京津冀地区大气环流和边界层过程对大气污染扩散的影响机制研究-刘树华

Mountain Chimney Eff在中国北 京，国贸地区高约400米的“首都第 一高楼”中国尊顶层，雾霾和蓝天 形成明显的分界线。（封面背景照 片拍摄：京华时报 潘之望）
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Mountain Chimney Effect of Beijing
气溶胶污染与边界层间的正 反馈过程 （Miao et al., 2016）
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“News and views”评述文章链接：
/10.1038/nclimate3257
左图: 强霾事件发生时大气能见度严重降低。 右图: 多模式模拟的未来（2050-2099）高温室 气体排放情景（RCP8.5）下强霾天气指数HWI 相对于历史气候（1950-1999）显著增加。
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• 京津冀地区海
陆风环流对污染 物扩散的影响 • 城市化（动力 、热力）对海陆 风环流的影响
• 城市热岛环流 与海陆风环流的 相互作用 • 山谷风环流与 海陆风的相互作 用
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北京城市热岛环流与 大气边界层和污染物扩散
局地系统
污染物
NH3
HNO3
PM O3,NO2
污染物
局地系统
科学问题的提出
• 京津冀区域污染程度的季节变化与边界层过程的关系？ • 京津冀区域大气污染与多尺度大气环流、边界层过程的关系？ • 京津冀区域大气边界层过程与气溶胶反馈机制如何？ • 解析京津冀地区重霾污染形成主要原因：气候（季节）-地理 环境-天气-大气边界层 上述科学问题的研究，将有助于理清大气污染的演变机制， 为大气污染的预报和防治提供重要的科学依据。
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天安门
中央电视台
2013-2014年PM2.5年均浓度分布 （Zhang and Cao, 2015） 北京西站
中国近几十年以来的快速城市化和 工业化，带来严重的大气环境问题。 京津冀地区已成为我国大气污染最 为严重的地区之一。
红色预警故宫
2015年12月1日 北京严重雾霾 红色预警
1 2 3 4 北京大学 物理学院大气与海洋科学系，北京 100871 中国气象科学研究院，北京 100081 楚雄师范学院地理科学与旅游管理学院, 楚雄 675000 University of Oklahoma, OK 73072, USA
2017年4月21日-23日 中国杭州
内容提要
• 1. 引言 • 2. 京津冀边界层过程的季节变化对污染的影响 • 3. 京津冀夏季海陆风环流对污染物输送的影响 • 4. 京津冀天气类型对边界层及污染物输送的影响 • 5. 京津冀大气边界层过程与气溶胶辐射效应的反馈 • 6. 展望
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京津冀区域“三圈环流”的耦合效应
山谷热力差异
山谷风环流
海陆热力差异
海陆风环流
耦合效应 京津冀地区“三圈环流”的 耦合效应及其季节变化对污 染物扩散的影响？
(Liu et al., 2009)
城市热岛环流
城市下垫面热力动力特性
大气边界层对污染物扩散的影响
有逆温层存在，边界层稳定，污染物不易扩散。 混合层、逆温层高度，决定了污染物扩散的有效容量。
国家气候中心丁一汇院士课 题组通过对1980年以来持续性强 霾污染事件发生的环流和动力机 制分析发现，持续性强霾事件主 要发生在秋冬季节，京津冀地区 处于西风气流或高压脊前西北气 流的大尺度环流背景下，西南通 道是向京津冀地区输送污染物和 水汽的主要通道，低空偏西风气 流越过太行山将污染物和水汽输 送到京津冀地区，为霾的发生发 展提供了物质和水汽条件。在环 流影响下，京津冀对流层内产生 持续而深厚的下沉气流，大气边 界层高度降低，低层产生逆温， 从而使得京津冀地区垂直扩散能 力和大气环境容量下降，为霾天 气的维持和加剧提供了有利的动 力条件。
第21届大气污染防治技术研讨会
京津冀地区大气环流和边界层过程 对大气污染扩散的影响机制研究
Study of local atmospheric circulations and boundary layer process for air pollution in the Beijing-Tianjin-Hebei region 刘树华1 缪育聪1, 2 何萍3 Xiao-ming Hu 4 郭建平2
内容提要
• 1. 引言 • 2.京津冀边界层过程的季节变化对污染的影响 • 3.京津冀夏季海陆风环流对污染物输送的影响 • 4.京津冀天气类型对边界层及污染物输送的影响 • 5.京津冀大气边界层过程与气溶胶辐射效应的反馈 • 6. 展望
Miao Y C, Guo J P, Liu S H, et al., 2017, ACP Miao Y C, Guo J P, Liu S H, et al., 2017, AE Miao Y C, Liu S H, Zheng Y J, et al., 2016, ESPR Miao Y C, Hu X M, Liu S H, et al. 2015, JAMES Miao Y C, Liu S H, Zheng Y J, et al., 2015, JES
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该研究利用北京观测的七年冬季逐日PM2.5浓度和逐日的再分析气象资 料，通过合成分析构建强霾事件与大尺度环流背景间的统计关系，定义了由 大气低层经向风速、垂直温度梯度和中高层纬向环流表达的强霾天气指数 （Haze Weather Index, HWI）。 研究表明，相较于1948-1981年间，北京有利于强霾事件形成的天气条 件在1982-2015年间增加了10%。研究进一步分析了 CMIP5多模式逐日模 拟的历史气候（1950-1999）和未来高温室气体排放情景（RCP8.5）气候 （2050-2099）下强霾天气（HWI）发生的频率，发现未来全球气候变暖 背景下，与2013年1月类似的强霾污染事件的发生频率相对于历史气候条件 将增加50%。在全球气候增暖背景下，北极涛动向正位相增强、东亚冬季风 减弱、东亚大槽变浅、以及近地表大气增暖较快导致中低层大气更加稳定， 上述因素的共同作用导致了强霾事件的增加。 研究指出，不利天气条件的增加使我国华北平原污染治理的难度加大， 控制华北的强霾污染不仅要减少污染物排放，还需要全球减排温室气体减缓 气候变暖。
重度污染故宫
红色预警北京建筑
近期关于京津冀霾天气污染过 程研究的2篇重要刊物封面文 章：
国际期刊《大气科学进展》2017 年第四期封面文章： Wu, P., Y. H. Ding, and Y. J. Liu, 2017: Atmospheric circulation and dynamic mechanism for persistent haze events in the Beijing–Tianjin– Hebei region. Adv. Atmos. Sci., 34(4), 429–440.
