利用偏振-米散射激光雷达研究广州一次浮尘天气过程

利用偏振-米散射激光雷达、颗粒物监测仪数据,结合风廓线等气象资料分析讨论了2012年3月25日广州浮尘天气气溶胶污染事件,通过气团后向轨迹分析了沙尘气溶胶的来源及路径.结果表明本次污染过程与我国西北地区大部沙尘暴产生的浮尘远距离输送有关;浮尘期间相对湿度迅速下降,测点PM10中PM2.5所占的比例在28%~31%之间,与广州地区以细粒子污染为特征不同,本次气溶胶污染事件主要是由粗粒子引起;影响近地面的沙尘层主要分布高度在1000~2000m区域;沙尘过境期间探测到气溶胶最大退偏比为0.34.     

新型垂直探测资料在污染天气分析中的应用

针对2017年1月上旬广州地区出现的一次持续时间长的重污染天气过程,基于地面观测资料、激光雷达、风廓线雷达和微波辐射计数据,从水平和垂直扩散条件2个方面分析了此次污染过程的形成和维持的原因.结果表明：（1）本次污染过程期间,广州地区地面风速基本为小于2m/s的偏北风,在300m高度以下普遍存在平均水平风速低于2.6m/s的小风层;污染前期640m高度内的各层回流指数廓线小于0.6,100m高度小于0.4,污染缓解后回流指数高于0.7.（2）地面PM_2.5浓度与逆温强度的相关系数为0.42,过程平均逆温厚度167m,平均逆温强度为1.08℃/100m;（3）PM_2.5浓度与边界层高度的相关系数为-0.56,清洁时段的平均边界层高度（876m）约为污染时段（620m）的1.4倍,过程最低边界层高度为267m;PM_2.5浓度与边界层通风量的相关系数为-0.61,清洁时段的平均边界层通风量（2538m²/s）约为污染时段（1136m²/s）的2.2倍,使用边界层通风量能更好表征大气污染的程度.     

成都冬季一次持续污染过程气象成因及气溶胶垂直结构和演变特征

基于气溶胶激光雷达观测和环境监测站污染物浓度数据、气象观测资料及HYSPLIT后向轨迹模式,分析了2017年12月中下旬,成都市一次本地积累和沙尘输送影响的持续污染过程中污染物浓度、污染物来源、天气系统和气溶胶消光系数的垂直分布及演变.结果表明:①此次污染过程持续时间长,根据气象条件和主要污染物种类,分为本地污染累积、北方沙尘输送和混合影响3个阶段.②本地污染积累阶段,消光系数垂直分布不均匀,受湿度、太阳辐照与逆温层等气象因子的影响,垂直结构变化较大.消光系数最大值多出现在250 m附近,此阶段退偏比数值很小.③沙尘影响阶段,消光系数较前期明显下降,高值区位于250 m及2 km处.退偏比显示沙尘粒子于29日午后开始逐渐抵达成都市2 km高空,并于夜间达到峰值.退偏比相较本地污染累积阶段明显增大,各时段退偏比结构类似,近地面数值略低于高空.④混合影响阶段,消光系数强度小幅回升,退偏比显示有部分沙尘粒子漂浮在1～2 km高度上.     

北京2013年1月连续强霾过程的污染特征及成因分析

以北京市2013年1月份连续灰霾天气中10~16日的强霾污染过程为例,利用MPL-4B型IDS系列微脉冲激光雷达观测资料由Fernald算法反演得到此次污染过程中气溶胶垂直分布特性,结合地面气象条件和天气形势分析污染原因,并讨论与气溶胶地面监测数据的符合性.结果表明:此次连续强霾过程污染严重,观测时段内89.4%的时间出现霾,39.8%的污染时段达到重度霾级别,其中大气地表消光系数与PM2.5浓度变化呈显著线性相关关系,相关系数达0.95.研究过程内,大气边界层在91%的时段低于500m,平均仅为293m,低边界层抑制了污染物的有效扩散;近地面垂向各高度的消光系数持续达到1.5km-1以上,对比气溶胶退偏比发现城市上空的大气强消光为气溶胶颗粒物和大气水分共同导致;气溶胶光学厚度(AOD,532nm)较大,有83.6%的时段超过1,且受相对湿度影响较大,相对湿度偏小时段的AOD值主要为气溶胶颗粒贡献,相对湿度较大时段,细颗粒物吸湿增长导致AOD受大气水分干扰显著.连续静稳的天气形势和区域污染是导致此次强霾发生和持续的主要原因,高湿天气则加剧了灰霾状况.     

