盖地区霾污染的时空特征分析能力.与反映霾污染空间分布范围更广的VIIRS卫星相比,MODIS卫星AOD值与东北地区地面观测获取的AQI、PM10和PM2.5相关系数更高,分别为0.89、0.73和0.83.进一步研究结果显示,秋末冬初东北地区的霾污染事件与农作物秸秆焚烧有关,同时,华北地区灰霾污染可跨越渤海湾传输至东北地区,进一步形成更大尺度的带状区域污染.     

不同判别方法下四川霾日的气候变化特征

根据近34年(1981—2014年)156个四川地面站的地面观测资料,对比分析了在3种霾日判别方法下霾日的空间分布、季节变化、年代际变化特征以及气候趋势系数的分布特征.利用Morlet小波分析法比较了霾日的周期变化特点.结果表明:1原始观测霾日集中于四川盆地的北部;方法一霾日集中于盆地中南部和东部;方法二霾日集中于盆地地区,无代表高值区;方法三分布类似于方法一.2在季节变化上:不同判别方法下霾日的季节变化类似,秋冬霾日多于春夏.3霾日年代际变化明显.原始观测霾日2013年始出现突增;方法二霾日从2001年始有明显增长;方法一与方法三的年代际变化特征相似.4气候趋势系数上:原始观测变化特征不明显;方法一的系数呈现出南北反向变化;方法二与方法一的分布相似;方法三中系数的正负值区较为集中.5小波变化上:原始观测中霾日无明显周期变化,判别方法一、二、三均有各自的周期变化特点.     

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.     

2012年广州典型灰霾过程个例分析

针对2012年珠江三角洲地区出现的2个典型灰霾个例(3月18~21日,10月13~15日),利用广州番禺大气成分综合观测基地的同期观测资料集,包括:能见度(VIS)、大气颗粒物质量浓度(PM10/PM2.5/PM1)、黑碳浓度(BC)等观测数据,分析过程中的气溶胶物理光学特征;配合过程的天气类型,气象要素和后向气流轨迹等对过程的成因进行综合分析.结果表明:在两个典型灰霾过程中,番禺日均能见度低至5.3km,黑碳浓度小时均值最高达19.0μg/m3、PM2.5浓度小时均值最高达163.0μg/m3,细粒子与黑碳粒子污染特征较为明显.两次典型灰霾过程分别受到冷锋前-均压场-冷锋前天气形势和台风外围-准均压场-冷锋前天气类型等不利于污染物输送扩散的气象条件影响.珠江三角洲地区低能见度的霾天气主要发生在高相对湿度的条件下,并可推断在珠江三角洲地区湿季的气溶胶吸湿能力明显高于干季.     

珠江三角洲典型灰霾过程的边界层特征

2014年1月初珠江三角洲(以下简称珠三角)地区出现严重的灰霾天气.利用广东省城市空气质量资料、中国气象局番禺大气成分站逐时PM10、PM2.5、PM1以及能见度数据、广东省946个自动站风向风速数据、广州基本站风向风速数据、2013~2014年东莞佛山大气边界层观测试验资料等,研究了珠三角2014年1月1~8日典型灰霾过程的边界层特征.结果表明:大陆冷高压变性出海是这次灰霾过程发生的主要天气系统.其使得珠三角地区受静稳天气控制,造成微风或静风状况以及低的边界层和逆温结构;6日珠三角主要城市空气质量呈现不同的变化,其原因主要是区域内风向的变化,5日上午珠三角为弱的偏北风,整个珠三角都为灰霾天气,而5日下午风向由偏北风转为偏南风,珠三角东南部地区空气质量改善,北部(内陆)地区的空气质量恶化;后向轨迹分析发现所有气流呈明显下沉作用,且5日20:00的后向轨迹簇来自陆面,6日20:00的后向轨迹簇来自海面,两者对珠三角的空气质量具有不同的影响.     

近50年华中地区霾污染的特征

基于1962~2011年霾日观测资料,使用线性回归、聚类分析及相关分析等统计方法分析了近50年华中地区霾污染的时空变化特征及其成因.结果表明,华中地区的霾高发中心位于河南中北部、湖北中西部和湖南中部人口集中的气溶胶浓度高值区,其中霾日数最多的站点为河南新乡,年均达到79.1d.霾的季节性变化表现为冬季霾日数最多,夏季最少,霾污染是典型的冬季大气环境事件.但随着近年春夏秋三季霾日的增加,华中地区霾污染的季节性差异减小.城市地区是华中霾污染严重的区域.近50年污染地区霾发生频率增多,而相对清洁地区霾污染发生频率减少.华中地区大气环境呈现出两极分化的变化特征.近50年来华中地区霾日增加受人为污染物排放加强和东亚季风减弱的共同影响.     

