基于 ＩＰＣＣ-ＡＲ４模式资料的地面气温超级集合预测

利用参与IPCC-AR4的8个全球气候系统模式对20世纪气候模拟情景下地面气温的模拟结果,对其进行多模式集成处理。在此基础上,对这些全球气候系统模式在各种能源之间的平衡（A1B）情景下2010—2030年的地面气温进行多模式超级集合预测。结果发现,8个全球气候系统模式模拟的地面温度均方根误差都比多模式简单集合平均的大。超级集合相对于各个模式及简单集合平均的模拟效果更好,其均方根误差比最好的模式误差减小了13℃。在A1B情景下,超级集合预测未来20 a北半球平均地面气温将普遍升高,大洋上的增温幅度比陆地上小。中国东部地区以及青藏高原、新疆大部未来20 a气温将明显升高,内蒙东部和辽宁西部最高升温可达20~24 ℃,其余地区升温在20 ℃以内。     

秸秆燃烧对北京秋季气溶胶浓度和短波辐射影响的模拟研究

利用地面细颗粒物（PM2.5）浓度和气象常规观测资料、地基 AERONET观测资料、GFED生物质燃烧排放清单和大气化学—天气耦合模式WRF-Chem,模拟研究了华北地区2014年10月气象要素和大气污染物的时空演变,重点关注北京10月7～11日的一次重霾事件及其天气形势、边界层气象特征、输送路径、PM2.5及其化学成分浓度变化等特征,以及秸秆燃烧对华北和北京地区细颗粒物浓度和地面短波辐射的影响。与观测资料的对比结果显示,模式可以很好地模拟北京地区地面气象要素和PM2.5质量浓度,考虑秸秆燃烧排放源可以明显改进北京PM2.5浓度模拟的准确性,但在重度污染情况下,模式总体上低估气溶胶光学厚度和高估地面短波辐射。10月7～11日北京地区重霾事件主要是不利气象条件下人为污染物累积和区域输送造成,也受到华北地区南部秸秆燃烧的影响。河南北部、河北南部和山东西部大面积秸秆燃烧释放的气态污染物和颗粒物在南风的作用下输送至北京,秸秆燃烧对北京地区地面PM2.5、有机碳（OC）、硝酸盐、铵盐、硫酸盐和黑碳（BC）的平均贡献率分别为24.6%、36.8%、23.2%、22.6%、7.1%和19.8%,秸秆燃烧产生的气溶胶可以导致北京地面平均短波辐射最大减小超过20 W m－2,约占总气溶胶导致地表短波辐射变化的24%。     

中国的PM2.5和对流层臭氧及污染物排放控制对策的综合分析

本文首先对中国PM2.5和近地面臭氧浓度的观测进行了简要的综述;并利用2010-2013年全球对流层臭氧的卫星观测数据给出了对流层臭氧浓度在全球和中国地区的分布特征,其平均值分别为29.78 DU和33.97 DU。然后,利用一个气溶胶大气化学-全球气候双向耦合模式模拟了中国地区PM2.5的浓度分布和季节变化,其年平均值为0.51×10^-8 kg/m³。在此基础上又分析了5种典型气溶胶对PM2.5总浓度在不同季节的贡献。结合IPCC第五次评估报告（AR5）,讨论了气溶胶和温室气体及其前体物的排放与辐射强迫的联系,以及减排大气臭氧前体物和气溶胶颗粒物质（PM）对气候变化的可能影响。指出减排臭氧前体物对气候的影响还不完全清楚,对短寿命的温室气体和黑碳气溶胶的减排是一种短期（未来50年）的辅助措施;为了保证全球平均温度增长不超过2℃,减少二氧化碳的排放仍是我们需要坚持的长期战略。短期和长期的减排战略对于保护环境和减缓气候变化都是至关重要的。     

基于IPCC-AR4模式资料的地面气温超级集合预测

利用参与IPCC-AR4的8个全球气候系统模式对20世纪气候模拟情景下地面气温的模拟结果,对其进行多模式集成处理。在此基础上,对这些全球气候系统模式在各种能源之间的平衡(A1B)情景下2010—2030年的地面气温进行多模式超级集合预测。结果发现,8个全球气候系统模式模拟的地面温度均方根误差都比多模式简单集合平均的大。超级集合相对于各个模式及简单集合平均的模拟效果更好,其均方根误差比最好的模式误差减小了1.3℃。在A1B情景下,超级集合预测未来20 a北半球平均地面气温将普遍升高,大洋上的增温幅度比陆地上小。中国东部地区以及青藏高原、新疆大部未来20 a气温将明显升高,内蒙东部和辽宁西部最高升温可达2.0~2.4℃,其余地区升温在2.0℃以内。     