Mountain Chimney Effect of Beijing
随着我国经济和城市化的快速发展，近年来我国空气 质量整体恶化的趋势明显，尤其是东部区域持续性霾污染 事件呈现多发频发趋势，其中最典型且影响最大的地区为 京津冀地区。 霾的发生，不仅使大气能见度下降，对交通安全造成 影响，也极大的危害人体健康。因此，霾已成为京津冀地 区最严重的环境问题之一，并成为经济和社会快速发展的 桎梏。 除污染物的排放为霾的发生提供了重要的物质条件外， 不利于污染物扩散的气象条件也是重要的原因之一。大气 对污染物的稀释扩散能力随气象条件的不同而具有很大差 异，尤其是在不同尺度大气环流背景场下，局地气象条件 及边界层结构等都可能发生变化，从而对京津冀地区大气 污染的发生产生显著的影响。
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《Nature Climate Change》 期刊2017年4月封面论文：
Mountain Chimney Effect of Beijing
Cai W., K. Li, H. Liao*, H. Wang, and L. Wu (2017), Weather conditions conducive to Beijing severe haze more frequent under climate change, Nature Climate Change. doi: 10.1038/ nclimate3249. 论文链接:
Miao Y C, Guo J P, Liu S H, et al., 2017, ACP Miao Y C, Guo J P, Liu S H, et al., 2017, AE Miao Y C, Liu S H, Zheng Y J, et al., 2016, ESPR Miao Y C, Hu X M, Liu S H, et al. 2015, JAMES Miao Y C, Liu S H, Zheng Y J, et al., 2015, JES
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Mountain Chimney Effect of Beijing
北京重霾污染形成于周边以燃煤工业排放为主的 污染物输送，而加强于本地以机动车排放为主的污染物叠加。 王跃思研究员课题组利 用多台雷达观测资料对京津 冀地区边界层高度和颗粒物 后向散射演变规律进行研究。 发现：地处华北平原北部的 北京地区在污染形成初期主 要受偏南区域输送的影响； 当污染过程一旦形成，边界 层高度就会迅速降低到500m 以下，加之高湿造成的吸湿 增长和非均相化学过程促发 二次粒子爆发式增长使污染 进一步加剧。
Zhu et al., 2016, JGR Tang et al., 2016, ACP Tang et al., 2015, ACP
京津冀地区的污染存在明显的季节变化
京津冀霾事件发生频率分布 （Fu et al., 2014）
北京季节平均的PM2.5浓度分布 美国驻北京大使馆2008-2014的观测数据 （San Martini et al., 2015）
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边界层对大气污染物扩散的影响
典型夜间边界层特征与污染气溶胶特征
范绍佳，2016
边界层结构影响污染物输送、扩散能力，大气容量
范绍佳，2016
大气边界层结构及其时空变化
不稳定大气边界层运动结构
垂直湍流涡旋尺度大，湍流扩散能量强，大气边界层高度高，环境容量大。 由近地层、混合层、夹卷层组成。
大气边界层高度
（引自Wyngaard, 1990)
京津冀地区边界层过程的季节变化 山谷风环流 海陆风环流 城市热岛效应 近地面气象场 边界层高度
污 染 程 度 的 季 节 变 化
边 界 层 过 程 对 污 染 物 扩 散 的 影 响
季节变化特征
降 时 间 尺 度
日变化特征
降 空 间 尺 度
微尺度特征
京、津、冀区域地理环境复杂
京、津、冀城市化 区域濒临渤海，属 于海陆交接地区； 北有燕山山脉，西 有太行山脉，构成 太 复杂的山地、平原、 行 城市和海陆地理环 山 境； 脉 对区域大气边界层 结构、大气环境、 天气气候具有重要 影响
燕山山脉
海陆交错
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京、津、冀区域内大气流场复杂
燕山山脉 太 行 山 脉 海陆交错
京津冀区霾污染的成因?
京津冀地区同属一片天空，在复杂的地理环境、气候条件 下，大气污染物会相互输送，污染源多样复杂(散煤燃烧、工业 、机动车、建筑扬尘、农业等），因此，京津冀地区的霾污染 与大气环流及周边省市的污染源排放有着直接的关系，京津冀 霾治理必须在区域协同发展的大格局中统筹考虑。 • 污染源（内因）（本地源、外来源、源的种类等2017.3.15） • 多尺度大气条件（外因）（城市热岛大气温度升高，大气稳 定度增加，稳定天气系统增加，边界层高度降低，大气容量 减小；边界层风速降低，对污染物扩散能力降低；降水减少 ，对大气污染物冲刷能力降低） • 地理环境（效应）（复杂地理环境，不利于大气污染物扩散 ，山谷风环流、海陆风环流、城市热岛环流及其相互作用， 造成循环叠加污染）