一次冷锋过程中我国区域空气污染边界层特征

利用常规地面气象和探空资料、ERA-interim再分析资料、以及全国PM_2.5浓度数据,针对2015年3月7~11日一次冷空气南下的锋面天气过程中,我国华北、华东地区出现的大范围空气污染,开展了高空各层天气形势分析,以及本次过程中污染区域由北至南6个城市（北京、章丘、郑州、南阳、武汉、长沙）边界层气象要素的垂直结构及其时空演变特征的研究.结果表明：在污染前期（3月7~8日）中高纬度500hPa平直的纬向环流和地面均压场,为污染天气的发生和维持以及空气污染物的集聚提供了有利的环流场.污染中期（3月8~10日）冷空气南下,地面冷高压向华东地区移动,重污染区域随冷高压前部的弱低压场或均压场由北向南移动.伴随着天气系统移动,六个地面观测站的边界层特征在时空上表现出相似性,由北向南各站在污染期间先后出现多层逆温,风速较小,逆温层下相对湿度较大.此次多层逆温的形成是由于夜间近地面辐射冷却、冷锋移动过程中产生的锋面逆温以及边界层以上的下沉运动造成的.本研究揭示了在天气系统移动中,位于天气系统相同部位站点的边界层结构具有共同的特征,及其与空气污染的关系.     

不同天气型下武汉城市圈PM2.5污染及大气层结特征分析

利用2015—2019年PM_2.5和气象要素观测资料、NCEP和ERA5再分析资料,分析不同天气型下武汉城市圈PM_2.5区域污染时空分布、天气尺度环流和大气层结特征.结果表明,城市圈污染以武汉为中心,多为轻度-中度污染,西部重于东部.造成武汉城市圈区域污染增长的天气形势包括4类,分别为冷高压底前部型、高压后部型、均压场型和低压倒槽型.4类污染天气型均有较低的混合层高度和地表通风系数,且边界层 存在弱下沉运动和逆温,抑制污染垂直扩散.但气象要素影响PM_2.5污染的机理各异：冷高压底前部型主要为大气压梯度引导偏北大风带来 污染物远程输送,边界层冷平流导致低温、锋面逆温和浅薄高湿层（65%~80%）,强输入性污染配合吸湿性累积增长造成严重污染,逆温厚度对PM_2.5增幅作用明显;低压倒槽型东南风输入污染弱,但高温、低压引起气流辐合导致本地污染汇积,边界层暖平流带来平流逆温和深厚湿层（1000~750 hPa）,逆温层底高偏低、厚度偏厚,促进污染物在近地面吸湿增长;高压后部和均压场型均为浅薄湿层（1000~975 hPa）、湿度中等（56%~75%）,污染物吸湿增长相对较弱,高压后部型主要为偏东风短程输入污染为主;均压场型则为小风静稳天气,多晴空辐射逆温,逆温 强度大,大气扩散能力差,污染主要为弱北风的输入和本地累积.     

中国东部冷锋推进中的PM2.5三维结构变化特征

利用观测资料和中尺度天气-化学模式（WRF-Chem）对一次冷锋南下天气过程导致的我国东部大范围空气污染开展研究,强调了冷锋过境前后的边界层结构及其对PM_2.5三维结构和变化的影响.观测发现,地面重污染区域位于冷锋前部均压场或等压线稀疏区域,在冷锋由北向南快速移动过程中,途经各站点PM_2.5浓度峰值伴随锋前而至.WRF-Chem模式可以较好地模拟中国东部地面和高空气象要素以及PM_2.5浓度的时空变化.模拟结果表明,处于该移动冷锋天气系统相同位置的沿途各站点的边界层结构以及PM_2.5垂直廓线表现出相似的特征.即:当冷锋开始入侵时,锋前污染物从地面被抬升到高空,PM_2.5浓度的增加和高空风速的增大导致高空PM_2.5通量增大,且PM_2.5浓度高值区随着高度升高向暖气团一侧倾斜.夜间冷锋过境引发边界层内对流性不稳定增加,边界层高度可达1 km以上,打破了边界层昼夜演变特征.本研究表明,垂直观测和精细模拟的结合可以有效地解释天气过程对空气污染的...     