CMIP5全球气候模式对中国地区降水模拟能力的评估

使用多种观测资料和43个参加耦合模式比较计划第五阶段（CMIP5）的全球气候模式模拟数据,评估分析了全球气候模式对中国地区1980-2005年降水特征的模拟能力。结果表明：多数CMIP5模式能够模拟出中国降水由西北向东南递增的分布特点,这与耦合模式比较计划第三阶段（CMIP3）的模式模拟结果类似,但华南地区降水模拟偏少,西部高原地区降水模拟偏多。模式能够较好地模拟出降水冬弱夏强的季节变化特征,但降水模拟系统性偏多。从EOF分析结果来看,多数CMIP5模式可以再现中国地区年平均降水的时空变化特征,集合平均的表现优于CMIP3。多模式集合在月、季、年时间尺度下模拟的平均值优于大部分单个模式的结果。CMIP5中6个中国模式的模拟能力与其他模式相当,其中FGOALS-g2、BCC-CSM1-1-m的模拟能力相对较好。     

脱硝技术与天然气应用情景下京津冀地区空气质量模拟评估

针对京津冀地区主要大气污染物NOx（氮氧化物）和PM2.5（大气中粒径小于或等于2.5μm的颗粒物）,应用柴油车尾气净化技术及中小锅炉烟气脱硝技术,并根据2015年和2030年我国能源规划,设计3种技术应用情景,采用WRF-CAMx耦合模式,对京津冀地区大气中NOx和PM2.5进行了应用情景模拟。结果表明,单独应用柴油车尾气净化技术后（方案1）,北京、天津地区大气中的NOx浓度降低幅度达20%,河北地区降低5%;PM2.5的浓度降低幅度约10%;应用柴油车尾气净化技术和2015年能源规划情景（方案2）,京津冀地区大气中NOx和PM2.5浓度的降低幅度均超过20%;应用柴油车尾气净化技术和2030年能源规划情景（方案3）,该地区NOx浓度降低幅度与之相当,PM2.5浓度降低幅度超过30%。可见脱硝技术和清洁能源利用的有效性依赖于其应用比例。二次气粒转化的化学过程形成的硝酸盐、硫酸盐和铵盐对该地区空气中PM2.5浓度的贡献很大,冬、春、秋季硝酸盐最大贡献高达60%,夏、秋季硫酸盐最大贡献超过70%,铵盐四季最大贡献约25%。这说明PM2.5的主要前体物NOx、SO2、NH3、VOCs (Volatile Organic Compounds)、CO等均大幅度削减才能有效降低该地区空气中PM2.5浓度。     

基于GRAPES模式的广州地区大气输送扩散参数及其对PM2.5预报的应用

利用2010年11月—2011年11月广州地区PM2.5逐时监测资料以及GRAPES模式计算的四种大气输送扩散参数预报值,分析评估模式描述四种大气输送扩散参数的性能及其预报广州地区PM2.5浓度的可行性,结果表明:GRAPES模式不同时刻起报的地面通风系数、平均通风系数和湍流动能的预报稳定性与一致性较好,而垂直交换系数相对较差。垂直交换系数、地面通风系数、平均通风系数和湍流动能的量级分别为101、103、103和10-1～100。PM2.5浓度与大气输送扩散参数呈显著负相关,其中PM2.5与14时起报的垂直交换系数相关性最好。使用临界成功指数CSI对PM2.5浓度进行预报检验,得到垂直交换系数对PM2.5的预报稳定性较好,垂直交换系数能大概判别PM2.5为“污染”与“清洁”情况,临界成功指数部分可达70%。垂直交换系数与PM2.5浓度存在显著的超前滞后相关,预报PM2.5浓度是否为“污染”与“清洁”可同时参考原序列及滞后序列的预报效果。      

