福岛核事故源项评价

2011年日本福岛发生的核泄漏对全球环境和社会产生巨大影响,核事故的后果评价与环境修复成为长期而复杂的任务,而源项作为事故分级的重要依据,是后果评价和环境修复的基础.本文从福岛核事故泄漏的核素总量与组成、特征核素谱与其他事件的历史排放水平对比等三方面出发,对福岛核事故的源项进行分析.分析结果表明,福岛核事故泄漏放射性总量大约是切尔诺贝利核事故泄漏总量的10%,不到全球落下灰总量的千分之一,但是福岛核事故是至今为止最为严重的海洋放射性污染核事故.本文还对核事故后处理措施进行评估,针对福岛核事故的环境影响提出一些建议.     

大气扩散集合预报技术和确定性预报技术在日本福岛核事故全球扩散中的对比分析

将集合预报技术引入到大气扩散数值模拟中,这是提高大气扩散数值模拟能力的一种新的、有效的手段。2011年3月受日本东北部9.0级大地震影响,日本福岛第一核电站发生核泄漏事故。以此次核泄漏事故的全球扩散为研究对象,通过运用不同的大气扩散预报技术（集合预报和确定性预报）,模拟了福岛核泄漏释放出来的放射性物质在全球的扩散过程,并利用监测资料对模拟结果进行了对比分析和评估。文中采用的集合预报技术共三种,分别为气象场扰动技术MET、湍流扰动技术TUR和基于大气扩散物理过程参数化方案的集合预报技术PHY。模拟结果显示：集合预报的扩散轨迹模拟技术能更好地模拟粒子随大气环流扩散的过程;此外,与MET和TUR相比,确定性预报和集合预报PHY模拟扩散范围偏小,扩散速度偏慢,且无法模拟出4月初日本福岛核放射物质向我国东部海域扩散的过程。这是因为MET和TUR技术核心是对平均速度和湍流速度进行扰动,这种三维扰动,会促使污染物向更远方向进行扩散,水平方向扩散连续也更符合监测情况;PHY主要是对扩散物理过程参数进行扰动,以垂直速度的扰动为主,造成扩散范围偏小、水平方向扩散不连续。此外,监测站点与模拟结果的时间序列对比分析结果表明：模拟结果均能较好反应浓度趋势演变,不过模拟浓度偏低,尤其是确定性预报和PHY试验;此外,通过与监测站点的比较得出：与PHY相比,MET和TUR在平均浓度和最大浓度出现概率上具有更大优势。本文的研究结果对于丰富大气扩散数值模拟研究,提高环境应急响应水平具有参考意义。     

CMAQ-MOS区域空气质量统计修正模型预报途径研究

通过分析2004年9月~2005年3月北京城市及远郊地区八个测点的大气污染观测资料, 揭示出城区尺度不同测点大气污染同步性与同位相时空变化特征, 并描述出采暖期与非采暖期大气污染物浓度存在源影响相关季节性显著差异, 城区与远郊测站大气污染物浓度亦表现出排放源影响相关显著的区域性特征, 即大气污染物浓度时空分布与排放源强度及其空间分布密切相关; 本文试验研究表明, 美国EPA新一代空气质量模式CMAQ对多类污染物不同尺度“面空间”分布及其变化倾向虽具有较强的预报能力, 但由于污染源时空特征十分复杂, 这是由于模式采用的平均源排放清单难以精细、客观描述预报区域不同尺度污染源强度的时空变化, CMAQ模式尚存在类似其他模式污染浓度预报量与实况相比明显偏低的“系统性”误差, 为了修正上述模式产品源排放清单产生的系统性预报偏差, 本文利用不同季节CMAQ模式产品与观测实况资料, 建立CMAQ-MOS区域空气质量统计修正预报模型, 并采用检验方法评估CMAQ-MOS方案预报能力, 提出采用CMAQ-MOS统计修正模型统计-动力相结合的空气质量预报新途径, 试验研究结果表明CMAQ-MOS方案可显著降低由于污染源影响不确定性产生的模式系统性预报误差, 明显提高了CMAQ模式空气质量预报水平, 本文亦提出了采用点-面结合预报思路, 即在大气污染具有同位相变化特征的“影响域”范围内, 用一个中心测点的CMAQ-MOS产品预报周边区域面上其他预报点的模式产品“再分析”场以及区域平均空气质量“面预报”方案.     

