集合卡尔曼平滑和集合卡尔曼滤波在污染源反演中的应用

此文目的是讨论污染源反演问题的统计方法.基于Bayes估计理论,该文将资料同化中的集合平滑、集合卡尔曼平滑和集合卡尔曼滤波应用在污染源反演问题中.在详细给出污染源反演的集合平滑、集合卡尔曼平滑和集合卡尔曼滤波的严格数学表达后,用一个简单的模型演示了集合卡尔曼平滑和集合卡尔曼滤波在污染源反演中的可行性,并且通过对比理想试验结果比较了集合卡尔曼平滑和集合卡尔曼滤波方法在反演污染源排放的效果,讨论了观测误差和污染源先验误差估计对反演结果的影响.试验结果表明在观测间隔小和观测误差小的情况下,集合卡尔曼滤波和集合卡尔曼平滑都可以有效地反演出随时间变化的污染源排放.当观测误差增大时,集合卡尔曼滤波和集合卡尔曼平滑的反演效果都有一定降低,但是反演误差的增加少于观测误差的增加,同时集合卡尔曼平滑(Ensemble Kalman smoother,简称EnKS)对观测误差比集合卡尔曼滤波(Ensemble Kalman filter,简称EnKF)更为敏感.当观测时间间隔较大时,EnKF不能对没有观测时的污染源排放进行估计,仅能对有观测时的污染源排放进行较好的反演.而EnKS可以利用观测对观测时刻前的污染源排放进行反演,因此其效果明显好于EnKF,并且在观测时间间隔较大的情况下依然可以较好地反演出污染源排放.试验结果还显示污染源排放的先验误差估计对反演的结果有较大影响.     

RMAPS_Chem V1.0系统SO2排放清单优化效果评估

RMAPS_Chem V1.0系统是基于WRF_Chem模式建立的服务于华北区域雾霾等污染预报业务的模式系统,该研究着重针对系统中污染排放清单不确定性带来的SO₂浓度预报偏差较大问题,采用EnKF源反演和误差统计订正相结合的方法对排放清单进行了改进,形成了一套优化后的华北区域SO₂排放清单。通过输入初始清单和优化清单对2017年10月进行模拟,并与华北地区616个地面环境监测站观测值进行对比,结果表明:EnKF源反演结合误差统计订正的排放清单优化方法适用于SO₂排放清单的改进,有效降低了清单系统性偏差,针对主要区域及重点城市的检验显示模拟结果接近观测值;排放清单优化后模拟误差显著降低,如河北南部、山东西部至北京一带模式预报均方根误差与归一化平均绝对误差明显下降,区域内站点模拟误差呈正态分布特征,误差分布范围、最大概率出现范围均明显变窄,且最大误差概率明显上升。     

遗传算法在点源扩散浓度反演排放源强中的应用

污染源清单的建立是目前城市大气污染浓度预报中的一大障碍，使用遗传算法和多点源扩散模式，从控制点浓度成功地反演了点源排放清单。源强反演数值的统计结果表明，该方法简单易行，效果较好，为空气污染预报系统提供了一种反演排放清单的途径。     

污染源反演对重点城市群夏季O3模拟的改进效果评估

在嵌套网格空气质量预报模式系统(NAQPMS)的基础上,采用污染源反演方法优化以中国多尺度排放清单(MEIC)为主的先验排放清单中臭氧(O₃)前体物排放量估计。分析时段为2019年6～8月,重点评估了污染源反演对我国“2+26”城市、长三角、珠三角、成渝4个重点城市群O₃模拟的改进效果。评估结果表明,污染源反演获得的“2+26”城市、长三角、珠三角的氮氧化物(NO_x)排放速率整体低于先验清单的排放速率约0.6μg m_-2 s_-1,但反演的挥发性有机物(VOCs)排放速率在“2+26”城市整体上高于先验清单的排放速率约0.5μg m_-2 s_-1。利用反演的NO_x和VOCs排放量和NAQPMS模式对4个城市群O₃进行模拟,发现反演排放数据可以显著改进夏季O₃模拟性能,使得O₃日最大8小时平均值(MDA8-O₃)模拟的均方根误差(R...     

