北京一次持續(xù)性霧霾過程的階段性特征及影響因子分析

曹偉華，梁旭東，李青春

摘要：目的：城市持續(xù)性霧霾過程對(duì)城市大氣環(huán)境、居民健康、交通安全等都帶來嚴(yán)重影響。研究此類事件的成因、階段性特征和影響因子對(duì)于探討近年來頻發(fā)的持續(xù)性霧霾過程發(fā)生發(fā)展規(guī)律與防治方法至關(guān)重要。利用2009年11月3—8日華北平原及周邊地區(qū)一次典型的持續(xù)性霧霾過程中多源觀測(cè)資料，對(duì)此類事件的氣象因素和氣溶膠階段性演變特征進(jìn)行綜合分析，以期為更好地理解持續(xù)性霧霾事件的天氣特征及其形成機(jī)制提供依據(jù)。方法：使用的北京地區(qū)高分辨率觀測(cè)資料包括：（1）寶聯(lián)站每5 min的PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)；（2）南郊觀象臺(tái)地基12通道微波輻射計(jì)每1 min的溫度、相對(duì)濕度、液態(tài)水含量數(shù)據(jù)；（3）北京地區(qū) 46個(gè)道面氣象站每5 min的能見度、相對(duì)濕度、溫度、風(fēng)速和氣壓數(shù)據(jù)。霧和霾的界定標(biāo)準(zhǔn)：在排除降水、沙塵暴、揚(yáng)沙、浮塵、煙幕、吹雪和雪暴等天氣現(xiàn)象造成的視程障礙后，對(duì)于能見度小于10 km，空氣相對(duì)濕度≥95%的定義為霧，相對(duì)濕度＜80%的定義為霾；相對(duì)濕度為80%～95%時(shí)，若 PM2.5質(zhì)量濃度大于 75 μg/m3，定義為霾，若 PM2.5質(zhì)量濃度小于 75 μg/m3，定義為霧。結(jié)果：研究發(fā)現(xiàn)：（1）本次持續(xù)性霧霾過程具有明顯階段性特征：過程前期（11月3—5日）相對(duì)濕度較小，以霾為主；中期（6—8日中午）隨著相對(duì)濕度增大，轉(zhuǎn)為霧霾交替階段；后期（8日上午以后）隨著相對(duì)濕度減小，又轉(zhuǎn)換為以霾為主階段并逐漸消散。（2）持續(xù)低壓和較小的地面風(fēng)速以及 PM2.5濃度的穩(wěn)定增加和相對(duì)濕度增大為本次霧霾過程的形成和發(fā)展提供了有利的氣象條件；大氣邊界層逆溫與地面能見度對(duì)應(yīng)關(guān)系良好，是此次霧霾低能見度過程形成的必要條件，但并不是霧霾能見度強(qiáng)度的決定性因素。（3）相對(duì)濕度和 PM2.5濃度是決定本次霧霾過程大氣能見度的兩個(gè)關(guān)鍵影響因子，且對(duì)能見度的影響體現(xiàn)出明顯的階段性特征：當(dāng)相對(duì)濕度不太大時(shí)（約90%以下），PM2.5濃度對(duì)能見度的作用要強(qiáng)于相對(duì)濕度，是影響能見度變化的主要因子；而隨著相對(duì)濕度的增大和能見度的降低，相對(duì)濕度對(duì)能見度的影響相對(duì)增強(qiáng)，當(dāng)能見度降至1 km以下時(shí)，相對(duì)濕度是兩者中影響能見度變化的主要因子；在霧霾消散階段兩者對(duì)能見度的影響程度相當(dāng)。結(jié)論：大部分嚴(yán)重霧霾過程都具有持續(xù)性特點(diǎn)，一旦形成很難快速消散，并多表現(xiàn)出霧和霾交替混合的特點(diǎn)。通過對(duì)持續(xù)性霧霾事件進(jìn)行多因子特征分析，確定相對(duì)濕度和 PM2.5濃度是決定本次事件能見度的兩個(gè)關(guān)鍵影響因子?；?PM2.5濃度和相對(duì)濕度因子構(gòu)建了霾階段的能見度理論計(jì)算模型，揭示了PM2.5濃度和相對(duì)濕度對(duì)霾的能見度影響規(guī)律：在不同霾階段控制相對(duì)濕度對(duì)于能見度的提升程度基本相當(dāng)，而在相對(duì)濕度較大條件下，控制 PM2.5濃度對(duì)改善大氣能見度具有更顯著的效果。還基于霧階段能見度經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，揭示出相對(duì)濕度增大造成水汽凝結(jié)是影響本事件霧階段大氣能見度下降的重要因素，而高濃度的氣溶膠條件對(duì)霧階段能見度減小有促進(jìn)作用，是影響本次過程長(zhǎng)期維持的另一因素。

