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京津冀城市群冬季二次PM_(2.5)的时空分布特征

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环境科学 2023年第5期44卷 2421-2429页

作者：姚青杨旭唐颖潇樊文雁蔡子颖韩素芹天津市环境气象中心天津300074 中国气象局-南开大学大气环境与健康研究联合实验室天津300074

二次组分是造成京津冀城市群冬季PM_(2.5)污染的重要因素.采用CO示踪法,估算2017~2021年冬季京津冀城市群二次PM_(2.5)浓度,并分析其时空分布特征,探讨区域二次PM_(2.5)的影响因素.结果表明,2017~2021年冬季京津冀区域PM_(2.5)浓度下降... 详细信息

二次组分是造成京津冀城市群冬季PM_(2.5)污染的重要因素.采用CO示踪法,估算2017~2021年冬季京津冀城市群二次PM_(2.5)浓度,并分析其时空分布特征,探讨区域二次PM_(2.5)的影响因素.结果表明,2017~2021年冬季京津冀区域PM_(2.5)浓度下降趋势明显,河北中南部一次PM_(2.5)下降幅度最大,二次PM_(2.5)浓度年际波动平稳,北京和天津二次PM_(2.5)占比明显高于其他城市.随着污染程度加剧,一次PM_(2.5)和二次PM_(2.5)质量浓度均有不同程度的增加,二次PM_(2.5)占比呈显著增大趋势.与直接测量结果相比,CO示踪法获得的结果偏低,与冬季CO浓度较高,一次PM_(2.5)浓度高估有关,选取合适的一次气溶胶基准值是改进该方法,获取合理估算值的关键.

关键词：二次气溶胶京津冀城市群时空分布光化学反应臭氧(O_(3))

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基于过程分析的京津冀区域典型城市臭氧成因

环境科学 2022年第6期43卷 2917-2927页

作者：唐颖潇姚青蔡子颖丁净樊文雁杨旭韩素芹天津市环境气象中心中国气象局-南开大学大气环境与健康研究联合实验室天津300074

随着京津冀区域臭氧(O_(3))污染问题日渐突出,探究和分析京津冀区域O_(3)变化特征和污染过程形成原因对区域大气污染防治工作具有重要意义.观测结果显示,春夏季京津冀区域较高的O_(3)浓度呈现南高北低的分布,北京、天津和石家庄这3座城... 详细信息

随着京津冀区域臭氧(O_(3))污染问题日渐突出,探究和分析京津冀区域O_(3)变化特征和污染过程形成原因对区域大气污染防治工作具有重要意义.观测结果显示,春夏季京津冀区域较高的O_(3)浓度呈现南高北低的分布,北京、天津和石家庄这3座城市O_(3)高浓度往往伴随着偏南风的影响.基于WRF-Chem模式模拟和过程分析技术对2019年京津冀区域O_(3)变化特征和成因进行了深入分析,典型城市化学过程、垂直混合和输送的日变化有着鲜明的季节变化差异.其中在夏季午后化学过程是各城市O_(3)浓度增加的主要来源;垂直混合导致天津和石家庄O_(3)浓度增加,但使得北京O_(3)浓度减少;天津和石家庄存在净输出,而北京则为净流入.通过对比分析O_(3)污染和清洁过程结果表明,化学过程主导北京和石家庄污染过程午后O_(3)浓度增加,天津则为垂直混合,此外,北京和石家庄存在O_(3)净输入,天津则为净输出;而清洁过程中,垂直混合主导北京和石家庄午后O_(3)浓度增加,天津则为化学过程,同时,3座城市均存在O_(3)净输出.

