石家庄一次沙尘大气污染物与边界层相互作用

针对2020年5月11～12日华北平原出现的一次沙尘过程,使用云高仪和空中国王-350飞机观测平台观测了气溶胶后向散射系数、气象要素、黑碳气溶胶(BC)和0.1～3.0μm气溶胶粒径分布的垂直结构,并结合FY-4A卫星数据、大气污染物数据(PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO和O3)、地面气象数据和探空数据,探究...     

Atmospheric mercury over the marine boundary layer observed during the third China Arctic Research Expedition

TGM measurements on board ships have proved to provide valuable complementary information to measurements by a ground based monitoring network. During the third China Arctic Research Expedition (from July 11 to September 24, 2008), TGM concentrations over the marine boundary layer along the cruise path were in-situ measured using an automatic mercury vapor analyzer. Here we firstly reported the results in Japan Sea, North Western Pacific Ocean and Bering Sea, where there are rare reports. The value ranged between 0.30 and 6.02 ng/m³ with an average of (1.52 ± 0.68) ng/m³, being slightly lower than the background value of Northern Hemisphere (1.7 ng/m³). Notably TGM showed considerably spatial and temporal variation. Geographically, the average value of TGM in Bering Sea was higher than those observed in Japan Sea and North Western Pacific Ocean. In the north of Japan Sea TGM levels were found to be lower than 0.5 ng/m³ during forward cruise and displayed obviously diurnal cycle, indicating potential oxidation of gaseous mercury in the atmosphere. The pronounced episode was recorded as well. Enhanced levels of TGM were observed in the coastal regions of southern Japan Sea during backward cruise due primarily to air masses transported from the adjacent mainland reflecting the contribution from anthropogenic sources. When ship returned back and passed through Kamchatka Peninsula TGM increased by the potential contamination from volcano emissions.     

台风过程珠江三角洲边界层特征及其对空气质量的影响

利用2006年7月珠江三角洲南北向3个点为期1个月的小球测风、低空探空资料及9个地面气象站逐时风向、风速资料,通过计算和分析风、温梯度资料,研究了台风过程珠江三角洲边界层特征及其对珠江三角洲地区空气质量的影响,重点分析了台风下沉气流影响导致灰霾天气期间的边界层结构.结果表明,2006年7月珠江三角洲地区空气质量主要受2个台风过程影响,当台风中心位于粤东及福建以东海域时,台风外围的下沉气流会对珠江三角洲地区的空气质量产生强烈影响,出现灰霾天气.在台风登陆前出现灰霾日时,珠江三角洲被均压场所控制,大部分区域为静小风,沿海地区会出现局地的海陆风,边界层风速较小.在200~500m低空会出现逆温层,同时最大混合层高度迅速下降到不足500m.     

边界层方案对华北一次污染过程模拟的影响

采用WRF模式中YSU、MYJ和ACM2 3种边界层参数化方案,利用WRF模式和空气质量模式CAMx对2015年11月11~15日发生在京津冀地区的一次污染过程进行了模拟,同时利用地面气象要素、风廓线、秒探空和空气质量观测数据对3种参数化方案下的模拟结果进行了验证对比.一种基于临界垂直湍流交换系数确定边界高度的方法被用于对比3种参数化方案之间垂直扩散能力的差异.结果表明,MYJ方案对10m风速高估最大（平均高估0.66m/s）,对2m温度和2m湿度低估最小,YSU和ACM2方案对地面气象要素的模拟效果相近;ACM2方案对于边界层内垂直廓线模拟效果优于YSU和MYJ方案,但是3种参数化方案对边界层内风速均存在高估（高估可达2.6m/s）;基于临界垂直湍流交换系数方法定义的边界层高度更能反映大气的垂直扩散能力,MYJ方案边界层高度最小,其模拟的PM_2.5浓度最高;MYJ方案对于地面风速的高估,会降低模拟的区域整体PM_2.5浓度,但是会增加风速较大区域下风向的PM_2.5浓度;ACM2方案对边界层垂直廓线模拟最好,夜间底层垂直湍流交换系数计算值较大,使得ACM2方案对于本次过程中PM_2.5等污染物的模拟优于MYJ和YSU方案.     

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.     

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.     