來源出版物：氣象學(xué)報(bào), 2013, 71(5): 940-951

入選年份：2016

近48年城市化發(fā)展對(duì)北京區(qū)域氣候的影響分析

趙娜，劉樹華，虞海燕

摘要：目的：城市的擴(kuò)張、人口的增加、下墊面的變化和污染物的排放等因素對(duì)北京的氣候都產(chǎn)生了不可避免的影響。利用北京城、郊區(qū)氣象站點(diǎn)資料，估測(cè)北京地區(qū)過去 48年的氣候變化，包括溫度、降水、濕度和風(fēng)，從而了解不同時(shí)期北京的氣候特征以及城市化發(fā)展對(duì)北京區(qū)域氣候的影響。方法：選取北京市朝陽、海淀、豐臺(tái)、石景山、平谷、密云、延慶、上甸子、霞云嶺、佛爺頂、湯河口、齋堂12個(gè)氣象臺(tái)站1961—2008年共 48年月平均氣溫、月降水量、月平均相對(duì)濕度和月平均風(fēng)速氣候觀測(cè)資料，按照相對(duì)北京城區(qū)的距離劃分，把平谷、密云、延慶、上甸子、霞云嶺、佛爺頂、湯河口、齋堂八個(gè)遠(yuǎn)離城區(qū)、受城市化影響較小的觀測(cè)站作為郊區(qū)代表站，把海淀、朝陽、豐臺(tái)、石景山4個(gè)測(cè)站作為城區(qū)站。利用統(tǒng)計(jì)分析方法，分析城市化對(duì)北京區(qū)域氣候的影響。氣候資料處理上，按照氣候?qū)W常用方法進(jìn)行季節(jié)劃分，對(duì)各氣候要素進(jìn)行了年平均和季節(jié)平均，并針對(duì)氣象站不同海拔高度和遷移對(duì)氣溫資料的影響，采用氣溫垂直遞減率，即每上升100 m氣溫下降約 0.6℃，將其訂正到海平面溫度。結(jié)果：對(duì)北京城郊區(qū)1961—2008年48年的溫度、降水、風(fēng)和濕度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析后發(fā)現(xiàn)：（1）近半個(gè)世紀(jì)以來，北京城區(qū)和郊區(qū)的平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫均呈現(xiàn)顯著增加趨勢(shì)，且平均氣溫從1980年代初開始進(jìn)入快速增長(zhǎng)階段；從季節(jié)來看，平均氣溫和最高最低氣溫均表現(xiàn)為冬季和春季增加最大，其次是秋季，夏季最弱。城市化發(fā)展對(duì)最低氣溫的變化影響最大，其次是平均氣溫，對(duì)最高氣溫影響最弱。城區(qū)氣溫的日較差明顯減小，而郊區(qū)氣溫的日較差相比略有增加。近 48年北京地區(qū)熱島強(qiáng)度上升了1.4℃，上升幅度為0.29℃/10 a，且1980年代后，各個(gè)季節(jié)熱島效應(yīng)隨年代增強(qiáng)，冬季和春季尤為明顯。（2）北京地區(qū)的降水量在過去近 50年呈明顯下降趨勢(shì)，以 2000年以后最為明顯。從四季降水量的變化來看，夏季減小最明顯，冬季減幅較小，而春秋兩季呈小幅上升趨勢(shì)。降水的減少可能與空氣污染的加劇、氣溶膠的增多、云滴的減少進(jìn)而導(dǎo)致降水云的減弱有關(guān)，城市化可能對(duì)大尺度的降水不會(huì)有什么影響，但對(duì)局地對(duì)流型降水可能會(huì)有不可忽略的影響。總之，城市化和降水頻率、時(shí)空分布的關(guān)系有待進(jìn)一步的研究和更多證據(jù)的支持。（3）北京城區(qū)的相對(duì)濕度呈減小趨勢(shì)，這首先與全球變暖的大背景密切相關(guān)，其次還與城市化所導(dǎo)致的綠地的減少以及不具備保水能力的硬地路面的增加有著密切的關(guān)系。由此可見，隨著城市化的發(fā)展，尤其是下墊面的變化，造成城區(qū)相對(duì)濕度下降，進(jìn)而導(dǎo)致“干島效應(yīng)”的出現(xiàn)，這也是北京城市氣候的特征之一。（4）48年來北京城郊區(qū)風(fēng)速呈減小的趨勢(shì)，認(rèn)為除了和季風(fēng)減弱的大背景有關(guān)外，還與城市化加劇導(dǎo)致的下墊面的粗糙度的增加有密切關(guān)系。結(jié)論：利用1961—2008年北京12個(gè)氣象站的氣候觀測(cè)資料，研究分析了北京城區(qū)和郊區(qū)氣溫、降水、相對(duì)濕度、風(fēng)速的變化趨勢(shì)及特點(diǎn)，并探討了城市化發(fā)展對(duì)北京區(qū)域氣候的影響。文章有兩點(diǎn)研究意義：首先，選取的資料序列較長(zhǎng)，可以更全面了解不同時(shí)期北京氣候要素的變化特點(diǎn)；其次，可進(jìn)一步了解北京城市化發(fā)展加劇對(duì)溫度降水等氣候要素帶來的影響，并且，針對(duì)影響最顯著的兩個(gè)要素，即溫度和降水，要分析其具體影響，還需更多的數(shù)據(jù)和資料加強(qiáng)觀測(cè)對(duì)比研究，特別是對(duì)降水量和降水空間分布的影響，還有待更進(jìn)一步的研究和分析。

