摘要:

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摘要:生物源与人为源有机气体氧化形成的二次有机气溶胶(SOA)对气候变化和人类健康具有重要影响。SOA的产生与其前体物研究已取得了一些进展,但由于有机气体之间存在复合相互作用以及SOA形成机制复杂,目前对不同有机气体混合体系中SOA的形成认知还比较匮乏。因此,深入了解有机气体多源、复杂的相互作用,摸清有机气体的大气氧化机制、SOA的形成及影响等对深入理解真实大气有机气体化学演变具有指导意义。本文旨在了解复合体系有机气体氧化生成SOA的相关研究进展。一方面总结了复合体系有机气体产生SOA质量浓度、产率、成分、挥发性、光学性质等的变化,侧重于实验室复合体系有机气体氧化对SOA形成的多重影响以及SOA组成元素、分子构成的变化特征,并总结了目前实验室基于模型对复合体系SOA生成的模拟研究和拟合情况;另一方面探究了环境因素,如相对湿度(RH)、温度(T)以及无机气体,如氮氧化物(NO_x)、二氧化硫(SO₂)、氨气(NH₃)等对复合体系有机气体形成SOA的影响。

摘要:为研究雾和霾天气下VOCs时空变化特征,于2020年11月19 日—2021年1月15日在江苏省东海国家气象观测站进行为期58 d的外场观测试验。利用自主研发的多旋翼无人机捕获2次辐射雾和2次霾天气过程,获得气温、气压、相对湿度、风向、风速、VOCs、O₃等7种要素100多条垂直廓线。结果表明:时间上,霾过程夜间VOCs体积浓度(0.225~0.253 ppm(parts per million, 1 ppm=10^-6))明显高于白天(0.191~0.205 ppm),雾形成前体积浓度(0.121~0.239 ppm)显著高于雾过程(0.056~0.209 ppm)。雾过程中VOCs体积浓度与雾强度变化相反,雾层高度与VOCs体积浓度剧烈变化高度一致,雾层(<200 m)中VOCs体积浓度(0.172~0.178 ppm)明显减小,显著低于雾形成前(0.195~0.240 ppm),雾层以上浓度变化大,雾结束后1 h内保持雾过程中分布特点。雾对逆温层中的水溶性污染物有清除作用,VOCs体积浓度和O₃质量浓度均下降。

摘要:近年来,我国东部地区夏季臭氧污染问题日渐凸显,成为影响空气质量、环境改善的重要因素之一,为量化评估臭氧前体物减排对臭氧污染的影响,本文以2021年6月19—30日中国东部地区臭氧污染过程为例,应用空气质量模型CMAQ-DDM方法与卫星遥感反演算法分析了东部地区臭氧浓度对人为源前体物排放敏感性的响应程度,并对臭氧前体物设置不同削减比例开展减排情景模拟,结果表明:1)2021年6月19—30日中国东部出现了一次长时间区域性臭氧污染过程,大部分城市达轻度至中度污染水平;2)整个污染时段东部地区主要以VOCs(Volatile Organic Compounds,挥发性有机物)控制区或VOCs与NO_x协同控制区为主,模型模拟与卫星反演结果具有较好的一致性,污染过程前段(19—25日)东部地区对VOCs敏感性较高,污染后段(26—30日)大部分地区转为VOCs和NO_x协同控制区,特别是河南、安徽、江苏部分地区,对NO_x敏感性提高较为显著;3)在相同减排比例条件下(VOCs∶NO_x=2∶1),减排幅度越大,臭氧降幅越大,当VOCs削减比例由20％提高到40％时,臭氧浓度降幅由1.7％增大至3.6％;由VOCs和NO_x协同减排(2∶1)过渡为强化NO_x减排(1∶1)的分阶段控制优于单一的减排控制方案,臭氧改善率平均增强0.1％;仅削减高架源NO_x对臭氧降幅不显著。