南京1月不同气象条件对大气环境影响比对研究

随着经济的快速发展和城市群的迅速增加,长三角地区大气污染愈发严重。该研究利用大气污染和卫星观测资料,并结合气象资料,对长三角西部典型城市南京两年1月份的大气污染特征和典型污染日进行比对分析。结果表明,风向、风速、相对湿度等气象条件是影响2 a重污染日频次不同的重要原因;除了冷空气南下型,冷锋前型、冷高压后部型、冷高压控制型、均压场型和倒槽暖区型均有利于重污染天气的形成。相对于2014年1月,2013年受冷高压影响更加深入,在冷高压控制下达到的严重污染日更多。高空大气环流形势、地面风场、近地面垂直速度ω、逆温层高度与厚度的不同,以及近地面是否有湿层出现,均是造成不同污染过程程度差异的主要原因;冬季1月污染爆发时,混合层高度与PM_(2.5)的质量浓度呈现负相关关系。     

基于无人机探空和数值模拟天津一次重污染过程分析

污染发生在边界层中,边界层热力和动力垂直结构对重污染天气形成有显著影响.本文基于无人机探空、地基遥感观测和数值模式,开展天津地区2019年1月10~15日重污染过程期间边界层垂直结构及污染成因分析,以期加强北方沿海城市边界层过程对重污染影响规律认知,提升重污染天气预报预警准确率.结果表明：大气温度层结对重污染天气形成、持续和消散有显著影响,此次过程伴随逆温层的发展和消散,PM_2.5高浓度区白天向大气上层发展,高度可达300 m以上,夜间向近地面压缩,高度在100 m左右;雾天气出现并在白天维持,改变了边界层垂直结构特征,雾顶逆温的持续存在抑制了污染物向大气上层扩散,使得白天湍流垂直混合过程贡献明显下降,导致近地面重污染天气维持和发展;过程期间区域输送贡献率为66.6%,边界层垂直结构与重污染天气区域输送密切相关,区域污染物输送高度主要出现在边界层顶部以及雾顶逆温层以上的大风速层处,且随着边界层和雾顶抬升高度的变化,通过下沉运动影响地面,形成北部弱高压天气控制下静稳天气区域输送;边界层垂直结构影响冷空气对空气质量的改善效果,S3阶段雾顶的强逆温导致冷空气无法通过湍流切应力传导到地面,在高低空存在明显的风速差,冷空气影响地面时间延后,作用减弱,重污染天气无法彻底缓解.     

稳定天气形势下京津冀和长三角地区重度污染过程气象成因解析

基于空气质量数据、天气图、常规地面气象观测数据、秒探空资料以及高分辨率的降水数据，剖析了2015年12月19—27日发生在我国东部地区的一次大范围重度污染过程的特征及成因.结果表明，此次污染过程中，我国东部地区主要受到东路冷高压、均压场以及西路冷高压的影响，在东路冷空气及均压场的影响下，BTH（Beijing-Tianjin-Hebei）地区污染物不断累积，西路冷空气影响下污染物浓度开始降低，YRD（Yangtze River Delta）地区在稳定的均压场下污染物不断累积.污染期间，BTH及YRD近地层均有逆温现象发生，且逆温层越厚、强度越大，污染越重.此外，较低的近地面风速、较高的相对湿度，亦不利于污染物的扩散稀释，导致此次重度污染事件的发生和持续.YRD地区在重度污染发生时，有降水现象发生，导致YRD地区PM_2.5浓度呈现波动性变化.     