來源出版物：大氣科學(xué), 2011, 35(2): 373-385

入選年份：2016

東亞季風(fēng)近幾十年來的主要變化特征

王會(huì)軍，范可

摘要：東亞夏季風(fēng)（EASM）和東亞冬季風(fēng)（EAWM）對(duì)我國(guó)以及整個(gè)東亞地區(qū)的天氣和氣候有直接作用，一直是研究東亞大氣環(huán)流和天氣、氣候問題的核心問題之一。EASM具有顯著的年際變化，而引起我國(guó)夏季降水和氣溫年際波動(dòng)，經(jīng)常帶來酷暑、干旱、洪澇等災(zāi)害；而 EAWM 的顯著年際變化則會(huì)引起冬季嚴(yán)寒、暴風(fēng)雪等災(zāi)害。研究表明，ENSO以及全球不同區(qū)域海表溫度（SST）異常、北極海冰和北極濤動(dòng)異常等都對(duì)EASM、EAWM具有顯著影響。迄今為止的幾乎所有的研究結(jié)果都顯示未來全球變暖情景下 EAWM 將要減弱，冬季風(fēng)勢(shì)力向北極地區(qū)退縮，從而我國(guó)冬季氣溫將顯著上升、北方地區(qū)大都會(huì)有更多的冬季降水或者降雪，極端暴雪事件可能會(huì)增多。而秋季北極海冰面積的大幅度減少可能會(huì)對(duì)東亞冬季氣候乃至夏季氣候產(chǎn)生重大影響，導(dǎo)致北方冬季降雪增多、夏季風(fēng)增強(qiáng)、夏季北方降水增多等等。并且，隨著全球變暖的繼續(xù)，北極海冰可能會(huì)加速融化，導(dǎo)致在 21世紀(jì)的中期或者后期出現(xiàn)夏秋季節(jié)北極沒有海冰的“藍(lán)色北極”狀態(tài)從而對(duì)我國(guó)和東亞氣候產(chǎn)生更大的影響。簡(jiǎn)要綜述了關(guān)于東亞夏季風(fēng)和冬季風(fēng)近幾十年來的主要變化特征的若干研究結(jié)果，特別是關(guān)于其年代際變化方面。夏季風(fēng)及夏季氣候的主要變化特征有：1970年代末之后東亞夏季風(fēng)的年代際時(shí)間尺度的減弱以及相應(yīng)的我國(guó)夏季降水江淮流域增多而華北減少、1992年之后我國(guó)華南夏季降水增多、1999年之后我國(guó)長(zhǎng)江中下游夏季降水減少而淮河流域夏季降水增多、東亞夏季風(fēng)和ENSO之間的年際變化相關(guān)性存在不穩(wěn)定性。而關(guān)于東亞冬季風(fēng)與冬季氣候的主要變化特征有：1980年代中期之后東亞冬季風(fēng)及其年際變率減弱、1970年代中期之后冬季風(fēng)和 ENSO的年際變化相關(guān)性較弱、近年來的北極秋季海冰減少對(duì)北半球冬季積雪增多有顯著貢獻(xiàn)、東北冬季積雪在 1980年代中期以后增多。與上述變化有關(guān)的極端氣候和物候都發(fā)生了多方面的變化。

