基于高时空分辨率的气候变化对全球主要农区气候生产潜力的影响评估

气候变化背景下,对全球主要农区气候生产潜力进行定量评估不仅可以反映出该地气候生产潜力水平与光、温、水资源配合协调的程度及地区差异,而且对提高土地生产力水平,指导农牧业生产具有重要意义。以全球主要农业区为研究对象,应用全球高时空分辨率气象格点资料和气候生产潜力模型,评估了1981-2015年气候变化对全球主要农区气候生产潜力的影响。结果表明,(1)1981-2015年全球主要农区气候生产潜力呈波动上升趋势,在7.68-8.28t·hm~(-2)之间变化,平均为7.97 t·hm~(-2),最大值出现在2010年,最小值出现在1987年。(2)同年际变化相似,气候生产潜力年代际增长也十分明显,其中20世纪80年代和20世纪90年代之间的增长最显著。(3)35年间,全球主要农业区平均农业气候生产潜力空间分布的基本特点是南高北低,区域差异显著。全球农业区主要集中在东亚、南亚、中亚、西亚、南欧、大洋洲南部、南美洲东部和北美洲南部等地,最高值出现在亚洲东南部,为28.9 t·hm~(-2),北美洲南部、大洋洲南部、亚洲中部、非洲中部等地气候生产潜力较低,大部分地区在5.1t·hm~(-2)以下。(4)35年间,亚洲西南部、中部和北部以及北美洲中部和东南部等地的农业区气候生产潜力显著提高,大部分地区提高了0.00-6.00 t·hm~(-2);而在欧洲大部分地区、南美洲北部和东部、非洲中部和南部以及大洋洲大部分地区气候生产潜力明显减少,变化幅度在-7.99-0.00 t·hm~(-2)之间。总体而言,气候变化对亚洲和北美洲农业区农业生产有利,而对欧洲、南美洲、非洲和大洋洲农业生产不利。     

不同季节气象条件对北京城区高黑碳浓度变化的影响

利用2013年至2015年北京城区黑碳气溶胶(下文统称为"BC")和PM2.5观测资料,结合地面气象观测资料、ECMWF边界层高度再分析资料和FNL/NCEP不同高度风速再分析资料,讨论了BC质量浓度及其在PM_(2.5)质量浓度中所占比例(下文统称"黑碳占比")的季节、月、日变化特征,并通过计算北京城区BC浓度与不同高度风速的相关矢量,分析了气象条件和外来输送对北京城区BC浓度变化的影响.结果发现:研究时段内北京城区BC浓度平均值为(4.77±4.49)μg·m~(-3);黑碳占比为8.23%±5.47%.BC浓度和黑碳占比在春、夏季低,秋、冬季高,其日变化特征在4个季节均为"白天低夜间高"的单峰型特征.随着PM_(2.5)浓度的升高,BC浓度增大,黑碳占比减小.当北京地区风向为东北、东北偏东、东南和西南偏西(主风向)时,BC浓度与风速和边界层高度均呈反向变化,即随风速和边界层高度的增大而减小.另外不同季节BC浓度随风速变化的临界值及其变化速率不同.冬季高BC浓度时段,北京城区BC浓度在低层大气的关键影响区分别位于河北南部与山东交界地区以及河北西北部与山西内蒙交界地区;高空关键影响区主要位于北京以西的河北西部、山西北部和内蒙古地区.     

基于CMAQ源同化反演方法的京津冀局地污染源动态变化特征模拟研究

利用"Nudging"源同化技术反演了京津冀地区2014年1、3、7、11月SO_2、NO_x的局地动态污染源,并分析其排放源强、特征及地理分布,对比其与初始源的差异,同时检验了反演源的模拟效果.结果表明,SO_2、NO_x污染源存在明显的季节变化,冬季或采暖期排放强度最大.由唐山、北京、天津、廊坊、保定、石家庄、邢台、邯郸构成东北-西南走向的带状污染物高排放区,最高排放中心主要集中在太行山、燕山山前区域,且排放具有典型的"城市化"特征,即各个城市市区及附近强度最大,周边郊县稍弱.与初始源模拟结果相比,采用反演源更能反映出污染物的时空变化特征,模拟值与实测值较接近,而且对于重污染过程亦具有较好的模拟效果.     

