武汉地区夏季和秋冬季大气污染的天气概念模型

利用2013～2019年武汉市生态环境局监测数据、L波段雷达探空资料、NCEP/NCAR逐日再分析资料,对夏季和秋冬季武汉地区污染日的大气污染特征、边界层结构、环流形势、物理量场进行研究,建立了武汉地区大气污染的天气概念模型.主要结论如下:(1)武汉市空气质量具有季节性变化特征,大气污染程度四季分布表现为冬＞秋＞春＞夏.夏季首要污染物是臭氧,冬季首要污染物是PM2.5.(2)比较挑选出的夏季清洁日和污染日的气象要素特征,污染日逆温的平均强度约为清洁日的一倍,逆温底高一般在600 m以下,空气质量一般为轻度-中度污染;静风频率(37.1％)明显高于清洁日的静风频率(2.9％);污染日平均风速小(0.8 m/s),边界层内相对湿度较低.同样比较秋冬季两类天气的气象要素特征,污染日逆温底高低、厚度小,不及清洁日的一半,不利于污染物的扩散,易出现重度污染天气.静风频率(20％)高于清洁日的静风频率(7.5％),风速小(1.6 m/s),污染日边界层内呈明显上千下湿的格局.(3)建立了夏季大气污染的天气概念模型,污染日副高偏弱位置偏东,长江流域易少雨干旱;地面我国东部大范围地区处于均压场中,武汉地区为偏东北异常小风,不利于大气污染物的扩散.(4)建立了秋冬季大气污染的天气概念模型,长江流域环流平直少波动,配合地面弱低压的天气形势和较强的逆温使得大气污染物聚集在近地面.蒙古冷高压强度偏弱,使得入侵我国的冷空气强度偏弱;武汉地区为偏北小风,对雾霾的移除和稀释扩散作用差.该研究结论可供大气污染预测预警研究和环境管理部门大气污染的联防联控参考.     

长江上游中小洪水天气学机理分析及致洪特征

基于1981~2012年长江上游128个中小洪水历史个例及NCEP/NCAR再分析资料,采用普查及天气学分型方法,建立了纬向型、经向型、偏东气流型以及两高之间型4种致洪降水天气学概念模型,研究了各天气型致洪降水发生机理及相应中小洪水特征。得到以下结论:纬向型中高纬环流相对平直多波动,伴有明显冷平流南下,地面锋面位置略偏北。该类型强降水过程多,强度大,持续时间长,对应中小洪水多为双峰或多峰型,平均洪峰流量、过程增幅最强,洪水过程时间也最长。经向型环流中高纬贝加尔湖和东北地区为深厚低槽,中低层常伴有暖式切变线或低涡发展,中上层急流出口处的辐散以及冷平流四类型中最强。该类型雨带多呈东北-西南走向,中小洪水一般以单峰为主,其洪峰流量及过程增幅均较大,造成的洪水涨水较快,过程时间最短。纬向和经向型均为全流域降水型,但在金沙江北部、岷沱江、嘉陵江以及宜宾-宜昌常出现较高频次的60 mm以上较强面雨量。偏东气流型副高与热带气旋外围环流汇合北进,其强降水前后冷暖平流变化不明显,受地形强迫抬升影响,最易产生准静止型、团状、突发性强降水。该类型中小洪水以单峰为主,涨水快,洪峰流量及过程增幅均最小,强降水主要分布在嘉陵江和岷沱江两大流域。两高之间型多为"鞍"型场的环流配置,青藏高压与副高在流域上空形成南北向切变线,其动力和水汽条件均较弱。该类型降水强度较弱,稳定少动,累积降水量较大,洪水以单峰为主,双峰偶有发生,其洪峰流量、过程增幅均较大,洪水过程时间较长,强降水多位于岷沱江、嘉陵江和宜宾-重庆中部流域。     

2014年1月沪渝高速公路汉宜段一次大雾个例分析

对2014年1月29~31日发生在沪渝高速公路湖北武汉—宜昌段(简称汉宜高速公路)的封路大雾过程气象要素进行分析。结果表明:(1)此次持续大雾过程发生时,近地层有逆温,地面处于高压底部前端的均压场,中纬度维持偏西气流,为大雾的形成和发展提供了有利的环流背景场条件;大雾消散后,地面处于冷高压控制;2)大雾造成的高速公路封路、解封前后,气象要素发生了较明显的变化。这些分析结果,对汉宜高速公路的大雾预警预报具有较好的指示意义。     

