荆州静稳天气综合指数构建及预报应用

该文采用相关分析、阈值统计、回算检验等方法,构建出荆州本地静稳天气综合指数（SWI）。结果显示,SWI与空气质量指数（AQI）表现为较弱的正相关;当首要污染物为细颗粒物时,SWI>1.30易出现污染天气;当首要污染物为可吸入颗粒物时,SWI>1.20易出现污染天气;当首要污染物为细颗粒物或可吸入颗粒物时,SWI>1.30易出现污染天气;SWI最大值出现在冬季,其次在秋季和春季,夏季SWI整体较小;SWI对空气质量预报有较好的指示意义,可应用于环境空气质量预报和污染物减排评估等方面。     

银川市一次连续PM2.5重污染天气特征分析及长期预报方法研究

利用同期多源观测资料,对2020年1月银川市持续重污染天气过程中的气象条件、扩散特征及前期环流指数特征进行了综合分析。结果表明：2020年1月持续重污染天气过程是实行新标准以来仅次于2013年1月的PM_2.5超标的重污染天气,具有持续时间长、污染等级高的特点;2020年1月气温异常偏高、风速偏小、相对湿度偏大,天气系统稳定少动且持续时间长,是造成PM_2.5异常超标的主要原因之一;1月PM_2.5月浓度值同850 hPa东太平洋信风指数、北太平洋副高北界位置指数等前期环流特征因子具有较好的相关性,建立的银川市1月PM_2.5月浓度预测模型,可提前30 d作出预报且预报结果与实际一致,可为重污染天气预警工作提供参考。     

天津静稳指数建立及在环境气象预报和评估中的应用

基于2014—2015年NCEP再分析资料及天津地区PM_2.5质量浓度数据,构建天津地区静稳指数以期反映大气综合扩散能力,为天津霾、空气质量预报和大气环境气象条件评估提供支撑.研究结果表明：本文构建的静稳指数可作为评估天津地区细颗粒物大气扩散能力的重要指标参数,其建模产品与天津地区PM_2.5质量浓度相关系数为0.62,在评测期间（2016年6月1日—2018年5月31日）,基于EC模式的静稳指数24 h预报产品与天津地区PM_2.5质量浓度相关系数为0.67,1~7 d预报产品与PM_2.5质量浓度相关系数超过0.53,8~10 d预报产品随着时效增加指示能力有所下降,相关系数为0.4左右,但通过显著性检验.对比同期基于GFS资料和WRF/Chem构建的天津中长期环境气象数值模式,其相关系数接近,趋势预报效果相当.同时,由于静稳指数综合了水平风速、混合层高度、相对湿度等多项指标,可以综合反映一个地区大气扩散能力,在大气环境气象条件评估中可发挥积极作用,以同排放源不同气象条件的数值模拟为基准定义细颗粒物大气扩散条件,2013—2018年逐月大气扩散条件同比上年改善的占总样本41%,同比转差的占总样本59%,利用静稳指数对大气扩散条件月同比变化趋势进行判断,识别准确率可达80%.     

北京与成都大气污染特征及空气质量改善效果评估

近年来我国空气质量持续改善,大气颗粒物浓度明显降低.为探究气象条件和减排措施对细颗粒物(PM25)浓度的相对贡献,选取两个典型代表城市——北京和成都,对比分析两城市所处的地理环境条件、污染排放以及气象扩散条件.结果 表明,北京与成都2013 ～2018年重污染天数及污染过程显著减少,SO2和PM2.5浓度降幅明显,与2...     

2014年2月下旬京津冀持续重污染过程的静稳天气及传输条件分析

利用常规气象观测资料、空气质量监测资料、再分析资料和数值模式资料,分析了2014年2月20-26日京津冀地区持续重污染天气过程的环流背景、气象要素特征、静稳天气条件和传输条件.结果表明：2月20-26日,亚洲东部受弱高压脊控制,京津冀及周边地区位于地面高压后部,等压线较为稀疏,气压梯度小,造成地面风速较小;与此同时,混合层高度低,通风系数小和逆温存在,构成重污染天气出现和维持的气象条件,均不利于大气中污染物和水汽的垂直和水平扩散.静稳天气指数对于重污染天气有一定的指示意义,高静稳天气指数通常对应高PM_2.5浓度,且二者变化趋势一致性高;2月20-26日静稳天气指数总体上大于2014年1-3月其他几次污染过程,且在高位长时间维持,造成此次污染过程更严重.此外,传输条件也是京津冀重污染天气的主要成因：地面高压西侧的偏南或偏东气流有助于污染物和水汽向京津冀地区输送和聚集,使能见度进一步降低、污染物浓度进一步升高.     

