武汉市一次污染过程的局地流场和边界层结构的数值模拟

利用2013年11月武汉市逐日空气质量资料、地面气象观测资料、NCEP/NCAR再分析资料和L波段雷达探空资料，通过WRF模式模拟空气污染生消过程中的局地气象条件变化，探讨特殊地形条件下边界层结构变化和局地环流在污染物生消过程中的作用和影响。结果表明：（1）武汉地区当背景环流场强的时候，由地形引起的局地流场对污染物扩散的影响就弱，反之当背景环流场弱的时候, 地形对流场影响明显:夜间为山风，白天为谷风。夜间山风与偏西北气流及偏东气流在武汉及周边地区辐合，形成气流汇聚带，在武汉地区形成一个反复污染带,即由地形引起的局地流场对污染物扩散的贡献就大；（2）武汉地区发生空气污染时，地面湿度较高，边界层呈上干下湿状态，其特征为暖而干且有偏东小风，这导致污染物不断堆积和重污染过程的形成。     

湖南省冷空气影响特征

基于1961～2016年湖南省97个地面气象观测站逐日最低气温资料,依据GB/T 20484-2017统计分析湖南省的冷空气活动特征,结果表明:(1)影响湖南的冷空气,其活动周期为3～4 d,并以弱冷空影响为主,占总次数的87.4%;强冷空气和寒潮活动主要发生在春、冬季;冷空气影响次数在空间上呈北多南少分布,较强冷空气以上等级影响次数呈北少南多分布。(2)冷空气影响次数的空间分布存在明显的季节性变化, 1～5、10～12月自北向南递减;6、9月表现为调整期;7～8月呈现为自北向南递增。(3)1961～2016年冷空气影响次数无明显趋势变化,但年代际变化特征明显;强冷空气影响次数则存在显著减少趋势。(4)1961～2016年冷空气过程降温幅度呈显著减少趋势,冷空气过程持续时间呈不显著增加趋势;冷空气过程影响湖南的持续时间基本在5 d之内,降温幅度≥8℃、10℃、12℃的冷空气过程持续时间以3 d占比最大。(5)与1961～1980年相比,1981～2010年湖南大部分县(市)的平均降温幅度减少,平均过程降温持续时间在增加。     

变化中的参考作物蒸散量及其对气候的响应

作为重要的水文气象参数，参考作物蒸散量（ET0）在全球生态系统中发挥重要作用。为深化认识湿润气候区ET0变化，基于湖南省87个气象站1960~2015年逐月气候资料，应用Penman Monteith（P M）模型估算ET0，利用线性趋势、Mann Kendall检验、反距离加权插值等分析了ET0及主要气候因子的时空变化，采取逐〖JP〗步回归函数来确定P M方程所涉及的气候因子对ET0变化的贡献。研究表明：年均ET0降幅为-3346 mm/10 a，〖JP+1〗日照时数和风速下降是ET0减少的主要原因，而相对湿度下降提高了ET0。春、夏、秋、冬四季ET0变化幅度分别为2966、-5451、-0922、-0207 mm/10 a，春季ET0增加是由相对湿度下降和最高气温上升引起的，夏、秋、冬三季ET0减少主要与日照时数和风速下降有关。风速、相对湿度、日照时数呈下降趋势，而气温、降水、湿润指数呈上升趋势，后者表明气候暖湿化趋势。气候变化背景下ET0显示出不同时间尺度（年、季）空间分布的多样性     

湖南空气质量预报中的数据预处理和特征工程

为提高空气质量预报的准确率,建立了融合气象和环境观测资料、结合机器学习和数值天气预报,且预测时效较长、预测精度较高的机器学习模型库。以湖南6个城市(长沙、株洲、湘潭、益阳、常德、岳阳)的空气质量预报为例,将数据预处理、特征工程方法运用到模型之中,得出以下几点结论:①数据预处理工作包括样本收集、数据清洗、缺失值处理、异常值剔除等,对提高模型预测稳定性帮助很大。②点、线、面的特征组合有助于完整地描述污染物的生消过程。引入传输指数后,株洲市模型对传输型污染过程的预测性能得到明显提高,对轻度、中度、重度污染的分类准确度分别提升了23.6%、16.6%、30.0%。引入静稳指数后,长沙市模型PM_2.5浓度测试的相关系数由0.938提升至0.959,均方根误差由10.33下降至8.46,且模型对中度以上污染天气的极值预报结果更接近实况;益阳市模型在高浓度样本预测中存在的系统性偏低现象得到改善,对轻度以上污染天气的预报结果得到较大矫正。③随机森林的特征重要性排序功能可以大幅度减少特征的数量,使得模型的可解释性和稳定性增强。     

2014年春季山东省PM2.5跨界输送研究

利用CAMx模式模拟了2014年春季(3~5月)山东省ρ(PM2.5)浓度空间分布、输送、沉降特征并建立了各市PM2.5跨界输送矩阵.结果表明,山东省ρ(PM2.5)分布呈现明显的空间差异特征,鲁西地区浓度较高,半岛地区浓度较低;垂直方向上ρ(PM2.5)主要集中在2 000 m以下.全省ρ(PM2.5)水平输送通量平均达110μg·(m2·s)-1,全省总沉降量为23.05×104t.全省近地面ρ(PM2.5)外来输送贡献率为21.08%±3.83%,各市外来输送贡献率平均为40.45%±5.96%;随着高度的升高,京津冀、背景及边界等条件对山东省ρ(PM2.5)的贡献率明显上升,分别上升了7.56%、6.18%.     