苏南地区连续霾及重度霾的边界层气候特征

利用无锡国家基本观测站1981~2011年地面观测资料及南京、上海和杭州3个探空站的温度廓线资料，对苏南地区连续霾和重度霾的地面形势和边界层气候特征进行了分析。结果表明：苏南地区霾日地面形势主要为均压区型、高压底部或入海高压后部型、冷锋前部型、低压倒槽型和鞍型场；根据地面形势场的变化，连续9 d以上霾分4种类型，这4种类型具有不同的边界层结构变化：Ⅰ型苏南地区受两次大陆高压系统的南压（冷空气的过境），随后分别处于均压区中，该类型逆温层底较低，中层出现逆湿区；Ⅱ型苏南地区受大陆高压底部影响，随着冷空气的南下消退，大陆高压东移入海，苏南处于均压区中，该类型主要以等温层的形势出现，高湿区主要在底层；Ⅲ型随着长江中上游低压倒槽的发展，大陆高压入海后，苏南地区处于低压倒槽顶部，随着冷空气的南下，苏南地区先后受到均压区、高压底部影响，该类型总体逆温强度较弱，逆温层厚度较薄，低层高湿区贯穿于整个连续霾日过程；Ⅳ型主要受西太平洋暖高压、东北冷涡以及西伯利亚冷空气的共同作用，苏南地区随后处于冷锋前部，待冷空气过境后苏南又位于均压区中，该类型逆温强度较强，逆温层顶有逆湿区，逆温层高度越低，地面能见度越低，逆温层强度越强，地面能见度越低；重度霾出现的地面形势主要为均压区、冷锋前部和低压倒槽，重度霾大部分过程逆温层底在近地面，由于本地污染源的排放和外地污染源的侵入，加上逆温或等温层的存在，不利于污染物的扩散，以及底层大湿区，颗粒物的吸湿增长膨大，从而降低地面能见度，形成重度霾     

重庆市主城区空气污染天气特征研究

利用2003～2008年重庆市主城区大气污染监测资料，分析了轻度污染以上天气的变化特征。结果表明重庆主城区的主要污染物为PM10，PM10浓度具有独特的“双峰双谷”日变化特征；污染天气具有明显的季节特征，主要污染期为秋末到初春；污染天气具有连续性特征，污染天气持续时间尺度主要集中在2～7 d；污染天气过程具有典型的大气环流和天气特征，本地地面天气类型主要以低压或均压场为主，中高纬度高空以纬向环流或西北气流为主，天气以阴天或阴晴相间为主；污染天气过程中本地气象要素变化呈现规律性，地面24 h气压变化总趋势为负变压，24 h变温为正变温，平均相对湿度维持在72%～85%，风速的变化趋势不大，基本维持在1～2 m/s，低层逆温明显。污染天气过程结束时气压明显回升，温度显著下降，相对湿度显著增加。     

一次春季强降雪过程相态变化的成因分析

利用常规气象观测资料、区域自动站加密观测资料和NCEP1°×1°再分析资料,对2013年4月19日山东一次强降雪过程的相态变化进行诊断分析。结果表明:1前期冷空气入侵形成冷垫,西南暖湿气流沿冷垫爬升,是一次典型的回流形势下的强降雪过程;雨雪分界线随时间自西北向东南方向推进,地面2℃线可以作为这次过程雨转雪预报的一个参考点;20℃层下降到925h Pa以下可以做为降水相态转为雪的识别判据;3降雪时刻H700-850从148~155dagpm,H850-1000≤129dagpm;44月份出现如此低的温度除了有利的大尺度环流背景外,地形也发挥了重要作用。     

重庆近48年来高温天气气候特征及其环流形势

利用重庆23个气象观测站1960~2007年逐日最高气温观测资料，NCEP/NCAR再分析数据集中的高度场格点资料，运用EOF、REOF等方法，探讨重庆高温日数的空间分布特征，并对多高温天气的2006年和少高温天气年7~8月的环流特征进行了分析。结果表明：重庆高温天气主要出现在7~8月份，高温日数具有显著的年代际和区域性差异，20世纪70年代最多，80年代最少，沿长江、乌江为高温多发带。一致性异常分布是重庆高温日数的最主要空间模态；高温日数的异常空间分布可分为以下3个关键区：重庆中西部、重庆东南部、重庆东北部。乌拉尔山至鄂霍次克海地区阻塞高压偏弱，东亚大槽偏浅；100 hPa 高空南亚高压偏东,500 hPa 高空副高偏北偏西，形成一种上高下高的叠加形势是重庆7~8月出现多高温天气的主要原因。     