13个IPCC AR4模式对中国区域近40a气候模拟能力的评估

利用中国区域550个站点逐日地面气温及降水资料,评估了参与政府间气候变化专门委员会第四次报告（the fourth assessment report of the intergovernmental panel on climate change,IPCCAR4）的13个新一代全球气候系统模式及多模式集合对中国近40 a（1961—2000年）地面气温和降水的模拟能力,结果表明：最新全球模式对中国地区地面气温年变化及空间分布的模拟结果均较好,但在整个模拟区域地面气温模拟值系统性偏低,东部地区模拟效果好于中西部;对于降水,大部分模式能模拟出中国降水的年变化及空间分布特征,但模拟的区域性差别较大,多数模式对中国东部季风区夏季雨带北抬的过程有一定的模拟能力,但模拟雨带位置偏北。新一代全球模式能模拟出温度的线性变化趋势,但对温度及降水的年际变率模拟能力较低。比较多种评估指标得出,模式集合对温度的模拟效果最好,模式UKMO-HadCM3对降水的模拟效果最好。     

近地面O3变化化学反应机理的数值研究

利用中尺度气象模式（MM5）及区域化学模式（RADM）对中国地区近地面O3变化化学反应机理进行了数值模拟研究。主要研究了近地面O3变化与其主要前体物NMHC（非甲烷烃）、NOx、CO等之间复杂相互作用关系。主要结论为:（1） 污染地区近地面O3变化主要受光化学作用控制;而清洁地区地面O3变化主要受大气背景O3浓度影响。（2）NMHC和NOx的变化对HO2和OH自由基的影响是十分复杂的,O3的反馈作用对自由基的影响是不可忽视的。（3）在高NOx污染地区的地面上空可能出现高O3污染。（4）在O3光化学反应机理中同样存在线性相关关系。     

CMIP5模式对中国地区气温模拟能力评估与预估

利用第五次国际耦合模式比较计划（CMIP5）中29个气候模式的气温模拟结果,评估了各模式对中国地区年平均气温的模拟能力,对未来不同典型浓度路径（RCPs）下中国地区气温的可能变化给出了预估。结果表明：各模式能较好地模拟过去100多年中国地区增温趋势和年平均气温的空间分布,从模式间标准差来看,各模式对中国中部、南部气温模拟具有较高的一致性。利用相对均方根误差分析了各模式的模拟能力,对于多时间尺度（月、年）气温的气候平均态,有7个模式表现良好,高于中等水平,5个模式的模拟能力低于中等水平,模式集合平均值的模拟效果优于大多数单个模式。根据29个模式的评估结果,使用模拟性能相对较好的模式分析了未来不同排放情景下中国地区气温变化,21世纪前期,不同排放情景之间的预估结果差别较小,21世纪中期各情景之间的差别逐渐增大,到21世纪后期,3种排放情景的升温差别明显增大。     

CMIP5模式对中国东北气候模拟能力的评估

利用CN05观测资料和参与IPCC第五次评估报告的45个全球气候系统模式的模拟结果,分析了新一代全球气候模式对中国东北三省(1961~2005年)气温和降水的模拟能力。结果表明:1)绝大多数模式都能较好地模拟出研究区内显著增温的趋势,对气温的年际变化模拟能力则相对有限;2)所有模式均能很好地再现气温气候态的空间分布特征,且多模式集合模拟结果优于绝大多数单个模式,空间相关系数达到了0.96;3)对于降水的模拟结果,模式间差异较大,多模式集合能较好地再现其空间分布规律(空间相关系数为0.86),对降水年际变化及线性变化趋势的模拟能力则较差。总体来说,多模式集合对东北气候的时空变化特征具有一定的模拟能力,且对气温模拟效果优于降水,对空间分布的模拟能力优于时间变化。     

CMIP6全球气候模式对中国年平均日最高气温和最低气温模拟的评估北大核心CSCD

选取CMIP6历史模拟试验26个模式数据,以CN05.1数据作为观测资料,对1961~2014年中国年平均最高气温和最低气温变化模拟能力进行评估。结果表明:1961~2014年,中国年均最高气温和最低气温均存在上升的趋势。最高气温增长速率为2.15℃/100 a;最低气温增长速率为3.92℃/100 a,约为最高气温增长速率的两倍。CMIP6模式都能模拟出这种长时间尺度的变化趋势,但不同模式模拟能力存在一定差异,模式间离散度达到0.38℃/100 a(最高气温)和0.41℃/100 a(最低气温)。模式中BCC-ESM1和EC-Earth3模式对这两种趋势的模拟效果最好。CMIP6模式可以较好地模拟出中国范围内的最高气温和最低气温空间分布特征。中国范围内,大部分模式模拟结果与观测呈正相关的格点所占比例分别为82%(最高气温)和97%(最低气温),模拟结果具有明显的地域性。对于气候平均态,CMIP6模式可以较好地模拟出最高最低气温空间分布特征,对于整个中国东部地区,最高最低气温模拟结果的模式间标准差均在3℃以内,一致性较高,在西部地区差异较大,青藏高原地区达到6℃以上。GISS-E2-1-G和MRI-ESM2-0可以很好地模拟出1961~2014年中国最高气温和最低气温经验正交分解(Empirical Orthogonal Function,EOF)主要模态及其时间演变。总体来说,CMIP6模式对中国年均最高气温和最低气温的气候态空间分布以及变化趋势等方面,具备较好的模拟能力。     