2016年12月江苏省两次连续污染过程气象条件对比分析

利用地面常规气象观测资料、NCEP（National Centers for Environmental Prediction）再分析资料、AQI（空气质量指数）、ρ（PM_2.5）、ρ（PM₁₀）等大气环境监测数据,对2016年12月江苏省连续出现的两次大范围大气污染过程进行了对比分析.结果表明:这两次连续污染天气过程可分为颗粒物积聚-清除-再积聚-彻底清除4个阶段,相应地,地面形势表现为均压场-低压倒槽-西路冷空气-东路冷空气.第1次污染天气形成和维持主要是长时间受均压场控制、近地层逆温和高相对湿度有利于颗粒物积聚;第2次污染天气形成和维持主要是因西路冷空气南下、上游重污染地区颗粒物随冷空气向江苏省输送.持续降水和持续2.0 m/s以上偏东风对大气中颗粒物有较明显的清除作用.淮北西部垂直、水平扩散条件差、降水清除时间短,导致该地区在全省污染等级最严重、持续时间最长.西路冷空气影响期间,各站颗粒物质量浓度转为快速上升,东部地区在偏西风持续49~58 h后空气质量改善为良,中西部地区无法得到有效改善;东路冷空气影响7~22 h后,中西部地区空气质量转为良,高压底部持续偏东风使全省颗粒物得到彻底清除,连续污染天气结束.研究显示,西路弱冷空气的输送会加剧江苏省的污染程度,持续较长时间的东路冷空气则可以改善江苏省的空气质量.      

2012年-2013年常州市PM2.5空气污染气象条件及天气形势特征分析研究

利用2012年-2013年常州市大气监测资料、2009年-2013年NECP再分析气象资料和日降水资料,对近两年常州市空气污染特征及其与气象条件的关系进行分析.结果表明2013年常州市污染事件相比2012年具有发生频率高、持续时间长和程度重等特点.造成污染天气异常偏多的气象条件是有效降水日异常减少,反映区域混合型PM2.5污染的地面系统不利扩散特征在2013年表现突出,污染高发期地面均压场范围扩大,对流层整层有异常抑制上升作用.典型PM2.5污染个例分析表明重污染天气尺度形势特征主要体现在高压型和冷空气外部输送型,其次为低压和均压场型.     

京津冀区域典型重污染过程与反馈效应研究

以京津冀地区2014年10月5~12日一次重污染过程为例,采用飞机AMDAR数据和WRF-Chem模式,分析了大气边界层垂直结构与PM_2.5的时空演变规律,定量研究了气溶胶直接反馈效应对多种气象要素的影响.结果表明：此次重污染过程地域范围广、持续时间长、影响强度大,PM_2.5污染呈带状分布,主要受地面均压场和高空纬向环流形成稳定的大气环流背景场、垂直层风场及逆温共同影响.气溶胶直接反馈效应导致京津冀地区整个时段太阳辐射量降低39.80W/m²,气温下降0.34℃,边界层高度降低36.64m,相对湿度升高0.90%.反馈效应南部地区较北部更显著,污染日强于平均时段和清洁天,气溶胶的辐射反馈作用使得各气象要素均呈现不利于污染物扩散的趋势,造成气溶胶聚集区PM_2.5浓度进一步增加.     

基于异常天气分析法探究四川盆地冬季大气污染的气象成因

以四川盆地冬季大气污染的气象成因为主要研究对象,采用异常天气分析方法,利用2014年3月—2019年2月四川盆地环境与气象观测站点的监测资料,探究2014—2018年冬季四川盆地细颗粒物(PM_(2.5))浓度的时空分布特征,并结合对气候平均状态下大气环境形势的分析,研究大尺度大气环流异常与四川盆地冬季PM_(2.5)污染之间的响应关系。结果表明:2014—2018年冬季四川盆地PM_(2.5)中度以上污染的天数呈波动式下降特征,高浓度的PM_(2.5)污染主要集中在盆地西南部及东北部城市群;2014年和2016年冬季四川盆地上空500 hPa暖高压偏暖偏强,近地面附近存在"距平逆温",低空盛行偏南风,天气形势静稳,大气污染物不易扩散,促发PM_(2.5)重污染的形成;近五年四川盆地冬季大气空气质量较好时主要对应两种大气环流形势,一种为500 hPa高空受冷低压的影响,盆地上空冷空气活跃,对流增强易产生降水,另一种为受500 hPa冷高压的控制,700 hPa高空盛行北风带来干冷空气南下,这两种环流形势均有利于大气污染物的扩散和清除。     

