大气环境数值模拟研究新进展

近五年来,中国科学院大气物理研究所(简称大气所)在大气环境数值模拟方面取得了丰硕的成果,通过自主发展和引进,建立了完备的多尺度、多成分的大气环境数值模式,包括全球大气化学输送模式、区域和城市空气质量预报模式。大气所利用这些模式研究各种空间尺度上污染物浓度时空分布以及污染物的输送和演变,研究了多种污染过程的成因和污染变化规律,在污染物输送、低对流层臭氧高污染、区域及城市污染等方面取得了很多成果,并对区域或城市空气质量进行业务化实时预报。大气所还拓展了我国大气环境模拟研究的新领域:大气化学资料同化、污染模式集合预报、污染源反演新方法。初步建立了空气质量模式的资料同化系统(分别基于最优插值技术和集合卡曼滤波技术)和多模式集合预报体系,提高了模式预报水平;在污染源反演新方法方面进行了初步的探索。结合我国目前仍然面临着的大气环境问题,对今后大气环境数值模式的发展方向进行了展望。     

北京城市大气环境污染机理与调控原理

该文主要介绍了科技部国家重点基础研究发展规划项目“首都北京及周边地区大气、水、土环境污染机理及调控原理”大气分项目的研究成果。项目分别于2001年和2003年重点开展了BECAPEX科学试验 (Beijing City Air Pollution Experiment)。BECAPEX试验同步进行城市边界层气象与大气化学观测, 通过卫星遥感、地面观测, 即城市空间和地面以及点与面结合的技术途径, 以揭示北京城市污染“空气穹隆”大气化学结构特征及其变化规律, 为城市环境大气动力-化学模式提供基本科学参数, 给出城市边界层大气物理化学过程综合模型, 为提高城市环境大气物理-化学过程耦合模式的准确性和可靠性提供科学依据。该项目揭示了北京城区和城近郊区城市边界层结构与湍流特征, 城市大气污染垂直结构特征; 发现了城市大气污染空间结构多尺度特征, 其中包括大气污染源影响和城市热岛多尺度特征; 揭示了城市大气重污染过程周边源影响域, 以及北京及周边地区气溶胶影响域和区域气候响应; 提出了北京市典型污染源排放清单; 发展了城市气象模式系统, 包括冠层模式、街谷环流和热力结构以及城市高大建筑群周围风环境数值模拟; 发展了空气质量模式技术, 包括二次气溶胶模拟试验、北京地区SO₂污染的长期模拟及不同类型排放源影响的计算与评估、影响北京地区的沙尘暴输送模拟、区域化学输送模式中NO_x和O₃源示踪法, 城市尺度的大气污染CAPPS模式及统计模型的应用、大气污染及紫外辐射数值预报模式和CMAQ-MOS空气质量预报方法; 改进了美国公共多尺度空气质量预报模式, 建立了CMAQ-MOS区域空气质量动力-统计模型预报模式, 以及发展的源同化技术, 突破了当前空气质量模式技术“瓶颈”, 使模式预报准确率明显提高。     

北京空气质量多模式集成预报系统的建立及初步应用

介绍了北京空气质量多模式集成预报系统（ＥＭＳ Ｂｅｉｊｉｎｇ）．系统中区域空气质量模式包括中国科学院大气物理所自主开发的嵌套网格空气质量模式系统（ＮＡＱＰＭＳ）模式、美国环保署（ＥＰＡ）开发的Ｍｏｄｅｌｓ ３／ＣＭＡＱ模式及美国Ｅｎｖｉ ｒｏｎ公司开发的ＣＡＭｘ模式等,均使用ＳＭＯＫＥ排放模型统一处理大气污染排放清单．此系统各模式采用统一的模拟区域和网格分辨率,采用中尺度气象模式ＭＭ５提供统一的气象场,并采用算术平均、权重集成等方法集成各空气质量模式结果,并投入北京空气质量业务预报,有效支持了北京奥运会空气质量数值预报．业务预报结果表明：１）采用ＳＭＯＫＥ处理的奥运排放清单较接近实际,２００８年８月各空气质量模式可吸入颗粒物（ＰＭ１０）日均值预报结果相对偏差为－３％ ～１７％,与观测数据相关系数在０７以上;２）在排放清单较接近实际的情况下,ＰＭ１０日均值多模式算术平均优于单个空气质量模式;３）分析２００８年４—１１月业务预报表明,采用权重集成方法预报的ＰＭ１０日均值优于算术平均方法,达６１％．总体上,权重集成方法优于算术平均结果．     