基于新型观测算子的双偏振雷达雨滴谱变分反演

提出一种基于变分理论的双偏振多普勒天气雷达反演雨滴谱方法,最优反演雨滴谱的同时可实现衰减订正。反演过程中使用一种新型观测算子,利用滴谱仪实测数据计算状态变量和双偏振参量,使观测算子更能代表本地降水特性。将新型观测算子、误差协方差矩阵和状态变量的先验估计用于代价函数中,基于高斯-牛顿迭代方法求解代价函数得到最优雨滴谱。利用理想模拟试验和南京信息工程大学C波段双偏振多普勒天气雷达实测个例对算法进行验证和评估。结果表明:算法反演得到的状态变量(液态水含量LWC和质量权重平均直径D_m)与滴谱仪数据计算结果的相关系数达到了0.96和0.80,相对偏差为25.19%和10.63%,均方根误差比常规反演结果改善了50%左右,比基于模拟观测算子的变分反演结果改善了30%左右,最优反演雨滴谱得到的降雨率R和雨量计数据相关系数达到0.89,相对偏差为14.78%。      

A new method for multi-point pollution source identification

对于污染源源项特征(数量,位置及排放强度)的快速且精确估计是污染事件应急响应的关键.与单点源估计相比,多点源的重建更具挑战性.本文提出了一种新的针对于多点源污染事件的两步反演算法,该算法通过结合大气化学模式与有限的浓度观测数据以实现对于未知数量的多点源的准确估计.在其计算过程中,无需任何未知量的先验信息,且可以自动识别污染源的数量,并确定每一个污染源的位置及强度.本文通过使用若干组理想试验验证了算法的适用性,试验结果表明,该算法可准确估计单点源,两点源和三点源的个数及位置,强度的估计误差可基本忽略.且该算法的估计精度和计算效率不会随着点源个数的增加而减弱.     

人工神经网络算法在红外高光谱资料反演大气温度廓线中的应用

基于红外高光谱大气探测器AIRS实况观测资料,尝试用人工神经网络算法来实现晴空时大气的温度垂直廓线反演,重点将该算法与目前已经发展比较成熟的特征向量统计反演算法进行比较。结果表明,两种算法在计算时间效率和反演精度上相当。鉴于人工神经网络算法的统计物理本质,误差反向传播BP神经网络可以求解非线性问题,在优化训练样本和继续调试网络种类和网络参数的基础上,有望能进一步提高反演精度。     

X波段双偏振天气雷达衰减订正方法及效果检验

X波段双偏振天气雷达在观测强降水时衰减较大,双偏振雷达的相位参数因衰减较小可用于反射率的衰减订正。自适应算法和差传播相移率K_(DP)订正法是应用较多的两种衰减订正算法,这两种方法均采用了差分参数实现衰减订正。自适应算法实现因难,但能够根据不同降水类型对订正系数进行调整,而K_(DP)订正法则无法实现。本文在自适应算法和K_(DP)订正法衰减订正的基础上提出了K_(DP)综合分类法,该算法实现简单,并分别采用三种方法完成衰减订正,然后对订正效果进行了比较分析,并与S波段雷达进行了对比。最后将订正前后的反射率联合地面降水资料进行对比研究,结果显示订正后反射率更适合观测降水及反演雨强。     