成都市大气水汽与空气质量关系的研究

为深入分析大气水汽对空气质量的影响,基于2016年成都温江国家气候观象台的气象观测资料和成都市环境监测中心的环境空气质量指数(AQI),首先利用地面气象要素估算出逐时的大气可降水量(PWV),继而结合空气质量指数资料研究了成都地区降水、静稳天气、太阳辐射强度等气象条件对空气质量及其与大气水汽关系的影响.结果表明:在降水条件下,臭氧(O_3)浓度随着PWV的增大而显著减小,PWV与PM_(2.5)、PM_(10)浓度的正相关系数减小,其中对PWV与PM_(10)浓度的相关性影响最大,相关系数减小47.62%.PWV与O_3的负相关系数在春季增大、夏季减小;PWV与PM_(2.5)的正相关系数在秋、冬季减小.当天气处于高静稳指数时,PWV变化对污染物浓度变化的影响更为显著.不同太阳辐射强度下,PWV与O_3的相关性也不同,随着太阳辐射增强,PWV与PM_(2.5)、PM_(10)的相关性从正相关转变为负相关.     

广州逐时臭氧污染气象条件指数研究及应用

利用2016—2020年近地面臭氧和气象逐时数据,基于相关性分析和概率统计方法,在分析臭氧敏感气象要素特征基础上,综合各气象因子对臭氧生成贡献大小,建立了广州逐时臭氧污染气象条件指数模型及等级标准,并进行了预报及检验.结果表明：(1)高浓度臭氧主要发生在高温低湿情况下,臭氧浓度及臭氧超标率均随着气温的升高而增加,当气温高于30℃时,臭氧浓度随温度的变化升高更为明显;臭氧浓度和超标率随着相对湿度的升高而逐渐降低,其中,当40%≤RH<50%时,臭氧浓度及超标率最高;当风速在1～2 m·s^-1时,臭氧超标率最大.(2)对所建立的广州本地化的逐时臭氧污染气象条件指数模型和分级标准进行了检验评估,结果显示,臭氧污染气象条件指数等级越高,臭氧浓度和超标率也越大,说明该指数能够较好地表征臭氧污染天气的强弱.(3)基于欧洲中心高分辨率数值预报产品,根据污染气象条件指数模型,对广州3种不同天气类型下的指数预报进行对比验证,预报效果较好,说明该指数对臭氧污染天气预报有较好的指导意义.     

中美空气质量指数(AQI)对比研究及启示

对中美两国空气质量指数(AQI),特别是颗粒物分指数进行了对比研究,并利用2013年4月至12月期间,中国环境监测总站发布的环境空气质量监测数据,开展了典型大气污染过程的分析.结果表明,中国环境空气质量标准的研究、制订和发布起步虽晚但发展很快,所包含的污染物指标更全面,能够客观地反映出中国空气污染的特征,也更贴近居民对空气质量的切身感受;中美计算颗粒物小时AQI采用的方法不同,对比发现中国采用颗粒物24 h平均浓度限值代替1 h平均浓度限值的计算方法会将污染等级倾向于严重化;中国在计算颗粒物AQI时设定的颗粒物浓度限值存在一定的问题,导致AQI200时,PM2.5/PM10的比值出现与实际不符的现象;对奥体中心监测点数据分析显示,AQI50时,PM2.5/PM10比值小于0.5,且PM2.5/PM10的比值随着污染指数等级的增大而增大.建议尽早修订和调整颗粒物实时报的浓度限值和计算方法.     

北京城区夏季静稳天气下大气边界层与大气污染的关系

利用ALS300激光雷达系统测量的信号,根据Fernald方法反演的气溶胶消光系数的最大突变即最大递减率的高度确定大气边界层高度. 结果表明:在夏季静稳天气下,大气边界层平均高度为600 m,其中晴天为1 000 m,雾天为700 m,阴雨天在200~300 m之间. 静稳天气下的大气边界层不容易被有效突破,故不利于大气污染物扩散. 大气边界层高度对污染物浓度影响显著,没有降雨时,大气边界层降低(400 m),大气污染加重,在城区宝联站监测的ρ(PM_2.5)近200 μg/m3,在大气本底站——上甸子站近150 μg/m3;如果伴有降水,大气边界层高度升至600 m,大气污染则减轻,2个站点观测的ρ(PM_2.5)均降至50 μg/m3以下. 静稳天气下的大气污染呈现区域性特点.      

