城市化对北京夏季极端高温影响的数值研究

利用一个耦合了城市冠层模式（UCM）的区域数值模拟系统（WRF／NCAR）,引入由LandsatTM提取的京津冀区域30m分辨率下垫面GIS数据集代替美国USGS地表分类数据,对2009年6月24—25日出现在北京地区的一次超过40℃极端高温天气过程进行了高分辨率数值模拟,用以考察WRF／UCM系统对北京“城市热岛”及城市高温天气的模拟效果,并分析了城市化对北京地区城市高温和地表能量平衡的影响及其日变化特征。结果表明：采用精细化下垫面分类数据集后能更好地模拟出主要高温区的分布特征,并能较好再现夜间的“城市热岛”效应。城市化发展对近地层气温的影响主要表现在会促使城区及其下风向近郊区气温的升高,增幅可达0．5～2℃,这与城市热岛及其下游效应有关。城市下垫面的高粗糙度对近地层风速表现出明显的阻挡效应,表现在模拟的10m风场减弱明显。考虑了城市下垫面属性的敏感性试验更好地再现了城区温度的日变化,其模拟的日间最高温度与实际观测值更为接近,也较好地模拟出了城区具有较高最低温度的特征。通过城区与郊区能量平衡过程差异的分析表明,城市化可以显著改变能量平衡中各项所占的比重。地表对近地层大气热量输送过程的变化表明随着城市下垫面的日愈扩大,会显著增强白天地表对大气的向上感热输送,增大城区日间出现高温的可能。夜间,模式反映出地表能量收入来自土壤热通量的向上输送,同样由于城区的潜热通量小,收入的能量仍主要以感热形式加热大气,夜间城区具有较高的最低温度并表现出较强的热岛特征,主要与夜间感热加热的持续相关。     

三种霾日统计方法的比较分析——以环首都圈京津冀晋为例

为了研究单次值法、日均值法、14时值法3种常用的霾日和轻雾(雾)日统计结果的异同,以环首都圈京津冀晋四省市为例进行了比较.华北地区霾日用3种方法统计的过去60余年霾日的区域分布表明,3种方法统计的霾日是单次值法日均值法14时值法,大致是1:0.54:0.45的关系,但区域分布趋势比较相似.典型城市霾日的长期变化趋势大都十分相似.而轻雾(雾)日的长期变化趋势表明,用单次值法统计的明显偏多,且有长期下降趋势;而用日均值法与14时值法统计的轻雾(雾)日无大差别,且没有明显的长期变化趋势,反映了年季和年代季的气候波动.从长期季节变化趋势来看,3种统计方法的结果除日数的差别外,季节分布特征比较类似.一个突出的特点是除去采暖季有较多的霾日外,在盛夏季节霾日也明显多,集中出现在6~9月,尤其是7~8月,与桑拿天同期出现,这与全国大部分城市的变化趋势完全不同.是华北地区的特有现象.用单次值法统计霾日,将包括所有的霾过程,即大范围持续时间长,且与一定天气系统与近地层扩散条件相关连的霾,及在稳定的晴朗夜间由于辐射降温,使相对湿度升高而导致能见度下降形成的霾.用日均值法,则可能更多的显示长时间大范围的霾天气过程;而使用14时法,则对早晚因湿度增加降低能见度出现的霾天气漏记,突出长时间大范围的霾天气过程.     

不同气温层结条件下地面加热对街谷扩散能力的影响

利用CFD数值模拟方法研究了气温层结与地面加热作用对街谷环流和污染物扩散的影响.针对高宽比为0.5和1.0的两种街谷,总共进行了18组敏感性数值试验,结果表明相对于气温层结,地表加热是决定街谷附近污染物扩散能力的更为重要的因素,地表加热作用可显著提高街谷的扩散能力.在地表存在加热的情况下,流场结构、空气交换系数、湍流强度总体上均朝着有利于清除街谷内污染物的方向发展,即使是在稳定层结下,地表加热作用所产生的热力环流也会使得污染物能够被有效地输送和扩散到街谷之外,从而使得近地面的污染物浓度下降.     

