大气科学

北京一次持续性雾霾过程的阶段性特征及影响因子分析

曹伟华，梁旭东，李青春

摘要：目的：城市持续性雾霾过程对城市大气环境、居民健康、交通安全等都带来严重影响。研究此类事件的成因、阶段性特征和影响因子对于探讨近年来频发的持续性雾霾过程发生发展规律与防治方法至关重要。利用2009年11月3—8日华北平原及周边地区一次典型的持续性雾霾过程中多源观测资料，对此类事件的气象因素和气溶胶阶段性演变特征进行综合分析，以期为更好地理解持续性雾霾事件的天气特征及其形成机制提供依据。方法：使用的北京地区高分辨率观测资料包括：（1）宝联站每5 min的PM2.5质量浓度数据；（2）南郊观象台地基12通道微波辐射计每1 min的温度、相对湿度、液态水含量数据；（3）北京地区 46个道面气象站每5 min的能见度、相对湿度、温度、风速和气压数据。雾和霾的界定标准：在排除降水、沙尘暴、扬沙、浮尘、烟幕、吹雪和雪暴等天气现象造成的视程障碍后，对于能见度小于10 km，空气相对湿度≥95%的定义为雾，相对湿度＜80%的定义为霾；相对湿度为80%～95%时，若 PM2.5质量浓度大于 75 μg/m3，定义为霾，若 PM2.5质量浓度小于 75 μg/m3，定义为雾。结果：研究发现：（1）本次持续性雾霾过程具有明显阶段性特征：过程前期（11月3—5日）相对湿度较小，以霾为主；中期（6—8日中午）随着相对湿度增大，转为雾霾交替阶段；后期（8日上午以后）随着相对湿度减小，又转换为以霾为主阶段并逐渐消散。（2）持续低压和较小的地面风速以及 PM2.5浓度的稳定增加和相对湿度增大为本次雾霾过程的形成和发展提供了有利的气象条件；大气边界层逆温与地面能见度对应关系良好，是此次雾霾低能见度过程形成的必要条件，但并不是雾霾能见度强度的决定性因素。（3）相对湿度和 PM2.5浓度是决定本次雾霾过程大气能见度的两个关键影响因子，且对能见度的影响体现出明显的阶段性特征：当相对湿度不太大时（约90%以下），PM2.5浓度对能见度的作用要强于相对湿度，是影响能见度变化的主要因子；而随着相对湿度的增大和能见度的降低，相对湿度对能见度的影响相对增强，当能见度降至1 km以下时，相对湿度是两者中影响能见度变化的主要因子；在雾霾消散阶段两者对能见度的影响程度相当。结论：大部分严重雾霾过程都具有持续性特点，一旦形成很难快速消散，并多表现出雾和霾交替混合的特点。通过对持续性雾霾事件进行多因子特征分析，确定相对湿度和 PM2.5浓度是决定本次事件能见度的两个关键影响因子。基于 PM2.5浓度和相对湿度因子构建了霾阶段的能见度理论计算模型，揭示了PM2.5浓度和相对湿度对霾的能见度影响规律：在不同霾阶段控制相对湿度对于能见度的提升程度基本相当，而在相对湿度较大条件下，控制 PM2.5浓度对改善大气能见度具有更显著的效果。还基于雾阶段能见度经验公式计算，揭示出相对湿度增大造成水汽凝结是影响本事件雾阶段大气能见度下降的重要因素，而高浓度的气溶胶条件对雾阶段能见度减小有促进作用，是影响本次过程长期维持的另一因素。