摘要:京津冀位于华北平原腹地,面临着严重的空气污染问题,尤其是河北省的重点工业城市唐山,长期位于全国空气质量最差的前十名。为改善空气质量,过去的十多年间我国颁布实施了多项污染防治计划,但唐山的PM_2.5和夏季O₃浓度仍超国家标准。为此,使用WRF(Weather Research and Forecasting Model)-CMAQ(Community Multiscale Air Quality Model)模型量化了唐山市2020年PM_2.5和O₃浓度的行业贡献并分析其协同控制可行性。工业源对唐山市PM_2.5浓度贡献最大,约占45％,其次是居民源约占16％。冬季能源、居民源和农业源占比为全年最高,分别达17％、19％和11％。O₃浓度的背景值约占一半以上,4月占比最高。在非背景值中,唐山O₃浓度最大来源为工业源,约占53％,其次是交通源,约占22％。生物源、交通源和能源行业的贡献在7月有所上升,分别约10％、27％和20％。不同污染情景下对唐山市PM_2.5和O₃的来源比较发现,工业和能源是其最重要的共同来源。

摘要:为了解2021年南京市新冠疫情期间城市大气污染物浓度的变化和成因,利用南京大学SORPES站点2021年7月1日—2021年8月30日大气污染物在线监测数据,分析疫情前、中、后颗粒物及气态污染物的浓度变化,针对臭氧(O₃)的关键前体物,挥发性有机物(Volatile Organic Compounds,VOCs)采用正定矩阵因子分解法模型(Positive Matrix Factorization,PMF)、拉格朗日粒子输送与扩散模型(Lagrangian Particle Distribution Model,LPDM)分析其污染来源。结果表明:疫情封闭期间,南京市PM_2.5质量浓度较疫情前降低了40％～50％,组分中硝酸盐、有机物质量浓度降幅最为显著,分别下降了34.0％和16.5％。臭氧体积浓度不降反升,城中区域增幅最显著站点可达50％左右。其气态前体物氮氧化物(NO_x)及VOCs浓度变化呈相反态势,分别较疫情前降低28％、升高49.6％。模型及卫星遥感结果表明,疫情期间南京市臭氧属于协同偏VOCs控制区。气团溯源结果显示,南京市受本地及周边区域传输的共同影响,疫情封闭期间省外上海方向、省内苏州-无锡-镇江-南通方向的气团贡献增大。PMF解析了南京市本地VOCs主要来源于机动车排放源、植物源、溶剂源、工业生产源以及油气挥发源,其中机动车源占比变幅最大,疫情封闭期间下降了15.1％,疫情后上升了4.3％。其次为油气挥发源、溶剂源,这两项污染源疫情封闭期间分别上升了11.2％、1.7％,疫情后则分别下降了4.8％、4.3％。

摘要:近年来南京O₃污染逐渐加剧,为了了解本地及周边城市排放对南京O₃的影响,本研究利用源导向的WRF/CMAQ区域空气质量模型对长三角2018年3—10月O₃污染季节的空气质量进行了模拟。通过追踪长三角41个城市的排放,探究了长三角地区对南京O₃的传输特征以及不同风向下的来源贡献。结果表明:研究期间南京O₃非污染日和污染日的本地贡献差异不大,分别为56.8％和49.5％;而污染发生时周边城市对南京O₃的贡献由36.4％增加至46.3％,长三角以外地区的贡献由6.8％减少至4.7％。;南京O₃污染日江苏省内对其贡献占73.1％,而浙江省、安徽省和上海市分别贡献了10.8％、10.5％和0.95％。污染期间南京本地分别由NO_x和VOCs作为前体物生成O₃(分别记为O₃N和O₃V)的贡献比率约为7∶13,说明南京本地VOCs对O₃生成贡献较大。污染日期间东南风和东北风占比分别为38.0％和35.9％,当主导风向为东北风时,上风向城市扬州对其贡献达13.6％;主导风向为东南风时,上风向城市常州(7.3％)、镇江(7.0％)和无锡(6.5％)对南京O₃的贡献较大。因此,南京O₃污染控制应考虑根据不同风向对上风向城市群的区域联防联控控制策略。