上海秋冬季PM2.5污染天气形势的客观分型研究

通过分析2013—2015年上海地面PM_(2.5)质量浓度观测资料,发现11、12、1月3个月对PM_(2.5)年总浓度的贡献达到36.4%,对总污染日数的贡献达到50.4%,对PM_(2.5)环境质量的影响最显著.采用T-mode斜交旋转分解方法(PCT),对2012—2015每年11月、12月和次年1月的海平面气压场和10 m风场进行大样本客观分型研究,揭示了4种秋冬季上海PM_(2.5)易污染的天气环流类型,分别为冷锋(Cw)、高压后部弱气压场(WGh)、高压前部弱气压场(WGl和WGf).对上海而言,冷锋、高后弱气压、高前弱气压分别表现为有利于上游污染输送、本地静稳累积、以及本地积累和上游输送相叠加的天气学特征.对比2个典型污染月(2013年1月和12月)和清洁月(2014年11月和2015年11月)的逐日分型结果发现,Cw环流控制下污染输送对秋冬季上海PM_(2.5)环境质量影响显著,高前弱气压的维持是导致上海3次连续重度污染的重要原因.     

长三角区域大气重污染应急减排效果评估

为评估长三角区域大气重污染应急减排方案的效果依据上海市环境科学研究院编制的2015年长三角区域高分辨率大气污染源排放清单设计了3级减排方案,利用本地化的WRF-CMAQ模式对长三角区域一次重污染过程进行了模拟验证,并评估了各减排方案的效果.结果显示:①如各城市单独进行减排在一级、二级和三级减排方案下ρ(PM_2.5)分别降低0～7.2、0～20.6和0.1～34.8μg/m³,降幅分别为0～11.7%、0～19.5%和0.2%～28.0%,长三角区域空气质量优良率未见明显上升.②如进行区域协同减排在一级、二级和三级减排方案下ρ(PM_2.5)分别降低0.5～10.0、2.7～30.2和4.3～51.8μg/m³,降幅分别为1.8%～12.8%、9.3%～23.5%和14.7%～37.0%.对于多数城市,区域协同减排效果比单独减排效果显著其中舟山市、连云港市和常州市的区域协同减排效果最突出.在三级减排方案下的区域协同减排会使空气质量优良率明显提升,空气质量优良的城市从6个升至10个,中度以上污染城市从12...     

京津冀秋冬季PM2.5污染概况和预报结果评估

对京津冀区域2013年9月至2018年2月连续5个秋冬季PM_(2.5)的污染特征和气象影响因素,2015年10月至2018年2月连续3个秋冬季以及典型污染过程时NAQPMS、CMAQ和CAMx这3个模式PM_(2.5)的预报结果进行了分析评估,对模式预报的不确定性和改进措施进行了探讨.结果表明,5个秋冬季PM_(2.5)区域均值浓度分别为122、98、82、99和65μg·m-3,污染过程(中度及以上污染过程)期间浓度分别为229、198、210、204和180μg·m-3. 5个秋冬季累计发生64次PM_(2.5)为首要污染物的区域污染过程,2013～2014年秋冬季污染过程平均持续时间最长,2017～2018年持续时长最短.除2016～2017年外,其他年份PM_(2.5)浓度峰值和均值逐年降低,区域总体污染形势减轻.秋冬季PM_(2.5)浓度与相对湿度、风速和日照时数相关性相对较好,与温度和气压的相关性整体较弱.当风速小于2 m·s-1、大气相对湿度65%以上、主导风向为西南和东北风时,容易出现区域中度及以上污染过程.此外,3个模式均能够预测出京津冀区域秋冬季PM_(2.5)污染过程,预报值与监测值体现了较好地相关性.3个模式对张家口、承德和秦皇岛的预报结果较好,对唐山、石家庄、保定、北京和天津等城市预报偏高,这与污染源清单、气象初始场和气象预报、以及大气化学反应机制的不确定性有一定关系.     