洞庭湖流域生长季气象特旱对植被覆盖的影响

基于洞庭湖流域2000～2017年97个气象站点的综合气象干旱指数(CI)和MODIS增强型植被指数(EVI)资料,结合植被类型数据,采用最大值合成、相关分析等方法,分析了近18年来洞庭湖流域生长季(4～10月)植被(自然和人工植被)EVI与特旱强度的时空变化特征,探讨了自然植被和人工植被对特旱响应的敏感性。结果表明:在年际变化上,自然植被和人工植被区域的特旱强度最大值和EVI的最小值均出现在2011年;在季节变化上,生长季特旱强度分布为秋夏春季,自然植被EVI值明显高于人工植被,季节分布均为夏春秋季;比较而言,人工植被对特旱的敏感性高于自然植被,但两类植被对特旱的敏感性均随植被生长阶段而变化,其中两种植被EVI与特旱强度之间的最显著相关性均出现在8月;特旱强度和EVI能够很好地反映2011年春旱和夏秋连旱的时空变化过程。     

长沙地区雾霾特征及影响因子分析

根据长沙地区1970—2012年气象观测资料及环境监测数据,对近43年长沙雾霾特征及影响因子进行了分析。结果表明,长沙地区雾的年际变化具有显著的倒"U"型特征,霾整体上呈上升趋势;雾霾天气主要集中在秋冬季节,春夏季节较少;从空间分布来看,望城区(县)和宁乡县雾霾天气最多,浏阳市次之,长沙市区最少。在一次持续性雾霾天气过程中(10.2~10.12),相对湿度、PM2.5质量浓度与能见度呈现显著负相关,说明PM2.5质量浓度和相对湿度是雾霾天气形成的首要影响因子。     

珠三角地区大气污染物浓度改善气象与减排影响分析

研究采用KZ(Kolmogorov-Zurbenko)滤波统计方法,结合数值模型情景分析技术,以CO为示踪污染物,对2013年1月-2017年12月珠江三角洲重点城市气象条件与源减排对CO浓度的影响进行了评估分析,结果显示:监测期间珠三角地区CO平均浓度为0.91 mg/m3,珠江三角洲重点城市CO浓度日变化呈现双峰型分布,早上08∶00-10∶00出现第1个峰值,下午20∶00左右出现第2个峰值;季节变化上整体呈现出冬季>春、秋季>夏季的特征;空间分布上珠三角、粤北地区浓度较高,粤东、粤西地区浓度则较低。KZ滤波统计方法显示污染源减排措施对珠江三角洲地区不同城市CO浓度贡献占比在85.79%～103.79%之间;WRF-CMAQ数值模型情景分析结果显示污染源减排措施对珠江三角洲地区不同城市CO浓度贡献占比在79%～96%之间;综合表明源减排措施对2013–2017年北京市不同点位CO浓度的改善起着主导作用。     

长株潭城市群大气污染潜在源区分析及传输通道研究——以株洲市为例

利用Hysplit、MeteoInfo模型,计算株洲2017—2019年特护期(10月至次年3月)的后向轨迹,并进行轨迹聚类、潜在源贡献因子(PSCF)和浓度权重轨迹(CWT)分析。结果表明,10—12月,污染物潜在源区主要分布在偏北方向,1—3月,偏南方向的源区不断扩大,这与季节更替、季风转换有关;12和1月,潜在源区面积最大,强度最强,传输通道最清晰。对特护期各月份进行权重潜在源贡献因子(WPSCF)和加权浓度权重轨迹(WCWT)分析,结果表明,12月有1条明显的WPSCF高值带起源于河南省中北部,一路向南,经平顶山、过南阳、再经襄阳进入湖北省,该高值带蛇形前进,过荆州跨长江经岳阳华容县进入湖南,再过常德、益阳,以弧形路径到达长株潭地区,这条路径是12月北方污染物影响长株潭的主要传输通道。WCWT分析也有类似结果,且通道路径更宽广,1月的潜在源区在偏北方向呈扇形分布,在较远距离上的河南、安徽等省份呈指状分布。经2017年12月5日重污染个例检验发现,传输轨迹与分析的传输通道一致。