石家庄市一次大气重污染过程的边界层特征和成因分析

针对石家庄市2015年12月5—14日出现的重污染过程,利用石家庄市逐日地基微波辐射计、风廓线雷达、地面气象观测资料以及同期的污染物观测资料,分析了重污染过程期间大气边界层温度、湿度、风变化特征及对PM_(2.5)的影响,采用Hysplit后向气团轨迹模式对污染来源进行分析。此次重污染以局地排放为主要形成源,期间冷空气势力弱,地面日平均风速均在1.5 m/s以下,日平均相对湿度均在70%以上,风速小、湿度大,稳定的大气环流形势为重污染提供了持续稳定的大气环境背景。逆温形成及快速增厚导致重污染开始,逆温层平均厚度为683 m,逆温层厚、强、不易消散,导致重污染持续时间长、污染重。近地面小风层厚(平均700 m左右),通风能力弱,导致污染物难以稀释扩散。同时近地层湿度大、厚度厚,使得PM_(2.5)更容易形成和积累,对重污染加重起到了促进作用。     

沈阳一次严重污染天气过程持续和增强气象条件分析

2015年11月7-9日沈阳出现罕见的持续严重污染天气,采用环流形势、地面常规气象观测、污染物浓度观测、风廓线雷达及雨滴谱资料等,对此次污染成因进行了研究.结果表明:在此次严重污染天气过程中,连续22 h AQI≥500,首要污染物均为PM_2.5,其异常峰值最高达到1308μg/m3;ρ（PM_2.5）与ρ（PM₁₀）、ρ（NO₂）和ρ（CO）的相关系数分别达到0.996、0.602、0.891,并且ρ（PM_2.5）与ρ（PM₁₀）、ρ（CO）的正相关性更为显著;在污染的同时出现了降水,11月7和8日的日降水量分别为9.9和2.3 mm,但降水对污染物的稀释和清除作用并不明显.稳定的大尺度环流和对流层内中低层大气层结持续稳定、连续4个时次的探空曲线显示925~850 hPa之间存在多个逆温层（逆温强度最大可达5℃）、相对湿度较大（日均相对湿度在75%以上）,是此次严重污染天气持续的有利气象条件.风廓线雷达探测的整层大气垂直速度很小,多介于-1~1 m/s之间,并且近地面2 m/s以下弱下沉的垂直速度为严重污染天气过程提供了较好的动力条件.此外,近地面风力可达3~4级,有利于上游污染物的水平输送.研究显示,此次严重污染天气过程还与外围秸秆集中燃烧所导致的大量污染物长距离输送有密切关联.      

基于地基雷达探究和田市一次沙尘污染过程

2022年5月新疆和田市遭遇了近5a来最强的一次沙尘暴天气侵袭,沙尘污染过程持续了一周.利用大气气溶胶激光雷达、环境监测站污染物浓度和近地面气象观测资料,分析了此次沙尘污染过程中颗粒物浓度变化、气溶胶光学信息垂直分布特征,并使用全球再分析资料得出本次污染天气的气象匹配形态,最后结合HYSPLIT后向轨迹模型解析过境期间气团的输送及潜在来源.结果表明:沙尘污染期间,PM_2.5和PM₁₀变化趋势较为一致且在垂直高度上存在非均一性,PM_2.5/PM₁₀均值为0.25,表明主要以粗颗粒物为主,风速与温度的增加、湿度的降低有利于促成污染天气的发生;沙尘污染期间出现了明显的气溶胶层,在垂直方向上有显著的波动性变化,沙尘发生当日消光系数、后向散射系数和退偏振比达到了本次过程最大值,分别为3.5km^-1、0.07km^-1·sr^-1和0.17;和田市在春季处于热低压场中,在西风背景环境与塔里木盆地周边地形阻挡下污染物难以稀释与扩散,沙尘气团长时间在此盘...     

我国中东部不同地区冬季颗粒物垂直分布的车载移动观测

利用中山大学环境气象综合观测车（载有3D可视型激光雷达、多普勒风廓线激光雷达、转动拉曼温廓线激光雷达）于2018年冬季在全国范围内（厦门-北京）的走航观测资料,对我国中东部不同地区和城市的边界层结构以及颗粒物分布特征进行了研究.结果表明：(1)在从南向北走航的过程中,边界层内各个高度的温度以及边界层高度呈下降趋势.(2)不同高度发生颗粒物污染的气象成因有所差别,其中1000 m高度左右发生颗粒物污染的主要成因是较高的水平风速将周围地区的颗粒物输送过来而导致;500 m及近地面附近发生颗粒物污染主要是由水平风速较小导致局地来源的颗粒物堆积以及上游地区颗粒物的输送两者共同作用.(3)逆温结构和上升气流会导致颗粒物在边界层顶堆积,而下沉气流使得颗粒物由在某一高度堆积扩散至整层均匀分布.     

