冬季华北典型气溶胶污染过程中气象要素和大气环流作用的研究

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本文研究了华北冬季一类典型气溶胶污染过程中,气象要素和大气环流因子对气溶胶污染过程的影响。文中使用了MERRA-2提供的气溶胶光学厚度(AOD)和气溶胶柱浓度资料,以及ERA-Interim再分析气象要素资料。首先使用k-mean聚类分析法对华北地区冬季的天气进行分型,找出导致典型气溶胶污染过程的天气型,然后通过回归法分析了该天气型下,不同气象要素对华北气溶胶污染的作用,使用逐步回归法分析了各环流系统的变化对气象要素的影响,探讨了东亚大尺度环流系统(包括东亚大槽、东亚季风、西伯利亚高压等)的影响,最后通过分析污染过程中北半球高度场的异常分布,寻找环流系统异常的来源,得到以下结论:(1)华北地区年平均AOD在1982-2016年间呈上升趋势。在季节尺度上,夏季华北地区平均AOD最高(0.42),冬季平均AOD最低(0.32);冬季AOD的大值中心位于华北南部,夏季移动到河北。整个冬季华北地区的AOD都呈上升趋势(0.0014/天),功率谱分析结果显示冬季AOD存在10天的显著周期。(2)使用k-mean法对华北冬季的天气进行分型,挑选出一类对气溶胶污染过程有显著影响的天气型(类型5)。在1982至2016年间该天气型共计出现324天,占华北35年来冬季天数的10.28%,平均每年出现9.25天。在该类型天气发生后第0至2天华北AOD升高,出现了气溶胶累积现象,在第3至5天,AOD的正异常逐渐减小,中心向南移动,对应华北地区气溶胶的消散过程。类型5天气的建立和消退过程在文中称为类型5天气过程(本文将类型5发生当天记为第0天,类型5发生前n天记为第-n天,发生后n天记为第n天)。(3)通过回归法分析类型5天气型下不同气象要素对华北气溶胶的作用,发现纬向风(u风)和相对湿度对华北气溶胶污染的影响最大。进一步分析气溶胶通量和相对湿度后发现,类型5天气下,华北地区气溶胶及其前体物排放严重区域(113°-118°E,33°-40°N)内气溶胶的累积增强(气溶胶通量散度平均值为-0.054μg/s~2m~2);相对湿度升高有利于气溶胶吸湿增长,这有利于华北AOD的升高。该天气型下华北地区的边界层高度降低,加剧气溶胶在低层的累积,更有利于低层污染事件的发生。(4)东亚大槽、东亚季风和西伯利亚高压是华北地区气溶胶污染过程中影响气象要素的主要环流因子。三个环流系统在气溶胶污染过程中的变化为:东亚冬季风在类型5天气过程的第-1天开始减弱,到第1天达到最弱(低层风指数LLW为1.20),在第5天后恢复正常,东亚季风主体的减弱会使得华北地区出现东风异常,进而导致华北地区的气溶胶开始积累升高。东亚大槽在气溶胶开始累积前5天就出现了显著的变化,在第1天达到最弱(东亚大槽指数为0.79)后逐渐恢复,这样的变化会导致华北近地面的相对湿度升高,从而加剧华北地区气溶胶吸湿增长。在类型5天气过程的第-5天西伯利亚高压强度减弱,在气溶胶出现累积前1天开始恢复,恢复后强度略大于冬季平均(西伯利亚高压指数最大时为0.16),西伯利亚高压在气溶胶累积期间有利于华北西北部、河南河北交界地带的相对湿度增加,进而有利于气溶胶的吸湿增长。(5)类型5天气发生前后,北半球出现波列形高度场异常。通过分析波列的水平分布、垂直结构和波通量发现,波列在200h Pa高度上向东南方向传播,而波列表现为正压结构,说明该异常来自于外部的扰动。该波列在类型5天气发生前2天传播到贝加尔湖上空时(90°E,55°N),导致西伯利亚高压减弱。在类型5发生当天,波列到达朝鲜半岛(120°E,45°N)上空并导致了东亚大槽和东亚冬季风的减弱。环流系统的异常使得华北地表转为东风、相对湿度增加、边界层高度降低,进而导致华北发生气溶胶污染。
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