上海地区通风指数的应用研究

利用2013—2014年上海地区的风廓线资料及NCEP再分析资料,计算研究了上海地区通风指数的变化情况,并结合实际天气情况和预报经验,对常用通风指数公式进行本地化修正.通过分析修正前后的通风指数与颗粒物浓度的关系发现,修正后通风指数的时间变化特征与PM_(2.5)浓度的时间变化有显著的负相关关系,且经过修正的通风指数对于PM_(2.5)浓度变化的指示意义更强;研究其在典型污染个例中的应用情况发现,修正后的通风指数低时,对应的PM_(2.5)浓度值高,说明修正后的通风指数能较好地反映出边界层内大气对污染物的扩散和输送作用;另外,与未修正的通风指数对比发现,修正后的通风指数降低了原通风指数的数值,对污染的指示意义更强,尤其表现在上海地区受冷空气影响时,修正后的通风指数较原通风指数降低明显,能更好地反映出大气对上游地区污染物的输送作用.由此可见,经过修正后的通风指数更适用于本地化的预报服务,这也为上海地区的空气质量预报和霾预报提供了一个新的参考指标.     

2011年春季辽宁一次沙尘天气过程及其对不同粒径颗粒物和空气质量的影响

利用2011年5月11—12日辽宁沙尘天气过程的相关资料,分析了沙尘天气对不同粒径颗粒物及空气质量的影响及此次沙尘过程的天气成因.结果表明:沙尘天气发生前后可吸入颗粒物PM₁₀、PM_2.5和PM₁的浓度变化很大,沈阳、鞍山、本溪和丹东4城市PM₁₀、PM_2.5的小时浓度最大值都增大了1.5~20倍;粗粒子PM_(2.5~10)的数量浓度分别增加了30~41倍,质量浓度分别增加了27~30倍;细粒子PM_(1~2.5)的质量浓度分别增加了30~35倍,数量浓度分别增加了15~30倍;微粒子的数量浓度和质量浓度各城市表现不同,沈阳微粒子的数量浓度和质量浓度最大值增大了3倍和5倍,而鞍山PM₁的数量浓度和质量浓度分别减少了50%和10%.受蒙古气旋的影响内蒙古地区产生大风降温天气,大风将内蒙古地区的沙尘带到高空并随西风带向东移动进入辽宁,由于辽宁地区风速比较小,造成了辽宁大部分地区的浮尘天气,并对辽宁各地空气质量造成了严重影响,除丹东外辽宁其他13个城市空气质量都达到了轻微污染到重度污染的级别,铁岭、阜新、沈阳和抚顺的污染指数分别超过了300,达到了重度污染的级别.     

杭州G20峰会空气污染控制状况评估

为了实现杭州G20峰会（二十国集团财长和央行行长会议）期间的环境空气质量目标,2016年初开始长江三角洲地区尤其是浙江省加快推进大气污染防治行动,分区分时间节点实施多种污染控制措施.为了评估这些措施实施成效,利用WRF-Chem（Weather Research and Forecasting Model Coupled to Chemistry）模式对2015—2016年浙江省AQI（air quality index）、PM_2.5、SO₂等污染物浓度观测资料进行了模拟计算及分析.结果表明:①模拟计算显示,G20峰会期间各污控措施减排效果明显,核心区减排比例最大,严控区次之,管控区最小,4种污染物浓度减排比例从大到小顺序依次是SO₂、PM_2.5、NO_x和VOCs.②观测资料分析显示,G20峰会期间浙江省环境空气质量明显改善,但不同控制区改善状况不尽相同.与2015年9月、2016年8月相比,2016年9月核心区月均AQI的降幅约为35和25;严控区次之,AQI降幅约为20和15;管控区最弱,AQI降幅约为8和5.ρ（PM_2.5）情况与AQI相似,观测结果与模拟计算一致.③G20峰会期间日均AQI及各种污染物浓度振荡下降,9月5日降至最低值.9月4—5日杭州市和浙江省日均AQI分别为90、62和77、51,均在GB 3095—2012《环境空气质量标准》的二级标准限值以下;日均ρ（PM_2.5）分别为37、35 μg/m3和20、21 μg/m3,优于GB 3095—2012二级标准.④污控措施改变了大气中的首要污染物.以杭州市为例,2016年6—8月没有出现以PM_2.5为首要污染物的污染天气情况;7—9月没有出现以NO₂为首要污染物的污染天气情况,2015仅8月出现这种情况,10月出现跃升,日数占比高达60%左右;从4月开始以O₃为首要污染物的日数占比较往年呈更快的增长状态,7月出现最大值,并呈现与往年双峰型不同的单峰型结构.研究显示,除有利气象条件外,对污染源所采取的严格控制措施是杭州G20峰会取得良好效果的主要原因.      