摘要:利用降水现象仪、双偏振雷达、常规气象观测资料和再分析数据,分析了郑州“7·20”极端强降水过程的微物理特征。此次过程受多尺度天气系统的共同影响,为复杂多变的降水微物理特征提供了有利的环境条件。结果表明,此次过程地面雨滴谱分布随时间存在明显变化,雨滴谱参数分布较广,覆盖了从大陆性对流降水至海洋性对流降水的分布区域。20日16—17时最强降水时段,小粒子数密度显著高于东亚地区普通对流性降水的统计结果和华南地区夏季平均值,且存在大量大粒子,保证了极高的降水效率。双偏振雷达参量的垂直结构反演结果显示,对流系统质心低,具有典型的暖云特征;0 ℃层以上冰相过程相对活跃,0 ℃层以下强烈的暖雨过程,大量的冰相粒子落下并融化和低层高效率的雨滴碰并增长过程,导致各尺度高浓度雨滴的生成,最终形成地面的极端强降水。

摘要:基于WRF(Weather Research and Forecasting)模式,选取河南“21·7”特大暴雨事件,采用局地增长模培育法(Local Breeding Growth Mode,LBGM)生成对流尺度集合预报系统,在此基础上对24 h累积降水量进行SAL(Structure,Amplitude and Location)检验,结合预报成功指数(Threat Score,TS)、公平成功指数(Equitable Threat Score,ETS)评分等评分结果进行对比分析,综合评估集合预报成员的预报效果,表明:1)基于局地增长模培育法生成初始扰动的集合预报系统成员对于强降水预报有一定优势,在降水强度和位置的预报上与实况较接近;2)经检验,成员e003的TS和ETS评分在20日00时—21日00时(北京时,下同)和21日08时—22日08时两个强降水时段内表现最佳,并在SAL检验中对应较好的降雨强度A和雨区位置L,而成员e008暴雨TS、ETS评分最低,对应SAL检验中具有一定的位置偏差,即TS、ETS评分和SAL检验之间存在相关性,将二者有机结合,可以为业务工作中定量评估模式降水预报效果提供参考;3)通过对比整体评分表现较好的成员e003和较差的成员e008,两者预报的位势高度场与ERA5(ECMWF reanalysis v5,ERA5)再分析资料之间的差值,可以验证降水预报误差主要源于对低涡系统的预报偏差,同时预报评分较好的成员其位势高度偏差较小,综合评估效果更佳。

摘要:基于2007年7月青海祁连站的野外加密探空资料,结合高分辨率的三维边界层模式,模拟研究了青藏高原东北边坡复杂地形条件下,边界层对流引起的干动力过程对该地区地形重力波产生及传播的影响机理。结果表明:在不同的背景场强迫下,高原东北边坡复杂地形上空对流和重力波的空间结构存在较大差异。当背景风向与山体垂直时,随着风速增加,山脊背风坡混合层顶附近大气不稳定能量加强,激发了下游区域较强的重力波信号,此时对流线组织性增强、重力波波列较长,高水汽含量的空气被波峰传输到较高的高度,为对流云发展提供了有利条件;当背景风向与山脊走向平行时,山顶上空对流发展旺盛,山脊背风坡混合层顶大气状态较稳定,激发的地形重力波信号较弱且波列较短,整个混合层顶附近水汽较少,对流云形成条件减弱;当背景大气浮力频率减小时,整个区域上空对流发展更加旺盛但组织性减弱,背风坡下游重力波向上传输的距离减小,信号不显著,混合层顶附近水汽分布均匀且变化幅度较小,有利于层状云发展。

