锋面气旋驱动空气污染物长距离输送过程中污染物空间分布的特征研究

During the trans-Pacific transportation of air pollutant driven by mid-latitude wave cyclone, the spatial distribution exhibits complicated structure and experience convoluted evolution. Cloud and aerosol vertical structure shown in sliced CALIOP，which cross cyclones, will be analyzed, and complemented and verified by satellite cloud image and other satellite data, to present the 3-D structure of air pollutant at different stages during the full lifetime of a typical cyclone. The stages being explored are the incipient period of the cyclone when it located East Asia continent, its moving eastward to the Pacific, the intensifying of strength over the pacific and finally the corruption of the cyclone, respectively. The characteristics of the vertical structure of aerosol types, the sources and evolution will be explored as well. Guided by the image of warm convey belt (WBC) associated with the cyclone discerned in satellite cloud image, the exact height of cloud and aerosol at concerned locations in the belt will be identified by exploring CALIOP data, which will be used to check the performance of trajectory model in calculating the plume rising in WBC. The contribution of vertical distribution of pollutants via slant rising or deep convection mechanisms in WBC will be explored as well.

空气污染物在锋面气旋驱动下横跨太平洋的长距离输送中，其空间分布将呈现复杂的三维结构和演化过程。本项目拟通过分析穿越锋面气旋的CALIOP 剖面中气溶胶和云的垂直结构，结合卫星云图以及其它卫星资料，相互补充和佐证，展示源自亚洲大陆的典型锋面气旋过程在大陆发生、东移入海、在洋面上加强、直至消亡的一个完整生命周期中，伴随其中的污染物输送在各阶段呈现的三维空间结构；揭示各高度层气溶胶的类型、来源和演变。结合云图显示的锋面气旋中暖输送带的空间分布，由CALIOP 获得关注的空间点位上云和气溶胶的确切高度，验证常用风场轨迹模型计算气团沿暖输送带抬升的准确性，并讨论暖输送带中倾斜上升和对流等机制对污染物垂直输送的贡献。

通过分析穿越锋面气旋的星载激光雷达CALIOP 剖面中气溶胶和云的垂直结构，结合卫星云图以及其它卫星资料，展示源自亚洲大陆的典型锋面气旋过程在大陆发生、东移入海、在洋面上加强、直至消亡的一个完整生命周期中，伴随其中的污染物输送在各阶段呈现的三维空间结构。建立CALIOP资料Level 2产品中气溶胶数据的筛选方法。统计CALIOP 2011-2015年资料，获得跨北太平洋垂直剖面上分季节平均的气溶胶高分辨率的分布状况；在春季，自污染最高的东北亚至临近北美西海岸的海域，高层气溶胶浓度下降约6倍；在2-4千米高度向北美西海岸输入的PM2.5浓度约1-2μg/m3，气溶胶高空输入对北美AOD贡献约为20%。利用静止卫星云图和星载激光雷达CALIOP资料研究春季起源于东亚大陆一个典型锋面气旋系统对污染物的抬升作用，在一个气旋生命周期中，污染物被抬升最高可达8千米以上，随着气旋衰亡，云系消散，由云滴返还的气溶胶暴露，被遗留的气溶胶层悬浮在约4 - 7千米的高空。除气旋、冷锋等过程外，在春季的东北亚地区，高空槽前的上升运动，同样是将低层污染物带至高层的重要抬升机制。锋面气旋上污染输送的等熵面分析表明，中尺度气象模式WRF模式能较好地重现云图中暖输送带的空间分布特征，区域空气质量模型CMAQ模拟出空气污染物沿等熵面输送并逐步抬升的现象，在锋面气旋自陆地刚东移入海的阶段，污染物从2千米以下高度逐渐抬升至4千米以上高度，此抬升过程并不借助对流。分析2011年3月31日穿越日本海上空CALIOP资料表明，其上空的气溶胶存在明显的分层结构，上下层气溶胶的光学性质差异显著。以卫星红外云图和CALIOP剖面探测资料分析为主的研究表明，高低层污染物的输送为不同天气系统驱动。低层气溶胶来自冷锋前的污染物输送，以人为源排放造成的污染气溶胶为主。通过追踪云系移动来示踪的沙尘输送路径，结合分析逐天穿越沙尘输送所达位置的CALIOP剖面上展示出的云和气溶胶的分布，证明高层气溶胶主要为沙尘，来自塔克拉玛干沙漠起沙后的长距离高空输送；而风场轨迹不能解释高层沙尘气溶胶的来源。