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基于随机森林算法的山东地区臭氧污染气象和排放贡献分异和典型污染案例分析

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环境科学研究 2024年

作者：龚安保解欢于阳春沈楠驰杜雨飞张坤陈姝芮吴彤管旭李莉上海大学环境与化学工程学院山东省生态环境规划研究院国家环境保护陆海统筹生态治理与系统调控重点实验室

山东省作为我国东部的工业大省，在经济快速发展的同时，也常年遭受着严重的臭氧(O3)污染，特别是近年来在不利气象条件的影响下，发生多次持续性、大范围的O3污染事件. 因此，如何基于地面观测数据剥离气象及排放的影响，成为O3污染防... 详细信息

山东省作为我国东部的工业大省，在经济快速发展的同时，也常年遭受着严重的臭氧(O3)污染，特别是近年来在不利气象条件的影响下，发生多次持续性、大范围的O3污染事件. 因此，如何基于地面观测数据剥离气象及排放的影响，成为O3污染防控政策评估和政策制定中的重要难题. 针对此问题，本研究基于2020—2022年山东省地面监测站点O3污染逐时观测数据及对应气象数据，运用随机森林模型对气象和排放的贡献进行了剥离；基于沙普利加和模型，对各气象因子的影响水平进行了定量；此外，研究中定义了区域O3污染案例，并对案例期间气象及排放的影响进行了深入的对比分析. 结果表明：2020—2022年山东省O3排放整体呈逐年上升趋势，年变化速率分别为3.3%(济南市)、7.8%(潍坊市)和4.4%(烟台市)，2020年及2021年气象条件有利于O3浓度高值的消减，气象条件消减了2.27～8.26 μg/m3，属于“天帮忙”；而2022年气象条件相对不利，气象条件贡献了5.16～10.69 μg/m3. 而在区域O3污染案例期间，排放的相对贡献较全年平均水平差异较小，不利气象因素是O3污染形成的主要诱因. 在各气象因子中，温度和相对湿度是影响O3浓度最主要的气象因素，其中温度的影响最为显著，日间峰值贡献达到33.36～89.61 μg/m3. 研究显示，O3前体物排放贡献的年际变化差异不显著，而不利气象条件则是造成O3污染的重要因素，后续应更加重视在高温低湿条件下的O3污染防控工作.

关键词：随机森林沙普利加和山东省臭氧排放贡献气象贡献

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珠三角地区气象场对臭氧贡献的定量评估

珠三角地区气象场对臭氧贡献的定量评估

作者：许亦非中山大学

学位级别：硕士

近年来,我国大气臭氧（O）污染问题日益凸显,尤其是在珠三角地区,这一现象尤为严重,其作为首要大气污染物的角色愈发突出。自2014年起,珠三角地区的O浓度持续上升,这对当地居民健康与生态系统稳定性构成了极大威胁。鉴于此,迫切需要对... 详细信息