Probabilistic Automatic Outlier Detection for Surface Air Quality Measurements from the China National Environmental Monitoring Network

Although quality assurance and quality control procedures are routinely applied in most air quality networks, outliers can still occur due to instrument malfunctions, the influence of harsh environments and the limitation of measuring methods. Such outliers pose challenges for data-powered applications such as data assimilation, statistical analysis of pollution characteristics and ensemble forecasting. Here, a fully automatic outlier detection method was developed based on the probability of residuals, which are the discrepancies between the observed and the estimated concentration values. The estimation can be conducted using filtering——or regressions when appropriate——to discriminate four types of outliers characterized by temporal and spatial inconsistency, instrument-induced low variances, periodic calibration exceptions, and less PM10 than PM2.5 in concentration observations, respectively. This probabilistic method was applied to detect all four types of outliers in hourly surface measurements of six pollutants (PM2.5, PM10, SO2, NO2, CO and O3) from 1436 stations of the China National Environmental Monitoring Network during 2014-16. Among the measurements, 0.65%-5.68% are marked as outliers, with PM10 and CO more prone to outliers. Our method successfully identifies a trend of decreasing outliers from 2014 to 2016, which corresponds to known improvements in the quality assurance and quality control procedures of the China National Environmental Monitoring Network. The outliers can have a significant impact on the annual mean concentrations of PM2.5, with differences exceeding 10 μg m-3 at 66 sites.     

CMIP6模式中的中国冬季气温主要区域空间模态及与观测的对比分析

利用国际耦合模式比较计划第六阶段（CMIP6）的全球气候模式历史模拟试验资料，通过旋转经验正交函数分析得到了CMIP6模式中的我国冬季气温变化主要的区域空间模态。结果表明：CMIP6多模式集合平均中我国冬季气温有4个主要的区域空间模态，分别为中原—西北型，华南型，东北型以及滇藏型。其中，东北型与滇藏型是较为稳定的空间模态，在所选CMIP6模式及观测资料中都稳定存在，这也是前人研究中一致性较高的模态。而我国新疆、西北、华中及华南地区的冬季气温在空间分型上存在分歧，这些地区的分型在以往研究中的一致性也较差。华南型在所选CMIP6模式内是一致存在的模态，中原—西北型在模式内部的差异性较大。在近40 a观测资料中，新疆及西北到我国南方为统一的空间分型，在CMIP6多模式集合平均的结果中新疆及西北地区气温空间分布与我国中原地区的联系更为紧密。CMIP6模式能较好地模拟出与低温空间分布有直接联系的对流层中层的槽的位置，当CMIP6模式和观测中的冬季气温都表现为同一个空间模态时，该模态所对应的对流层中层的主要环流系统在观测和CMIP6模式中也是一致的。     

陕西省环境气象评估指数EMI时空变化特征研究

基于陕西省10地市2015—2020年PM2.5浓度实况监测数据和同期EMI指数，统计分析EMI和PM2.5相关性及近年EMI的时空分布特征，定量评估气象条件变化及综合治理措施对陕西环境空气质量的影响。结果表明：陕西省2015—2020年EMI指数可以较好的表征和评估气象条件变化导致PM2.5浓度的变化。2015—2020年EMI指数呈线性降低趋势，气象条件持续向好。月EMI指数均呈明显的单谷分布特征，EMI指数冬半年大，夏半年小。各区域EMI指数总体上呈关中高、陕南次之，陕北最低的分布特点，关中中、东部EMI指数最大。EMI正距平百分比高值区主要出现在关中地区，各年关中均有60%以上面积正距平，其中2016年冬季关中83.0%面积正距平，37.5%面积正距平超过100%。2020年陕西省各区域环境空气质量较2015—2019年均有明显改善，全省PM2.5浓度较前5 a平均降低24.8%，全省气象条件改善使PM2.5浓度较近5 a降低16.4%，排放变化使得PM2.5浓度较前5 a平均下降9.4%，可见近年陕西省大气污染综合治理措施成果显著，环境质量明显改善。     