全球和东亚地区CH4浓度时空分布特征分析

利用最新的AIRS卫星观测资料分析了2002年12月~2016年11月全球和东亚地区（70°~140°E,10°~55°N）CH₄浓度的时空变化分布特征.研究发现,2003~2016年,全球CH₄年平均浓度从1774.2×10^-9增加到1789.1×10^-9,年增长率约为1.1×10^-9/a;东亚地区CH₄年平均浓度从1811.5×10^-9增加到1841.0×10^-9,年增长率约为2.0×10^-9/a.在美国西南部、南美洲南部、澳大利亚东南部、中国青藏高原和东北地区等地上空,CH₄浓度增幅比较明显,而在北美洲的东北部上空,CH₄浓度出现负增长.北美洲东北部和俄罗斯东部等地上空CH₄浓度的变化与温度变化呈正相关;如在冬季,该地区温度与周围地区相比更低,同时CH₄浓度更低.本文利用近10a的卫星数据获得了CH₄浓度的垂直廓线,显示不同纬度带CH₄浓度均随着高度的升高逐渐减小,且高纬度地区CH₄浓度减小的最快.近年来,在低纬度地区对流层中低层CH₄浓度变化较为明显.在对流层低层（850hPa）,北半球CH₄浓度随着纬度增加逐渐变大;在南半球则随着纬度增加先减小后变大.而在平流层内,CH₄浓度在赤道处最大,且随着纬度的升高逐渐减小.此外,CH₄的浓度分布存在明显的季节变化：在北半球,大部分地区夏季CH₄浓度高于冬季（约20×10^-9~40×10^-9）,但在撒哈拉沙漠和中国新疆塔里木盆地等地区上空,冬季CH₄浓度高于夏季（约40×10^-9~60×10^?9）.在冬季,中国四川西部上空的CH₄浓度要比青藏高原上空高（约100×10^-9~120×10^-9）.     

基于多源探测的南京市大气污染状况分析

南京市作为长三角地区的核心城市之一,工业发达,大气污染状况较为严重.为深入研究南京市污染状况,利用MODIS以及CALIPSO的气溶胶产品对南京市2011-2019年气溶胶特性进行分析,并基于地基反应性气体分析仪数据分析了冬季南京市大气中4种常见反应性气体（SO₂、NO、NO₂、O₃）的体积分数时序状况.结果表明:①南京市2011-2019年气溶胶光学厚度（AOD）整体呈下降趋势,冬季AOD值可达0.7,污染程度为四季中最高,且气溶胶以粗粒子和吸收性粒子为主.②南京市近地层大气（2 km以内）以大粒子和不规则颗粒物为主,2~6 km高度层内细粒子与规则颗粒物的占比逐渐增多,且2~6 km高度层内粒子的体积大小变化不大.③冬季4种常见的反应性气体中,φ（NO）在大气中的变化最为显著,且最高值可达160×10-9,φ（NO₂）与φ（O₃）在大气中的变化趋势相反.由于排放限制措施、工厂脱硫措施的推广以及光化学反应的影响,导致φ（SO₂）较低,仅在3×10-9左右.结合OMI卫星观测数据发现,受新冠肺炎疫情下工厂停工的影响,2020年初南京市φ（NO_x）维持在较低水平.研究显示,近年来南京市颗粒物污染状况有所改善,但仍需注意粗颗粒物的排放,需严格控制工厂气态污染物,尤其是NO_x的排放.      

新疆典型城市气溶胶光学厚度变化特征

利用2006~2017年Aqua-MODIS C006气溶胶日产品数据,选取新疆地区11个代表性城市进行分类,分析典型城市的AOD近12a变化趋势及特征.结果表明：2006~2017年间,除乌鲁木齐市AOD小幅度上升外,其余10个城市AOD均出现不同程度下降,北疆城市年均降幅较小,吐鲁番市12a间AOD下降了0.13,为哈密、焉耆等同纬度城市群中的最大降幅,南疆城市AOD年均降幅最为显著,阿克苏、喀什、和田和若羌地区AOD分别下降了0.18、0.16、0.16和0.09;AOD空间分布上,南疆为AOD峰值中心,年均值达0.50以上,北疆和东疆地区AOD年均值维持在0.20~0.22;同时,AOD具有典型的季节变化特征,春季为AOD峰值季节,夏季次之,秋、冬季AOD较低;此外,12a间新疆全区AOD出现不同程度降低,其中南疆沙尘源区为AOD下降的典型区域,减少区域呈现出沿昆仑山脉自南向北的带状分布.     

东北地区干旱强度频率分布特征及其环流背景

考虑到气候变暖对干旱加剧的可能影响,利用1951-2007年中国东北地区17站的月降水量和气温资料,定义了表征该地区各站干旱强度的指数.在此基础上分析了干旱强度的周期变化和频率分布特征,以及夏季干旱强度变化与同期水汽输送异常的联系.结果表明,东北地区干旱强度变化具有显著的2～3年的周期变化.近57年来东北地区的干旱变化经历了4个气候阶段,近期的1996-2007年是近57年来干旱发生频次最多的时期,平均每年有4.1月会出现不同程度的干旱,发生干旱的频率为34%.东北地区夏季发生干旱的频率最高,达34.5%, 春季次之,为32.25%, 秋季为27.5%, 冬季发生干旱的频率最小.夏季蒙古高压增强,副热带高压偏弱,位置偏南,同时西风带水汽输送和孟加拉湾西南水汽输送异常减弱,是导致东北地区夏季发生干旱的主要环流背景.     