北京冬季重污染过程黑碳气溶胶的飞机观测

利用空中国王飞机平台搭载单颗粒黑碳光度计（SP2）针对北京2016年12月冬季一次污染过程进行了连续观测,阐述了污染发生、发展和消散过程中的黑碳（BC）气溶胶质量浓度、粒径分布和混合状态的变化特征.结果表明,此次污染过程是以PM_2.5污染为主的霾污染过程,最大值为432μg/m³.NO₂、SO₂和CO等气态污染物浓度经过3次污染积累阶段,为PM_2.5最终爆发增长提供了物质基础.静稳的大气条件为PM_2.5爆发增长提供了动力条件.污染发展过程中BC气溶胶先在地面累积增加,然后向高空传输;清除过程则是高空先被移除,低层缓慢降低.污染发展过程中北京地区黑碳气溶胶在边界层（PBL）浓度变化为先升高后减小,平均浓度为3.45μg/m³,质量中值直径（MMD）范围在190~220nm.随着污染过程的发展,气溶胶迅速老化,PBL内的BC老化比例在一天内可从27%增加到了51%,老化过程使得PM_2.5质量浓度爆发增长.污染过程中BC在边界层的垂直演变导致大气加热率发生变化,有利于逆温的维持和发展,加剧了污染物过程.     

城市小区气象与污染扩散数值模式建立的研究

建立了一个城市小区尺度模式。该模式为三维非静力高分辨，取κ-ε湍流闭合方案。除考虑空气动力学作用外，引入了作为城市特征的街区建筑物布局及其高度、朝向和对短波辐射的遮蔽以及不同地表利用类型等特征影响，用强迫-恢复法计算地面温度，同时加入了污染物平流扩散方程。模式经专门布置的实测资料验证并用其模拟了北京一个小区中的气象条件和污染物扩散特征。结果表明：模式能够较合理的地反映由于建筑物遮蔽造成的温度差异以及不同下垫面上的温度变化；能够较好地模拟实际气象条件下的气象要素场特征和不同建筑物布局和土地利用类型的气象要素场特征，风场与观测比较一致；NOx浓度的模拟基本上反映了小区整体污染物浓度的变化趋势和特征，与观测值有一定的可比性；模式对不同城市小区可有良好的模拟能力。     

北京冬季大气污染和气候背景

本文应用八十年代初期三年冬季的二氧化硫和气象资料,讨论了北京冬季二氧化硫的日变化和日际变化特征与象候条件特点,可供研究空气污染与气象的关系和监测防治大气污染参考。     

基于CMAQ模式和自适应偏最小二乘回归法的中国地区PM2.5浓度动力-统计预报方法研究

采用CMAQ模式和自适应偏最小二乘回归法相结合的动力-统计预报方法,对2014年1—12月全国252个环境监测站的PM_(2.5)浓度逐时预报值进行了滚动订正,分析了订正前后PM_(2.5)浓度的时空变化特征,重点研究该方法在中国不同地区不同季节的适用性.结果表明:CMAQ模式预报的PM_(2.5)浓度年平均和秋冬季季节平均偏差表现为非均匀空间分布特征,即辽宁、山东部分地区、川渝地区及华中、华东、华南大部分地区预报偏高,京津冀和西部大部分地区预报偏低;订正后PM_(2.5)浓度与实测值的空间分布较一致,上述偏高和偏低地区的PM_(2.5)浓度预报误差显著减小;秋冬季PM_(2.5)浓度预报和订正偏差均大于年平均值.全国区域平均PM_(2.5)浓度实测值存在明显的季节变化特征,1—3月和11—12月较大,其他月份较小;PM_(2.5)浓度预报误差较大,多数时刻预报偏低,尤其是1—3月和11—12月偏低较明显;订正后PM_(2.5)浓度与实测值较接近,而且时间变化趋势较一致,秋冬季PM_(2.5)浓度预报和订正偏差亦明显大于春夏季.秋冬季4个重点污染区域中,京津冀地区PM_(2.5)实测浓度的区域平均值较大,川渝地区次之,长三角和珠三角地区较小;珠三角地区PM_(2.5)浓度预报和订正效果较好,川渝和长三角地区次之,京津冀地区相对较差;经滚动订正后,全年和秋冬季时段PM_(2.5)浓度订正值与实测值的相关系数均显著增加,误差显著减小,尤其是秋冬季订正效果较好.川渝地区的订正改进幅度最大,长三角和京津冀地区次之,珠三角地区较小.本文方法均适用于非污染日和污染日全国范围的PM_(2.5)预报浓度订正,两种天气过程PM_(2.5)浓度的订正效果均较好;该方法对于改进京津冀地区污染日的PM_(2.5)浓度预报更有效,其他3个地区非污染日的订正改进效果优于污染日.本文研究结果可为改进空气质量预报、重霾污染天气预警和防治提供新技术途径和科学依据.     