基于183 GHz机载微波辐射计探测水汽和云中液态水反演算法研究

基于机载微波辐射计GVR,以北京探空资料作为训练数据,机载对空微波辐射传输方程作为前向算子,建立基于BP神经网络和Decker模型基础上的积分水汽含量和液态水路径反演算法。与GVR自带算法相比,新算法增加观测高度作为输入变量,考虑温度对云水相态的影响建立新的云模型,对历史探空资料进行补全,增加积分高度至30 km。利用数值模拟检验、外场观测试验和观测误差传递分析对两种算法反演的积分水汽含量反演误差进行验证,结果表明:新算法和自带算法模拟计算的反演值与探空计算值相关系数分别为0.9988、0.9929,自带算法反演值普遍低于探空计算值;新算法和GVR自带算法反演的积分水汽含量统计均方根绝对误差分别为0.05～1.30 mm、0.2～3.0 mm,相对误差分别为1%～10%、4%～65%,新算法在6 km以下计算的积分水汽含量相对误差最小值为1%,整层高度上约75%的相对误差低于5%,而自带算法仅有不到1%的相对误差低于5%;以2016年11月20日观测个例为例,GVR仪器观测误差经过新算法和自带算法反演公式传递后造成的误差在3000 m高度分别为0.05 mm和0.06 mm,随水汽探测...     

一种基于集合最优插值的排放源快速反演方法

基于集合卡尔曼滤波的源反演方法是估计排放源、提高空气质量模拟和预报精度的有效方法。为构建排放源与污染物浓度之间的误差协方差矩阵,该方法通常需要运行几十次大气化学传输模式。庞大的计算量限制了该方法的应用,使其无法为实时预报系统快速更新排放源。本研究发展了一种基于集合最优插值的排放源反演方法。该方法使用历史集合数据构建误差协方差矩阵,仅需一次常规的空气质量模拟便可根据观测模拟差异反演排放源,从而显著降低计算量。本文使用该方法同化2015年1月全国1107个地面站点观测的CO小时浓度数据,结合2014年1月的历史集合数据集,估计2015年1月全国15 km分辨率的CO排放源。该方案反演的全国CO排放总量仅比使用2015年1月集合数据集的反演量高1%,表明历史时段与反演时段的气象条件差异对月均CO排放的影响有限。使用历史集合数据集更新的排放源再次模拟可将全国349个独立验证站点的平均低估从0.74 mg m?3降至0.01 mg m?3,均方根误差降低18%,表明该方法可快速更新排放源并降低其不确定性。     

Future air pollution in the Shared Socio-economic Pathways

Emissions of air pollutants such as sulfur and nitrogen oxides and particulates have significant health impacts as well as effects on natural and anthropogenic ecosystems. These same emissions also can change atmospheric chemistry and the planetary energy balance, thereby impacting global and regional climate. Long-term scenarios for air pollutant emissions are needed as inputs to global climate and chemistry models, and for analysis linking air pollutant impacts across sectors. In this paper we present methodology and results for air pollutant emissions in Shared Socioeconomic Pathways (SSP) scenarios. We first present a set of three air pollution narratives that describe high, central, and low pollution control ambitions over the 21st century. These narratives are then translated into quantitative guidance for use in integrated assessment models. The resulting pollutant emission trajectories under the SSP scenarios cover a wider range than the scenarios used in previous international climate model comparisons. In the SSP3 and SSP4 scenarios, where economic, institutional and technological limitations slow air quality improvements, global pollutant emissions over the 21^st century can be comparable to current levels. Pollutant emissions in the SSP1 scenarios fall to low levels due to the assumption of technological advances and successful global action to control emissions.     

辽宁中部城市群大气污染防治对策探讨

根据对辽宁中部城市群大气污染特征及污染发展趋势的分析,探讨了大气污染防治原则、对策及政策措施。辽宁中部城市群的大气污染属煤烟－机动车尾气-扬尘复合型,对其深化整治要在容量测算基础上以大气污染排放控制和环境空气质量达标为基本目标,以发展清洁能源、合理城市布局、调整工业布局和“控源”为主要途径,以消减污染物排放总量为重点,利用总量控制和浓度控制相结合、产业结构调整和技术改进相结合的综合防治手段,制定科学的城市群空气环境质量防治规划。     

Inventory of anthropogenic emissions and air pollution in the USSR

This paper gives data on air pollutant emissions from industrial sources and motor vehicles in the USSR. It discusses their distribution over the territory and trends during recent years. It studies methods of application of the emission data to assess air pollution.     