Effect of current emission abatement strategies on air quality improvement in China: A case study of Baotou, a typical industrial city in Inner Mongolia

The nationalAirPollutionPreventionandControlActionPlanrequiredsignificant decreases inPM2.5 levels overChina.Toexploremoreeffectiveemissionabatement strategies inindustrialcities,acasestudywasconductedinBaotoutoevaluatethecurrent national controlmeasures.ThetotalemissionsofSO2, NOX, PM2.5 and NMVOC (non-methanevolatileorganiccompounds)inBaotouwere211.2Gg,156.1Gg,28.8Gg, and 48.5Gg,respectivelyin2013,andtheywouldexperienceareductionof30.4%,26.6%, 15.1%, and8.7%,respectivelyin2017and39.0%,32.0%,24.4%,and12.9%,respectivelyin 2020. TheSO2, NOX and PM2.5 emissionsfromtheindustrialsectorwouldexperiencea greater decrease,withreductionsof37%,32.7and24.3%,respectively.From2013to2020, the concentrationsofSO2, NO2, andPM2.5 are expectedtodeclinebyapproximately30%, 10% and14.5%,respectively.ThereductionrateofSNA(sulfate,nitrateandammonium) concentrationswassignificantlyhigherthanthatofPM2.5 in 2017,implyingthatthecurrent key strategytowardcontrollingairpollutantsfromtheindustrialsectorismorepowerful for SNA.Althoughairpollutioncontrolmeasuresimplementedintheindustrialsector could greatlyreducetotalemissions,constrainingtheemissionsfromlowersourcessuch as residentialcoalcombustionwouldbemoreeffectiveindecreasingtheconcentrationof PM2.5 from 2017to2020.Theseresultssuggestthatevenforatypicalindustrialcity,the reduction ofPM2.5 concentrationsnotonlyrequiresdecreasesinemissionsfromthe industrial sector,butalsofromthelowemissionsources.Theseasonalvariationinsulfate concentrationalsoshowedthatemissionfromcoal-burningisthekeyfactortocontrol during theheatingseason.     

Evolution of boundary layer ozone in Shijiazhuang, a suburban site on the North China Plain

The structure of the boundary layer affects the evolution of ozone(O_3), and research into this structure will provide important insights for understanding photochemical pollution.In this study, we conducted a one-month observation(from June 15 to July 14, 2016) of the boundary layer meteorological factors as well as O_3 and its precursors in Luancheng County,Shijiazhuang(37°53′N, 114°38′E). Our research showed that photochemical pollution in Shijiazhuang is serious, and the mean hourly maximum and mean 8-hr maximum O_3 concentrations are 97.9 ± 26.1 and 84.4 ± 22.4 ppbV, respectively. Meteorological factors play a significant role in the formation of O_3. High temperatures and southeasterly winds lead to elevated O_3 values, and at moderate relative humidity(40%–50%) and medium boundary layer heights(1200–1500 m), O_3 production sensitivity occurred in the transitional region between volatile organic compounds(VOC) and nitrogen oxides(NO_x) limitations,and the O_3 concentration was the highest. The vertical profiles of O_3 were also measured by a tethered balloon. The results showed that a large amount of O_3 was stored in the residual layer, and the concentration was positively correlated with the O_3 concentration measured the previous day. During the daytime of the following day, the contribution of O_3 stored in the residual layer to the boundary layer reached 27% ± 7% on average.     

佛山地区干季边界层垂直风温结构对空气质量的影响

利用佛山地区2013年12月大气边界层观测试验得到的垂直风温资料和相应逐日AQI资料、逐时PM_(2.5)浓度资料,研究了佛山地区大气边界层垂直风温结构对空气质量的影响.结果表明:佛山地区干季持续存在的逆温结构是导致PM_(2.5)污染较重的重要原因.干季污染日近60%的最低逆温层高度低于1000 m,而非污染日低于1000 m的最低逆温层仅占36%,污染日佛山贴地逆温频率高达31.2%.逆温层出现高度较低,将污染物压缩积累在贴地层大气中导致污染较重.在大陆冷高压控制下,佛山地区的边界层结构演化非常典型,最大边界层高度和最大边界层通风量表现出了显著相关,污染日日平均边界层高度始终维持在较低的水平,多数时候不足500 m,最大边界层高度则大部分小于1000 m,日平均边界层通风量主要分布在500~1500 m~2·s~(-1)之间,在极端情况下甚至不足300 m~2·s~(-1),最大边界层通风量大部分处于1500~5000 m~2·s~(-1)之间,导致污染物始终聚集在较低的大气边界层内,使得PM_(2.5)浓度长时间维持在较高的污染水平.佛山地区风场存在显著的3层结构,较小的底层风速意味着大气的输送和扩散能力较弱,高度较低的中层使得污染物进一步被压缩累积在大气底层,垂直风场的不稳定性使得污染日佛山地区局地回流活跃,回流(RF)指数极小值多分布在0.2~0.4之间,污染日RF指数普遍小于非污染日,垂直风场的有效输送能力被显著削弱.     