关键词：臭氧(O_(3)) WRF-Chem模式过程分析污染特征京津冀

基于松弛逼近方法(Nudging)的天津秋冬季PM延伸期数值预报技术研究

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中国环境科学 2023年

作者：唐颖潇秦明月蔡子颖杨旭天津市环境气象中心国家海洋信息中心

为进一步打好重污染天气消除攻坚战，提升和强化空气质量预报预警能力，实现秋冬季重要污染过程的提前预判，从而进行科学调度防控.本研究在现有天津延伸期空气质量数值预报系统(CFS/WRF-Chem)的基础上，引入Nudging技术约束模式积分过... 详细信息

为进一步打好重污染天气消除攻坚战，提升和强化空气质量预报预警能力，实现秋冬季重要污染过程的提前预判，从而进行科学调度防控.本研究在现有天津延伸期空气质量数值预报系统(CFS/WRF-Chem)的基础上，引入Nudging技术约束模式积分过程，开展Grid Nudging和Spectral Nudging敏感性试验.通过张弛波数、张弛时间、张弛变量等参数的最优化方案测试，提升Nudging技术在天津秋冬季PM2.5延伸期数值预报中的适用性，以期有效提升天津秋冬季10～45天空气质量趋势预测的准确性.研究结果表明:(1)与未采用Nudging技术的延伸期空气质量数值模式预报相比，使用Nudging技术后，无论是Grid Nudging还是Spectral Nudging，延伸期空气质量预报效果均得以提升.逐日预报与实况PM2.5质量浓度的相关系数由未采用Nudging技术的0.1分别提高至Grid Nudging的0.35和Spectral Nudging的0.43，PM2.5等级预报准确率由33%分别提高至47%和44%.(2)相比Grid Nudging和Spectral Nudging方案的选择，张弛波数、截断波长和张弛变量等参数最优配置对Nudging技术运用更为关键. Grid Nudging技术中张弛系数5×10-5，张弛时间尺度6h，张弛变量θ-q-uv为最优;Spectral Nudging技术中张弛波数1，截断波长1800 km，张弛变量θ-q-uv最优.(3)即使采用Nudging技术，延伸期PM2.5质量浓度逐日预报仍有很大的不确定性，其更适合趋势(增加或者下降)预测.从候与候之间PM2.5浓度变化趋势结果分析，未采用Nudging技术时，预报准确率为50%，采用Grid Nudging提高至75%，采用Spectral Nudging可提高至88%，Spectral Nudging的预报结果略优，且可以有效支撑延伸期PM2.5候分辨率尺度空气质量趋势预测.

关键词：天津松弛逼近方法延伸期PM 数值预报 WRF-Chem

COVID-19管控期间气象条件变化对京津冀PM_(2.5)浓度影响

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环境科学 2022年第6期43卷 2831-2839页

作者：邱雨露陈磊朱佳马志强李梓铭郭恒唐颖潇京津冀环境气象预报预警中心北京100089 南京信息工程大学环境科学与工程学院江苏省大气环境监测与污染控制高技术研究重点实验室大气环境与装备技术协同创新中心南京210044 北京城市气象研究院北京100089 天津市环境气象中心天津300074

2020年初新冠肺炎疫情(COVID-19)暴发后,中国多地实施了严格的管控措施,导致污染物排放量明显下降.但在减排实施的情况下,京津冀PM_(2.5)等污染物浓度较过去5 a同期却明显增长,出现了两次PM_(2.5)重度污染事件.利用欧洲中心ERA5再分析... 详细信息

2020年初新冠肺炎疫情(COVID-19)暴发后,中国多地实施了严格的管控措施,导致污染物排放量明显下降.但在减排实施的情况下,京津冀PM_(2.5)等污染物浓度较过去5 a同期却明显增长,出现了两次PM_(2.5)重度污染事件.利用欧洲中心ERA5再分析资料分析发现,相对于过去5 a,COVID-19管控期间京津冀地区的气象场表现为偏高的相对湿度、偏低的边界层高度和边界层内异常的辐合上升运动,有利于颗粒物的吸湿增长和二次转化,不利于污染物垂直方向上的扩散.此外,利用WRF-Chem模式开展敏感性试验发现,在京津冀中部地区气象场的变化导致2020年管控期间ρ(PM_(2.5))升高了20~55μg·m^(-3),升高比例高达60%~170%.进一步利用过程诊断分析法得出,增强的气溶胶化学过程和不利的湍流扩散条件是2020年COVID-19管控期间PM_(2.5)浓度升高的主要原因.在当今减排的大背景下,边界层高度和相对湿度的变化可能成为预报预测京津冀地区PM_(2.5)污染事件的重要指标.