MYJ和YSU方案对WRF边界层气象要素模拟的影响

研究新一代中尺度气象模式WRF中两种大气边界层方案(MYJ,YSU)对沈阳冬季大气边界层结构模拟的影响,重点分析温度层结、低层风场、边界层高度等对污染物扩散有重要影响的气象要素.和观测数据的比对表明WRF基本能够模拟出温度风速的日变化特征,但模拟风速偏大.YSU方案由于模拟的边界层顶卷挟和边界层内混合作用较强,夜间接地逆温强度低于MYJ方案,逆温维持时间比MYJ方案短4小时,同时模拟边界层高度也高于MYJ方案,有利于污染物垂直扩散.边界层高度的3种计算方法中,湍流动能方法计算的边界层高度最高,Richardson数方法次之,位温方法得到的高度最低.Richardson数方法对临界值的选取较敏感.     

春季Hadley环流异常对夏季西北太平洋热带气旋频数影响的数值模拟试验

观测事实揭示出春季Hadley环流与夏季西北太平洋热带气旋频数之间存在显著的负相关关系.由春季Hadley环流异常引起的西北太平洋地区夏季纬向风垂直切变、大气辐合辐散等的异常变化是这一关系存在的内在原因.本文通过数值试验对这一关系的真实性进行了验证,即利用中国科学院大气物理研究所发展的9层大气环流模式（IAP9L-AGCM）模拟了春季Hadley环流异常偏强情景,并分析了该情景下影响西北太平洋热带气旋生成的环境场的响应.结果表明,在春季Hadley环流偏强情景下,夏季西北太平洋地区纬向风垂直切变幅度加大,低空大气异常辐散,高空大气异常辐合,东亚夏季风减弱,这种环流背景不利于热带气旋生成和发展,因此,西北太平洋热带气旋频数异常偏少.数值模拟结果与已有的诊断结果相吻合,进而证实了春季Hadley环流与夏季西北太平洋热带气旋频数负相关关系的存在.因此,春季Hadley环流信号可以用于西北太平洋热带气旋活动的气候预测.     

密云水库区域大气-土-水污染过程复合相关源

采用密云水库15km处WMO区域空气污染本底站——上甸子站1990~2001年降水化学资料,并结合2002~2003年现场科学试验阶段获取的大气干沉降和湿沉降资料,从大气-土-水污染过程的复合相关源角度,综合分析了大气干、湿沉降以及白河沿岸农田、矿区和城镇污染源对密云水库的水质综合影响特征.分析结果表明,该时段密云水库区域大气降水中离子以SO42?,NO3?,NH4+和Ca2+为主;密云水库湿酸沉降量夏半年(4~9月)大于冬半年(10~3月),其年际变化呈上升趋势,年平均达1038.45t,最高年份(1996)达1766.31t,最低年份(1994)为604.02t;密云水库区域大气降水pH的多年平均值为5.20,降水呈弱酸性,pH值年际变化呈下降趋势.密云水库水体不同深层的pH值均大于7.0.pH值垂直和水平空间分布呈非均一性特征,同一区域pH值随水深呈下降趋势;2002年和2003年密云水库降尘量分别为13513.08t和3577.64t,春季降尘量为全年之首,分别占其全年的61.91%和44.56%.由于大气干、湿沉降中含有多种重金属元素及有害元素,它们可能在一定程度上对库水富营养化、潜在重金属污染以及库水酸化起“加剧”作用.上述综合分析结果揭示出密云水库区域大气-土-水污染过程复合相关源特征及其多圈层相互作用效应.另外,夏季(雨季)是局地土壤污染源由于受暴雨或强降水冲刷后通过入库水系山谷坡地汇流,引起区域性大气-土-水连锁污染过程,导致水库或河流水质污染.统计分析亦发现密云水库水质污染可能与水库周边及上游局部区域降水冲刷和汇流因素相关.水库污染物浓度变化与水库上游局地区域降水量呈较显著的相关,这些相关特征揭示了水库水质污染过程大气-土-水多圈层相互作用效应.提出了水库污染复合相关源分析法观点及其追踪入库水系上游污染源空间分布技术途径.     

2002年7月黑河流域上游降水以及产、汇流过程的模拟

运用包含土壤、植被陆面过程OSULSM的中尺度大气模式MM5, 将分布式水文模式DHSVM中汇流方案与其耦合, 成功地模拟了2002年7月黑河流域上游的洪水事件, 用数值方法再现了洪水的流动过程. 结果显示: 洪峰到达流经各点的时间不同, 遇到分岔路时, 水流按照地形坡降大小不同, 自动按比例分流, 较大部分从地势坡度大的方向流向低处, 也会有较少部分向坡度较小的方向流去. 坡面汇流方案的加入, 使得大气模式中实现了地表水的再分配.     