来源出版物：气象学报, 2013, 71(5): 940-951

入选年份：2016

近48年城市化发展对北京区域气候的影响分析

赵娜，刘树华，虞海燕

摘要：目的：城市的扩张、人口的增加、下垫面的变化和污染物的排放等因素对北京的气候都产生了不可避免的影响。利用北京城、郊区气象站点资料，估测北京地区过去 48年的气候变化，包括温度、降水、湿度和风，从而了解不同时期北京的气候特征以及城市化发展对北京区域气候的影响。方法：选取北京市朝阳、海淀、丰台、石景山、平谷、密云、延庆、上甸子、霞云岭、佛爷顶、汤河口、斋堂12个气象台站1961—2008年共 48年月平均气温、月降水量、月平均相对湿度和月平均风速气候观测资料，按照相对北京城区的距离划分，把平谷、密云、延庆、上甸子、霞云岭、佛爷顶、汤河口、斋堂八个远离城区、受城市化影响较小的观测站作为郊区代表站，把海淀、朝阳、丰台、石景山4个测站作为城区站。利用统计分析方法，分析城市化对北京区域气候的影响。气候资料处理上，按照气候学常用方法进行季节划分，对各气候要素进行了年平均和季节平均，并针对气象站不同海拔高度和迁移对气温资料的影响，采用气温垂直递减率，即每上升100 m气温下降约 0.6℃，将其订正到海平面温度。结果：对北京城郊区1961—2008年48年的温度、降水、风和湿度进行了统计分析后发现：（1）近半个世纪以来，北京城区和郊区的平均气温、最高气温、最低气温均呈现显著增加趋势，且平均气温从1980年代初开始进入快速增长阶段；从季节来看，平均气温和最高最低气温均表现为冬季和春季增加最大，其次是秋季，夏季最弱。城市化发展对最低气温的变化影响最大，其次是平均气温，对最高气温影响最弱。城区气温的日较差明显减小，而郊区气温的日较差相比略有增加。近 48年北京地区热岛强度上升了1.4℃，上升幅度为0.29℃/10 a，且1980年代后，各个季节热岛效应随年代增强，冬季和春季尤为明显。（2）北京地区的降水量在过去近 50年呈明显下降趋势，以 2000年以后最为明显。从四季降水量的变化来看，夏季减小最明显，冬季减幅较小，而春秋两季呈小幅上升趋势。降水的减少可能与空气污染的加剧、气溶胶的增多、云滴的减少进而导致降水云的减弱有关，城市化可能对大尺度的降水不会有什么影响，但对局地对流型降水可能会有不可忽略的影响。总之，城市化和降水频率、时空分布的关系有待进一步的研究和更多证据的支持。（3）北京城区的相对湿度呈减小趋势，这首先与全球变暖的大背景密切相关，其次还与城市化所导致的绿地的减少以及不具备保水能力的硬地路面的增加有着密切的关系。由此可见，随着城市化的发展，尤其是下垫面的变化，造成城区相对湿度下降，进而导致“干岛效应”的出现，这也是北京城市气候的特征之一。（4）48年来北京城郊区风速呈减小的趋势，认为除了和季风减弱的大背景有关外，还与城市化加剧导致的下垫面的粗糙度的增加有密切关系。结论：利用1961—2008年北京12个气象站的气候观测资料，研究分析了北京城区和郊区气温、降水、相对湿度、风速的变化趋势及特点，并探讨了城市化发展对北京区域气候的影响。文章有两点研究意义：首先，选取的资料序列较长，可以更全面了解不同时期北京气候要素的变化特点；其次，可进一步了解北京城市化发展加剧对温度降水等气候要素带来的影响，并且，针对影响最显著的两个要素，即温度和降水，要分析其具体影响，还需更多的数据和资料加强观测对比研究，特别是对降水量和降水空间分布的影响，还有待更进一步的研究和分析。

来源出版物：大气科学, 2011, 35(2): 373-385

入选年份：2016

东亚季风近几十年来的主要变化特征

王会军，范可

摘要：东亚夏季风（EASM）和东亚冬季风（EAWM）对我国以及整个东亚地区的天气和气候有直接作用，一直是研究东亚大气环流和天气、气候问题的核心问题之一。EASM具有显著的年际变化，而引起我国夏季降水和气温年际波动，经常带来酷暑、干旱、洪涝等灾害；而 EAWM 的显著年际变化则会引起冬季严寒、暴风雪等灾害。研究表明，ENSO以及全球不同区域海表温度（SST）异常、北极海冰和北极涛动异常等都对EASM、EAWM具有显著影响。迄今为止的几乎所有的研究结果都显示未来全球变暖情景下 EAWM 将要减弱，冬季风势力向北极地区退缩，从而我国冬季气温将显著上升、北方地区大都会有更多的冬季降水或者降雪，极端暴雪事件可能会增多。而秋季北极海冰面积的大幅度减少可能会对东亚冬季气候乃至夏季气候产生重大影响，导致北方冬季降雪增多、夏季风增强、夏季北方降水增多等等。并且，随着全球变暖的继续，北极海冰可能会加速融化，导致在 21世纪的中期或者后期出现夏秋季节北极没有海冰的“蓝色北极”状态从而对我国和东亚气候产生更大的影响。简要综述了关于东亚夏季风和冬季风近几十年来的主要变化特征的若干研究结果，特别是关于其年代际变化方面。夏季风及夏季气候的主要变化特征有：1970年代末之后东亚夏季风的年代际时间尺度的减弱以及相应的我国夏季降水江淮流域增多而华北减少、1992年之后我国华南夏季降水增多、1999年之后我国长江中下游夏季降水减少而淮河流域夏季降水增多、东亚夏季风和ENSO之间的年际变化相关性存在不稳定性。而关于东亚冬季风与冬季气候的主要变化特征有：1980年代中期之后东亚冬季风及其年际变率减弱、1970年代中期之后冬季风和 ENSO的年际变化相关性较弱、近年来的北极秋季海冰减少对北半球冬季积雪增多有显著贡献、东北冬季积雪在 1980年代中期以后增多。与上述变化有关的极端气候和物候都发生了多方面的变化。