关键词：新冠肺炎疫情 PM_(2.5) 气象气溶胶 WRF-Chem模式过程分析减排

京津冀区域典型城市PM;污染特征及其成因研究

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环境科学学报 2022年

作者：姚青唐颖潇蔡子颖杨旭樊文雁韩素芹天津市环境气象中心中国气象局-南开大学大气环境与健康研究联合实验室

量化空气质量改善过程中气象条件和减排措施的相对贡献，有助于科学评估减排措施的实施效果.本文以2017—2019年京津冀区域13个城市PM;质量浓度为研究对象，采用主成分分析、系统聚类等方法客观确定各次区域的典型代表城市，并基于环境...

量化空气质量改善过程中气象条件和减排措施的相对贡献，有助于科学评估减排措施的实施效果.本文以2017—2019年京津冀区域13个城市PM;质量浓度为研究对象，采用主成分分析、系统聚类等方法客观确定各次区域的典型代表城市，并基于环境气象评估指数（EMI）量化空气质量改善过程中气象条件和减排措施的相对贡献.结果表明，京津冀区域PM;浓度整体呈南高北低特征，高值区集中在河北省南部，冬季区域PM;浓度显著高于其他季节.经旋转后的主成分分析可划分出2个主成分，分别对应河北省中南部地区和京津冀北部地区.系统聚类将京津冀区域分为3个次区域，经相似性计算获得次区域典型代表城市为承德、唐山和邢台.以2017年为基准年开展EMI评估，结果显示2018年1月承德、唐山和邢台PM;浓度下降，减排和气象条件均有不同程度的贡献；不利气象条件是2019年1月承德PM;上涨的主要原因，排放造成同期唐山PM;浓度上升了52.8%，不利气象条件抵消了邢台减排的效果，并造成其PM;浓度小幅度增加.京津冀区域各城市PM;浓度的同步变化，排放和气象条件对不同城市的贡献仍然存在很大差异，在京津冀区域内划分次区域具有重要意义.

关键词：

2000~2020年天津PM_(2.5)质量浓度演变及驱动因子分析

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环境科学 2022年第3期43卷 1129-1139页

作者：蔡子颖郝囝韩素芹唐颖潇杨旭樊文雁姚青邱晓滨天津市环境气象中心天津300074 中国气象局-南开大学大气环境与健康研究联合实验室天津300074 天津市气象科学研究所天津300074

基于中国大气成分实时追踪数据集、天津气象局和生态环境局长序列PM_(2.5)质量浓度和气象观测,结合MEIC排放清单和环境模式构建的细颗粒气象条件扩散指数,研究2000~2020年天津地区PM_(2.5)质量浓度演变规律及驱动因子,以期更科学地分析... 详细信息

