寿县一次沙尘过程气溶胶谱分布和光学特性的阶段性特征

利用三波长偏振激光雷达和气溶胶在线监测仪器的协同观测,获取了2021年1月14日—16日寿县国家气候观象台一次沙尘过程气溶胶垂直分布、粒子数浓度、质量浓度、散射特性和能见度观测数据,并结合常规地面气象观测资料,分析了沙尘过程气溶胶微物理、光学特性及垂直分布的阶段性演变特征。结果表明：沙尘过境期间气溶胶粒子总数浓度峰值为5431 cm^-3,PM₁₀质量浓度峰值为447.2μg/m³,PM_2.5和PM₁₀的质量浓度比为0.43±0.10。沙尘、霾和晴空阶段下的气溶胶谱分布均可表示为2个细粒模和1个粗粒模的叠加,沙尘阶段气溶胶粒子数显著高于晴空和霾阶段,2个细粒模的粒子几何平均半径基本一致,在粗粒模中,沙尘阶段的粒子几何平均半径为2.24μm,明显大于晴空阶段的1.74μm和霾阶段的1.79μm。沙尘阶段气溶胶总散射系数平均值大于霾阶段和晴空阶段,其后向散射比较小,空气中以较大的沙尘粒子为主。3个波长的气溶胶消光系数垂直分布变化趋势基本一致,沙尘阶段气溶胶层高度扩展至近地面3.0 k...     

基于激光雷达和地面监测数据对南京一次沙尘和细粒子污染时空演变特征的分析

利用偏振激光雷达对南京2015年3月一次沙尘和细粒子污染共存过程的颗粒物垂直分布特征进行观测研究,结合地面气象数据、PM2.5和PM10质量浓度数据、PM2.5组分数据、卫星MODIS测量结果,探讨不同颗粒形态下的气象因素、颗粒物浓度分布、组分特征以及颗粒物光学特性的时间演变和垂直分布特征.结果表明:高湿、弱风等不利气象条件利于二次粒子的生成和累积,期间水溶性组分中SNA(SO₄^2-、NO₃^-、NH₄⁺)等二次组分浓度明显升高;同一时期长距离输入的沙尘发生的沉降对地面PM2.5化学组分构成显著影响,3月21日下午时段至3月22日在1.1².5 km高度的沙尘颗粒物向地面输送造成地面PM2.5的Ca²⁺突然增大到3.2μg/m³;3月22日下午以后在东南气流影响下,地面PM2.5向西扩散,PM2.5颗粒物浓度得到有效稀释,同时段出现了沙尘输入和扬尘过程,扬尘过程和沙尘输入使地面的粗颗粒增多,PM10剧增至347μg/m³;南京与无锡地区的颗粒物时空分布呈现高度相似的变化特点,具有区域性分布特征.后向轨迹分析表明,500 m、800 m及1000 m三个高度气团移动方向基本一致,主要从内蒙、京津冀、山东等地入海,后又经东海返回内陆抵达南京.     

基于多源资料的西北地区一次沙尘暴天气过程综合分析

基于气象条件、激光雷达、风场和 HYSPLIT 轨迹模型等多源资料, 综合分析了 2019 年 3 月 26–28 日发生在 甘肃省的一次强沙尘暴天气过程, 全面研究其发生发展、时空分布和垂直结构特征以及主要来源和传输路径。结果 表明: (1) 高空横槽是引起此次沙尘暴天气的关键因子。此次沙尘起源于塔克拉玛干沙漠, 自西向东影响到甘肃省, 使 部分城市环境空气质量转为严重污染。 (2) 此次沙尘传输路径位于甘肃省以北地区, 沙尘在东移过程中沉降明显, 在传 输过程中颗粒物浓度不断降低。通过分析沙尘传输时间可为下游城市空气质量预报提供参考。 (3) 对于荒漠半干旱地 区, 在风速较小的条件下也可能出现强沙尘天气。研究表明地基激光雷达观测资料能较好地分析沙尘暴天气的垂直 发展过程, 对沙尘的传输路径及沙尘来源均具有很好的指示意义。     