来源出版物：大气科学, 2013, 37(2): 313-318

入选年份：2016

高分辨率WRF模式中土壤湿度扰动对短期高温天气模拟影响的个例研究

易翔，曾新民，郑益群，等

摘要：目的：土壤湿度作为重要的陆面变量，对气温（尤其是高温）有着非常重要的影响。为了更综合、定量地分析气温对土壤湿度扰动的敏感性以及相应的物理机制。利用 WRF中尺度预报模式就土壤湿度扰动对短期高温天气过程的影响进行了高分辨率模拟研究。方法：使用 WRFV3.6版本，选取 2003年7月 22—23日和29—30日的24 h天气过程进行模拟。模拟采用三重嵌套网格，在同种嵌套方式下分析不同嵌套区域内的物理量值，以代表不同分辨率（36、12、4 km）的影响。陆面方案选择包含10、30、60、100 cm 4个土壤层的Noah方案，按照一定幅度（不改变，及增减 25%、50%）同时改变三重嵌套中各土壤层的土壤湿度来考察高温对不同土壤湿度的敏感性。由热力学第一定律推导得到温度随时间的变化方程，将方程各项的积分形式分别表示为温度的平流项、对流项和非绝热项，通过计算各项的大小来定量分析不同物理过程在短期高温天气中的贡献程度。结果：考察了3种水平分辨率下5种土壤湿度扰动对高温模拟的影响，并结合热通量、热力学方程定性、定量分析了影响的机理。结果表明：（1）采用高分辨率 WRF模式及相应的高分辨率地表特征资料能够明显改善控制试验的模拟效果，模拟高温对土壤湿度扰动有较强的敏感性，且随着分辨率的提高而增大（如，12 km与4 km分辨率在24 h内模拟的地表气温区域平均差异可达到3.7°C），这也说明，模式中陆气反馈的强度对模式分辨率具有高度的依赖性。此外，不同分辨率下土壤湿度影响温度的规律一致，即，土壤湿度的减小（增加）会导致气温的升高（降低），且气温对土壤湿度减小的敏感性更强。（2）地表热通量变化是土壤湿度影响气温的直接因子。土壤湿度减小会引起地面向上的感热通量增加并直接加热地表和低层大气，同时由于蒸发、蒸腾等过程的减弱，会造成水汽相变释放的潜热通量减少，因此对地表的冷却效果减弱，最终导致气温的升高。土壤湿度增加的情况与之相反。白天（夜间）较强（弱）的热通量传输对应较高（低）的气温，土壤湿度扰动造成的热通量差异越大（小）导致气温的差异也越大（小），即，土壤湿度扰动主要是通过白天地表强烈加热的时段对模拟高温产生影响的。（3）土壤湿度扰动通过间接改变大气内部高温发展中的各物理过程来影响地表气温。这些过程中，平流作用在各时段的重要性都相对较小。对流项在各时段都表现为绝热增温的作用，白天（夜间）的绝热增温强度在干（湿）的土壤条件下更大。非绝热加热的强度在白天（夜间）随着土壤湿度的减小而增大（减小）。在白天，以感热输送为主的非绝热增温占据主导，且受到土壤湿度扰动的影响最大；在夜间，由于低层逆温，非绝热冷却的强度减弱，且小于占据主导的对流绝热增温的强度；在24 h，绝热增温占据主导，但非绝热加热过程对土壤湿度扰动的敏感性最强。结论：以上结果显示了高温天气高分辨率模拟对土壤湿度很强的敏感性，也进一步说明了高温模拟与预报时土壤湿度的重要性。由于土壤湿度并非气象台站常规观测量等因素，准确的土壤湿度值的获取在实际应用中存在困难。这也意味着通过土壤湿度扰动的集合预报方法来改进模式高温模拟预报是具有潜力的。由于区域模式的特点，本文的敏感性研究与模拟时段、模拟区域、模式初边界条件和参数化方案等紧密相关。在后续的研究中，通过更多个例、采用更多模式设置来探讨土壤湿度对气温变化规律的影响，有助于我们更好地理解短期高温天气发生发展的物理机制及提高模式模拟高温天气的能力。

来源出版物：大气科学, 2016, 40(3): 604-616

入选年份：2016