华北植被的净初级生产力研究及其时空格局分析

在CASA模型的基础上,建立了利用NOAA/AVHRR 1B卫星资料和气象资料估算植被净初级生产力(NPP)的技术方法,该方法有3个特色:直接利用NOAA/AVHRR 1B卫星数据,不需要经过大气校正和方向反射率校正来实现NPP估算;考虑了植被覆盖类型对光能利用率的影响;考虑了植被反照率在计算净辐射中的差异。利用该方法对2007年华北地区的NPP模拟结果表明:2007年华北地区植被的年总NPP为3.68×1014gC/a,各省总的NPP贡献率依次为:内蒙古64%、山西20%、河北13%、北京2%和天津1%,各季的贡献率大小依次为:夏季67%,秋季17%、春季15%,冬季1%。不同植被类型年NPP分别为:森林灌丛为271~560 gC/m2.a,草原为97~278 gC/m2.a,农田为363~376 gC/m2.a,建筑居民地为216 gC/m2.a,荒漠裸地为14 gC/m2.a。受物候和气候因素影响,不同植被类型NPP具有不同的年变化。     

基于TM影像的北京市热环境及其与不透水面的关系研究

城市化进程将自然景观转换为以不透水面为主体的人工景观,改变了地表与大气间的水分和能量交换过程,导致了城市热岛效应。城市热岛效应对区域气候、生态环境等产生了一系列影响,其空间分布特征以及影响因素分析已经成为城市气候与环境研究的重要内容。基于2011年7月26日的Landsat/TM卫星影像运用单通道算法反演了北京市的地表温度来表征城市热环境,运用线性光谱分解及VIS模型提取了北京市不透水面盖度来,在此基础上对北京城市热环境的空间分布特征及其与不透水面盖度之间的关系进行了分析讨论。研究表明:北京主城区的地表温度明显高于郊区,城市热岛效应非常显著,其空间分布呈现单核特征,且南部城区的热岛效应要强于北部城区。北京市高温热岛区域和不透水面盖度较高的区域基本重合,两者在空间分布上具有显著的一致性。地表温度随着不透水面盖度的增加而升高,并且其变化速率依赖于不透水面盖度。当不透水面盖度低于40%时,地表温度随着不透水面盖度增加呈指数关系迅速上升,而当不透水面盖度高于40%时,地表温度呈线性缓慢上升。研究结果揭示了不透水面与地表温度的关系,表明不透水面盖度可以作为城市热环境的一个重要指示因子,为城市规划建设及环境评价等提供了科学参考。     

北京冬季低空温度资料分析

本文根据1981年冬季的低空探测资料,初步分析了城区与郊区水平及垂直温度的分布,为了解北京的城市效应,进一步开展城市空气污染预报提供依据. 一、观测场地及观测方法 1981年11、12月及1982年1月和3月,在北京城区与郊区设点进行了318次温度和风的垂直探测,探测点布局见图1.温度探