平流层爆发性增温对京津冀地区大气颗粒物扩散的调制作用

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PM2.5浓度是衡量空气质量的重要参量,大量研究主要聚焦于对流层的环流状况对区域PM2.5浓度的影响。然而,鲜有研究建立平流层环流异常和区域大气颗粒物污染之间的联系。本文首先研究探讨了 2018年和2019年两个分裂型的SSW事件和2021年偏心型的SSW事件对京津冀地区PM2.5浓度次季节变化的影响。本论文进一步使用1981—2021年的历史资料综合分析了 SSW事件期间气溶胶光学厚度(AOD)、霾和雾的日数、日最小能见度等表征大气颗粒物污染状况的物理参数,综合探讨了两种不同类型(极涡偏心型和极涡分裂型)的SSW事件对京津冀地区大气颗粒物污染的影响。主要结论如下:(1)2018年SSW期间平流层极涡从强到弱的强度转变非常迅速,SSW事件发生后约20天平流层负位相的北半球环状模(NAM)信号向下传播到近地层;相比之下,2019年SSW事件持续时间较长,平流层负NAM信号没有向下传播到近地层。在这两次SSW的爆发前期,增强的行星波活动导致中纬度和高纬度之间的冷暖交换加强,这一时期的冷空气爆发对应于京津冀地区较低的PM2.5浓度。在SSW的爆发期,京津冀地区的PM2.5浓度迅速增加,多日平均达到轻度污染水平。SSW爆发后期,2018年2月和2019年1月SSW事件中京津冀地区的PM2.5浓度分布不同,与负NAM信号是否下传有关。2018年2月的SSW显示出更强的向下传播信号,对流层中的东亚冬季风系统增强,有利于污染物的扩散。相比之下2019年SSW几乎没有向下传播到近地层的信号,京津冀地区的PM2.5浓度仍然很高,扩散缓慢。(2)2021年1月爆发的SSW事件由行星1波和2波交替持续上传产生,它发生的有利条件包括前一年秋季巴伦支海-克拉海海冰减少和热带太平洋的ENSO冷位相(La Ni?a)。合成结果证实海冰减少和La Ni?a有利于高纬度东北太平洋低压发展和乌拉尔山高压脊的增强。中国2021年元旦期间的冷空气爆发主要与乌拉尔山上游阻塞形势的同步发展有关,美国2月的冷空气爆发和德克萨斯州的极端寒潮与SSW信号向下传播有关。在2021年SSW爆发前期,对流层行星波增强并向上传播影响平流层,这一对流层环流的变化直接导致京津冀地区同期空气质量向好。在2021年1月SSW爆发期,对流层波动扰动传播至平流层而对流层环流调整,波动减弱;于是,京津冀地区出现了长达8天的PM2.5污染过程。在SSW的爆发后期,与平流层极涡减弱相伴随的负NAM/AO脉冲信号两次下传到地面,东亚地区冷空气爆发概率增加,有利于PM2.5扩散,京津冀地区的PM2.5浓度降低,空气质量再次转好。而在两次平流层下传信号的间歇期,京津冀地区的PM2.5浓度迅速上升,发生了 2020/21年冬季一次持续长达5天的严重污染过程。(3)在1981—2021年冬季(12月—2月),北半球一共出现了 17次SSW事件,其中偏心型SSW事件出现了 8次,而分裂型SSW事件出现了 9次,两者发生的频次相差不大。比较而言,分裂型SSW事件的持续时间更长、向下传播的层次更低。偏心型SSW事件和分裂型SSW事件期间,表征京津冀地区大气颗粒物污染程度的不同参量(如最小能见度、霾日数、雾日数、轻雾日数和气溶胶光学厚度等)均呈现出一致的次季节变化规律。SSW的爆发前期,对流层行星波增强并向上传播影响平流层,东亚冬季风增强,京津冀地区污染较轻,SSW的爆发期,对流层行星波活动减弱,京津冀地区污染加重,SSW的爆发后期随着平流层负NAM信号的向下传播,京津冀地区的污染又减轻,且分裂型SSW事件期间京津冀地区大气颗粒物污染的次季节变化比偏心型SSW事件明显。总之,本研究进一步揭示,除了对流层大型环流调整之外,平流层环流变化也会影响区域大气颗粒物的扩散条件。研究平流层环流与区域大气颗粒物污染的关系,是提高京津冀地区大气颗粒物污染延伸期预报的重要途径和手段,从而进一步提高大气颗粒物污染预报的时效。
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