东北地区近50年来霾天气气候特征

利用东北地区194个地面气象观测站的1961~2013年观测资料,对东北地区霾日及不同等级霾日的空间分布特征和时间演变规律进行分析.结果表明:东北地区霾日空间分布差异显著,辽宁中部和黑龙江中北部霾日相对较多,年平均霾日超过50d,吉林西部地区霾日最少,年平均霾日不超过2d,不同等级的霾日日数空间分布与总霾日日数基本一致;东北地区霾日主要集中在冬季,占全年霾日57.9%,秋季次之,春季最少;1961~2103年东北地区平均霾日呈显著增加趋势(2.9d/10a),其中1981~2000年时段增加最为显著,轻微霾日、轻度霾日、中度霾日和重度霾日均呈增加趋势,但轻度霾日、中度霾日和重度霾日21世纪以来较80年代略有减少.     

2014~2017年北京城区霾污染态势及潜在来源

统计分析2014~2017年北京城区霾污染发生情况,利用HYSPLIT模式对4年内气流来向进行聚类计算,识别区域内的主要污染传输通道和潜在污染源区分布及变化.结果显示,研究期间北京市城区空气质量状况整体呈改善趋势,灰霾时发生率从2014年的50.6%降至2017年33.7%,灰霾日数由165d降至78d,每年10月到次年采暖结束的3月灰霾发生较为集中.不同强度霾发生频率逐年下降,秋、冬季灰霾发生频率及污染强度均逐步降低.冀东南平原区、太行山东麓以及燕山南麓沿线为京津冀地区的3条主要污染传输通道,传输高度均在近地1000m内,期间通道轨迹对应北京城区PM_2.5平均达124.1μg/m³,其出现频率在2014~2017年逐年减小,并且各年当中同类轨迹所对应的北京PM_2.5均呈逐年下降趋势.北京城区PM_2.5的主要潜在源区从华北平原和渤海天津港区域逐渐缩小至冀中南和鲁西北地区,且传输通道区域污染贡献率逐年降低,有利的天气形势和人为的区域减排是近年空气质量改善的2大主因.     

1980~2012年江苏省城市霾日的时空分布及成因分析

利用1980~2012年江苏省气象观测资料,对江苏省城市霾时空分布及成因进行了分析.结果表明,1980~2012年江苏省霾日增加,重度和中度霾增加显著,苏北和沿海城市霾日增加显著.秋季和冬季霾日最多,夏季最少.秋、冬季霾主要在内陆,沿海略少.除苏南三城市,6月其他城市霾日都比较多.80年代霾日较为均匀,90年代苏南、苏西南增加,2000年代江淮之间和苏北增加,2010~2012年苏北霾日增加显著,苏南地区霾日略有减少.全省连续性霾日、区域性霾日及连续性区域霾都呈增加趋势.城市建成区面积逐年扩大、由工业及汽车尾气排放的污染物逐年增加,导致区域气温升高、空气相对湿度下降,形成城市热岛和干岛效应,加上污染物的增多,增强了霾形成和维持的条件,持续性霾、区域性霾和持续性区域霾也增加较为显著.     

安徽省持续性区域霾污染的时空分布特征

根据天气和气候特征,将安徽省分为沿淮淮北、江淮之间和沿江江南3个子区,并定义了持续性区域性霾过程.基于气象、环保及遥感资料,分析了安徽省持续性区域性霾过程及相应的气溶胶污染的时空分布特征.结果表明,江淮之间和沿江江南区域性霾日数自1980年开始总体呈增多趋势,沿淮淮北2000年开始增加趋势明显;1980年以来,城市持续性霾过程呈增多趋势,但城市之间差异较大;2000年之后持续性区域性霾过程明显增多,最长过程可达10d以上.62%以上的持续性区域性霾过程出现在冬季;江淮之间次数最多,沿江江南次数最少.区域性霾天气常对应着大范围的高湿、小风情况,并伴随着高浓度气溶胶污染,其光学厚度大于0.9,约是晴空天的2.3倍,气溶胶主要集中在400m以下,如近地面区域性霾天的消光系数是普通霾天的2~2.5倍,晴空天的3~5倍;地面PM_2.5污染而言,区域性霾天至少有一个或以上的城市AQI会达到轻度以上污染等级的概率超过了75%.     

近35年广东省区域灰霾天气过程的变化特征及突变分析

利用广东省86个地面观测站1980～2014年逐日能见度、相对湿度资料,在对“区域灰霾过程”与“单站灰霾过程”进行定义的基础上,分区域诊断典型灰霾天气过程（即连续三站3d及以上出现灰霾日的天气过程）,并对其长期变化趋势及特征进行分析.结果表明：广东省的灰霾过程主要出现在珠江三角洲、粤北及粤东个别地区,并以珠江口以西的珠江三角西侧最为严重.“区域灰霾过程”以日平均能见度在5～10km之间的过程为主,没有出现过日平均能见度低于2km的重度灰霾过程.各“区域灰霾过程”的特征有所差异：首先是各“区域灰霾过程”出现峰值的时间略有差异.尽管灰霾过程均主要出现在10月～翌年4月,但粤北和粤东、西两翼最多出现在冬季（12月～翌年1月）、春季次之,而珠江三角洲地区则最多出现在春季（3～4月）、冬季次之.其次是各“区域灰霾过程”变化趋势的差异.珠江三角洲地区和粤北地区灰霾过程变化趋势比较相似,在2008年以前总体呈增多趋势,珠江三角洲地区增势最为显著的时段是2000～2008年,而粤北地区则是1991～2011年;粤西地区灰霾过程在2000年以前变化都比较平稳,2004年开始快速增多;粤东地区的灰霾过程近35年来虽有小的波动,但总体变化不大,呈稳中略减的趋势.利用M-K法和滑动t检验的突变分析表明,珠江三角洲地区灰霾过程的增多是一种不连续的突变现象,发生突变的时间点是1986年;粤北地区灰霾过程则在1992～1994年出现了突发性增多的现象;粤西地区灰霾过程也在2001年发生了突变.     