基于中国大气成分实时追踪数据集、天津气象局和生态环境局长序列PM_(2.5)质量浓度和气象观测,结合MEIC排放清单和环境模式构建的细颗粒气象条件扩散指数,研究2000~2020年天津地区PM_(2.5)质量浓度演变规律及驱动因子,以期更科学地分析气象对大气环境影响,为"十四五"期间深度环境治理提供支撑.结果表明,2000~2020年天津PM_(2.5)质量浓度呈现3个阶段变化,第一阶段2000~2007年,呈现持续地上升,其变化速率为4.58μg·(m^(3)·a)^(-1),该阶段排放量的快速增加是主导因素,其作用是气象条件年际波动影响的4倍,排放量增加使得PM_(2.5)质量浓度增加45.3%;第二阶段为2007~2013年,该阶段PM_(2.5)质量浓度呈现波动变化,出现了两个浓度峰值年(2007年和2013年),该阶段排放稳定,气象条件年际波动对PM_(2.5)质量浓度年际波动产生重要影响,两者相关系数0.81;第三阶段为2013~2020年,PM_(2.5)质量浓度呈现快速地下降,其变化速率为-6.9μg·(m^(3)·a)^(-1),排放量的下降作用是决定性的,使得PM_(2.5)下降了43.9%,气象扩散条件转好也提供正贡献,约使得PM_(2.5)下降8.7%.从近20年数据分析,气象条件年际变化导致的大气扩散条件年际变化2003~2004年和2013~2015年为谷值,2008~2010年和2018~2020年为峰值,峰峰相距和谷谷相距是11 a左右;气象条件年际变化导致的大气扩散条件年际波动平均强度是4%,可解释近20年PM_(2.5)质量浓度年际变化的25%~50%,峰谷相差16%,气象扩散条件年际波动对未来PM_(2.5)目标制定和应对措施设计有重要影响.

关键词：细颗粒物大气扩散条件环境模式驱动因子天津

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区域输送对天津臭氧污染的影响

中国环境科学 2022年第11期42卷 4991-4999页

作者：樊文雁蔡子颖姚青王晓佳唐颖潇韩素芹天津市环境气象中心中国气象局-南开大学大气环境与健康研究联合实验室天津300074

采用大气化学模式定量估算2019年4月~9月区域输送对京津冀区域,特别是天津市O_(3)浓度的影响,分析天气形势和气象条件与区域输送的关系.结果显示,京津冀区域13个城市O_(3)以区域输送贡献为主,不同城市O_(3)差异较大,天津本地贡献占比24%... 详细信息

采用大气化学模式定量估算2019年4月~9月区域输送对京津冀区域,特别是天津市O_(3)浓度的影响,分析天气形势和气象条件与区域输送的关系.结果显示,京津冀区域13个城市O_(3)以区域输送贡献为主,不同城市O_(3)差异较大,天津本地贡献占比24%,区域输送以京津冀区域其他城市和山东为主,共贡献48.3%.低压、低压前和低压后形势下,O_(3)区域输送占比最高.途径天津偏南区域的气流是造成天津高浓度O_(3)污染的重要因素,也是区域输送的主要路径.随着O_(3)浓度升高,输送贡献占比呈逐步上升趋势,重度污染时本地生成与区域输送贡献相当.一次典型O_(3)污染过程分析表明,高温强辐射天气和有利的天气形势促进O_(3)本地生成,西南气流和弱下沉气流下的区域输送共同维系了这场持续3d的连续污染过程.

关键词：臭氧区域输送 WRF-Chem 天气背景天津

地面PM_(2.5)和气溶胶激光雷达联合变分同化对天津冬季一次重污染过程数值模拟改进研究

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中国环境科学 2023年第10期43卷 5188-5197页

作者：杨旭樊文雁蔡子颖朱玉强唐颖潇董琪如天津市环境气象中心天津300074 中国气象局-南开大学大气环境与健康研究联合实验室天津300074 天津市气象科学研究所天津300074

针对输送型重污染过程,大气化学模式垂直模拟偏差较大,地面观测同化对污染垂直初始场改进不明显,高空输送模拟偏低的问题,以2023年1月5~6日天津地区一次重污染过程为例,通过PM_(2.5)地面观测和气溶胶激光雷达垂直观测联合应用,发展相应... 详细信息