Spatiotemporal variations of ambient air pollutants and meteorological influences over typical urban agglomerations in China during the COVID-19 lockdown

To investigate the air quality change during the COVID-19 pandemic, we analyzed spatiotemporal variations of six criteria pollutants in nine typical urban agglomerations in China using ground-based data and examined meteorological influences through correlation analysis and backward trajectory analysis under different responses. Concentrations of PM_2.5, PM₁₀, NO₂, SO₂ and CO in urban agglomerations respectively decreased by 18%–45% (30%–62%), 17%–53% (22%–39%), 47%-64% (14%–41%), 9%–34% (0%–53%) and 16%-52% (23%–56%) during Lockdown (Post-lockdown) period relative to Pre-lockdown period. PM_2.5 pollution events occurred during Lockdown in Beijing-Tianjin-Hebe (BTH) and Middle and South Liaoning (MSL), and daily O₃ concentration rose to grade Ⅱ standard in Post-lockdown period. Distinct from the nationwide slump of NO₂ during Lockdown period, a rebound (～40%) in Post-lockdown period was observed in Cheng-Yu (CY), Yangtze River Middle-Reach (YRMR), Yangtze River Delta (YRD) and Pearl River Delta (PRD). With slightly higher wind speed compared with 2019, the reduction of PM_2.5 (51%–62%) in Post-lockdown period is more than 2019 (15%–46%) in HC (Harbin-Changchun), MSL, BTH, CP (Central Plain) and SP (Shandong-Peninsula), suggesting lockdown measures are effective to PM_2.5 alleviation. Although O₃ concentrations generally increased during the lockdown, its increment rate declined compared with 2019 under similar sunlight duration and temperature. Additionally, unlike HC, MSL and BTH, which suffered from additional (> 30%) air masses from surrounding areas after the lockdown, the polluted air masses reaching YRD and PRD mostly originated from the long-distance transport, highlighting the importance of joint regional governance.     

北京夏季灰霾天臭氧近地层垂直分布与边界层结构分析

后奥运时期首都北京的空气质量被更加关注,尤其是对于灰霾天与光化学复合污染的状况,而近地层数百米高度内的大气污染物与大气物理参数垂直分布观测对于空气质量变化过程评估至关重要.因此,本研究于2009年8月1-16日,在北京市325 m气象塔进行了相应的立体观测,观测平台垂直分布在距离地面高度8、47、120和280 m四层中.同时,在近地面320 m高度以内,分15层分别观测了大气温度、湿度、风速、风向.另外,使用气溶胶后向散射云高仪观测了边界层2.5 km内气溶胶后向散射系数.利用垂直分层的O3数据与边界层物理观测数据并结合天气形势、后向轨迹模式等方法,综合分析了本次观测数据之间的相互关系和内在联系.结果表明:夏季西北部低压槽控制的北京区域不利于低空大气扩散,容易形成光化学污染叠加灰霾污染,污染形成时白天地面小时最大φ(O3)可达120×10-9,280 m高度处可达155×10-9;来自西北偏西的气流一般较为干净,有利于北京污染物的清除,而来自西南和偏南的气流使北京的O3污染加重,导致区域性高浓度O3污染;在稳定天气条件下,夜间残留层与地面的φ(O3)差别越大,次日光化学生成的φ(O3)起点越高,表明残留层O3在次日混合层抬升过程中卷夹到地面,影响地面空气质量;300 m以内的近地层,在50 m高度左右存在φ(O3)变化程度剧烈层,这是城市冠层界面与大气化学反应共同作用的结果.     