秋冬季节华北背景地区PM1污染特征及来源

利用高分辨率飞行时间气溶胶质谱仪(HR-ToF-AMS)在华北背景地区——上甸子区域大气本底站开展亚微米气溶胶(NR-PM_1)化学组分及粒径分布的连续观测实验,观测时段为2015年10月17日至2016年1月27日,涵盖了秋、冬两季.结果表明,整个观测期间NR-PM_1平均质量浓度为25.2μg·m~(-3),PM_1中有机物占绝对优势,硝酸盐占的比例高于硫酸盐.各化学组分平均粒径分布以积聚模态为主,其中,有机物峰形最宽,峰值粒径最小,硝酸盐峰值粒径最大,表明有机物在颗粒物形成、增长初期及老化阶段均有贡献,硝酸盐在气溶胶粒子老化过程中更易于增长为大粒子.有机物种元素特性分析结果显示,秋、冬季有机气溶胶平均氧碳比(O/C)和氢碳比(H/C)为0.58和1.58,OM/OC达1.91,有机气溶胶的氧化程度高于城市站点平均水平.在华北地区污染环境下,有机气溶胶演变途径Van Krevelen拟合曲线斜率为-0.21,其老化潜质和速率较珠三角地区和欧美地区城市要慢.对比污染时段和清洁时段化学组成特征发现,在污染时段,硝酸盐质量浓度及其对PM_1的贡献率超过硫酸盐,有机物氧化程度明显高于清洁时段.后径向轨迹气团分析结果显示,污染时段气团来向较为复杂,来自西部,南部以及东北部气团均有贡献,清洁时段,主要受来自西伯利亚洁净空气的影响,对站点污染物扩散作用明显.     

气象条件对2013—2015年冬季关中地区空气质量的影响

大气污染是由过度的人为源排放和不利于大气污染扩散的气象条件共同作用的结果,通过探讨天气形势及气象要素与细颗粒物（PM_2.5）的关系,分析气象条件对空气质量的影响,从而为关中地区的环境治理提供有利的参考依据。本文利用NCEP-FNL再分析资料、环境监测资料及有关的降水数据,对2013?—?2015年冬季关中地区空气质量的演变趋势及其与气象条件的关系进行了研究。结果表明：2013?—?2015年冬季关中地区平均PM_2.5浓度分别为159.5 μg???m_?3,74.2 μg???m_?3,101.8 μg???m_?3,呈现出先明显下降然后又回升的趋势。对2013?—?2015年冬季关中地区天气形势的分类分析表明：这三年关中冬季的有利天气形势呈先上升后下降的趋势,能基本解释同期关中地区PM_2.5的演变趋势。有利天气形势不但会使当天的PM_2.5降低,还会使第二天的PM_2.5维持在较低的水平。因此,有利天气形势天数的增加会使冬季的整体PM_2.5 浓度下降;反之,有利天气形势的减少或不利天气形势的持续则会使PM_2.5浓度飙升到很高的水平。此外,风速与每天的PM_2.5浓度呈显著的负相关,可以解释同一天气形势下日平均PM_2.5浓度的变化。降水对污染物有明显的湿清除作用,但降水并不是造成2014年关中地区PM_2.5浓度偏低的主要原因。     

边界层方案与垂直混合对京津冀地区O3模拟的影响研究

采用WRF-Chem模式中的3种边界层方案YSU、MYJ和ACM2对2019年6月京津冀及周边地区典型O₃污染月份开展模拟研究.详细对比了各方案对地面气象要素、NO₂和O₃浓度时空分布,以及温湿风要素和O₃浓度垂直分布的模拟效果.结果表明：3种方案对地面气象要素的时空分布和温湿风要素的垂直变化模拟较为合理.MYJ方案模拟地面气象要素整体效果最佳.各方案对边界层高度的日变化特征模拟较好,相关系数为0.58~0.69,但存在白天偏高、夜间偏低的现象,YSU方案相比效果最佳.3种边界层方案对NO₂浓度模拟普遍高估,而O₃模拟结果则出现低估.白天模拟偏差较小而夜间偏差较显著.模拟最佳的是ACM2,其次为YSU和MYJ.3种方案均较好地模拟出了O₃的垂直分布特征,但整体低估了O₃浓度.对上午O₃垂直分布的模拟差异较下午更为明显.此外,基于YSU方案设置了3个敏感实验,通过调整化学模块所用的湍流扩散系数阈值,对比分析了垂直混合过程改变对O₃浓度模拟的影响,模拟的变化只反映由于边界层的垂直混合过程改变造成的污染差异,而不是由于热动力场的调整造成的变化.模拟结果表明3个方案均可改善区域上地面NO₂和O₃的模拟性能,尤其是对原3种边界层方案模拟O₃均明显低估的华北平原地区提升效果最显著,平均偏差降低了23.7%.在垂直方向上,湍流扩散系数阈值的调整增加了早间近地面模拟的O₃浓度,改善了模拟偏低的现象,但同时增大了高层O₃浓度的负偏差.敏感性方案显著改善了夜间的模拟,白天则并不明显.这些结果显示出湍流扩散系数对O₃垂直混合的重要影响.因此,改进湍流扩散系数的参数化对O₃模拟是必要的.