多遥感设备联用在区域空气质量变化与边界层结构关系研究中的应用

为研究佛山地区空气质量变化与边界层结构的关系,2015年10-12月在佛山地区3个站点同步开展了多台风廓线雷达、激光雷达、微波辐射计联用的大气边界层结构观测实验.结果表明:风廓线雷达探测可获得平均风场垂直分布的连续变化,发现佛山地区风场垂直分层结构明显,空气污染与近地小风层厚度的相关性较强.激光雷达探测可获得颗粒物消光特性垂直分布的连续变化,发现佛山地区颗粒物消光特性与大气边界层结构有密切关系,空气质量指数(AQI)变化与颗粒物激光雷达探测反演的边界层高度相关性较高,相关系数为-0.58.微波辐射计探测可获得平均温度、相对湿度垂直分布的连续变化,逆温和相对湿度变化对边界层日变化及空气污染成因分析有较高的价值.通过多设备联合探测,可同时获得研究地区平均风场垂直分布特征、颗粒物浓度变化特征、逆温和相对湿度的变化特征.多设备联合探测,有利于区域空气质量变化与边界层结构关系机理研究,对区域空气质量变化的预测预报有重要作用.     

北京春季强沙尘过程前后的激光雷达观测

利用激光雷达、PM_2.5和地面气象要素等综合观测资料,分析了北京地区2012年3月30—31日的强沙尘过程前后的天气形势和PM_2.5的污染特征,反演了雷达探测期间得到的消光系数,探讨了沙尘过程中气溶胶的时空分布特征及输送特征. 结果表明:沙尘过境时,地面风速最大达到6m/s,沙尘沉降时ρ(PM_2.5)增至289μg/m3,相对湿度和能见度明显降低,大气低层逆温和近地面风速等气象条件对沙尘影响地面的时间和程度起到了重要作用;沙尘层雷达反演的气溶胶消光系数最大为0.96km-1,偏振比最大为0.4,近地面消光系数变化与地面ρ(PM_2.5)变化规律吻合较好,其探测可以精确反映不同天气形势下气溶胶的垂直结构和时空变化信息;高空输送至北京的沙尘以粗颗粒物为主,细粒子主要来源于本地及周边地区细粒子源;西北方向的内蒙及外蒙地区沙尘输送是导致此次北京强沙尘过程的主要原因.      

基于风廓线雷达对成都地区典型持续性重污染天气的研究

基于风廓线雷达数据、大气污染数据及气象数据对2017年12月17日—2018年1月3日成都地区的一次持续性重污染天气过程进行研究,并对两次污染物浓度爆发式增长阶段的污染原因及污染物来源进行了分析.结果表明:①在这次重污染天气过程中,风廓线雷达高精度的风场资料(包括水平风速、风向、垂直风速、大气折射率结构常数C■)配合其他气象要素在分析两个污染阶段污染物的累积及扩散、输送中可以发挥重要的作用,即当成都地区水平风场风速较小且风向多变时,此时受静稳型天气控制,污染物浓度会快速累积增长,而当出现较强的东北风时,可能会有沙尘污染物的输入,应注意沙尘天气的提前预警.垂直风场中垂直速度和大气折射率结构常数C■的变化往往影响着污染物浓度的变化,由于风廓线雷达具有较高的时间分辨率,因此,对污染天气过程的变化有一定的指示意义.②结合局地环流指数和边界层通风量,重新定义了一种适合成都地区风场特征的通风指数:有效通风量(EVI),从而表明第一阶段污染的主要原因是成都地区由静稳型天气控制,边界层内风场对污染物的稀释扩散能力差,导致污染物累积.③通过后向轨迹模拟并结合PM_(2.5)浓度数据进行聚类分析,认为第二阶段污染主要是东北方向携带有大量沙尘污染物的气团输送到成都地区导致的,与源于西北地区沙尘天气的沙尘输送密切相关.     

北京冬季一次重污染过程的污染特征及成因分析

为了研究北京冬季重污染过程的污染特征及形成原因,选取2013年1月9~15日一次典型重污染过程,对污染期间气象要素、大气颗粒物组分特征和天气背景场进行综合研究.结果表明,此次大气重污染过程中PM₁₀和PM_2.5平均质量浓度分别为347.7μg/m³和222.4μg/m³,均超过环境空气质量标准(GB3095-2012)中规定的日均二级浓度限值.重污染时段PM_2.5中NH₄⁺、NO₃^-和SO₄^2-质量浓度之和占PM_2.5质量浓度的44.0%,OC/EC的平均比值为5.44,说明二次无机离子和有机物对此次污染过程中PM_2.5贡献较大.稳定的大气环流背景场、高湿度低风速的地面气象条件和低而厚的逆温层导致北京地区大气层结稳定,加上北京三面环山的特殊地形结构,是造成此次大气重污染过程的主要原因.     