2021 年春季沙尘传输对徐州地区气溶胶演变影响分析

沙尘气溶胶对局地大气环境具有显著影响, 本工作基于 2021 年 3 月中国东部卫星和地基遥感观测资料, 以沙 尘传输过程中上下游的两个城市北京和徐州为主要研究区, 分析了两地气溶胶环境的阶段性变化特征和驱动因子。 结果表明: (1) 连续两次大型沙尘暴均来源于蒙古地区, 并受冷空气驱动影响中国东部地区, 第一次沙尘在江苏腹地进 入黄海, 第二次沙尘在江苏省附近受西南暖风影响发生沙尘回流现象造成持续污染。 (2) 沙尘以粗颗粒物为主, 使得近 地面层 PM10 浓度急剧提升至背景值的 20 倍、 PM2:5 提高至 3 倍。处于下游的徐州地区比上游的北京地区两次 PM10 峰值均低 500 µg·m−3, 且时间延后 12 小时。 (3) 沙尘过境前徐州背景气溶胶以散射性细颗粒物为主, 气溶胶光学厚度 (AOD) 小于 0.5, 单次散射反照率 (SSA) 约等于 0.99。到达徐州地区的沙尘漂浮在 2∼ 4 km 高空层并随重力作用与地 面层气溶胶混合, 使得 AOD 瞬间提升至 1.5 以上, 24 小时后开始逐步由沙尘主导过渡到本地污染物粒子主导 (气溶胶 退偏比从大于 0.25 降至 0.1 以下)。本次沙尘中部分颗粒物成分对 440 nm 光谱吸收性较强, 与沙尘来源有关。     

内蒙古自治区一次沙尘过程的激光雷达分析

为了探究沙尘污染过程中高时空分辨率的结构特征, 利用相干多普勒测风激光雷达、地面观测站、中分辨率成像光谱仪, 结合卫星气溶胶光学厚度数据产品、欧洲中期天气预报中心第5代再分析资料(ERA5)以及混合单粒子拉格朗日积分轨道(HYSPLIT)后向轨迹模式, 分析了2019-10-27~2019-10-28内蒙古自治区锡林郭勒盟一次典型的沙尘天气过程。结果表明, 此次沙尘是受高空冷涡、蒙古气旋的共同影响, 配合冷锋在高温时段过境沙源地, 热力叠加动力条件有利于沙尘随西风扩散; 沙尘来临前后, 地表气温变化明显; 卫星产品、HYSPLIT模式结合雷达风廓线可以更准确地确定沙尘来源, 激光雷达反演的气溶胶消光系数可反映边界层大气中气溶胶的变化情况; 2019-10-28T02:00地面PM10的质量浓度达到最大值268μg/m3, 消光系数超过30km-1, 达到最大值, 雷达反演数据在时间上会有延迟; 城市下垫面使得沙尘污染快速减弱, 雷达所在的草地下垫面容易受垂直风切变影响产生持续性污染。该研究对应用相干多普勒测风激光雷达、认识沙尘的污染过程以及传输特性很有帮助。     

中国区域PM2.5浓度估算以及影响因素解析

基于2018年中国逐日PM_2.5数据,选用随机森林方法构建了高精度PM_2.5浓度估算模型,并在季节和区域尺度上验证了其时空适用性,进一步利用特征重要性方法系统阐释了各影响因子对PM_2.5浓度变化的重要程度,最后利用偏依赖技术探究了不同影响因素的交互作用对PM_2.5浓度变化产生的综合影响。结果表明：(1)相比于多元线性回归与极端梯度提升树模型,利用多源数据构建的随机森林模型精度最高,可准确模拟出PM_2.5的浓度,且在季节和区域尺度上也有良好的适用性;(2) PM_2.5浓度估算模型的特征重要性排序分析发现,对2018年全国日均PM_2.5浓度影响显著的因子主要是时空、大气边界层高度等全局性因素,表明大气污染防治应把握PM_2.5传输机制,强化区域联防联控;(3)偏依赖交互效应研究发现温度和相对湿度以及年积日、纬度、温度和大气边界层高度的组合对PM_2.5浓度变化会产生显著影响,说明提升空气质量要从多因...     

