气候因素的影响,气象条件和边界层结构严重烟雾污染在京津冀地区2013年1月

文摘

中国的空气污染事件在2013年1月在京津冀(蓝芽)最危险的地区。点_2。5、大气气溶胶和长期能见度数据,以及各种气候和气象因素和边界层结构,用于调查的原因heavy-haze污染事件在2013年1月。结果表明,不利扩散条件(弱表面风和高湿度)和高初始污染物排放在蓝芽诱导heavy-haze污染地区在过去的二十年里。突然平流层变暖(f)、弱东亚冬季季风,西伯利亚高,弱弱的经向环流,南风低对流层风异常,异常疲软的表面风和高湿度严重的烟雾污染事件负责,而不是突然增加的排放。沉重的/严重的烟雾污染与地形风收敛区沿太行山、燕山山脉,轻微的风(1.7∼2.1 m / s)和高湿度(70%∼90%),这限制了污染物的扩散,促进了气溶胶的吸湿增长。再循环和区域交通,随着吸湿增长的贫穷的扩散条件和有利条件下气溶胶和二次转型的高排放,导致爆炸性增长和点的创纪录的每小时平均浓度_2。5在北京。

1。介绍

霾污染在中国增加了在过去的三十年里,尤其是在城市群,由于经济快速发展,人为活动和城市化扩张(1,2]。京津冀(蓝芽)城市集群位于华北平原,其中包括两个特大城市(北京、天津)和河北有一个最大的人口(图1(一))和第三大在中国国内生产总值(gdp) (3- - - - - -5]。近年来,大规模区域霾污染的特点是高浓度的点_2。5(颗粒物空气动力学直径≤2.5μ米)经常发生(6- - - - - -8),点的水平_2。5继续经常超过中国国家环境空气质量标准(9];因此,严重的环境、气候、和健康问题是猖獗的10,11]。

一个相对高水平的点_2。5通常是与前体排放量高的近距离12]。此外,天气/气候特征在空气质量发挥重要作用的一个复杂的组合过程和影响,如排放、运输、化学转换,和湿或干切除过程。严重的城市环境污染事件主要是由于不利天气条件(空气分散相关13,14]。研究人员调查,气候变化的影响在薄雾/ PM_2。5污染和显示一个重大贡献来自季风环流减弱在过去的几十年,捕获更多的污染物在中国东部15,16]。综观尺度,连续高压和低压系统与空气污染的形成有关,和压力系统与强梯度导致的减少空气污染指数(API)在华北(17]。此外,蓝芽地区群山环绕在北部和西部方向和渤海东部方向(图1(b))。当地独特的地形因素,加上天气风和逆温层较弱,停滞不前和地区运输由南风贡献可以引起严重的空气污染18- - - - - -20.]。由于煤的燃烧取暖和不宜分散由于地理和气象条件,蓝芽在冬天霾污染地区更为严重(21,22]。政府,特别是北京市政府,产生了一系列减排措施来控制空气污染(4,23),如产业结构的变化和改进能源效率,清洁能源的使用和优先使用洁净煤和气体,汽车限制措施,实现先进的环保标准。然而,污染程度仍然很高的一年四季。有害空气污染影响的事件发生在2013年1月,中国蓝芽地区最(图1(一));因此,这一事件引起了广泛的关注(6,19,24]。

科学家们研究区域交通和地方停滞期间积累的影响天气和二次颗粒物的形成严重的地区_2。52013年1月(污染事件6,19,25,26]。值得注意的是,排放源没有在2013年1月迅速增加。郑等人阐述了(27)1月份月度平均排放量的变化在京津冀地区增加利率,也就是说,2.1%,1.5%,2.5%,初级PM2.5,所以₂,没有_x分别与碳排放在2012年1月相比,但他们仍不显著与污染物浓度的变化和天气/气候元素主要负责这些严重污染事件。Zhang et al。28)指出,表面风速减弱,中间的反常南风对流层和低,和异常反演与强大的雾霾/相关事件在中国东部由诊断其大气背景字段和日常进化2013年1月。然而,很少有研究探讨的特点和形成沉重的点_2。5污染对气候因素、气象条件、蓝芽和边界层结构;这些因素将是重要的实现有效控制措施在区域范围内的空气污染。