青藏高原冬季热状况对赤道太平洋纬向风异常的影响

用经过改进的CCM 1动力气候模式研究了冬季青藏高原上空大气热源汇异常对太平洋纬向风异常的影响, 发现: (1) 当青藏高原1~3月份大气冷源加强时, 在对流层低层出现围绕青藏高原的异常反气旋, 随后的月份在中国大陆沿海出现异常的北风, 西太平洋出现异常气旋. 随后, 西太平洋赤道出现异常西风并向东扩展到东太平洋; (2) 当青藏高原1~3月份大气冷源异常减弱时, 首先在低层出现一个围绕青藏高原的异常气旋, 随后在西太平洋出现异常反气旋, 并向西南移动, 引起赤道太平洋地区的异常东风, 并向东传播. 此外青藏高原冬季和初春冷源强弱还可以引起赤道印度洋的纬向风的异常变化, 因而冬季青藏高原大气冷热源异常可以作为亚洲冬季风和ENSO之间的桥梁.     

太湖水体的总磷分布及湖流对其影响的数值研究

用数值模拟的方法研究了太湖水体中ＴＰ分布特征及湖流对其影响,推导,建立了包括平流,水平扩散,沉降和底泥释放的浅水湖泊中污染物浓度分布计算的二维迎风有限元数值模式,并在给定若干点源条件下计算各种稳态流场下太湖水体中的ＴＰ分布。     

黄海、东海海域出海气旋发展过程中尺度数值模拟

利用MM5中尺度模式对1999年6月两个出海气旋发展过程进行 数值模拟. 数值模拟的气旋出海后移动路径与实际情况基本一致. 在数值模拟基础上重点讨 论了出海气旋发展过程潜热通量和感热通量的分布及其演变情况. 气旋出海后在气旋中心区 南方和东方存在负潜热通量和感热通量区. 出海气旋的东移和发展，其前方强大正热通量区 的存在可能是重要原因之一.     

基于静止轨道卫星监测中国大气污染物的模拟分析

针对对流层主要污染物(对流层臭氧、NO_2、SO_2及HCHO)的高分辨率、高频次监测需求,开展了基于静止轨道卫星监测中国大气污染物的模拟观测实验.在参考现有极轨卫星载荷的遥感监测能力和仪器参数基础上,根据静止卫星观测模型,利用正演辐射传输模式模拟观测光谱.根据最优估计反演理论,分析光谱仪的主要指标参数对各目标气体的反演敏感性和反演误差.基于各目标气体反演精度需求,提出光谱仪的观测波段、光谱分辨率和信噪比等关键指标参数的建议方案.为评估选定的光谱仪参数能否满足需求,利用大气化学输送模式模拟中国区域大气成分的三维分布,进行中国区域的模拟反演实验.结果表明,针对各目标气体,满足反演需求的实验数目均达到90%左右.臭氧总量和平流层臭氧的反演精度可达到2%,且各气体反演在太阳天顶角高于70°范围内仍可以获得有效数据.因此,我们所提出的静止卫星观测方案和仪器参数方案具有一定可行性,为优化将来中国静止轨道卫星光谱仪仪器指标提供了理论依据和模拟工具.     

夏季华北地区二次气溶胶的模拟研究

通过模式结果与观测的NOx,CO,O3,NH3,HNO3,SO2和PM2.5的对比,说明CMAQ空气质量模式能够较好地模拟华北地区污染物的变化.同时,模式结果表明河北、河南和山东地区NH3的浓度较高,平均浓度为(30～35)×10?9.模拟试验的结果表明高浓度的NH3使得二次气溶胶中硫酸盐气溶胶生成效率提高了大约30%以上,特别是在邯郸、安阳和长治交界地区其作用更显著,达到了50%.而且,NH3还会增加二次气溶胶中含氮气溶胶和铵盐成分,二者的质量浓度和与硫酸盐气溶胶相当.北京地区边界层高度在白天较高,中午平均高度为1500m.这使得SO2,NH3和HNO3可以输送到边界层上部850hPa.硫酸盐、铵盐和硝酸盐分别在边界层上部和下部形成各自的高浓度区.由于PM2.5的寿命较长,因此它们可以被输送到对流层的中层,形成深厚的气溶胶层,构成了北京地区气溶胶的穹隆.模式结果表明:如要控制华北地区夏季大气中气溶胶的浓度,除了减少SO2和NOx的排放以及一次气溶胶的排放外,降低大气中NH3的排放也是有效办法之一.     