初冬一次冷锋输送过程对中国东部霾天气的影响

利用常规地面气象资料、NCEP/NCAR再分析资料以及全国PM_2.5浓度数据,并结合后向轨迹、空气污染输送指数和传输通量分析,针对2019年12月10~11日一次冷锋输送造成我国中东部地区出现的大范围霾天气过程进行了分析.结果表明：（1）霾期间高空500hPa以经向环流为主,伴随着高空低压槽引导地面冷锋向东南方向移动,污染物浓度大值区也依次由华北地区移至黄淮、江淮地区.（2）冷锋过境前,华北至长江三角洲区域PM_2.5浓度均有明显增涨;北京以偏南方向的污染物输入为主,济南以西北和偏东方向输入为主,南京则主要是偏北和偏西方向的输入.（3）冷锋过境时,冷空气迅速将北京站的污染物清除;而济南站则受高压底部偏东风回流的影响,PM_2.5浓度维持在50μg/m³左右;冷锋推进至南京站时西北风已较小,对污染物的清除作用不明显.以江苏省为例,整个过程中,江苏本地污染物贡献占25.8%,江苏以外的污染物贡献占74.2%,以输送为主.（4）冷锋过境后,3站的边界层结构也略有不同,北京站的逆温层迅速被打破;济南站由于受海上暖湿平流影响,近地面由等温层变成逆温层;而南京站的近地面则由逆温层变为等温层.本研究揭示了在冷锋南下过程中,上游污染物对下游地区的影响,以及南北方站点表现出不同的污染物变化和清除特征.     

基于多源观测资料的海峡西岸城市春季颗粒物污染研究

以海西区沿海城市为研究对象,重点分析了厦门地区2017年春季大气颗粒物污染过程中边界层要素演变及颗粒物水平和垂直分布特征,并利用地面观测数据、气溶胶激光雷达、卫星遥感分析等多源观测资料,探讨了3月1—2日颗粒物污染过程.研究表明,海西区颗粒物污染过程中,暖区条件下静稳小风和高温高湿条件有利于局地细颗粒物的吸湿增长,细颗粒物占比较高,而在受冷锋南下影响下东北大风和高湿条件下,粗颗粒占比较高;海西区沿海各城市的细颗粒污染趋势基本一致,而粗颗粒污染峰值在沿海城市由北向南依次出现,表现出显著的向南传输的特征;海西区细颗粒污染主要集中在近地面层,受人为源排放累积影响,粗颗粒则是由外源输入,并沉降至近地面附近;冷空气南下过程中,在由锋前暖区的静稳条件向冷锋过境转变时,气溶胶污染由局地累积向区域传输转变,颗粒物尺度也从细颗粒物转变为粗颗粒物.海西区空气总体较为清洁,在污染相对较小条件下,颗粒物污染是通过多来源、多尺度的污染物造成的,是受细颗粒局地源产生和输送及外源粗颗粒物的输入和沉降共同影响的.     

基于风廓线仪等资料的珠江三角洲污染气象条件研究

利用珠江三角洲区域空气质量资料和珠海、南沙、增城的逐30 min风廓仪观测资料,以及清远探空站每天08时和20时的温度探空资料等,研究了2012年10月珠江三角洲出现的大范围持续性污染天气期间的大气边界层特征.结果表明:2012年10月珠江三角洲出现的大范围持续性污染天气主要是受到弱冷空气南下和台风外围下沉气流天气形势的影响;在污染日,增城、南沙和珠海低层风速普遍小于3 m·s-1,300m高度以下风速甚至小于2 m·s-1,增城和珠海观测站的通风量普遍小于5000~6000 m2·s-1;非污染日的通风量则远远大于污染日;在近海的南沙站和珠海站,海陆风等局地环流的的作用不利于污染物的扩散,海风约出现于下午6时,最大影响高度约600~800 m;逆温层是导致重污染的天气的重要原因,清远探空站频繁出现逆温层,甚至出现多层低空逆温,污染日的逆温层平均厚度和平均强度都较大.     

