城市边界层理化结构与大气污染形成机制研究进展

自2013年《大气污染防治行动计划》实施以来,我国空气质量持续改善,但京津冀地区细颗粒物浓度仍远高于国家标准,秋冬季重污染天气仍时有发生.近些年,我国科学家在大气污染的立体探测、成因机制和来源解析、气溶胶和边界层相互作用等研究领域取得重要进展,进一步支撑了我国大气污染的科学防治和重污染天气的有效应对,然而我国当前大气污染仍面临诸多科学难题.本文简要概述了我国近些年在大气污染垂直探测方面的一些研究进展,特别是依托于北京325 m气象塔建设的城市边界层理化结构探测平台,详细论述了北京地区不同季节大气气溶胶化学组分的垂直分布特征及其与边界层物理要素的相互作用,同时基于2014年亚太经合组织峰会(APEC)和2015年纪念抗日战争胜利70周年阅兵前后的垂直观测,阐明了大气污染化学组分对区域源排放控制的响应机制.本文还针对大气细颗粒物中的二次无机组分(硝酸盐和硫酸盐)和二次有机气溶胶的生成机制以及极端霾事件的生消机制的最新研究进展进行了评述,并在最后对大气污染监测、二次无机气溶胶生成机制和有机气溶胶的分子组成和物理化学属性(相态、挥发性和氧化态等)等未来研究给出了一些建议.     

Discussion on Atmospheric Pollution

大气污染问题的严重性,目前已引起全世界的共同关注.文章从我国当前大气污染的现状入手,提出了大气污染的严重性及治理的重要性,笔者认为要想改善大气污染现状,必须从改善能源结构、改善经济结构、完善减污体系等方面入手,从而有效改善人们的居住生活环境.     

基于伴随方法的大气污染溯源

大气污染防治的核心是找准污染源头,厘清污染成因,实现靶向治理,提高控制效率.本文建立了全国空气质量高分辨率预报与污染控制决策支持系统(NARS,呐思系统),实现了气象与大气化学的监测、同化、预报、溯源、排放源反演和动态优化控制等大气污染闭环防控,可为大气污染防控提供一整套解决方案,其中所建立的CAMx伴随溯源模式,实现了排放源动态反演和网格化定量溯源,可快速定量追溯导致目标区域未来7天大气污染的排放源及其贡献率时空分布.针对2016年9月~2017年3月北京主城区PM_(2.5)集中污染时间段进行了排放源反演、气象场预报、空气质量预报和网格化溯源.与京津冀地区国控点监测结果进行了对比分析,结果表明污染过程、污染等级和污染物浓度预报的准确率分别为100%、88.8%和84.7%,预报值和监测值之间的相关系数为0.81.网格化溯源结果表明导致北京主城区PM_(2.5)污染的排放源基本来自于北京西南方向这一条大气污染物传输通道,北京本地、河北、天津及周边地区排放源对北京主城区PM_(2.5)浓度分别贡献了66%、29%、5%.就重污染过程而言,京津冀排放总量的19%导致了北京主城区80%的PM_(2.5)重度及以上污染,其中北京本地占京津冀排放总量的9%贡献63%、河北占京津冀排放总量的10%贡献17%.就整体污染天气而言,京津冀排放的26%导致了北京主城区80%的PM_(2.5)轻度以上污染,其中北京本地占京津冀排放总量的9%贡献61%、河北占排放总量的15%贡献18%,天津占排放总量的2%贡献1%.导致北京主城区PM_(2.5)污染的排放源主要分布在北京城区和南部区域、保定和石家庄所辖的部分区县,贡献排名前6位的区县均为北京辖区,贡献率合计为48%,前20个区县的总体贡献为73%.将动态反演排放源方法与调查排放清单相结合,应用伴随溯源模式对预报结果进行同步大气污染溯源,可为大气重污染应急控制找准控制对象,并进行损益评估,运用自然控制论,实现大气污染应急优化控制.     

大气污染与防治的过去、现在及未来

大气污染危害性本质上是大气污染物对人体健康和人类生存环境的影响.文章将大气污染与防治分为物理过程、化学过程和生物过程,阐述了如何用数学方法与计算机技术描述和计算这3个过程,对其发展历程及相互关联进行了系统评述.综合论述了大气物理、大气化学、源排放清单、大气环境监测、气象场预报、空气质量预报、源解析与溯源、大气污染对人类健康的影响、大气污染控制等方面的理论、技术和方法的发展沿革、现状与存在的问题.由于大气污染与防治物理过程、化学过程、生物过程及其数学描述方法和计算原理等极为复杂又交错影响制约,文章提出了大气污染危害性识别与控制的理论框架及核心科学问题,指出动态排放源清单反演与生成、颗粒物毒性识别、化学过程数据同化、健康风险预报预警、应急来源解析、动态优化控制等方面的理论、技术、方法和标准还不成熟,是未来发展的主要方向.另外,文章指出将大气污染物毒性与健康风险直接关联,可为大气污染应急优化控制和产业结构调整、能源结构调整与重污染源布局的优化问题提供更加直接和有效的科技支撑.本文提出的理论框架及核心科学问题的实现,将为找准污染源头、实现靶向治理、促进生态文明建设的客观需要发挥基本作用.     