1998年长江流域洪水期大气季节内振荡特征及机理研究

1998年夏季长江流域洪涝灾害的发生与低纬和中高纬低频气旋在长江流域附近地区的汇合过程有关. 用包含18个动力热力因子及南北边界效应的局地经向环流线性诊断模式将各因子作用分解开来, 并根据1998年的NCEP再分析资料找到造成不同纬度低频气旋的产生、经向传播及相互作用的主要过程. 基于数值模式的定量分析结果, 表明低纬地区低频气旋的产生和传播主要与强积云对流有关的潜热加热、反映越赤道气流影响的边界效应及热量垂直输送作用有关; 而中高纬地区低频气旋的产生和传播则主要与反映西风带扰动的西风动量水平输送和温度平流作用有关, 西风带扰动主要体现为鄂霍次克海阻塞高压及东南侧的切断低压. 高低纬低频气旋在长江流域附近地区的合并, 不但为长江流域发生洪涝提供所需的抬升条件, 也为南海地区低层低频反气旋的形成创造了有利条件. 在来自南海低频反气旋西北侧的暖湿气流和位于长江流域的低频气旋上升运动的共同影响下, 长江流域发生了百年一遇的特大洪水.     

亚洲-太平洋涛动与西北太平洋热带气旋频数的关系

通过对观测资料的分析, 初步探讨了夏季亚洲-太平洋涛动(Asian-Pacific Oscillation, APO)和西北太平洋热带气旋频数的关系, 发现APO强弱的年际变化与西北太平洋热带气旋频数多寡之间具有显著的正相关关系, 夏季APO偏强(弱)时, 西北太平洋热带气旋偏多(少). 研究进一步揭示, APO变化可导致西北太平洋区域主要大气环流系统出现异常, 而大气环流的这种异常变化正是APO与西北太平洋热带气旋频数相联系的原因. 当APO处于正位相时, 西太平洋副热带高压减弱, 位置偏东偏北; 西北太平洋地区高层大气异常辐散, 低层大气异常辐合; 纬向风垂直切变减弱. 这些变化均为西北太平洋热带气旋的形成提供了有利的大气环流条件, 因此, 西北太平洋热带气旋频数偏多. 反之亦然.     

边界层参数化方案及海气耦合对WRF模拟东亚夏季风的影响

区域气候模式的边界层参数化方案很大程度上影响着陆地-海洋-大气间水汽、动量及热量的交换,该方案的不确定性会给模式结果带来明显误差.本文基于WRF区域气候模式中四种常用的边界层参数化方案(YSU,ACM2,BouLac和MYJ)分别对东亚夏季风进行模拟研究,分析了不同的边界层方案对东亚夏季风环流及降水模拟的影响.结果表明,局地湍流动能方案BouLac和MYJ对东亚夏季风的模拟结果相对于非局地闭合方案YSU和ACM2更接近于观测,前者能更好的模拟出中国东部中低空西南风气流和西太平洋副热带高压.对于东亚夏季风降水,无论是空间分布还是季节内演变,BouLac和MYJ方案都要明显优于YSU和ACM2.此外,通过对比YSU和BouLac两种方案的模拟结果,发现边界层方案对东亚夏季风的模拟在海洋区域的影响更为显著.造成不同方案模拟差异的主要原因是非局地方案YSU和ACM2的边界层垂直混合偏强,使得海表向上输送的潜热通量明显偏强,对流更活跃,导致降水偏多以及相应季风环流的异常偏差.进一步研究指出缺少海气反馈过程使得WRF模式由边界层方案引起的模拟误差在海洋区域更为突出,引入海气耦合可以减小海表热通量误差并明显改善东亚夏季风的模拟结果.     

大气季节内振荡的活动与江淮流域夏季旱涝

观测资料的分析极为清楚地表明,江淮流域的夏季降水有着极为明显的低频变化,周期为30-60d和近20d的振荡是其最基本的特征,尤其是在多雨的年份.对应江淮夏季多雨(涝)年和少雨(旱)年,大气环流的分析表明其大气季节内振荡(IS0)的形势有着显著的差异.例如在多雨(少雨)年,在长江以南的850hPa上为一个低频(IS0)反气旋(气旋)性环流控制,而中国北部和日本一带为气旋(反气旋)性环流,从而在江淮流域形成较强的低频辐合(辐散)气流;在200hPa的青藏高原上却为一个低频气旋(反气旋)性环流所控制.分析还表明,对应多雨年,在江淮流域有明显的由中高讳度向南传播和由低玮度向北传播的大气低频振荡的汇合情况;而对应于少雨年,由中高纬度向南传播的低频系统较不明显,在江淮流域低频系统的汇合也较为不清楚.     