近年来,我国大气臭氧（O）污染问题日益凸显,尤其是在珠三角地区,这一现象尤为严重,其作为首要大气污染物的角色愈发突出。自2014年起,珠三角地区的O浓度持续上升,这对当地居民健康与生态系统稳定性构成了极大威胁。鉴于此,迫切需要对近地面O污染的时空分布特征、内在形成机制及其与气象环境和人为活动之间复杂的相互作用进行深入剖析,以揭示污染物在不同地理区域、时间阶段和气象条件下独特的污染特性。本论文运用WRF-CMAQ数值模式、合成分析与随机森林算法等研究方法,对珠三角地区的O污染问题进行了探究,考察了年际、季节及周变化三个时间尺度上的演变规律,并采用敏感性试验量化了气象条件对O浓度变化的具体贡献,同时运用随机森林算法评估了关键气象要素对O污染程度的重要性。研究的主要结论概述如下:（1）年尺度变化:珠三角地区的O浓度在年际变化中呈现出显著的上升趋势,广州市与佛山市成为O污染加剧的焦点地带。在长期演变过程中,主要气象要素如地面气温与太阳短波辐射显著升高,而比湿与地面风速则呈现下降趋势,这些不利的气象条件协同作用,加速了O污染的生成与积累。随机森林分析结果显示,太阳短波辐射与地面气温是驱动珠三角地区O污染水平升高的关键因素,其中气温的重要性正在逐渐增加。敏感性试验结果表明,气象条件对O总增长量的贡献为24.2%,而人为排放量的长期变化才是O污染恶化的决定性因素,其贡献占比高达71.7%,明确指出了工业生产、交通等活动释放的NO与VOCs对O污染的显著影响。（2）季节尺度变化:从夏季到秋季,珠三角地区O浓度同样展现出明显的上升态势。此时,季节转换带来了更为显著的气象条件变化,地面气温、短波辐射、比湿与地面风速普遍下降,尤其是比湿与风速的季节性降幅远大于年际变化。气温在夏季对O影响的重要性显著高于其他气象要素,但至秋季则大幅降低,太阳短波辐射成为首要影响要素。在季节尺度上,气象因素对O增长的贡献显著增长至61.6%,超越人为排放成为主导O浓度上升的力量;而人为排放的贡献比例降至30.41%。（3）周尺度变化:气象条件在研究时段内呈现出了剧烈的短期波动,表现为地面与高空气温明显上升、太阳短波辐射增强、地面比湿下降以及风速在地面和高空均显著减小,这些变化共同有利于O污染的生成与积聚。在周时间尺度上,气象因素对O污染的相对影响极为突出,贡献高达85.8%,相比之下,人为排放因素的影响仅占13.3%。具体而言,气象条件通过物理过程（如平流与扩散）与化学过程（如气相化学反应）共同作用于O污染,其中气相化学反应对O浓度的影响占比为36.9%,其余主要物理过程对O浓度加剧的贡献占比为63.1%。综上所述,珠三角地区的O污染问题是由多因素交织而成,其中首要问题是人为排放污染物的影响,同时,现有减排措施仍需进一步改善。与此同时,气象条件的变化在O污染问题中扮演着至关重要的角色,特别是在短期时间尺度内,对局地O污染的形成和发展可能产生决定性影响。因此,针对珠三角地区的O污染防控,根本途径在于科学规划并严格执行人为污染物减排措施;另一方面,充分认识并积极应对气象条件对O污染的动态影响,尤其是短期气象条件的波动带来的挑战。这要求在面对不同时间段出现的O污染问题时要采取有针对性的应对措施,灵活调整污染防控策略,包括进一步探索并利用气象调控手段,结合实时气象监测预警与灵活的污染控制措施,实现大气环境的科学精准管理。本论文通过构建系统性的定量评估方法、对比分析多时间尺度下气象场对O污染的作用、识别关键气象要素及其对O浓度的影响,揭示了气象条件对珠三角地区O污染的影响强度随时间尺度缩小而增强的规律,强调了地面气温与太阳短波辐射对区域O浓度的核心作用。本论文研究成果有助于揭示O污染的成因机理、明确污染驱动要素及其影响路径,为制定针对不同时段的科学防治策略提供了坚实依据,为后续研究与应用提供支持,为遏制我国O污染加剧的趋势、提升空气质量、保护人类健康、促进经济社会可持续发展等方面贡献力量。

关键词：臭氧污染多时间尺度气象贡献 WRF-CMAQ 随机森林

湖州气象在“两山”理念转化及生态产品价值实现中的贡献

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浙江气象 2022年第3期43卷 9-16页

作者：王丹丹许金萍李艳芳张莹朱玉洁湖州市气象局浙江湖州313000 安吉县气象局浙江安吉313399 中国气象局气象发展与规划院北京100081

优质的生态环境、丰富的气候资源是绿色高质量发展的内生动力,建立生态产品价值实现机制是践行“绿水青山就是金山银山”理念的重要举措。本文深入剖析“两山”理念和生态产品价值实现机制的内在关系,系统总结了湖州气象助力“两山”转... 详细信息

优质的生态环境、丰富的气候资源是绿色高质量发展的内生动力,建立生态产品价值实现机制是践行“绿水青山就是金山银山”理念的重要举措。本文深入剖析“两山”理念和生态产品价值实现机制的内在关系,系统总结了湖州气象助力“两山”转化的3大实践模式:“环境气象研究+生态修复”的调节服务类生态产品价值实现模式、“气象文化生态旅游强融合+品牌建设+数字赋能”的文化服务类生态产品价值实现模式和“直通式气象服务+农产品精深加工+政府补偿”的物质供给类生态产品价值实现模式,并从生态产品供给能力、价值实现路径和体制机制构建3大角度探析气象助力“两山”转化的内在问题,探索了3大类9小条气候生态产品价值实现的具体路径,以期为气象助力生态文明建设提供参考价值。

关键词： “两山”理念生态产品气候生态产品气象贡献

武汉市军运会期间空气质量特征及气象条件分析

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气象 2022年第1期48卷 96-106页

作者：岳岩裕沈龙娇周悦柳草张灵范进进武汉区域气候中心武汉430074 中国气象局武汉暴雨研究所武汉430205 武汉市环境监测中心站武汉430015 武汉中心气象台武汉430074 湖北省公众气象服务中心武汉430074

利用2019年10月1—30日湖北省及邻近地区的空气质量、气象要素监测数据和再分析资料,分析了第七届世界军人运动会(以下简称军运会)期间和前后时段空气质量变化特征及气象条件的影响。军运会管控期Ⅱ(17—28日)与过去五年(2014—2018年)... 详细信息