在这项研究中,点_2。5、大气气溶胶和长期能见度数据,以及各种气候和气象因素和边界层结构,用于调查的原因严重霾污染事件在2013年1月,确定相关的气象特征在最危险点_2。5污染事件(2013年1月10 - 14)。

2。测量位置和数据描述

2.1。网站和点_2。5测量

22日气象观测站点的位置和7空气质量网站选择本研究在蓝芽地区显示在图中1(b)。详细信息表中给出了空气质量的网站1。14个气象站点位于平原地区,位于山区和8个网站。七个空气质量网站(包括4城市网站:北京塔(是),Shuangqing Lu (SQL)天津(TJ)、石家庄(SJZ);1郊区网站:香河(XH);1农村网站:运城(YC);和1区域背景的网站:兴隆(XL))是当地在南部平原,空气污染是最严重的地方。空气质量监测是通过观察网络建立的大气物理研究所(IAP),中国科学院(CAS)。点的质量浓度的在线测量_2。5或点₁₀获得了一个锥形元素振荡微量天平(型号1400 a, rp),并收集数据每五分钟。仪器的测量原理的同时,美国环境保护署(EPA) (http://www.epa.gov/ttnamti1/inorg.html)。5分钟的每小时平均浓度计算数据;和日均浓度是基于1 h数据。每月的意思是深蓝色的大气气溶胶在550 nm波长在2013年1月在中国来自Aqua MODIS 1°×1°三级每日产品如图1(一个)显示,释放地区是中国最污染的区域。

空气污染指数(AQI)是一种定量测量描述在中国的空气污染水平基于空气污染数据的转换,主要是点₁₀下午,_2。5,所以₂,没有₂、公司和O₃的浓度,成一个单一的值从0到500。API分为六个等级代表不同的空气质量水平对其对人类健康的影响。第一和第二空气质量水平(我:= 0-50和II:机能机能= 51 - 100)代表人民健康良好的空气质量,没有风险。第三和第四等级(III: = 101 - 150和四:机能机能= 151 - 200)在某种程度上表明光污染影响人类健康。第五和第六水平(V = 201 - 300和VI机能:> 300)机能表示严重污染,严重影响人类的健康。城市的空气质量指数被定义为最大污染物分指数在所有六个。2013年1月,主要污染物是点_2。5;因此,空气质量水平除以空气质量指数(AQI)根据点_2。5浓度。相应的浓度在不同的空气质量级别的断点是35,75,115,150,250μg / m³,分别。

2.2。气象数据

气象数据(平均每日和每月平均)平原和多山的网站,网站的可见性和相对湿度(RH) 14时许LST六点平原网站自1980年(数字1(b)和2),天气地图获得国家气象信息中心和中国气象局。的可见性和RH LST 14时许从1960年到1979年来自美国国家海洋和大气管理局的国家气候数据中心(NCDC);在1965 - 1972年的数据是不可用的。在这个工作中,烟雾事件被定义为天的可见性(LST) 14时许< 10公里和RH < 90%,扣除天雾、降水、沙尘暴,烟,暴风雪,等等。这个定义更适合量化霾天与蓝芽的定义使用逐日气象数据区域(2,21,29日]。每小时气象数据、风向、风速、RH测量和自动气象站(aws) BJ, TJ, SJZ, XH, YC和XL。风参数观察到10米高度,和水分信息被收集在1.5米的高度。此外,370 aws风数据和湿度信息在36°-42.5°N和113.5°-120°E用于获取网格每小时地面风场和相对湿度使用电网分析和显示系统(毕业生)软件。网格表面RH和风能数据从国家环境预报中心(NCEP) /国家大气研究中心(NCAR)最终全球预测系统(新兵)再分析数据集(1°水平分辨率)也被用来揭示风场特征和水分分布,导致蓝芽地区烟雾事件。摘要风方向被称为风来自的方向。在北京市区和天津郊区地区,风资料6分钟的时间分辨率与边界层风速剖面观察激光雷达(图1(b))。无线电探空仪的数据在北京气象站(54511)被用来分析温度和湿度的垂直结构。