使用遗传算法优化雷达测量降水Z-R关系

将遗传算法应用到雷达测量降水的Z-R关系参数优化问题中,通过引入改进的误差函数加入总降水量误差控制,对1998年6月28日~7月2日阜阳地区的两次降水过程进行了参数优化试验,并和常规的最小二乘法、最优化方法及M-P参数法进行了对比,试验结果表明:新方法在总降水量估测方面具有更高的准确性和更好的动态适应性。     

Investigating the Changes in Air Pollutant Emissions over the Beijing-Tianjin-Hebei Region in February from 2014 to 2019 through an Inverse Emission Method

In recent years, China has implemented several measures to improve air quality. The Beijing-Tianjin-Hebei(BTH)region is one area that has suffered from the most serious air pollution in China and has undergone huge changes in air quality in the past few years. How to scientifically assess these change processes remain the key issue in further improving the air quality over this region in the future. To evaluate the changes in major air pollutant emissions over this region, this paper employs ens...     

基于MODIS数据地表温度反演劈窗算法的比较研究

选取QIN和SOB两种代表性劈窗算法对辽宁地区地表温度进行反演,并分析二者的精度和误差分布。结果表明：QIN和SOB算法反演的地表温度（TS）与地面气象台站准同步观测的气温和地温的线性拟合显著,SOB算法线性拟合更好;从误差分布直方图上看,两种算法的反演结果与地温更接近,SOB算法与同步气温和地温在±2 ℃之间的误差比例略高于QIN算法;在野外开展与卫星遥感空间尺度一致的地表温度观测试验,QIN和SOB算法与实测值的平均绝对误差均为1.5 ℃;与NASA官网发布的地表温度产品对比发现,QIN和SOB算法的平均绝对误差分别为1.75 ℃、1.70 ℃;因此QIN、SOB算法在辽宁地区均适用,SOB算法误差更小。     

边界层温度廓线遥感反演的本地化改进研究

采用MODIS资料和美国发展的MODIS大气温、湿度廓线统计反演算法,估算大气温度、湿度廓线作为初始场,应用101层快速透过率模式(PFAAST)估算了大气透过率,并采用Newton非线性迭代算法反演中国西北荒漠戈壁地区大气温度廓线。结果表明:该方法对边界层高度及以上部分的大气温度反演得比较好,误差基本都在2 K范围内,边界层范围内的温度反演误差较大,反演误差与气溶胶光学厚度增量和地表温度估算误差呈显著正相关关系,与大气水汽混合比的关系较差。文中从敏感性试验和理论分析角度阐述了地表温度和气溶胶光学厚度估算误差对大气温度反演误差的影响,发现不同光谱波段的地表温度权重均随地表温度的增加有不同程度增加,地表温度反演误差增加将增加地表温度权重,提高地表温度估算误差有助于提高地表温度权重的精度;荒漠戈壁地区大气边界层中气溶胶浓度较高,光学厚度较大,使边界层大气透过率降低,进而降低卫星红外遥感波段的地表温度权重和空气温度权重。由于该模式没有很好地考虑边界层中沙尘气溶胶的影响,使卫星反演的大气透过率偏高,以至于高估地表温度权重和大气温度权重,使得反演的表面温度和空气温度偏低。该研究结合太阳光度计获得的光学厚度资料,采用统计方法对气溶胶效应引起的大气透过率误差和表面温度估算误差进行校正,并对物理算法进行本地化改进,实现了边界层温度廓线的反演。     

城市空气污染预报方法简述

概括论述了城市空气污染预报的基本方法(潜势预报、统计预报和数值预报)、数值预报的主要特征(空间尺度与预报时效、高分辨率、多化学物质、理化生过程耦合、污染气象与污染物排放特征)及其用于天津和沈阳等城市的空气污染数值预报模式系统(σ中尺度和β中尺度气象预报模式与城市空气污染预报模式)。