利用2019年10月1—30日湖北省及邻近地区的空气质量、气象要素监测数据和再分析资料,分析了第七届世界军人运动会(以下简称军运会)期间和前后时段空气质量变化特征及气象条件的影响。军运会管控期Ⅱ(17—28日)与过去五年(2014—2018年)同期相比颗粒物浓度下降最明显,与长沙等其他城市相比也是最低,相近时间段或相似背景下未采取管控措施,PM_(2.5)浓度上升速度快,管控措施对颗粒物削峰降速作用明显。管控期O_(3)和NO_(2)为首要污染物,O_(3)浓度与过去五年相比升高,但管控仍起了一定作用,武汉城市圈O_(3)超标背景下武汉未达轻度污染级别;NO_(2)浓度同比下降,环比其他城市偏高。与管控期Ⅰ(13—16日)相比,管控期Ⅱ措施更严格,但降水偏少、风速偏小,气象条件整体不利于污染物浓度降低,因此浓度有所上升,其中17—21日以反气旋环流为主,天气形势静稳,光化学反应强烈,O_(3)和NO_(2)浓度上升明显。基于气象条件评估指数(EMI)分析发现,2019年10月与2013—2017年相比,EMI为正值,说明2019年的气象条件不利于PM_(2.5)浓度的降低,PM_(2.5)浓度下降主要是由减排造成的。

关键词：空气质量气象条件气象贡献

“2+26”城市2017年冬防减排效果及其潜在原因分析——以衡水市为例

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环境科学学报 2019年第11期39卷 3639-3647页

作者：王海波杨婷王自发何立涛崔延斌耿伟朱立敏黄向锋王俊仁孔磊中国科学院大气物理研究所大气边界层物理与大气化学国家重点实验室北京100029 中国科学院大学北京100049 衡水市生态环境局衡水053000 衡水市环境科学研究院衡水053000 中科弘清(北京)科技有限公司北京100107

近年来我国大气重污染频发,严重影响民生,其中以京津冀最为严重.2017年"总理基金"启动,同年冬防效果显著.衡水市作为"2+26"城市之一,空气质量排名常年处于倒数十名之内.经过2017年的冬防,空气质量明显改善,衡水市大气污染的改善在"2+26... 详细信息

近年来我国大气重污染频发,严重影响民生,其中以京津冀最为严重.2017年"总理基金"启动,同年冬防效果显著.衡水市作为"2+26"城市之一,空气质量排名常年处于倒数十名之内.经过2017年的冬防,空气质量明显改善,衡水市大气污染的改善在"2+26"城市中很具有代表性.本文以衡水作为切入点,利用后向轨迹和浓度权重轨迹分析(CWT)探讨了2017年衡水冬防效果及潜在源区变化,分别从气象轨迹和本地排放初探了潜在原因.结果表明,2017年冬防效果显著,PM2.5浓度降低33%,优良天数增加32 d,重污染天数减少22 ***10浓度降低41%,优良天数增加40 d.2017年冬季PM2.5潜在源区由2016年同期衡水北部及以北地区向衡水南部及以南地区转移.PM10潜在源分布变化与PM2.5相似.两年气象条件的对比结果表明,气象变化较小,对潜在源分布影响不大,本地排放是潜在源区分布变化的主要原因,其中衡水北部工业锅炉和扬尘减排量显著高于衡水南部.研究表明,2017年衡水冬防效果显著,相比于气象条件,本地排放对大气颗粒污染及来源影响更大,本研究可为"2+26"城市大气颗粒污染研究提供参考.

关键词： “2+26”冬防效果污染来源气象贡献本地排放贡献

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河北环境气象智能评估系统研发与应用

三峡生态环境监测 2021年第2期6卷 61-70页

作者：马翠平杨雨灵焦亚音孟凯赵娜赵玉广河北省环境气象中心石家庄050021 河北省气象与生态环境重点实验室石家庄050021 河北省环境气象职工创新工作室石家庄050021

基于B/S架构(Browser/Server,浏览器/服务器模式)和WebGIS(网络地理信息系统),建立环境气象智能评估系统,实现减排调控效果模拟评估、源排放清单动态反演、颗粒物来源解析、气象贡献评估、运行监控管理五大功能。基于“Web”前台操控Li... 详细信息

基于B/S架构(Browser/Server,浏览器/服务器模式)和WebGIS(网络地理信息系统),建立环境气象智能评估系统,实现减排调控效果模拟评估、源排放清单动态反演、颗粒物来源解析、气象贡献评估、运行监控管理五大功能。基于“Web”前台操控Linux系统自动运行脚本和数值模式作业,利用“云后台”集合了多源气象和环境大数据。以多种空气质量数值模式为支撑,把复杂计算封装在后台,解决了非专业人员开展数值模拟评估的技术难题。实现科研级模拟评估技术的低门槛、广应用,为减排效果模拟评估、污染物来源解析和气象条件贡献定量评估等研究性工作转向业务应用提供支撑,为省市县气象部门在削峰降污、精准治霾中发挥重要作用提供技术保障。

关键词：减排调控智能评估颗粒物来源解析源反演气象贡献系统