四川盆地冬季两次典型大气污染过程对比分析

为探究四川盆地冬季污染天气过程气溶胶分布和垂直气象场特征,利用MODIS MCD19A2大气气溶胶光学厚度数据、实况格点融合分析数据、环境空气质量监测数据以及探空气象观测数据,对四川盆地2017年12月19日—2018年1月3日以及2018年1月11—24日两次污染天气过程的气溶胶光学厚度(AOD)空间分布以及气象条件进行分析.结果表明:①四川盆地冬季两次污染天气过程中,成都市一直为AOD高值区.②霾天气过程(2018年1月11—23日)中,四川盆地AOD高值区分布区域更广,高低空环流形势稳定,混合层高度偏低,近地层逆温和高湿环境均有利于霾天气的形成与持续.③沙尘天气过程(2017年12月29日—2018年1月1日)中,四川盆地AOD值呈“南高北低”的空间分布特征;冷空气携带沙尘气溶胶自北向南影响四川盆地,对混合层高度有小幅抬升作用,空气质量得到轻微改善;但混合层高度始终偏低,干冷空气使近地层相对湿度下降,本地气溶胶粒子数减少,但沙尘气溶胶粒子数增加,伴随近地层逆温稳定维持,有利于沙尘天气的形成与持续.研究显示,冬季四川盆地混合层高度偏低、近地层逆温稳定维持,均不利于气溶胶粒子垂直扩散,导致四川盆地易出现污染天气.      

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。     

半干旱区一次典型沙尘重污染天气过程分析——以青海东部为例

利用常规气象观测资料、颗粒物监测数据,并结合污染源溯源,采用天气学原理和轨迹分析等方法对2019年5月青海东部一次沙尘重污染天气的主要成因及沙尘传输特征进行了分析.结果表明,此次沙尘重污染天气主要由贝加尔湖低槽东移携带的强冷空气沿河西走廊东移下滑,沿湟水河谷自东向西倒灌入青海东部导致,污染物随着强劲的东风影响青海东部.此外,西风环流将甘肃中部的沙尘传输至青海东部.此次沙尘天气过程地面冷空气在东移南压的过程中,沿河西走廊下滑的冷空气自青海东部河谷地区倒灌进入青海东部,甘肃境内沙尘进入青海后自东向西输送到青海东部,造成青海东部出现重污染天气.逆温层的存在使青海东部大气边界层趋于稳定,不利于污染物向外扩散,无法及时扩散的沙尘长时间维持是导致重污染天气的主要原因.沙尘天气出现前期,青海东部地区湿度条件逐渐变差,沙尘发生前,地面感热明显增加,大气中水汽减少、空气干燥是沙尘天气形成的重要条件.此次沙尘暴传输路径是自东南向西北传播,先后影响海东、西宁两地,与轨迹分析结果一致.     

基于CALIOP的安徽沿淮地区霾天气溶胶类型及垂直分布特征

利用CALIPSO卫星气溶胶廓线数据、地面观测资料进行统计分析,给出了2012—2013年安徽沿淮地区霾日气溶胶的垂直廓线分布.基于后向轨迹及聚类分析,获得沿淮地区污染的主要来源及传输方向,并进一步利用卫星类型掩码产品(VFM)及EC再分析资料,对不同来源的气溶胶类型、气溶胶垂直分布及导致污染的典型天气形势进行分析.结果表明,沿淮地区消光系数随高度减小,霾日近地面消光系数为0.53km~(-1),约为晴空日的2.5倍.污染性天气主要为本地污染积累(占比为46%),其次为长三角区域污染带及京津冀等地污染传输作用影响.在静稳天气背景下,850 h Pa暖平流形成逆温层易导致沿淮地区本地污染,大陆污染型气溶胶为主要成分,近地面受低压上升气流影响,污染物在垂直方向上略有抬升,聚集高度为0.4~0.8 km.当西太平洋副热带高压5880位势高度等值线西伸北进,长三角区域整层大气均被高压控制,易产生污染沙尘型气溶胶,污染物聚集在近地面且浓度随高度减小.而在冷空气南下早期,850 h Pa冷平流易将京津冀地区污染传输到沿淮地区,气溶胶类型为大陆污染型气溶胶和污染沙尘型气溶胶,在1~2 km处高污染浓度最高,高于近地层.