激光遥测烟羽浓度

利用红宝石激光雷达,在烟粒形状任意、尺度谱分布和成分稳定以及一次散射条件下,可以探测烟羽浓度的空间分布,由此还能进一步获得大气扩散参数σ_y和口σ_z.这就为监视大气污染和研究大气污染的扩散规律,提供了一种可靠简便而有生命力的新手段.     

全球变暖与中国极端气候事件变化

极端天气气候事件(以下简称极端气候事件),是指一个地点或地区发生概率较小的天气气候现象,又称异常天气气候事件.极端气候事件往往可以造成很大的危害.其中,高温(热浪)、低温(寒潮)、暴雨洪涝、少雨干旱、台风和沙尘暴等常能造成严重的自然灾害,引起人员伤亡和经济损失.     

脱硫装置及其控制技术

我国约80%的电力能源、70%的工业能源大气污染和80%的供热、民用燃煤都来自煤.我国的原煤中灰分和硫含量较高,硫含量在0.1%~10%不等.我国的煤耗大户是燃煤电厂,其排放量占工业总排放量的55%左右.因此,削减和控制燃煤,特别是火电厂的燃煤污染,是当前我国大气污染控制领域最紧迫的任务之一,因此,脱硫技术正在飞速发展.     

雄安新区大气污染的气象特征分析

2017年4月,中国共产党中央委员会和国务院决定在河北设立雄安新区,以推进京津冀协同发展,要将雄安新区打造为环境优美的生态城市.通过分析雄安新区2016年5月24日至2017年4月30日的空气质量数据和气象数据,对该地区的大气污染现状进行了研究,并揭示其与气象条件的关系,旨在为雄安新区的合理规划提供科学依据.研究发现雄安新区的主要大气污染物为PM_(2.5)和PM_(10),其重污染过程主要出现在秋、冬两季,污染程度与相对湿度呈正相关,与风速和温度呈负相关.尽管雄安新区目前的开发程度较低,但受本地排放和周边污染物输送的共同影响,大气污染问题不容忽视.在雄安新区的规划和建设过程中,需要考虑周边地区的协调发展,共同治理大气环境.     

加强O3和PM2.5协同控制,持续改善我国环境空气质量

<正>我国自2013年发布《大气污染防治行动计划》以来,在保持经济快速发展的同时,大气环境质量明显改善.在六项常规污染物中,二氧化硫（SO₂）、细颗粒物(PM_2.5)、可吸入颗粒物(PM₁₀)、一氧化碳（CO）、二氧化氮（NO₂）浓度均显著下降[1].但我国大气污染形势依然严峻, PM_2.5浓度距离世界卫生组织的推荐值仍然有较大差距;     

福建仙云洞石笋记录的Heinrich 1事件突变特征

Heinrich 1事件(H1事件)是末次冰期一系列冰漂碎屑事件中最为突出的寒冷事件.本文基于闽西连城县仙云洞石笋(编号:XYⅣ-3)8个~(230)Th年龄和256个氧同位素结果,获得了16.8~15.2 ka BP期间平均分辨率达7 a的东亚夏季风演变序列.该石笋氧同位素记录最为显著的特征是在16.3~16.1 ka BP时段出现两个阶段的偏正过程,振幅达1.8‰,指示了一次显著的弱季风事件突变过程,对应于北大西洋显著的H1事件.与具有年层时标的南京葫芦洞和神农架青天洞石笋记录对比发现,尽管在定年误差范围内3个洞穴的石笋记录都捕捉到了H1事件的这次突变过程,但我国东南仙云洞记录的H1突变过程的时间(~260 a)明显比长江中下游的青天洞(18 a)和葫芦洞(19 a)长得多,表现出显著的差异响应.分析表明,在北半球突变事件诱发后,热带西太平洋的海气过程有可能是造成这种差异响应的原因.     