纬向环流指数对亚洲(工业区),经向环流指数亚洲(IM),东亚冬季季风强度指数(EAWM),西伯利亚(SH)强度指数高,1000 hPa风异常,综合水分通量异常是由国家气候中心(http://cmdp.ncc.cma.gov.cn/cn/index.htm)。计算异常偏离1981年至2010年的平均值。摘要GDAS-CPC区域温度异常的下载http://www.cpc.ncep.noaa.gov/products/stratosphere/strat-trop /被用来分析平流层突然变暖(f)。

2.3。卫星数据

中分辨率成像光谱仪(MODIS)在泰拉和阿卡卫星提供了高空间分辨率和附近每天覆盖全球气溶胶光学深度(AOD)数据(30.,31日]。MODIS气溶胶产品(MOD04 / MYD04)在陆地上包含两个数据集:dark-target大气气溶胶数据和深蓝色的大气气溶胶数据(http://modis-atmos.gsfc.nasa.gov/MOD04_L2/index.html)。前者适用于黑暗的表面,明亮,后者适用于沙漠表面(32- - - - - -35];这些数据集已经发布的MODIS气溶胶产品,收集051年,空间分辨率10公里×10公里或1°×1°(http://modis-atmos.gsfc.nasa.gov/MOD04_L2/atbd.html)。蓝芽在冬天因为少植被存在区域,深蓝色的大气气溶胶数据在550 nm MYD04_L3 C051。Aqua MODIS 1°×1°三级日常产品对该地区平均35°-43°N 112°和-120°E从2004年到2013年1月。

3所示。结果与讨论

3.1。点的分布_2。5和蓝芽地区大气气溶胶

每小时平均和日均浓度的变化点_2。5在不同的网站和地区2013年1月平均大气气溶胶在蓝芽区域在图描述2。污染最严重的网站SJZ,月平均~ 214的价值μg / m³;和第二个污染最严重的网站是YC, ~ 203的值μg / m³。是机器,SQL, TJ, XH中度污染,值~ 132 - 143μg / m³。污染最少的一个网站是XL,值~ 49μg / m³。YC网站有一个非常高的点_2。5水平,尽管它是一个农村网站,显示区域交通的影响。总的来说,点的变化_2。5浓度在不同站点显示区域特征和周期性的变化。除了XL(一个区域背景的网站),点_2。5浓度远远超过国家环境空气质量二级标准(75μg / m³,gb3095 - 2012)。的频率区域空气质量水平I和II, III和IV, V和VI(区域空气质量级别是基于4网站)的水平发生至少3天,13天,15天,分别对应的区域代表点_2。5浓度μg / m³,μg / m³,μg / m³,分别。区域平均大气气溶胶也非常高,范围从0.35到1.5。区域背景网站(XL) 6天,超过二级标准。两个连续的和地区严重的烟雾是重要的(10 - 14和26 - 30日)但具有不同特点,也就是说,“爆炸性增长”和“持续增长”的点_2。5,分别。然而,最高的区域平均浓度(PM_2。5~ 250μg / m³和一个AOD过程中观察到的~ 1.3)10 - 14;与此同时,最高每小时浓度(881μg / m³在北京)被发现在SQL。

3.2。气候因素对霾污染的影响

几个数据集被用来分析气候因素对霾污染的影响在蓝芽地区(图3)。年际变化计算了降水、风速、温度、相对湿度、日照时数的异常平原和山区的网站。温度、露点的抑郁和风速在BJ 850 hPa高度异常和XT进行了分析。工业区和IM亚洲也显示出来。此外,出现的阴霾在五城市站点和市郊的一个网站,所有天,平均能见度阴霾天,蓝芽和平均大气气溶胶地区1月计算。沉淀了一个不规则的波动。的变化表面平均风速和日照时数超过所有的电台,特别是在平原上,显示出快速减少从1960年到1990年左右,而风速保持不变的平原网站和在山区网站略有增加;阳光小时表现出持续下降平原网站和一个稳定的振荡在山上网站从1990年到2013年;这一趋势是一致的,发现在许多领域在中国(36,37]。因此,越来越多的分散条件差叠加气溶胶高载荷导致区域变暗。温度和RH随着时间增加工业活动和城市化的结果。高水分促进气溶胶的吸湿增长,从而增加气溶胶质量浓度和灭绝;这些情况导致在能见度低的事件。然而,趋势在温度、湿度、和风速850 hPa高度并不重要。工业区和IM亚洲发生了巨大的变化在不同的年份,和变化的振幅增加。之间存在弱负相关的可见性和工业区,但平均能见度和IM之间存在显著正相关;因此良好的分散条件导致高能见度IM时高。经向环流强劲,便于通风由于频繁交换南部和北部的气团。