重庆近48年来高温天气气候特征及其环流形势

利用重庆23个气象观测站1960~2007年逐日最高气温观测资料，NCEP/NCAR再分析数据集中的高度场格点资料，运用EOF、REOF等方法，探讨重庆高温日数的空间分布特征，并对多高温天气的2006年和少高温天气年7~8月的环流特征进行了分析。结果表明：重庆高温天气主要出现在7~8月份，高温日数具有显著的年代际和区域性差异，20世纪70年代最多，80年代最少，沿长江、乌江为高温多发带。一致性异常分布是重庆高温日数的最主要空间模态；高温日数的异常空间分布可分为以下3个关键区：重庆中西部、重庆东南部、重庆东北部。乌拉尔山至鄂霍次克海地区阻塞高压偏弱，东亚大槽偏浅；100 hPa 高空南亚高压偏东,500 hPa 高空副高偏北偏西，形成一种上高下高的叠加形势是重庆7~8月出现多高温天气的主要原因。     

长江中下游深秋季节一次MCC过程的成因

利用常规观测资料、NCEP再分析资料以及FY2C云图资料等，对2009年11月9日长江中下游地区深秋季节1次MCC过程发生发展进行了成因分析。结果表明：此次MCC发生在大尺度地面暖倒槽之中，500hPa低槽东移、850hPa低涡发展东移、边界层冷空气南下形成的弱冷锋等天气系统的配合为其发生提供了有利环境条件；MCC发生在对流层中层低能舌与低层高能舌重叠的对流不稳定区；高层辐散、低层辐合以及强涡度柱和散度柱的耦合成为MCC发展维持的主要动力机制；MMC的发展成熟阶段，对流层中低层始终维持不稳定层结状态，且随着降水增强，出现湿中性垂直运动特征；MCC成熟期其中心区风向随高度一致顺转，风速切变较强，具有超级单体风暴结构特征     

三峡库区复杂地形下的降雨时空分布特点分析

根据三峡水库坝区周边10个气象站1992~2002年逐日降雨资料,先用比值法将短期考察资料延长,再通过对比、回归等方法,客观分析降雨量、降雨日数、暴雨量、暴雨日数等指标随时间（年内、年际）和地形（高度、坡向）的变化,其特点如下：三峡坝区冬干、夏雨、秋雨明显,近年降雨增多;与武汉市相比,有降雨日多但降雨量、暴雨日及大暴雨日少的特点;降雨量、降雨日数、暴雨量、暴雨日数等多随高度上升而递增;由于受南北边山地阻挡和峡谷的影响,长江以南降雨大于长江以北;水体抑制库周降雨,且夜间比白天明显,强降雨过程比弱降雨过程明显。三峡地区降雨周边山地多于谷底,蓄水后差异将更明显,使地质灾害容易发生,应引起高度重视。     

基于DCCA方法的成都市市区与周边城镇大气污染长程相关性分析

利用2008年1月～2012年12月期间成都市市区与其周边14个城镇的逐日空气污染指数（API）数据,采用去趋势互相关分析法（DCCA分析）研究区域城市间大气污染的相关性及其随时间演变规律。结果表明:成都市区与其周边城镇大气污染的空气污染存在一定程度的相关性,并且在不同的月份,相关性会随之发生变化。这种相关性具有长期持续特征,具体表现为在一定的时间尺度上成都市区与其周边城镇大气污染的相关性随时间的变化并不遵循经典的马尔可夫过程,即不随时间呈现指数快速衰减,而是以幂律形式随时间缓慢衰减。进一步,结合不同月份间区域大气平均流场的分布特征,探讨了DCCA分析结果的科学性。研究结果说明,在特定地理环境和气象条件控制下,成都市及其周边城市之间已经存在明显的相互输送和耦合作用,成都地区大气污染已由局地性污染转变为区域性大气污染。城市间污染物输送的长期相关影响机制极有可能在特定月份加重成都市区的空气污染状况,这在成都市区及其周边城镇的规划建设中必须加以特别重视     

武汉城市圈城市化发展与环境空气质量关系探讨

城市化与环境空气的相互作用关系研究,是引导城市可持续发展和环境政策制定的重要依据。利用主成分分析法和集成的环境空气质量指数分别评价了城市化和环境空气质量水平,进而拟合了两者的最优高次多项式曲线。结果发现:12001年来,武汉城市圈的城市化综合水平表现出以武汉为核心,黄石和鄂州为次核心,咸宁、孝感等为边缘的层级结构;2城市圈空气污染的重心主要在武汉市和鄂东南的黄冈、鄂州、黄石等地区,PM10是首要污染物;3不同城市由于其自然地理背景、城市发展类型、经济产业结构的不同,环境空气效应(关系)存在差异,在武汉城市圈内主要表现为三类:武汉市的复合型空气污染,黄石、鄂州等煤烟型为主的空气污染,以及咸宁、天门等煤烟和机动车尾气混合型的转变空气污染。未来,城市圈在生态环保一体化的进程中,需加强空气污染的联合防治,也需结合城市的自身特点采取有针对性的污染治理措施。     