來源出版物：大氣科學(xué), 2013, 37(2): 313-318

入選年份：2016

高分辨率WRF模式中土壤濕度擾動(dòng)對(duì)短期高溫天氣模擬影響的個(gè)例研究

易翔，曾新民，鄭益群，等

摘要：目的：土壤濕度作為重要的陸面變量，對(duì)氣溫（尤其是高溫）有著非常重要的影響。為了更綜合、定量地分析氣溫對(duì)土壤濕度擾動(dòng)的敏感性以及相應(yīng)的物理機(jī)制。利用 WRF中尺度預(yù)報(bào)模式就土壤濕度擾動(dòng)對(duì)短期高溫天氣過程的影響進(jìn)行了高分辨率模擬研究。方法：使用 WRFV3.6版本，選取 2003年7月 22—23日和29—30日的24 h天氣過程進(jìn)行模擬。模擬采用三重嵌套網(wǎng)格，在同種嵌套方式下分析不同嵌套區(qū)域內(nèi)的物理量值，以代表不同分辨率（36、12、4 km）的影響。陸面方案選擇包含10、30、60、100 cm 4個(gè)土壤層的Noah方案，按照一定幅度（不改變，及增減 25%、50%）同時(shí)改變?nèi)厍短字懈魍寥缹拥耐寥罎穸葋砜疾旄邷貙?duì)不同土壤濕度的敏感性。由熱力學(xué)第一定律推導(dǎo)得到溫度隨時(shí)間的變化方程，將方程各項(xiàng)的積分形式分別表示為溫度的平流項(xiàng)、對(duì)流項(xiàng)和非絕熱項(xiàng)，通過計(jì)算各項(xiàng)的大小來定量分析不同物理過程在短期高溫天氣中的貢獻(xiàn)程度。結(jié)果：考察了3種水平分辨率下5種土壤濕度擾動(dòng)對(duì)高溫模擬的影響，并結(jié)合熱通量、熱力學(xué)方程定性、定量分析了影響的機(jī)理。結(jié)果表明：（1）采用高分辨率 WRF模式及相應(yīng)的高分辨率地表特征資料能夠明顯改善控制試驗(yàn)的模擬效果，模擬高溫對(duì)土壤濕度擾動(dòng)有較強(qiáng)的敏感性，且隨著分辨率的提高而增大（如，12 km與4 km分辨率在24 h內(nèi)模擬的地表氣溫區(qū)域平均差異可達(dá)到3.7°C），這也說明，模式中陸氣反饋的強(qiáng)度對(duì)模式分辨率具有高度的依賴性。此外，不同分辨率下土壤濕度影響溫度的規(guī)律一致，即，土壤濕度的減小（增加）會(huì)導(dǎo)致氣溫的升高（降低），且氣溫對(duì)土壤濕度減小的敏感性更強(qiáng)。（2）地表熱通量變化是土壤濕度影響氣溫的直接因子。