北京2014年冬季边界层高度与颗粒物浓度的相关性研究

拉曼激光雷达已经广泛应用于大气气溶胶、大气温度和水汽的空间分布及时间演变特征测量。为了获取北京污染期间大气气溶胶边界层的特征,2014年11月~2015年1月期间在中国科学院大学雁栖湖校区利用拉曼激光雷达进行连续观测。使用梯度法处理激光雷达观测数据得到边界层高度,同时与国家环保部提供的当地颗粒物浓度数据进行对比。观测期间灰霾天共出现15天,污染天出现27天,干净天出现24天。灰霾天、污染天和干净天三种情况下的平均大气边界层高度范围分别为0.6~0.9、0.9~1.3、1~1.9 km;PM2.5的质量浓度范围分别为143~203、77~90、17~34 g/m3;PM10的质量浓度范围分别为170~271、103~153、33~78 g/m3。研究结果表明:北京地区大气边界层高度对近地面颗粒物浓度具有明显的负相关影响。干净天、污染天和灰霾天下的PM2.5和PM10的质量浓度变化率随大气边界层高度降低而依次增大。灰霾天大气边界层高度引起的PM2.5质量浓度平均变化率为-242.4 gm-3/km,约为污染天（-114.8 gm-3/km）的两倍,干净天（-77.4 gm-3/km）的三倍;灰霾天大气边界层高度引起的PM10质量浓度平均变化率为-224.2 gm-3/km,约为污染天（-117.6 gm-3/km）的两倍,干净天（-90.4 gm-3/km）的两倍。     

新冠肺炎疫情管控期间乌鲁木齐市空气质量变化及原因分析

为研究新型冠状病毒肺炎疫情防控期间乌鲁木齐市空气质量变化特征及其影响因素,选取了2020年乌鲁木齐市两次疫情严格防控期间(2020年1月26日至3月21日和7月20至8月29日)及疫情前后,以及2019年相同时期地面观测站的逐小时空气质量指数(AQI)、颗粒污染物(PM_2.5、PM₁₀)和气态污染物(SO₂、NO₂、CO、O₃)的数据进行对比分析,探究了气态污染物对颗粒污染物二次合成的贡献,并利用地理探测器对影响空气质量的因子进行了定量探测。结果表明：与2019年同期相比,2020年乌鲁木齐市两次疫情防控期间,除O₃外,PM_2.5、PM₁₀、SO₂、NO₂和CO浓度都呈现下降趋势,分别减少了36%、55%、10%、18%和49%;而同疫情严格防控期相比,2020年疫情前后期的AQI、颗粒污染物浓度及气态污染物浓度都要高。说明疫情防控措施在一定程度上减少了乌鲁木齐市颗粒污...     

GM(1,1)-ARMA(p,q)组合模型下的PM2.5浓度预测——以西安市为例

随着经济的发展,空气质量问题日渐显露,雾霾天气不断增加,而雾霾形成的主要原因是细微颗粒物,细微颗粒物能够较长时间悬浮于空气中,其浓度越高危害越大。PM_2.5作为直径小于等于2.5微米的颗粒物,被吸入体内后会引发哮喘、支气管炎以及心血管病等疾病,引起人们的广泛关注。因此,文章对西安市2013年12月到2021年3月的PM_2.5浓度值共计88条数据进行了实证研究,分别采用灰色系统预测模型GM(1,1)、时间序列模型AR(2)以及二者的组合模型对西安市的PM_2.5进行预测,研究结果表明组合模型的相对误差最小,预测效果最优。     

基于偏振激光雷达对远距离传输沙尘在局地混合过程的观测研究

利用国控站点的PM2.5和PM10含量,分析了一次蒙古地区沙尘的远距离传输事件;并结合532 nm偏振激光雷达的观测结果,研究了沙尘在武汉地区的混合过程.研究表明,在这次沙尘事件中,边界层顶的夹卷过程和边界层内的对流混合对沙尘在局地的分布起到重要的作用.在沙尘输入初始时期,沙尘高度约为1 km,主沙尘层经过边界层顶的夹...     

差分吸收激光雷达监测北京灰霾天臭氧时空分布特征

差分吸收激光雷达是测量对流层臭氧时空分布的有力工具,利用差分吸收激光雷达在灰霾条件下开展观测研究,分析了臭氧浓度时空分布特征。结果表明:在夏季副热带高压大气天气条件下,受偏南风气团输送的影响,6月中旬形成一次高浓度的臭氧污染过程。6月14日夜间至6月15日中午离地面1.5~2km高度的臭氧气团浓度(即体积分数)高达1.2×10-7以上,下午臭氧气团出现下沉,从而引起当日下午近地面臭氧浓度的升高。在灰霾天气过程中,细颗粒物与臭氧分布在不同高度上具有不同的关联特征,地面颗粒物充分参与了光化学反应过程,而高空高浓度的颗粒物和臭氧气体则与输送有关。晴朗天气下的臭氧浓度在整个空间尺度上都有不同程度的下降,并且没有出现明显的外部输入气团。     