鄂霍次克海东南部180ka BP以来底栖有孔虫δ~(13)C轻值事件

对鄂霍次克海东南部OS03-1岩芯180 ka BP以来底栖有孔虫内生种Uvigerina spp.进行了稳定氧碳同位素分析,发现了112~109 ka BP(Ⅵ),102~90 ka BP(Ⅴ),85~76 ka BP(Ⅳ),57~54 ka BP(Ⅲ),44~40 ka BP(Ⅱ)和17~10 ka BP(Ⅰ)的6次δ13C轻值事件,其中发生于102~90 ka BP的轻值事件Ⅴ中的δ13C降幅最大,达到了2.5‰,其他事件中均达到1‰以上.研究认为,这些δ13C轻值事件可能由表层生产力增高、鄂霍次克海中层水形成减弱、最低含氧带加强等因素共同引起.古菌生物标志物结果表明,这些δ13C轻值事件没有受到天然气水合物分解和甲烷气体释放的影响.     

中国与北半球中高纬小雨事件的时空变化特征

基于站点逐日降水实测资料、英国气象局哈德莱中心(Hadley)的逐月高层探空气温资料和海表面温度资料、英国东英吉利大学气候研究中心(CRU)的逐月地面气温资料和NCEP/NCAR逐月再分析资料, 本文分析了1961～2010年夏半年和冬半年中国和北半球中高纬小雨事件的时空变化特征及其与大气层结稳定度、海表面温度和环流的关系. 对中国小雨事件的长期趋势分析的结果表明, 夏半年和冬半年东部小雨事件减少(3.0%/10 a), 西北地区小雨事件夏半年无明显的变化趋势, 而冬半年有增加的趋势(4.1%/10 a). 经验正交函数分解的结果表明, 夏半年和冬半年北半球中高纬小雨事件的前两模态的时间系数主要表现为长时间尺度的变化特征. 夏半年和冬半年第一模态主要表现为近50 a北美大陆、南欧和中国西北地区(夏半年除外)小雨事件有长期增加的趋势, 欧亚大陆大部分地区(包括中欧、东欧、北亚和中国东部)有长期减少的趋势. 夏半年的第二模态主要表现为1961至20世纪80年代早期北美大陆、 南欧和中国南方小雨事件增加, 而45°N以北的欧亚大陆大部分地区小雨事件减少, 20世纪80年代后期至2010年变化趋势逆转. 冬半年的第二模态主要表现为1961至20世纪80年代早期北美大陆、中国南方和华北小雨事件增加, 而40°N以北的欧亚大陆小雨事件减少, 20世纪80年代后期至2009年变化趋势逆转. 线性回归和相关分析的结果表明, 第一模态可能与全球增暖相联系的大气层结稳定度的长期变化趋势有关, 第二模态可能与AMO有关.     

塔里木盆地地质热事件研究

塔里木盆地是我国最大的沉积盆地,也是我国石油工业的重要战略接替地区,因此塔里木盆地油气形成与演化研究具有十分重要的意义.塔里木盆地发育了多期地质热事件,这些盆地地质热事件直接影响了盆地油气形成和演化.作者采用~(40)Ar-~(39)Ar快中子活化技术对盆地火山岩进行~(40)Ar/~(39)Ar坪谱年龄研究,获得了塔里木盆地火山岩的~(40)Ar/~(39)Ar年龄,查明了本区构造热事件的地质年代,并通过Ar在热事件中的逸散程度恢复样品遭受热历史过程,在此基础上探讨了盆地的构造演化及与油气生成、演化的关系.1 盆地火山岩~(40)Ar/~(39)Ar年龄谱特征~(40)Ar/~(39)Ar坪年龄谱不仅能够很好地反映岩石形成的年龄,而且能很好地记录岩石形成以后所经历的各种地质热事件.因此,塔里木盆地火山岩的~(40)Ar/~(39)Ar坪年龄谱的研究能很好地确定盆地地质热事件的历史.     

El Ni(n~)o事件的前兆现象在日长和海平面观测中的反映

利用1962年以来的日长变化、东太平洋海面水温以及香港验潮站的海平面资料, 分析和揭示即将来临的El Ni(n~)o事件的前兆现象在日长和海平面变化观测中的反映. 研究结果表明, 随着1998年初夏开始的强La Ni(n~)o事件的结束, 又一次新的El Ni(n~)o事件正在孕育过程中, 预计它的形成期将在2000年底前开始, 并可能在2001年底前后达到盛期.     

El Niño事件的前兆现象在日长和海平面观测中的反映

利用1962年以来的日长变化、东太平洋海面水温以及香港验潮站的海平面资料, 分析和揭示即将来临的El Ni(n~)o事件的前兆现象在日长和海平面变化观测中的反映. 研究结果表明, 随着1998年初夏开始的强La Ni(n~)o事件的结束, 又一次新的El Ni(n~)o事件正在孕育过程中, 预计它的形成期将在2000年底前开始, 并可能在2001年底前后达到盛期.     