中国大气环境治理的新启示--来自武汉疫情管控期间的自然实验

在武汉疫情管控期间,企业经济活动和机动车活动水平明显大幅下降,大部分污染源基本停止排放,意味着在此期间全国各地区应该出现优良天气,但是事实上在我国部分地区却出现了严重雾霾天气,这种反预期现象引起人们的普遍关注,甚至怀疑我国大气环境治理是否存在失误。根据这种反预期现象,提出环境污染应当是由流量污染和存量污染共同决定的猜想。为验证这一猜想,分别假设了两种情况:第一种只有流量污染,第二种既有流量污染又有存量污染,并用武汉疫情管控前后的实际排放数据模拟得到空气质量状况,寻找雾霾形成的规律,然后与武汉疫情管控前后实际监测数据进行对比,确定反预期现象的原因。实际数据和模拟数据对比发现,实际情况与假设1不符,与假设2相符。据此认为,大气污染是由当期排放的污染与积累的存量污染共同决定。在此基础上,进一步分析存量污染造成的经济损失,分析表明:2007年被低估1.64亿元,到2017年被低估3.83亿元;在消散率为0.05、贴现率为0.01时,流量、存量和流量与存量损失的差额分别为6.5亿元、50.5亿元和44.0亿元,这意味着2007—2017年总的经济损失被低估44.0亿元。在消散率为0.3、贴现率为0.1时,流量、存量和流量与存量损失的差额分别为4.6亿元、10.5亿元和5.9亿元,这意味着2007—2017年总的经济损失被低估5.9亿元。研究发现,长期累积形成的存量污染是一个被忽视的大气污染源,从而解释了在武汉疫情管控期间低水平经济活动条件下仍然会出现重度大气污染的经验事实。其政策含义在于,制定反污染政策需要根据存量污染的特征进一步完善相关政策设计。     

京津冀PM_(2.5)的主要影响因素及内在关系研究

大气污染物的源排放是形成灰霾天气的内因,气象条件是形成灰霾天气的外因。本研究通过构建PM_(2.5)浓度的两段式分布滞后模型,结合自然环境因素及经济因素对PM_(2.5)的影响因素进行了综合分析。在第一段模型中构建了PM_(2.5)和大气污染物排放量的分布滞后模型,第二段模型中构建了不同的大气污染源对大气污染物排放量的影响因素模型。大气污染物排放源主要包括工业源、生活源、机动车源、集中式污染治理设施源。在工业源中,工业废气重度污染行业是大气污染物排放主要的贡献者;在生活源中,燃煤消费量对大气污染物排放影响很大,这也是冬季供暖期间PM_(2.5)剧增的原因;在机动车源中,尽管黄标车的保有量仅占汽车保有量的10%左右,但却占据了颗粒物排放量的绝大部分。利用京津冀代表性城市PM_(2.5)日度数据研究得出平均气温、平均风速、日照时数、平均气压、降雨量、平均相对湿度、沙尘暴等因素对PM_(2.5)浓度的负向与正向作用。研究发现,大气污染物排放量对PM_(2.5)浓度具有聚集的滞后效应,当期大气污染物排放量、滞后一期、滞后两期、滞后三期大气污染物对PM_(2.5)浓度具有显著的正向作用,且影响依次递减。构建的大气污染物排放量的污染源影响因素模型揭示一个地区煤炭消费量、工业废气重度污染行业工业增加值、黄标车保有量对该地区大气污染物排放量具有显著影响。本研究对优化能源消费结构和产业结构,减少空气污染物排放提出了对策建议。     

认知资源对公众城市气象灾害防御支付意愿的影响研究#br# ——基于南京市暴雨灾害防御的实证

城市气象灾害防御措施的改进是防灾减灾的有效手段，但如何在辨识公众支付意愿的基础上，构建多方成本分担的灾害防御制度是解决问题的关键。从成本分担的视角出发，以南京暴雨灾害防御为例，分析公众对增强型城市气象灾害防御的支付意愿及认知资源在其中的重要作用。通过构建由Probit模型和有序Probit模型组成的递归混合模型，探讨认知资源和经济资源在公众支付决策中的重要性。研究表明:认知资源的作用十分明显，且随着公众对暴雨灾害风险感知、防御措施了解程度、防御制度认可程度的提高，公众支付意愿越强。而暴雨灾害风险感知又受到灾害趋势认知和经历的共同影响，这两个变量分别影响风险感知的广度和深度，但受教育程度对风险感知深度的影响并不显著。核心建议是从满足公众对城市暴雨灾害风险、防御措施、灾害趋势等知识的需求，政府应该加强暴雨灾害科普宣传的主动性、提升主管和协同部门的公信力；规范科普知识内容、拓宽科普渠道。     