热带气旋集合预报中的不确定性研究

综合考虑了数值天气预报过程中的两种不确定性：初值和模式的不确定性，建立了一个拥有20个成员的中尺度集合预报系统来模拟1997年热带气旋Danny的路径和对流系统.发现模拟气旋路径的集合平均误差在12 h以后比所有成员的误差都小.通过考察模拟结果对各种不确定性的敏感性，发现两种不确定性在模拟中都很重要,但不同的不确定性对模拟结果的贡献是不同的.初值的不确定性主要影响模式积分的前12 h，模式的不确定性在整个积分过程中始终存在.不确定性最敏感的区域主要分布在气旋附近的强天气区.     

森林下垫面大气环境多尺度模拟研究

植被是重要的城市地表覆盖类型之一,它通过蒸散降温和阻挡强冷空气,对城市风温湿大气微环境和污染物扩散特征会产生显著影响.准确预测植被环境流动和标量输运特性,理解植被与大气之间湍流交换过程,对城市环境改善具有重要意义.文章建立和发展了适用于森林植被环境湍流流动和标量场演化仿真计算的大涡模拟方法,将中尺度气象预报模式与微尺度精细大涡模拟方法耦合,利用地表能量平衡关系考虑大气辐射等多物理过程,研究了典型天气条件下复杂森林下垫面大气流动问题.通过考察不同大气稳定度条件下森林植被环境流动发现,在不稳定和稳定大气情况,浮力分别起到增强和抑制大气湍流混合作用,风切变也相应减小和增加.在北京奥林匹克森林公园的多尺度模拟试验中,通过与外场观测结果比较,文章验证了耦合模型可以较好地模拟城市复杂地表上空风速、温度和相对湿度的日变化.尤其是对于风场的模拟,耦合方案明显优于传统中尺度数值模拟,这主要是由于耦合方案既考虑了外部中尺度流动的影响,又通过降尺度方法可以精细分辨城市非均匀地表粗糙元素分布,从而较为精确的复现了城市粗糙子层内复杂大气流动和湍流通量输运.     

中层和热层大气的垂直动力传输及其影响

本文根据气体分子运动论导出了垂直动力传输函数,此函数可以代替Nicolet和Mangc的混合比,较好地描述高层大气中从完全混合状态向扩散分离状态的过渡过程。分析了高层大气中湍流运动的观测结果,给出了湍流系数随高度分布的几个模式,利用这些模式计算了惰性气体氩、氦与氮的数密度比的高度剖面,并与箭载质谱仪探空资料作了比较。根据光化-动力传输理论,计算了上中层及低热层大气主要化学成份的高度分布。结果表明:垂直动力传输明显地影响着大气成份的分布。文中还指出,氧分子的光离解系数与其数密度的高度剖面耦合在一起,因而应当由上向下数值求解有源有汇的连续方程组,这样可避免由于光离解系数的假设所造成的误差。     

晴天及阴天条件下WRF模式中几种边界层参数化方案的对比分析研究

利用WRF模式中5种常用边界层参数化方案(ACM2、YSU、BouLac、MYJ和MYNN2.5)及美国能源部大气辐射观测试验(ARM)寿县综合观测数据(2008年8—12月),对比分析了晴天及阴天条件下,不同参数化方案对典型农田下垫面气象要素及边界层结构的模拟效果,结果表明:(1)模式对于云层状况的模拟,非局地方案ACM2和YSU方案优于局地方案.(2)对于近地层气象要素,晴天和阴天条件下均是ACM2方案对于2 m温度和比湿的模拟效果最好,MYJ方案对于风向风速的模拟效果最好.(3)对于位温及比湿垂直廓线的模拟,晴天和阴天条件下均是非局地方案(ACM2和YSU)对白天的模拟效果优于局地方案;ACM2方案对夜间弱稳定层结和逆湿结构的模拟最优;(4)对于风速垂直廓线的模拟,白天不稳定条件下,晴天条件MYJ方案最优,阴天MYNN2.5方案的模拟效果最好;夜间弱稳定条件下,晴天条件ACM2方案与观测值之间的偏差最小,阴天YSU方案模拟效果最好;(5)总体而言,在对典型农田下垫面进行模拟时,晴天和阴天条件下均是ACM2方案更具优势.