RegCM3对中国21世纪极端气候事件变化的高分辨率模拟

基于RegCM3区域气候模式对21世纪气候变化的连续模拟,在对当代模拟能力检验的基础上,对中国区域未来极端气候事件的变化进行了分析.模拟中RegCM3所使用的水平分辨率为25km,初始和侧边界场由MIROC3.2_hires全球模式结果提供,积分时间为1951～2100年.所使用的极端气候事件指数包括SU(夏季日数)、FD(霜冻日数)、GSL(生长季长度)3个温度指数和SDII(日降水强度)、R10(日降水量≥10mm日数)、CDD(连续干旱日数)3个降水指数.结果表明,模式在可较好地再现中国地区当代地面气温和降水空间分布及数值的同时,对各项极端气候事件指数也有较好的模拟能力.未来随着中国区域的明显升温和降水变化,暖事件指数SU和GSL都将增加,冷事件指数FD则将普遍减弱;以SDII和R10反映的强降水事件指数也基本呈增加趋势,其中R10指数在东北大部和青藏高原中部减弱,其他除长江中下游部分地区外普遍加强,而CDD则在北方明显缩短,在青藏高原和四川盆地到中国南部增加.从区域平均各指数的21世纪变化看,除CDD变化不大外,其余指数变化均表现出随时间增大的趋势.     

热带印度洋偶极子与ENSO事件关系的年代际变化

利用3种百年尺度的海温资料以及来自NCEP/NCAR的大气场资料, 本文探讨了热带印度偶极子和太平洋ENSO事件关系的年代际变化. 在1948~1969阶段, 正(负)位相的偶极子与暖(冷)ENSO事件表现出较多的相对独立性, 但是1970年之后, 它们经常同时发生. ENSO影响偶极子事件的整个生命史, 而偶极子主要影响ENSO事件的发展阶段. 通过分析海温背景场、低层风场以及沿赤道的垂直速度的年代际变化, 本文揭示出偶极子与ENSO关系的年代际变化可能是1970年以后与增强的Walker环流相伴随的海洋性大陆上空加强的垂直运动所导致的. 1970年以后异常增暖的海洋性大陆周围的海水导致了低层风场的异常辐合以及上空对流活动的加强, 从而使得热带东印度洋和西太平洋之间的海水交融加强, 由此, 热带印度洋偶极子事件和太平洋ENSO事件的相互影响相互联系变得更加紧密.     

法国防止大气污染的政策

法国防止大气污染的政策包括以下三大类活动:(1)预防与减少大气污染的活动;(2)大气质量的监察活动。这些活动可以理解为减少污染物排放的临时性特定措施;(3)科研活动。制定全国范围的预防、减少与监察大气污染的方针政策的权限,属于法国环境保护与生活范围部、预防污染管理局、大气问题服务处,此外,后者还负责部际之间的协调。在各个地区,主要是由省际工矿服务处在地方行政长官的领导下负责实行这一方针政策。这一组织结构随着1979年在梅斯建立了全国大气保护办事处而完整了,这是一个行政性的国家管理机关,其任务包括以下三个方面:(1)提供公共情报;(2)加强大气质量的监察;(3)向有关预防大气     

北半球副热带高压双脊线的统计特征

利用41年NCEP/NCAR再分析资料对北半球副热带高压(简称副高)双脊线的普遍性和若干统计特征进行了系统探讨. 结果表明, 副高双脊线是北半球副热带高压的一种普遍现象, 其发生具有明显的季节锁相特征和地域性. 7月中旬到9月中旬, 双脊线事件频繁出现在北印度洋中东部到北太平洋中部一带, 尤其是西太平洋副热带地区, 双脊线事件极其活跃. 基于这一点, 重点分析了西太平洋副热带高压(简称西太副高)双脊线的若干统计特征, 指出大部分副高双脊线的生命史都非常短暂, 但有些双脊线过程仍能持续较长时间; 夏秋季是双脊线事件最频繁的阶段, 而冬春季双脊线事件较少; 西太副高双脊线事件也有明显的年际变化, 并且呈现出一定的周期性, 而这种周期在70年代中期发生了明显的突变. 此外, 文中也探讨了西太副高双脊线事件与副高南北移动的关系.     

酸雨及其危害

根据国家环保局前不久公布的"我国大气污染现状"资料,我国酸雨正呈蔓延之势,成为继欧洲、北美之后世界上第三大酸雨区,酸雨面积已占国土面积的30%.监测表明,我国西南地区(如重庆、贵阳、南宁)酸雨较为严重;长江以南的上海、武汉、杭州也经常出现酸雨;北方城市中的西安、铜川、图门和青岛,酸雨的量和酸性都非常突出.