平均而言,在能见度低和霾天城市网站是在1970年代早期之前少;然后频率增加,在1998年之前保持一个恒定的高价值由于经济快速发展在1970年代末开始。之后,突然发生频率,振幅的变化大大改变了。在郊区的网站,增加霾天发生在2000年代初(当该地区成为一个经济特区)到现在,表明经济发展中发挥着重要作用的时机霾污染。令人惊讶的是,年际变化意味着能见度在阴霾天明显下降,这表明,烟雾从轻微的阴霾的主要类型(5 - 10公里)严重或严重的烟雾(< 5公里)自1990年代开始的。结果表明不利扩散条件(弱面风和高表面湿度)结合初始污染物排放量高(2蓝芽)诱导非常heavy-haze污染地区在过去的二十年里。

异常的影响下弱风,地面附近的高湿度,高高空温度、表面温度低,弱子午发行量,霾污染水平,和AOD载荷是很强的在2006年和2013年,而2011年的空气质量很好由于相反的气象条件。此外,突然平流层变暖(f)(图4)保持平流层异常温暖的在2006年和2013年相比,2011年区域温度异常分布。这种现象会引起的扭转方向西风的极地涡流;这些条件削弱极地漩涡。此外,增加在高纬度地区温度可能会影响血液循环,导致一个较弱的压力梯度力。如图5过程中,其旋转和崩溃,削弱亚洲北部极地漩涡与弱EAWM强度指数和SH强度指数;季风偶尔弱冷空气运到中国的东部地区。冷空气运输时弱,中国东部的影响下向南的风异常低对流层(图6(一))和异常水汽散度(降水)(图6 (b)),这导致减少风速和空气污染增加。

3.3。气象条件对点的影响_2。52013年1月浓度

点的浓度水平_2。5依赖于风和相对湿度;风与色散和空气污染,交通虽然RH的吸湿性和粒子的散射。表面RH和平均风场的分布对不同时期2013年1月是描绘在图7。蓝芽地区的风速在平原地区在华北较弱,和最低的值在燕山和太行山附近的城市因为山岳志和表面粗糙度在大城市(密集分布的高层建筑)。疲软的南风风战胜了蓝芽的山麓平原地区2013年1月。此外,一个地形风沿着plain-mountain辐合区成立过渡区域沿太行山,在集中污染区。因此,最高浓度SJZ部分归因于辐合区。此外,风收敛区是位于北沿燕山山脉在两个heavy-haze污染事件。这两个地形风收敛区域导致污染积累的山麓平原和抑制污染的扩散;因此,严重地区烟雾污染了。此外,烟雾事件是由环境RH的强烈影响。蓝芽RH值在平原地区的面积是1月份65% ~ 80%,70% ~ 90%,1月10 - 14和1月26 - 30日80% ~ 95%。 Thus, an increasing number of haze events were possibly caused by the hygroscopic growth of aerosols. Because the decreased wind speed and weakened southerly winds resulted in more stable atmospheric conditions and weaker dispersion, more effort should be paid to control emissions and prevent haze events.

气象因素对不同的空气质量水平在2013年1月蓝芽地区总结在表2。而良好的空气质量水平(I和II),表面的特征气象变量在中度和重度霾污染事件在蓝芽地区如下:弱压力,温度较高,特别是在平原地区,相对湿度越高,弱风(小于1.7 ~ 2.1米/秒),日照少,和更低的能见度。风玫瑰,每小时平均点之间的关系_2。5浓度和风速,风向在不同网站1月呈现在图8。SJZ最低风速被发现,这是一致的结果在图7。与风速有关东南,西南大风最多非常低的网站,在YC除外。西北强风强在BJ和XL但弱在剩下的网站。东北西南风,风,风占主导地位。更高点_2。5价值观与弱风(小于3米/秒),除了在XL和YC网站。XL网站更高点_2。5价值观与强大的西南,南、北风;和点_2。5浓度在YC站点增加风速升高,除了东北和东南风,这说明区域交通的影响周围地区有很高的排放。