北京地区偏南风和偏东风条件下污染特征差异

为探究污染的控制风向特征差异及其长期演变趋势,对2014~2019年北京地区逐小时气象要素和PM_2.5浓度统计分析.结果表明,研究时段内北京地区67%的污染发生在偏南风和偏东风的控制下,且冬季最易出现污染,其次为春季和秋季,各自对应的冬、春、秋和夏季平均污染概率为45.2%、34.1%、32.1%和26.1%及47.0%、45.8%、39.7%和29.6%.北京偏南风频率更高,但偏东风下污染概率更大,污染差异在春季最明显11.7%（2.8%~18.6%）,冬季最小1.8%（-7.6%~13.9%）.过去6 a,偏南风和偏东风下的污染概率分别以每年4.6%~8.0%和5.5%~7.9%的速度降低,很大程度体现在中度及以上程度污染占比的减少.偏南风下污染发生时,能见度和混合层高度偏高、风速偏大、小时风速≥3 m ·s^-1的时次偏多、相对湿度和露点温度偏低,春季、夏季和秋季的PM_2.5平均、峰值和75%百分位浓度显著低于偏东风控制下的污染,而冬季PM_2.5浓度则偏高.这表明,污染发生时,偏南风下大气对污染物的承载和扩散能力略好于偏东风,且偏东风下大气含水量的增加有利于污染的维持和加重.而冬季,原有排放加上城市供暖的影响,偏南风输送的污染气团可能更有助于PM_2.5浓度的升高.此外,春季、夏季和秋季的污染逐渐向"偏东风型"发展,但冬季一直保持"偏南风型"污染.     

河北省涞水县大气颗粒物单颗粒分析表征及来源识别

为了解河北省涞水县颗粒物污染特征,采用单颗粒分析技术扫描电镜-X射线能谱法和气团后向轨迹分析技术对该县2015年3个典型污染时段〔即正常管控、严格管控（2015年阅兵期间）及发生严重颗粒物染污〕采集的7个大气颗粒物样品进行了分析表征和来源解析.共测量了1 506个粒径≥0.5 μm的单颗粒,其中粒径小于2.5 μm的颗粒占98%以上,测量结果揭示了细颗粒污染特征.结果表明:①碳质颗粒为主要颗粒物种类,其检出数目占比在90%以上.②非供暖期严格管控时段,当地居民日常生活产生的球形碳质颗粒检出数目占比最高.③非供暖期正常管控时段,机动车排放的碳质集合体颗粒检出数目占比最高,交通污染贡献最大.④供暖期球形碳质颗粒检出数目占比最高,含硫颗粒检出数目占比相对增加,燃煤的贡献最大.3个采样时段48 h气团后向轨迹分析结果表明,在空气质量良好、颗粒物污染水平较低的情况下,影响研究区域空气质量的主要是本地源;雾霾天气（处于严重颗粒物污染时段）时,西南方向外来源和本地源共同构成研究区域的颗粒物污染状态.      

2018年3月两会期间北京重污染过程边界层气象的演变分析

为研究北京冬季重污染过程的污染特征及成因,采用边界层风场、温/湿场和气溶胶垂直探测等雷达综合遥测手段,对2018年3月北京两会期间的一次典型重污染过程,从边界层气象要素演变进行综合研究.结果表明:①整个污染过程历时7 d,轻度以上污染时数达118 h（占污染过程总小时数的69.8%）,严重污染时数达16 h（占污染过程总小时数的9.5%）,ρ（PM_2.5）最高达333.5 μg/m3.②从气溶胶的垂直空间演变来看,重污染天气的形成,除受本地源排放积累的影响外,还存在北京南部和东部的外部污染传输.贴地或上部逆温的稳定温度层结基本上对应ρ（PM_2.5）的累积过程,其中,重污染时段逆温维持达68 h,逆温层厚度为500~1 100 m,最大平均逆温强度为0.6℃/（100 m）.大气边界层高度偏低（积累过程白天在1 000 m以下,夜间只有300~500 m）,导致污染物持续积累.整个污染过程中,高湿时段引起PM_2.5吸湿增长和转化加重了污染程度;近地层持续小风导致污染积累;西南、东或东南方向大风层（10 m/s左右）向低空下探,有利于污染的缓解;强西北风或北风作用,使污染得以清除.研究显示,污染过程与边界层气象要素的演变密切相关.      