土壤濕度減小會(huì)引起地面向上的感熱通量增加并直接加熱地表和低層大氣，同時(shí)由于蒸發(fā)、蒸騰等過程的減弱，會(huì)造成水汽相變釋放的潛熱通量減少，因此對(duì)地表的冷卻效果減弱，最終導(dǎo)致氣溫的升高。土壤濕度增加的情況與之相反。白天（夜間）較強(qiáng)（弱）的熱通量傳輸對(duì)應(yīng)較高（低）的氣溫，土壤濕度擾動(dòng)造成的熱通量差異越大（小）導(dǎo)致氣溫的差異也越大（?。?，土壤濕度擾動(dòng)主要是通過白天地表強(qiáng)烈加熱的時(shí)段對(duì)模擬高溫產(chǎn)生影響的。（3）土壤濕度擾動(dòng)通過間接改變大氣內(nèi)部高溫發(fā)展中的各物理過程來影響地表氣溫。這些過程中，平流作用在各時(shí)段的重要性都相對(duì)較小。對(duì)流項(xiàng)在各時(shí)段都表現(xiàn)為絕熱增溫的作用，白天（夜間）的絕熱增溫強(qiáng)度在干（濕）的土壤條件下更大。非絕熱加熱的強(qiáng)度在白天（夜間）隨著土壤濕度的減小而增大（減?。?。在白天，以感熱輸送為主的非絕熱增溫占據(jù)主導(dǎo)，且受到土壤濕度擾動(dòng)的影響最大；在夜間，由于低層逆溫，非絕熱冷卻的強(qiáng)度減弱，且小于占據(jù)主導(dǎo)的對(duì)流絕熱增溫的強(qiáng)度；在24 h，絕熱增溫占據(jù)主導(dǎo)，但非絕熱加熱過程對(duì)土壤濕度擾動(dòng)的敏感性最強(qiáng)。結(jié)論：以上結(jié)果顯示了高溫天氣高分辨率模擬對(duì)土壤濕度很強(qiáng)的敏感性，也進(jìn)一步說明了高溫模擬與預(yù)報(bào)時(shí)土壤濕度的重要性。由于土壤濕度并非氣象臺(tái)站常規(guī)觀測(cè)量等因素，準(zhǔn)確的土壤濕度值的獲取在實(shí)際應(yīng)用中存在困難。這也意味著通過土壤濕度擾動(dòng)的集合預(yù)報(bào)方法來改進(jìn)模式高溫模擬預(yù)報(bào)是具有潛力的。由于區(qū)域模式的特點(diǎn)，本文的敏感性研究與模擬時(shí)段、模擬區(qū)域、模式初邊界條件和參數(shù)化方案等緊密相關(guān)。在后續(xù)的研究中，通過更多個(gè)例、采用更多模式設(shè)置來探討土壤濕度對(duì)氣溫變化規(guī)律的影響，有助于我們更好地理解短期高溫天氣發(fā)生發(fā)展的物理機(jī)制及提高模式模擬高溫天氣的能力。

來源出版物：大氣科學(xué), 2016, 40(3): 604-616

入選年份：2016