秦皇岛2019年冬季重污染过程PM2.5来源数值模拟

秦皇岛地处河北省东北部,是环渤海重要的港口城市,在近几年京津冀地区减排效果较好的情况下,于2019年1月出现了多次持续细颗粒物（PM2.5）污染过程。因此本文利用耦合了数值源解析模块ISAM（Integrated Source Apportionment Method）的区域空气质量模式RAMS-CMAQ（Regional Atmospheric Modeling System–Community Multiscale Air Quality）,对2019年1月秦皇岛地区PM2.5进行模拟,并将PM2.5质量浓度高于（低于）75 μg m－3的时段划分为污染（清洁）时段,分别探讨了两个时段本地排放源对秦皇岛市PM2.5质量浓度的贡献情况,并且进一步探讨了秦皇岛各区县及外地排放源对秦皇岛市4个国控环境监测站点（第一关站、北戴河站、市监测站、建设大厦站）PM2.5质量浓度的区域传输特征。结果表明,秦皇岛地区PM2.5质量浓度整体呈“南高北低”式分布。清洁时段,PM2.5质量浓度受本地贡献较大,青龙县、卢龙县大部分地区贡献为40%～50%,海港区、抚宁区、北戴河区、第一关区及昌黎县大部分地区贡献在60%以上;4个国控环境监测站点受跨界输送贡献占34.7%～41.6%。污染时段,秦皇岛市本地贡献相对于清洁时段整体下降10%左右,当地大气污染受到跨界区域传输影响增加;而在4个国控站中,北戴河站、第一关站受到跨界输送贡献分别下降1.0%和2.3%;市监测站、建设大厦站受到跨界输送贡献分别上升2.9%和2.0%。     

Evaluation of Surface Air Temperature Change over China and the Globe during the Twentieth Century in IAP AGCM4.0

Based on time series and linear trend analysis, the authors evaluated the performance of the fourth generation atmospheric general circulation model developed at the Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences (IAP AGCM4.0), in simulating surface air temperature (SAT) during the twentieth century over China and the globe. The numerical experiment is conducted by driving the model with the observed sea surface temperature and sea ice. It is shown that IAP AGCM4.0 can simulate the warming trend of the global SAT, with the major warming regions in the high latitudes of the Northern Hemisphere and the mid-latitudes of the Southern Hemisphere. While the simulated trend over the whole globe is close to the observation, the model under-estimates the observed trend over the continents. More-over, the model simulates the spatial distribution of SAT in China, with a bias of approximately-2°C in eastern China, but with a more serious bias in western China. Compared with the global mean, however, the correlation coefficient between the simulation and observation in China is significantly lower, indicating that there is large uncertainty in simulating regional climate change.     

RegCM4.1对中国区域气候模拟能力评估

利用中国气象局提供的1985—2004年756个台站的逐日降水和气温观测数据评估了区域气候模式(RegCM4.1)对中国地区不同季节的降水和气温的模拟性能,并结合中国的区域气候特征和气候带分布进行分区讨论。结果表明RegCM4.1能够较好地再现中国地区四季降水占全年百分比、降水率的空间分布特点以及降水带南北摆动的季节变化特征。RegCM4.1对平均气温分布模拟较好,强度和高低中心与观测事实接近,但对青藏高原地区的气温分布模拟值一致偏低。同时发现RegCM4.1能够合理再现内陆地区气温日较差明显大于沿海地区的总体分布特征,不过模拟值在新疆和沿海地区比观测结果均偏低。     

春季沙尘对关中地区PM2.5 浓度影响的多尺度模拟研究

“一带一路”建设让古代丝绸之路的起点——西安成为世界焦点，西安的空气质量也是政府和公众关注的焦点。以2017年5月我国北方的一次强沙尘过程为例，首次利用中国科学院大气物理研究所气溶胶和大气化学模式系统IAP-AACM（Aerosol and Atmospheric Chemistry Model of the Institute of Atmospheric Physics）模拟关中地区细颗粒物（PM_2.5）的时空分布，并结合地面逐小时PM_2.5观测数据对沙尘气溶胶和PM_2.5模拟的关系进行深入探究。结果表明:加入沙尘组分对模拟关中地区PM_2.5时空变化特征作用显著，相关性可提升0.4～0.6，并且可以很好地再现强沙尘时段PM_2.5浓度骤增的过程；在强沙尘时段和一般时段，沙尘组分对PM_2.5的贡献分别为60%～80%和10%～30%；0.11°×0.11°高分辨率模拟有助于提升模式捕捉污染物时空变化的能力。