海岸热边界层熏烟模式的应用研究

在海风和陆地热边界层条件下，水陆边界处高架点源可能发生熏烟污染，通常可以应用熏烟扩散模式进行模拟。但是，常用熏烟模式中假设烟流进入边界层内后立即在垂直方向均匀分布，导致算出不合理的高浓度区。假设烟流进入边界层后．主要受到因为大气稳定度变化扩散条件因此变化的影响，改进了计算公式。把原有模式和改进模式分别应用于某滨海区的一个电厂高架点源，结果表明，改进后模式的计算结果更加合理。因此建议类似工作采用改进后的模式。     

大气污染防治行动对哈尔滨常规大气污染物的影响

自2013年我国实施《大气污染防治行动计划》以来,我国大气中常规污染物的浓度逐年降低,环境空气质量得到了显著改善.哈尔滨市2014年以来,也陆续实施了《清洁空气行动计划》、《大气污染防治专项行动计划（2016─2018）》和《打赢蓝天保卫战三年行动计划》.本文基于哈尔滨市2015—2019年6种常规大气污染物在国控站点的浓度数据,对其污染特征和年际变化规律进行了深入研究.结果表明,PM_2.5、PM₁₀、SO₂、NO₂和CO的浓度呈现显著下降的趋势,而O₃的浓度却呈现上升的趋势.相关性分析表明大部分污染物与温度、湿度、降雨和风速均具有显著的相关性,反映了气象参数对于大气中常规污染物浓度的影响.谐波回归模型的结果表明,污染物的浓度具有明显的季节变化趋势和年际变化趋势,PM_2.5、PM₁₀、SO₂、NO₂和CO的半衰期分别为5.05±0.310、7.81±0.640、6.32±0.312、6.58±0.297和8.13±0.442年,O₃的倍增期为10.0±1.02年.结合哈尔滨近几年实施的大气污染防治行动计划,表明大气污染源的有效控制是常规大气污染物浓度持续下降的主要原因.     

福州市PM2.5污染过程中大气边界层和区域传输研究

以福建省会福州市2013年1月空气质量变化为对象,分析大气边界层变化和周边区域污染物传输对福州市大气颗粒物PM2.5的影响.利用福州市2013年1月逐日地面和探空观测资料以及NCEP提供的2013年1月FNL分析资料,通过大气边界层要素与PM2.5浓度之间的相关性,对PM2.5污染过程的大气边界层特征进行分析;同时采用HYSPLIT后向轨迹模拟及区域风场相关矢分析对影响福州雾霾的污染物区域传输路径进行探讨.结果表明:地面气温与PM2.5浓度呈正相关,地面风速与PM2.5浓度呈负相关,近地面边界层条件有利于霾颗粒物的形成和累积.但不同于我国东部主要污染源区霾污染过程中存在大气边界层逆温,福州PM2.5污染过程中并未出现大气边界层逆温结构,这一边界层结构的垂直混合可有利于区域传输的污染物从上层大气到达近地面从而加重福州霾污染,福州是华东地区一个PM2.5污染物的主要接受区,PM2.5污染物主要以外源输送为主.2013年1月份福州市清洁日近地面风向为海洋吹向大陆的东南风,霾污染日则为大陆吹向海洋的偏北风,PM2.5污染物主要从长三角地区、苏北以及安徽河南一带通过东北和西北方向的传输路径影响福州的空气质量.     

广西内河及沿海船舶大气污染物排放清单及特征研究

基于广西船舶数量及类型、船舶引擎功率等数据,以广西壮族自治区为例,通过船舶引擎功率法建立广西2020年内河及沿海船舶排放清单,探究广西内河及沿海船舶主要大气污染排放量时空分布,并通过大气扩散模型模拟了船舶大气污染物排放对广西沿海港区大气环境的影响。结果表明：内河船舶中干货船排放占比为35.6%,四等船排放占比为26.07%;沿海船舶中拖船排放占比为44.16%~49.33%,主机、辅机、锅炉排放占比分别为52.39%、21.43%、26.18%;不同工况下,沿海船舶停泊工况SO₂排放占比最高,其余污染物在慢速行驶工况下排放占比最高。2020年广西北部湾海域船舶SO₂、NO_x、HC、CO₂的平均排放强度分别为0.32、2.14、0.07、121.93 t/km²。

     