针对输送型重污染过程,大气化学模式垂直模拟偏差较大,地面观测同化对污染垂直初始场改进不明显,高空输送模拟偏低的问题,以2023年1月5~6日天津地区一次重污染过程为例,通过PM_(2.5)地面观测和气溶胶激光雷达垂直观测联合应用,发展相应的气溶胶变分同化技术,改进大气化学模式污染垂直模拟效果,服务重污染天气预报预警和成因解析.研究表明:此次重污染过程由于大气化学模式垂直模拟能力不足,导致S1发展阶段地面PM_(2.5)增长速率和S2维持阶段的峰值浓度明显低估,垂直分布上污染层高度模拟偏低200~300m,白天输送阶段高空PM_(2.5)浓度高于地面、夜间稳定边界层以上污染高值特征均未能有效反映;通过同化地面PM_(2.5)观测有效实现PM_(2.5)空间分布模拟优化,过程期间上游城市石家庄和衡水的模拟误差分别下降35.3μg/m^(3)和77.3μg/m^(3),天津地面PM_(2.5)质量浓度模拟误差下降39.7μg/m^(3),但地面同化对垂直分布模拟改进有限,尤其是对于输送型污染过程中PM_(2.5)垂直分布的复杂变化,基本无法准确反映;通过增加气溶胶激光雷达PM_(2.5)垂直观测同化,模式PM_(2.5)垂直模拟效果进一步提升,450m左右均方根误差减小幅度最大,约19.8μg/m^(3).在同化时刻及临近2~3h正效果明显,后续时效中S2阶段表现更优,夜间稳定边界层以上污染高值得到有效模拟,污染层高度模拟差异减小至50~100m,低于未同化CTRL试验(200~300m)和地面同化DASFC试验(100~200m);S1阶段随着时效延长垂直模拟偏差明显增加,但同化的正作用依旧存在,污染层高度模拟误差比DASFC试验降低幅度不低于50m.

关键词：气溶胶同化三维变分激光雷达数值模拟

京津冀区域典型城市PM_(2.5)污染特征及其成因研究

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环境科学学报 2022年第7期42卷 43-52页

作者：姚青唐颖潇蔡子颖杨旭樊文雁韩素芹天津市环境气象中心中国气象局-南开大学大气环境与健康研究联合实验室天津300074

量化空气质量改善过程中气象条件和减排措施的相对贡献,有助于科学评估减排措施的实施效果.本文以2017—2019年京津冀区域13个城市PM_(2.5)质量浓度为研究对象,采用主成分分析、系统聚类等方法客观确定各次区域的典型代表城市,并基于环... 详细信息

量化空气质量改善过程中气象条件和减排措施的相对贡献,有助于科学评估减排措施的实施效果.本文以2017—2019年京津冀区域13个城市PM_(2.5)质量浓度为研究对象,采用主成分分析、系统聚类等方法客观确定各次区域的典型代表城市,并基于环境气象评估指数(EMI)量化空气质量改善过程中气象条件和减排措施的相对贡献.结果表明,京津冀区域PM_(2.5)浓度整体呈南高北低特征,高值区集中在河北省南部,冬季区域PM_(2.5)浓度显著高于其他季节.经旋转后的主成分分析可划分出2个主成分,分别对应河北省中南部地区和京津冀北部地区.系统聚类将京津冀区域分为3个次区域,经相似性计算获得次区域典型代表城市为承德、唐山和邢台.以2017年为基准年开展EMI评估,结果显示2018年1月承德、唐山和邢台PM_(2.5)浓度下降,减排和气象条件均有不同程度的贡献;不利气象条件是2019年1月承德PM_(2.5)上涨的主要原因,排放造成同期唐山PM_(2.5)浓度上升了52.8%,不利气象条件抵消了邢台减排的效果,并造成其PM_(2.5)浓度小幅度增加.京津冀区域各城市PM_(2.5)浓度的同步变化,排放和气象条件对不同城市的贡献仍然存在很大差异,在京津冀区域内划分次区域具有重要意义.

关键词：环境气象评估指数 PM_(2.5) 京津冀区域系统聚类主成分分析