珠三角地区一次灰霾天气过程激光雷达观测与分析

利用拉曼米散射偏振激光雷达对2009年11月珠江三角洲地区出现的一次灰霾天气过程进行了观测研究,对颗粒物的光学性质和物理参数进行了分析。灰霾发生期间,颗粒物主要分布在1.5 km以下,其中0.6～1 km高度的浓度较大。灰霾发生前期,颗粒物在532 nm波长退偏比为0.2,(?)ngstr(o|¨)m指数和雷达比分别为1±0.4和40±8 sr,表明灰霾颗粒物中有大量非球形粒子,粒径大,符合一次污染源排放的颗粒物特征;11月25日后,颗粒物在532 nm波长退偏比逐渐变小至0.07±0.02,Angstr(o|¨)m指数为1.5±0.6,激光雷达比为56±12 sr,说明颗粒物多为球形粒子,细粒子占比较大。观察结果表明,前期轻度灰霾天气期间,颗粒物主要为人为源污染源排放,为大气复合污染提供了条件,随着污染物不断聚集,25日后二次颗粒物大量生成,加剧了灰霾污染。     

差分吸收NO2激光雷达光源的设计与实现

为研制一台探测距离3km、分辨率10μg/m3的大气NO₂廓线差分吸收激光雷达,以NO₂的吸收光谱和激光雷达方程为基础,通过数值仿真分析了回波信噪比与水平和垂直方向上大气中气溶胶、NO₂含量的分布、探测距离和几何因子的关系;搭建探测大气NO₂实验系统,开展了大气NO₂浓度实验观测,获得水平及垂直高度0.4km~3.0km内的NO₂浓度实时分布,探测分辨率可达4.717μg/m3,系统稳定可靠。结果表明,采用两台波长为354.7nm、能量不小于100mJ的Nd:YAG激光器分别抽运两台染料激光器的方式,并以C450为染料,可满足差分吸收探测所需的两束波长为λ_on（448.10nm）和λ_off（446.80nm）、能量为8mJ的输出光束。该方法为实用化NO₂差分吸收激光雷达光源的设计及应用提供了理论依据及技术支持。     

高影响霾天气污染物输送沉降的激光雷达观测

污染物区域间输送是大气环境研究的重点和难点。利用2012―2015年间浙江省污染程度较高的霾天气过程激光雷达观测数据,根据Mie散射理论和Fernald反演方法计算污染物垂直浓度,开展了高影响霾天气区域间污染物输送沉降特征定量研究。结果表明：(1)浙江省高影响霾天气多发生于高压前部转高压控制的情况,高压前部利于外来污染物输入,而高压控制利于本地污染物累积;(2)不同过程及同一过程不同时刻外来污染物输送高度、质量浓度、结构组成都不相同,污染物集中输送高度一般介于4.5～7.5 km之间,输入最大质量浓度一般介于450～1200μg·m^-3之间,输入污染物中粗颗粒物居多,污染物类型主要包括沙尘和城市污染物;(3)个例分析表明,输入污染物仅有25%～35%沉降到近地面,重力和气温下降是影响沉降的重要原因,其中重力对粗颗粒物沉降作用更大,而气温下降对细颗粒物作用更大。     

南通市臭氧浓度特征及气象因素影响分析

利用2017―2020年南通市国控点的逐时臭氧(O₃)浓度监测资料和同期的南通市国家基本气象站的逐时气象资料,分析了南通市O₃污染的年际变化、月变化、日变化以及O₃污染特征与气象因素的关系。研究结果表明：(1) O₃浓度季节变化幅度表现为夏季>春季>秋季>冬季,日变化呈现出单峰特征,通常在上午06:00―07:00出现最低值,而在15:00左右出现最高值;(2) O₃浓度与温度呈正相关,与相对湿度呈负相关,当温度大于20℃,相对湿度在30%～50%之间,风速处于0～4 m/s之间时,O3浓度较高,容易出现超标的情况。     

基于激光雷达观测网的杭州及周边地区颗粒物污染特征研究

激光雷达观测网是研究区域大气颗粒物污染分布特征的有力工具。长三角地区激光雷达观测网部分站点的激光雷达资料与地面气象数据、PM2.5、PM10质量浓度数据,以及HYSPLIT后向轨迹模型模拟的后向轨迹相结合,对2016年9月杭州及其周边地区一次颗粒物污染的来源和成因进行了分析。分析结果表明,9月8日杭州颗粒物污染过程是该地区局地污染与高空输送共同作用的结果,且粗粒子主要来源于西北方向。杭州地区SO$_2$浓度整体较低,PM2.5浓度与NO$_2$浓度呈正相关,细颗粒物主要以硝酸盐为主。较高的NO$_2$浓度和高湿度、低风速的不利气象条件,是该地区局地细粒子快速增长的主要原因。     