北京市“十四五”时期大气污染物与温室气体协同控制效果评估研究

面对国家碳达峰、碳中和战略目标,“十四五”时期,北京市提出推进大气污染物和温室气体排放协同控制,因此,开展协同控制效果评估对于持续改善空气质量和减少碳排放具有重要意义 .本研究在减排措施筛选和减排量测算的基础上,分析了主要大气污染物和 CO₂的减排潜力,采用协同控制效应坐标系法、协同控制交叉弹性分析法和协同评估指数法,对减排措施主要大气污染物 SO₂、NO_x、PM₁₀、VOCs 和温室气体CO₂的协同控制效果进行评估 . 结果表明,减排措施对于 SO₂、NO_x的减排潜力均在 20% 以上,对于 CO₂的减排潜力约为 7%. 各项措施对 NO_x、PM₁₀、VOCs和 CO₂排放具有协同控制效果 .从坐标系法和评估指数法分析结果来看,浅山区煤改清洁能源和压减本地火力发电量对 SO₂和 CO₂的协同控制效果较好...     

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.     

Process analysis of characteristics of the boundary layer during a heavy haze pollution episode in an inland megacity, China

Ground observation data from 8 meteorological stations in Xi'an, air mass concentration data from 13 environmental quality monitoring sites in Xi'an, as well as radiosonde observation and wind profile radar data, were used in this study. Thereby, the process, causes and boundary layer meteorological characteristics of a heavy haze episode occurring from 16 to 25 December 2013 in Xi'an were analyzed. Principal component analysis showed that this haze pollution was mainly caused by the high-intensity emission and formation of gaseous pollutants (NO₂, CO and SO₂) and atmospheric particles (PM_2.5 (fine particles) and PM₁₀ (respirable suspended particle). The second cause was the relative humidity and continuous low temperature. The third cause was the allocation of the surface pressure field. The presence of a near-surface temperature inversion at the boundary layer formed favorable stratification conditions for the formation and maintenance of heavy haze pollution. The persistent thick haze layer weakened the solar radiation. Meanwhile, a warming effect in the urban canopy layer and in the transition zone from the urban friction sublayer to the urban canopy was indicated. All these conditions facilitated the maintenance and reinforcement of temperature inversion. The stable atmospheric stratification finally acted on the wind field in the boundary layer, and further weakened the exchange capacity of vertical turbulence. The superposition of a wind field with the horizontal gentle wind induced the typical air stagnation and finally caused the deterioration of air quality during this haze event.     

新冠肺炎疫情期间河北省国省道机动车交通量及大气污染物排放量变化分析

本研究分别利用2019年、2020年第一季度河北省国省道交通调查站监测数据,计算了两年国省道机动车逐日交通量及大气污染物排放量,分析了新冠肺炎疫情期间国省道机动车大气污染物排放的变化情况.与2019年相比,2020年第一季度河北省国省道交通量同比下降38.1%,单位公里CO、VOCs、NO_x、PM_2.5、PM₁₀排放强度分别同比下降31.3%、32.7%、19.1%、20.2%、20.0%.从不同公路类型来看,2020年第一季度,普通公路交通量持续下降,国家高速和省级高速交通量在3月出现回升,分别同比增长5.6%、37.2%,且货车增速高于客车.2020年春运期间,客车、货车总交通量分别为去年同期的44.2%、51.0%,国省道CO、VOCs、NO_x、PM_2.5、PM₁₀的排放强度分别是去年同期的51.4%、50.6%、52.6%、52.3%、52.3%.从2月14日开始,客车、货车交通量开始逐步回升,到3月底,国省道总交通量恢复到了去年同期的46.6%,其中,客车是去年同期的34.5%,货车是70.3%.     

基于激光雷达观测的珠海近地面与边界层上部臭氧污染成因研究

利用差分吸收臭氧激光雷达、多普勒风廓线激光雷达,研究了2019年11月在广东珠海出现的一次典型臭氧污染过程前后期的时空分布特征,以及水平风向风速及垂直风速对近地面与边界层上部臭氧浓度变化的影响.结果表明：2019年11月13日的臭氧污染以低风速条件下 臭氧局地生成为主;2019年11月14日的臭氧污染以夜间残留悬空臭氧向下输送叠加地面生成为主.入夜后若近地面水平风速较小,则不利于近地面臭氧清除,地面臭氧浓度下降缓慢.若夜间边界层内存在上升气流,则有利于悬空臭氧残留的维持;若日间边界层内出现下沉气流, 则会导致残留悬空臭氧沉降,进而与新生成的臭氧叠加,加剧地面臭氧污染.污染过程中,若水平风速上升,边界层上部臭氧浓度下降不如 低层明显;若水平风速下降,边界层上部臭氧浓度上升响应也较为迟缓.