冷空气团精细结构演变对华北地区气溶胶浓度变化的影响机制

The cold air activity is an important factor affect the variation of air quality over North China. Besides strong winds, the fine structure and its evolution of cold air mass also have direct impact on the spatial and temporal distribution of aerosol during the cold air activity. The improved understandings in the fine structure of cold air mass and the physical mechanism linked with aerosol variation are important scientific issues and possess valuable implications for the society. To address these issues, the perspective of replacement and renewal of air mass is introduced in this project. The analysis is based on the new generation reanalysis dataset with aerosol variables, the method of isentropic analysis of cold air, the statistical analysis, and the numerical simulation. We propose to perform the fine structure of cold air mass and its relation with the distribution of aerosol, reveal related physical mechanism and its long-term variation. A series of analysis are conducted to quantitatively describe the fine structure of cold air mass in different periods, including shape, mass, negative heat content, horizontal flux and generation/loss rate. The relationship between these features and aerosol distribution is found out. Further analysis focus on the modulation mechanism of the structure of cold air mass on the aerosol variation, including horizontal and vertical transport, wet and dry deposition. Finally, on the basis of the cold air-aerosol relation on synoptic time scale, this project reveals the detailed approaches and the key processes of how long-term variation of winter monsoon influence the aerosol in North China.

冷空气活动是影响华北地区冬季空气质量的重要因素。准确把握冷空气团的活动特征及其对气溶胶浓度变化的影响机理，具有重要的科学意义和社会价值。除受冷空气强风的影响外，气溶胶时空分布还受冷空气团精细结构和演变过程的直接调控。本项目基于气团更替更新的独特视角，利用新一代包含气溶胶的大气再分析资料，采用新发展的冷空气等熵分析法、数值模拟和统计分析等手段，定量描述冷空气团精细结构和时间演变，进一步揭示其与华北地区气溶胶时空变化的联系规律，深入阐明相关的物理机制和长期变动。主要内容包括：1）考察冷空气活动不同阶段的冷空气团结构演变，包括气团形状、质量厚度、热含量、流动强度、流动方向和生消等，分析其与气溶胶时空变化的对应关系；2）探讨冷空气团结构对气溶胶水平和垂直输送、干湿清除、快速恢复等过程的调控机制；3）依据天气尺度的冷空气团和气溶胶浓度关系，揭示东亚冬季风气候影响区域气溶胶年际变化的机理和关键条件。

冷空气团及其向中低纬地区的经向输送是维持大气能量平衡的重要系统和关键过程。冷空气团在大气内部变率和外强迫作用下产生多尺度变化，并对区域天气和气候产生显著影响，是影响我国的最为重要的天气过程之一。本项目从冷空气团的独特视角出发，利用地面观测、卫星遥感和大气再分析资料，结合最新的冷空气质量等熵分析法和多种统计分析等手段，定量描述冷空气团的多尺度时空变化特征、动力和热力属性以及精细结构，探讨了其对气溶胶（空气污染）、低温和降水等极端天气影响的统计规律和物理机制。得到主要成果如下：.1) 揭示东亚地区冷空气团活动的空间分布多样性，包括年际和年代际尺度上冷空气向南流动通道位置的东西摇摆，以及天气尺度上冷空气爆发事件中冷空气团跨纬度输送范围的差异。深入揭示了影响冷空气通道位置变化的物理机制，以及不同类型冷空气活动的强度、持续时间、环流特征及其对东亚地区低温和降水的影响.2) 发现夏季极地冷空气团自1980年代出现长期减少趋势，同时向中低纬地区的输送也显著减少。这一减少趋势受北极增暖和高纬度海温年代际变化共同影响。夏季冷空气团“空调”冷却效应的减弱可造成北半球升温趋势和高温热浪的加剧。.3) 深入研究了冷空气团活动对华北地区气溶胶浓度的双重影响。在冷空气爆发阶段，气溶胶的清除机制表现为极地清洁冷气团对本地污染气团的替换。替换过程中不同属性气团之间不交融，高气溶胶浓度的空气始终被限制在本地气团中，并随着冷空气的推进被挤出华北地区。而后在冷空气团停滞变性阶段，由于冷空气团对区域边界层厚度和稳定度等特征的改变，使气溶胶在残留冷气团中快速积累，导致空气污染的快速复发。.准确把握冷空气团多尺度变化特征及其对区域天气气候的影响机理，有助于提高天气和气候预测的准确度、积极应对区域气候异常，具有重要的科学意义和社会价值。