重度雾霾环境下篮球运动对人体心肺机能的影响研究

雾霾一直是影响人体健康的始作俑者之一,重度雾霾环境下人体的各项机能均会下降,甚至衰竭。针对重度雾霾环境下篮球运动对人体心肺机能的影响开展下列研究:对雾霾天气形成因素进行详细研究,经研究发现在城市中,有毒的颗粒物主要来源于汽车尾气、北方抵御冬季供暖生成的废气、工业生产中排放的气体、建筑工地与马路交通生成的扬尘等方面,特别是在长三角和珠三角地区,每年出现雾霾的天数要在100天以上,且个别城市超过了200天;将雾霾环境下篮球运动对人体心肺机能的影响划分为:易导致呼吸道及肺组织交叉感染、易导致慢性阻塞性的肺部疾病、易导致肺癌三大模块,并对形成的原因进行详细阐述。     

1960~2012年长江三角洲地区雾日与霾日的气候特征及其影响因素

利用1960~2012年长江三角洲地区气象观测资料,对长江三角洲区域雾和霾的时空分布及其影响因素进行了分析.结果表明:长江三角洲地区雾、霾分布不均匀,雾日大值区主要分布在江苏省盐城中部沿海地区、安徽省黄山地区、浙江东部沿海地区,霾日大值区主要分布在以南京、杭州、合肥、衢州为中心的周边城市.时间变化上,城市化水平高的大城市年雾日数在20世纪80年代之前呈增加趋势,之后呈减少趋势;城市化水平低的小城市年雾日数也呈先升后降的趋势,但下降时间滞后于大城市.大城市雾日月平均分布冬季最多,春秋季次之,夏季最少,小城市雾日月平均分布呈双峰型特征,即春季和冬季较多.大城市和小城市年平均霾日数一直呈增加趋势且20世纪90年代之后差距变大.区域气候变化和城市化导致的温度上升,空气污染加剧导致的气溶胶增加,是造成长江三角洲雾日、霾日不同变化特征的原因,但它们之间的相互作用效应复杂,值得深入研究.     

2014~2017北京市气象条件和人为排放变化对空气质量改善的贡献评估

2014～2017年北京地区霾日数和污染日数逐年减少,PM_(2.5)、PM_(10)、SO_2和NO_2年平均质量浓度下降,污染程度缓解,采暖期中的11～12月尤为明显.针对空气质量的显著改善,从气象条件的改善和减排措施两方面进行探讨分析,并结合数值模式和大数据挖掘技术实现气象和排放对大气污染贡献率的定量化研究.结果表明,2017年与过去3 a相比,平均风速增加7. 9%,≥3. 4 m·s~(-1)的风速频次最高(10. 6%),≥70%湿度日占比最小(25. 1%);其中,采暖期与过去3 a同期相比,小风日数减少8. 6%、大气环境容量指数和通风指数平均增加约11%,边界层高度以3. 2%·a~(-1)的速率升高,尤其11～12月各要素改善更显著,且该时段内2014年各因子变化与2017年相似.非采暖期(4～10月)累积降水量558. 3 mm,仅次于2016年,有利于污染物的清除和湿沉降.利用WRF-CHEM对霾和污染频发的12月进行模拟发现,气象要素的改变导致2017年12月北京PM_(2.5)质量浓度较2014～2016年同期分别降低5%、38%和25%.因缺少政府实际施行的减排方案,无法利用WRF-CHEM量化气象和减排的具体贡献率,因此借助大数据挖掘算法,基于K近邻算法(KNN)和支持向量机(SVM)模型对气象和减排对空气质量改善的贡献进行评估,结果显示2017年减少的霾日和重污染日,65. 0%归因于减排的贡献,35. 0%归因为气象条件的改善.可见,气象与生态环境部门应继续加强数据开放共享,科学开展气象条件预报与减排评估.     

增加绿化面积减少沈阳灰霾的应用研究

通过对气候变暖和沈阳城市的发展造成沈阳城市热岛增强并加重大气污染的现状分析,提出通过增加绿化面积等措施,可将沈阳的灰霾日数控制在每年60d左右,还能够降低城市温度,增加空气湿度,提高人体舒适度并促进经济发展。