京津冀地区强霾事件的前期大气信号研究

The severe air pollution and frequent extreme haze events (EHE) haunted the Beijing-Tianjin-Hebei area (BTH) in recent years, and caused the enormously adverse effect. The mechanics of EHE is a frontier and challenging study domestically and to be solved urgently. Before the EHE, abnormal atmospheric signals both in local meteorological parameters and in atmospheric momentum, mass and energy fields over a large-scale area tend to occur, favoring the accumulation of the aerosol mass. However, few previous studies involved the preceding atmospheric signals of EHE and presented the corresponding quantitative indicators. In this program, we will define the EHE standard by the probability density distribution of aerosol concentrations of BTH, find the integral preceding atmospheric signals of EHE applicable to prediction both from the local meteorological parameters and the circulation anomalies, and uncover the inherent mechanics with the statistical methods and the WRF-Chem sensitivity simulations. This program will provide new thinking and methods for prediction of EHE, and provide new understanding for the mechanics of EHE occurrence and development in BTH.

近年来，京津冀地区空气污染严重，强霾事件频发，造成了极大的负面影响。关于其机理方面的研究是国内亟需解决的前沿课题，且极具挑战性。强霾出现前期，局地气象要素异常和大范围大气的动量、质量和能量场上都可能出现异常的大气信号，形成有利于气溶胶积累的气象环境。然而，从前期大气信号的角度出发，提出强霾极端事件定量气象预测指标的研究较为缺乏。本项目拟从京津冀地区PM2.5浓度的概率密度分布特征着手，给出京津冀地区强霾事件的标准；从局地气象要素和大范围环流场异常两方面研究，找到京津冀地区强霾事件前期具有预测意义的大气信号；结合统计方法和WRF-Chem敏感性试验揭示其中的机制。项目的成功实施将为京津冀强霾事件的预测提供新的思路和方法，为强霾事件发生发展的机理提供新的理解和认识。

本项目结合了气溶胶浓度观测、气象场资料诊断和区域大气污染物传输模式的结果，对气溶胶积累和扩散的物理过程进行机理分析，研究了京津冀地区强霾事件前期的大气活动特征，并在分析的基础上将这些特征定量化，用于京津冀地区强霾事件的预测。项目研究成果揭示了京津冀地区前期持续的局地静稳天气是强霾形成的重要信号，即前期静稳指数信号相对于PM2.5浓度序列具有明显的超前性。最大相关为超前1天，而统计显著的信号可达超前3天。在北京、天津和石家庄三个城市的超前一天相关系数均超过0.60。项目研发出定量化物理指标，使用2013-2014年的静稳天气指数进行预测建模，之后在2015年4月1日到2016年3月31日对强霾事件进行预测。结果表明，在北京、天津和石家庄三个京津冀城市，次日预测准确率分别达到了72.7%，81.8%和100%，优于WRF-Chem的强霾预测效果。在上述指标的基础上，项目进一步考虑了与气溶胶有关的排放的空间分布信息，提出了中国北方地区排放加权静稳天气指数。在这些理论和机理研究的基础上，本项目还在WRF-Chem中使用了自主研发的模式初始场混合方案分析了前期静稳气象场改变后的强霾发展问题。我们发现即使在发展阶段仍然维持了高度有利的气象条件，当消除了前期静稳天气特征之后，京津冀地区的雾霾强度会大为下降（幅度可达约40-60%）。该结果进一步显示出静稳前期信号对京津冀强霾形成起到的重要性。本项目进行的定量化研究成果，不但可以用于京津冀地区的短期预测，在大气污染气象条件评估、空气质量长期变化、减排对策制定等方面也具有潜在的应用前景。