2015—2021年广州市臭氧和PM2.5复合污染特征及天气分型研究

利用广州市2015—2021年的地面观测资料和ERA5再分析数据集,统计了臭氧和PM_2.5的时间分布特征及两者同时出现高值(“双高”过程)的气象成因,并进一步用自组织神经网络(SOM)研究了高浓度臭氧和PM_2.5(浓度大于年第85分位数)对应的客观天气型.结果表明,2015—2021年,广州市臭氧浓度呈逐年上升趋势,而PM_2.5浓度则呈逐年下降趋势,臭氧逐渐取代PM_2.5成为首要污染物.“双高”日主要集中在春季和秋季,且秋季占比超过50%.当温度为20～30℃,湿度为30%～50%时,“双高”日出现的概率达到30%以上.基于天气分型方法,本研究发现在所有“双高”污染过程中,主要天气分型依次为：高压底后部型、变性高压脊型、副高+台风外围型、冷锋前部型;秋季发生“双高”污染时,天气分型依次为：副高+台风外围型和副高+弱冷高压脊型.     

基于SARIMA模型和普通Kriging法对杭州市主城区PM2.5短期预测和制图

基于SARIMA模型对杭州市主城区内的7个站点和周边3个站点的PM_(2.5)浓度进行4 h平均的短期预报,并利用普通Kriging法对杭州市主城区PM_(2.5)进行空间插值和制图.在建立SARIMA模型时,用批量自动化的方法,使用R语言编程对夏季和冬季各360期的数据进行SARIMA(p,d,q)×(P,D,Q)6模型的参数的确定和拟合,来预测下一期的值.在10个站点分别进行120期的预测,做出真实与预测的时间序列图,在精度分析中,夏季和冬季PM_(2.5)浓度总体的平均绝对误差(MAE)分别为8.4μg·m~(-3)和14.8μg·m~(-3).在Arc GIS中,对每期的数据使用普通Kriging法,用球面模型拟合半变异函数,决定各个站点的权重,来对杭州市区内未知空间样点进行插值,最后生成完整的杭州市主城区PM_(2.5)短期预测图.本研究创新性地将SARIMA模型广义化运用到小尺度时间序列中,预报效果较好,并且批量自动化预测和制图的方法,可为今后的预测制图产品化提供技术支持.     

关中地区重污染期间PM_(2.5)输送与来源的模拟研究

本文应用WRF-CHEM模式模拟分析了关中地区2014年2月14日至16日的一次重污染过程。模式模拟了西安地区和宝鸡地区城市大气PM_(2.5)的时间变化和空间分布特征,较好地再现了污染过程。敏感性试验分析表明,关中盆地东部地区(西安市及其周边地区)形成的PM_(2.5)对盆地西部地区(宝鸡市及其周边地区)影响较大,贡献可以达到30%,其主要原因为盆地发生重污染时,盛行东风造成西安市及其周边地区形成的污染物向西输送,影响宝鸡市的空气质量。污染源分析表明,居民生活源是关中盆地在2月份最重要的PM_(2.5)源,贡献超过40%,交通运输源的贡献小于10%。因此在重霾情况下,限行机动车的作用很小。     

太原市PM2.5积累特征及重污染天气成因分析

收集了太原市2014-2018年秋冬季（10月-翌年2月） PM_2.5、SO₂、NO₂和CO浓度数据以及对应时刻气象资料,基于逐日PM_2.5在16：00-01：00时的变化将其分为消散过程、慢速积累过程和快速积累过程,从PM_2.5积累的角度分析了太原市PM_2.5的污染特征及影响因素,并将其运用于重污染天气形成过程的探讨.结果表明,太原秋冬季慢速积累过程占比最高为44%,快速积累过程占27%,消散过程占29%.10月以慢速积累为主占比超过60%,11和12月快速积累占比最高接近40%,1、2月慢速积累再次占主导地位;快速积累过程占比最高的年份为2014年和2016年均超过35%,慢速积累和消散占比最高的年份均为2017年.慢速积累状态下,二次污染物的生成有助于PM_2.5的积累速率增加;快速积累状态下一次污染物对PM_2.5积累速率影响更明显;发生快速积累时,来自临汾、晋城等东南方向区域输送显著增加.太原市重污染天气的形成过程以慢速积累为主,占比77%.重污染天气下,市区多以硫酸盐和硝酸盐复合污染为主,而郊区以硝酸盐污染为主.