基于贝叶斯的大数据模型在大气污染成因分析中的应用

提出了一种基于多维高斯贝叶斯分类算法的复杂系统影响因素的分析方法,并利用大数据方法建立了不同PM_2.5范围的分类模型,结合马氏距离开展了影响因素的关键性分析。以合肥市2013―2018年间的天气与空气质量数据为基础,筛选了PM₁₀、SO₂、NO₂、CO、O₃等8个大气污染的关键影响因素,采用散点矩阵对PM_2.5与这些影响因素的相关性进行了分析。利用高斯贝叶斯分类器建立了基于8个主要参量的PM_2.5大气污染分析模型,研究发现,PM_2.5与CO浓度具有较强的正相关性,对NO₂具有选择性,与O₃具有负相关性,而CO与SO₂对PM2.5的产生存在某种竞争机制。     

基于SSA-LSTM模型的空气质量预测研究

为提高PM_2.5浓度的预测精度,提出了一种结合麻雀搜索算法(SSA)和长短期记忆神经网络(LSTM)的组合预测模型。以2023年5月至8月期间长沙市PM_2.5浓度数据为基础,构建了SSA-LSTM模型并与其他模型进行了对比实验。实验结果显示,SSA-LSTM模型的预测结果在拟合优度(R²)上相较于单一LSTM、PSO-LSTM和WOA-LSTM模型分别提升了45.93%、31.55%、19.12%,同样在均方根误差(RMSE)和平均绝对误差(MAE)的结果上也表现更优,表明该模型在PM_2.5浓度预测方面具有高准确性和有效性,可为制定PM_2.5相关预防措施提供一定的参考价值。     

星-地激光雷达联合观测合肥地区的气溶胶垂直分布

通过匹配星载CALIOP过境合肥时间,筛选Aerosol-lidar的观测数据,选取4个典型天气个例[沙尘天气、多云天气、中度污染(无云)、中度污染(有云)],对合肥地区的气溶胶进行联合观测,并对气溶胶的类型、气溶胶的变化、气溶胶污染的成因及来源进行分析。结果表明,多云天气下,星载激光雷达对底层气溶胶探测时会受到天气的影响,而地基激光雷达的探测效果较佳,可以通过定点连续观测距离的校正信号准确地反映气溶胶含量和变化特点。星-地激光雷达的联合观测可以更好地分析多种复杂天气的气溶胶变化。联合观测结果表明:轻度污染的沙尘型和受污染的浮尘型气溶胶主要集中在0.8~1.6 km高度范围内,退偏振比集中在0.18~0.20之间;多云天气的气溶胶主要为污染大陆型,集中在0.4~1.2 km高度范围内,其退偏振比在0.015~0.020之间,气溶胶含量很少且为具有球形粒子属性的细颗粒物;中度污染(无云)天气的气溶胶同时包含污染浮尘型和污染大陆型,主要集中在0.3~1.3 km高度范围内,退偏振比在0.08以下,具有明显的球形粒子属性;中度污染(有云)天气的气溶胶也同时包含污染浮尘型和污染大陆型,主要集中在0.8~1.4 km高度范围内,退偏振比在0.075~0.100范围内,为粒径较小的球形粒子。     

膜采样与β射线法测定气溶胶PM2.5质量浓度的对比分析

利用β射线法气溶胶质量浓度自动观测仪器和膜采样设备,于2013年9月至10月在北京上甸子大气本底站进行了气溶胶PM_2.5质量浓度的自动观测和人工采样方法的对比试验。结果表明,两种方法的观测结果间具有较好的一致性,呈显著的线性相关关系;在PM2.5质量浓度较低(<35μg·m^-3)和较高(>250μg·m^-3)时,两种方法间的偏差较大;随着空气PM_2.5质量浓度的增加,自动观测方法与人工方法观测结果间的偏差逐渐增大.两种方法间的线性回归方程斜率、截距和相关系数均达到了国家环境保护标准HJ 653-2013的有关要求.对全部观测数据、>10μg·m^-3和10¹50μg·m^-3浓度范围内的数据分别建立了回归订正方程,同时,根据不同气团轨迹条件也建立了订正方程,订正效果表明以10¹50μg·m^-3范围内数据建立的回归订正方程为最优.