2015年冬季京津冀两次重污染天气过程气象成因

为了分析京津冀地区2015年11月27日~12月1日和12月19日~25日这2次重污染过程,从环流形势、大气稳定度条件、动力条件、水汽条件、近地层风场输送等几个方面对重污染天气的形成机制展开分析,结果表明：这2次重污染天气过程均属于静稳型,津京冀各地重度以上污染时长均超过50%.在大范围静稳形势存在时,过程一期间边界层内的垂直扩散条件较过程二偏弱,过程一期间地面辐合线位置偏北且维持不动,过程二期间辐合线位置偏南且略微南北摆动,导致了2次过程重污染区域和污染增长速率的不同.对北京而言,过程一前期降雪融化提供了有利水汽条件,弱偏南风有利于污染物和水汽的输送,混合层高度持续异常偏低（京津冀平均混合层高度339m）、过程期间伴随弱下沉运动（0~2Pa/s）、多层逆温（且厚度大）造成日变化不明显,地面辐合线在北京中部维持等多重因素,使得污染浓度极高,北京地区PM_2.5峰值浓度达593mg/m³.过程二前期采取了减排措施,能见度和PM_2.5日变化大、污染发展较过程一前期平缓;后期不利气象条件叠加污染排放,导致了PM_2.5爆发式增长,其中邢台PM_2.5峰值浓度达70mg/m³,增长率超过7.2mg/（m³·h）.     

南京地区冬夏季大气重污染个例对比分析

本文研究了南京仙林地区在秸秆焚烧、逆温造成的大气污染的特征,分析了不同时期大气各成分的浓度变化.秸秆焚烧产生的大气污染事件中,颗粒物浓度上升最为显著,其中PM10的浓度最高可达0.65mg/m3,污染持续时间约36h.冬季污染期持续更长,但颗粒物峰值小于夏季,PM10浓度约在0.4mg/m3.根据Fernald方法反演得到的激光雷达消光系数计算不同高度AOD表明,秸秆焚烧造成的污染在空间上的分布较为均匀而冬季污染期近地表AOD的贡献超过40%.后向轨迹分析表明了污染期的气团在1500m高度的来源和1000m之下有差异,48h内的来源距离较短,近地表的大气质量受到周边地区的影响大,非污染期的气团垂直高度上性质较为均一,来源较为一致,来源距离较长.     

银川市冬季两次典型持续大气污染过程对比分析

为了探究边界层气象要素时空分布及其变化对银川市冬季持续污染天气过程污染物质量浓度变化的影响机制,利用2016年12月1日-2017年1月31日逐时空气质量以及地面和逐日定时探空气象观测数据,根据大气污染级别和过程持续时间,选取2016年12月9-21日（简称"1211过程"）和2016年12月29日-2017年1月9日（简称"1231过程"）为研究对象,采用统计和天气诊断相结合的方法,在分析比较银川市冬季两次典型持续污染过程演变特征及其与地面气象要素关系的基础上,探讨了大气环流、边界层要素变化对银川市冬季典型污染过程的可能影响机制.结果表明:①银川市冬季两次大气污染过程持续阶段,地面均以偏东或偏南风为主,风速较小,相对湿度较大,能见度较低;在污染清除阶段,地面风向转为西北或偏北风,风速较大,相对湿度较小,能见度较高.②当冬季欧亚大陆中纬度区域500 hPa高空盛行纬向气流,850 hPa高度上银川市受反气旋环流和暖温度脊控制,并且有弱暖平流从西南部向北输送时,银川市易出现静稳型持续污染天气.③冬季银川市持续大气污染过程中,ρ（PM_2.5）与风速呈负相关（R平均值为-0.326）,与相对湿度呈正相关（R平均值为0.688）,与能见度呈显著负相关（R平均值为-0.905）,与边界层高度呈较显著负相关（R平均值为-0.575）.④银川市冬季静稳型持续污染天气主要分为弱西北和平直西风气流型两种,弱西北气流型具有近地面层逆温弱,污染物积累慢,清除快的特征;平直西风气流型具有近地面层逆温强,污染物积累快,清除慢的特征.研究显示,冬季银川市上空500 hPa高度盛行纬向气流,地面主导风向为偏东或偏南风时,随着地面相对湿度增大、近地层风速减小、大气垂直上升运动减弱、边界层高度降低,大气中ρ（PM_2.5）将迅速升高,银川市易出现以PM_2.5为首要污染物的静稳型持续污染天气.