摘要:为研究FM-120雾滴谱仪不同采样频率(5 Hz、1 Hz) 对辐射雾微结构观测的影响,2020年冬季在连云港东海县开展了为期58 d的雾外场精细化观测。在2020年12月28日一次辐射雾过程中使用5 Hz和1 Hz两台不同频率的雾滴谱仪开展辐射雾精细化观测研究。研究发现,相较于1 Hz的观测结果,5 Hz更容易观测到雾的微物理量的极值。从整个雾过程来看,5 Hz雾滴谱仪平均成1 Hz后的结果在雾的形成和消散阶段与1 Hz雾滴谱仪的原始结果的相似度较低,但在雾的成熟和发展阶段相似度较高。从谱型来看,5 Hz和1 Hz观测到的谱型基本类似,主要差别出现在峰值。5 Hz和1 Hz均能反映此次雾过程中不同阶段微物理之间的关系,主要差别出现在雾的形成阶段,这可能是5 Hz在此阶段观测到的活化并凝结增长的新雾滴相对较少所导致。

摘要:基于全可压非静力中尺度预报模式WRF,选取Lin、WSM3、WSM5、WSM6、Goddard五种云微物理方案和Kain-Fritsch积云对流参数化方案,对2017年6月10日的江淮暴雨过程开展高分辨率数值预报试验,重点研究了云微物理方案对强降水预报的敏感性。结果表明:Lin方案模拟的局地暴雨区降水量随时间的演变与实况较为吻合,但降雨量偏小,WSM5、WSM6和Goddard方案模拟的降水量级与实况更为吻合;不同云微物理方案对此次江淮暴雨的预报能力具有明显差异,小雨量区域的模拟效果基本一致,暴雨和大暴雨对云微物理方案更加敏感;云中水成物的三维结构特征差异明显,其水成物含量也显著不同。WSM5方案模拟的雨水和云水含量较高,其降水量和落区质量较好;不同微物理方案产生差异明显的垂直速度,导致云量、云高有所差异,进而影响降水预报的性能,说明选用更为敏感的云微物理方案对降水预报质量的改善具有重要作用。

摘要:基于地面加密观测、ERA5再分析、ECMWF全球集合预报等多源资料,利用敏感性分析方法、涡度收支诊断方法以及拉格朗日水汽追踪方法,探讨1909号台风“利奇马”造成远距离暴雨的关键动力因子和水汽来源。结果表明,对流层低层短波槽的加深有利于台风远距离降水(Tropical cyclone Remote Precipitation,TRP)区南北两侧的气流共同增强TRP区域内的低层相对涡度,从而增强TRP。尤其相对涡度的散度项是影响TRP增强或减弱的关键作用项。在TRP增强阶段,有利于暴雨增强的正涡度主要由散度项贡献。负的散度项贡献导致相对涡度减小,TRP雨强也随即减弱。在水汽方面,TRP雨强和区域内的水汽含量密切相关。500 hPa上TRP区域内的水汽由局地和台风“利奇马”共同贡献;700 hPa的水汽主要由“利奇马”台风贡献;850 hPa的水汽则由局地和两个台风共同输送,其中台风“罗莎”的贡献更大一些。

摘要:TraCE-21ka是全球首个利用全耦合模式针对末次盛冰期(LGM)至今气候演变的瞬变模拟。利用现代再分析资料和历史特征时期重建的连续冻土边界对TraCE-21ka模拟做了评估。结果表明TraCE-21ka能够较好地模拟现代半球尺度环流和降水的空间形态,对东亚地区的模拟冬季较好而夏季欠佳。TraCE-21ka模拟的现代时期与再分析资料相比偏冷,北半球年平均表面温度比再分析资料低3～4 ℃,基于现代温度误差的分析表明TraCE-21ka对东亚地区气候演变的模拟欠佳。对于历史特征时期,重建的连续冻土边界线指示TraCE-21ka模拟的亚欧大陆在LGM偏暖,全新世中期偏冷,即低估了LGM以来的变温幅度。利用连续冻土边界线的年均表面温度约为-7 ℃这一特性,进一步定量评估出TraCE-21ka模拟的亚欧大陆中纬地区从LGM至今的升温幅度约为真实气候的40％。通过分析近百年全球升温速率证实TraCE-21ka的气候敏感性显著偏低,由此产生的误差在瞬变模拟中会不断累积。