基于地理探测器的城市热岛驱动因素分析——以武汉市为例

城市热岛是由地表特征、社会经济和气象等因素综合引起的环境问题，具有显著的季节差异。大量的研究分析了土地覆盖类型、地表覆盖指数、景观指数等和城市热岛之间的相互关系，忽略了气象因素以及气象因素、地表特征与社会经济之间的交互作用对城市热岛的影响。在分析武汉市不同季节热岛强度及空间自相关分析的基础上，采用地理探测器研究了不同季节城市热岛强度的驱动因素及其交互作用和热岛风险区探测。结果表明：武汉市各季节热岛强度在空间上呈现强烈的集聚特征。按春夏秋冬顺序，武汉市4个季节热岛强度的主要驱动因素分别为地表特征、社会经济、社会经济和气象因素，四季对应的主要驱动因子分别是土地覆盖类型、夜间灯光、夜间灯光和气压。在11个驱动因子的交互影响中，四季热岛强度交互影响作用最大的分别为土地覆盖类型与夜间灯光、土地覆盖类型与NDVI、土地覆盖类型与夜间灯光、气压与土地覆盖类型或与NDVI。风险探测结果显示春夏秋冬平均热岛强度最高的分别为城市建成区、城市建成区、城市建成区、裸地和低植被覆盖区，最低的分别是水体、水体、水体、植被；四季的平均城市热岛强度随着夜间灯光的增加而增加；NDVI子区域平均热岛强度呈现先上升后下降的趋势；气压子区域平均热岛强度总体呈现逐步上升的趋势。这些结果揭示了热岛强度的季节变异特征，可为缓解城市热岛效应措施的制订提供依据。     

2015年冬季苏州城市热岛特征研究

基于Landsat土地利用类型分类资料、夜间灯光影像资料、自动气象站资料以及大气边界层探测资料，划分出城市、郊区以及湖区代表站，分析了苏州2015年1月城市热岛日变化、昼夜差异特征以及城、湖温度差日变化特征，并对苏州城市热岛分布特征以及城、湖大气边界层结构差异进行分析。结果显示：(1)白天热岛强度小，09~17时热岛强度均小于1℃，最小值仅为02℃；夜间热岛强度大，19~05时热岛强度维持在12℃以上，最大值为17℃。(2)城、湖温差白天为正，夜间为负，市区变温速率比湖区快约02℃/h。(3) 苏州白天热中心形状不规则，范围大，城郊温差小，夜间形成单一封闭稳定热中心，热中心形状与市区有较好对应，城、郊温差维持在15℃左右。冬季地面盛行西北风，太湖湖陆风现象显著，湖陆风和盛行风向共同影响城市热羽向西南方向发展。（4）城、湖虚位温廓线在白天差异小，均有不稳定边界层形成，夜间市区仍维持不稳定边界层，而湖区有稳定边界层发展，近地层内干岛效应显著。(5)城市热岛影响范围有明显日变化特征，白天城市热岛影响范围小于40 m，夜间大于200 m。     

A procedure to estimate worst-case air quality in complex terrain

Using a straightforward synoptic climatological analysis scheme, it is shown that the potential for an area to experience air quality degradation due to local sources is highest under polar subtropical highs. With respect to polar highs, the problem is most severe when the sun angle is low and snow covers the ground, and the polar high persists for a long period of time. A simple algorithm is introduced which is designed to estimate worst-case impact in a trapping valley. The potential for the accumulation of air pollution in such valleys due to the persistence of a polar high in a region, is ignored in current regulatory air quality assessments. Trapping valleys and synoptic flow stagnation often occur in wilderness areas. Refined air quality assessments are shown to be possible using a mesoscale meteorological model and a pollution dispersion model. These tools permit quantitative assessments of pollution build-up from local sources as a result of the recirculation of the local air. This tool, along with the synoptic climatological classification scheme, also permits an evaluation of the fractional contribution of long range versus local sources in the air quality degradation in a region. Areas near the center of a polar or subtropical surface high pressure system, for instance, appear to be dominated by local sources, if they exist, whereas in the vicinity of extratropical cyclones, long-range transport is usually much more important.