3.4。天气系统的影响,水平风场和大气边界层结构(ABL)连续和地区严重的烟雾事件

最重的地区霾污染事件(1月9日至14日)在图描述9。相比其他冬季区域霾事件报道赵et al。21];最重要的特征,这一集的“爆炸性增长”点_2。5和点₁₀(61月12日)在北京。风天气地图和字段(图10),垂直风的概要文件(图11),温度/湿度(图12)被用来探索这个重污染的形成从气象角度。1月10日,蓝芽地区位于前面的低压和有经验的南风的一部分;弱混合和分散在这些条件下减少导致高水平的气溶胶浓度在整个地区。北京北部的北风到来由于移动低压LST在1月11日14时许,粒子在北京很快被分散。然而,北风只影响北京的空气污染,和南方的风在剩下的地区仍然盛行。不久之后,南风占领了整个地区,点_2。5集中在北京立即反弹的再循环和运输高浓度污染物从南方。然后,因为快速的综合效应弱低压在南北稳步建设高压(图10 (c)在北京),风突然转向北部和分散的污染物02:00 LST 12日;风很快就再次向南的LST 14时许。污染物最初从北京运送但后来又回来了。同时,南方的高浓度污染物被运送到北京。只因为北风抵达北京,下午_2。5浓度在其余地区盛行南风下增加或保持不变。这种再循环和重复积累和运输从南方在短时间内负责点的爆炸性增长_2。5和点₁₀。几个小时后,东部地区风盛行,点_2。5含量最多的网站开始减少。然而,北京西南的收敛点弱风,东南风,北风(图10 (j)),主要是因为城市加热效应弱压力场。此外,由于的东南风输送温暖潮湿的空气从渤海,高湿度的吸湿增长气溶胶;因此,严重的不那么出名的事件接踵而至。

垂直风速剖面(图11)显示非常弱的水平和垂直风速从14:00 LST 12日02:00 LST在13日在北京城市地区比在天津郊区地区。此外,上下两层的500米;因此,混合层高度大约不到500米。图12显示了逆温层的厚度(600 - 800),温度范围(5 - 7°C)和高湿度迫使低于500 1月12日。因此,再循环和区域交通、贫穷的扩散条件和良好的二次转型条件下高排放和气溶胶的吸湿增长,导致爆炸性增长和创纪录的每小时的平均浓度点_2。5在北京。

4所示。结论

霾污染在冬天在京津冀地区(蓝芽)最近几十年变得更糟糕。最严重的事件发生在2013年1月,与每月区域平均点_2。5~ 145的价值μg / m³~ 8.3公里的可见性,很可能是由于不利的气象,而不是突然增加的排放。年际变化在平均能见度霾天明显下降,这表明,烟雾从轻微的阴霾的主要类型(5 - 10公里)严重或严重的烟雾(< 5公里)自1990年代开始,由于扩散条件不利(弱表面风和高湿度)结合高初始污染物排放。表面的特征气象变量在中度和重度霾污染事件如下:蓝芽地区弱压力,温度较高,特别是在平原地区,相对湿度越高,弱风(1.7 ~ 2.1米/秒),日照少,和更低的能见度。地形风收敛区域导致污染积累的山麓平原和抑制污染的扩散;因此,严重地区烟雾污染了。再循环和区域交通、贫穷的扩散条件和良好的二次转型条件下高排放和气溶胶的吸湿增长,导致了爆炸性增长,最高每小时的平均浓度点_2。5在北京。考虑到减少风速并削弱了南风导致更稳定的大气条件和较弱的分散能力,应该努力控制排放和防止烟雾事件。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金(41230642和41230642号)和中科院战略重点研究项目资助(没有。XDB05020203)。作者感谢胡锦涛Bo, Guiqian Tang悦王,杨杨,Na曹国伟,阳春玉为气溶胶工作措施。他们承认国家气象信息中心,美国国家海洋和大气管理局国家气象数据中心(NCDC),国家气候中心、数据使用和MODIS的团队在他们的工作。

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