东北区域空气质量数值预报模式应用研究进展

中国气象局沈阳大气环境研究在2014年基于CUACE和CMAQ建立了东北区域空气质量数值预报业务系统,本文介绍了空气质量数值模式的研究进展以及业务现状,为东北区域空气质量和雾霾预报提供了技术支撑。然而,随着预报精细化和更长预报时效的业务发展需求,存在预报准确率不高、计算资源短缺、科技创新能力不足等问题。本文基于存在的问题提出了东北区域空气质量数值预报未来发展建议与展望,包括加强大气污染源清单研究与技术规范制定、观测资料同化技术研究与业务应用、物理过程参数化方案的改进优化、发展数值预报产品订正技术、开发高分辨率7—10 d数值预报产品、加强人才引进和科技创新等。     

嵌套网格空气质量预报模式系统的发展与应用

主要综述中国科学院大气物理研究所自主开发的嵌套网格空气质量预报模式系统(NAQPMS,Nested Air Quality Prediction Modeling System)的历史发展与应用情况.模式发展伊始为欧拉污染物输送实用模型,利用其研究东亚硫氧化物的跨国输送问题,得出中国对于周边国家的输送量不大的结论; 在系统中嵌入适合东亚的起沙机制模块,用来模拟沙尘发生、输送及沉降等过程,估算亚洲大陆沙尘气溶胶对海洋地区的输送与沉降通量,为研究海洋生物地球化学循环提供基础数据; 利用该系统研究沙尘及其土壤粒子对酸雨的中和作用,发现沙尘输送对东亚酸雨的分布影响很大; 发展城市尺度高分辨率气象和空气质量预报技术,使模式水平分辨率达到500 m,并应用于台北高浓度臭氧和PM10的模拟; 研究和集成区域及城市尺度大气污染预报理论和模拟技术,研制成目前的嵌套网格空气质量预报模式系统,以探讨不同尺度各种污染(如沙尘暴、城市光化学烟雾、酸雨、高浓度悬浮颗粒物等)的变化规律.在模式系统中初步建立资料同化模块,开展大气化学成分及沙尘输送模拟的资料同化研究.系统已经在北京、上海、深圳、郑州等城市环境监测中心实施空气质量的实时预报.未来,系统将集成到全球环境大气输送模式(GEATM),以实现从城市群到全球具有双向耦合功能的模式系统.     

大气污染物非线性回归模型构建

本文基于重庆主城区（沙坪坝站）2014—2018年逐日同期同步观测的气象要素和环境空气质量监测数据进行分析。首先通过对不同大气污染物与各种气象要素进行相关性分析，剔除影响预报模型共性的气象因子，明确显著影响空气质量的气象要素；然后结合污染物排放、大气扩散过程和湿沉降作用机理；最后构建乘幂与线性叠加的混合模式的空气质量预报方程。结果表明：构建的非线性回归方程能较为真实地反映主要大气污染物与气象要素的相互影响关系，回归模型预报检验准确率高（预报评分达87.6）。     

深圳市空气质量预报系统业务应用与软件开发

深圳市气象台空气质量预报系统的研制和开发始于1999年,当年初步完成了对于空气污染程度的潜势预报研究,2000年,完成了空气污染指数的数值预报研究,并将数值预报系统投入业务使用,2001年春,作为全国47个环保重点城市,开展了空气质量指数预报和实况资料上传,对此,我们将空气污染潜势预报、数值预报产品和资料格式转换上传重新整合,开发了集成预报系统软件投入业务使用,收到了较好的效果.     

CMAQ—ASM模式业务化

CMAQ成功移植到了国家气象中心业务系统神威和IBM巨型机上，为实现全国及区域空气质量预报准业务化系统提供重要的技术保障。另外，针对模式中污染源不确定性因素引起预报偏差的技术难题，发展了空气质量预报模式的动力-统计模型（CMAQ-MOS）与源同化新技术，其效果明显优于国外原CMAQ模式。     

汉中市空气质量预报模型及验证

利用汉中市2015—2016年1月1日—12月31日2a的空气质量资料和同期地面气象观测资料,分析了汉中市空气质量变化特征及其与气象要素之间的相关性,建立了汉中市空气质量预报模型。结果表明:汉中市空气质量状况总体较好,以优良天气为主,达标率为75.9%;汉中市空气质量夏季最好,秋季次之,冬季最差;空气质量指数(AQI)与气温、风速、日照时数、能见度、水汽压、降雨量、气压、地面气温相关性显著,各气象要素对AQI的影响有所不同,且不同季节内影响程度各异;建立的汉中市春、夏、秋、冬四季空气质量预报模型方程均通过显著性水平0.01检验,达到极显著水平。经验证,2017年春季空气质量级别预报准确率超过了85%,预报效果良好,可应用于汉中市空气质量预报业务。     

区域大气成分数值预报系统（CAPPS-3）在全国推广应用

2005年中国气象局新技术推广项目“区域大气成分数值预报系统”开发了CAPPS第3版，将原来的单箱模式升级为与中尺度数值模式一致的网格化模式，可预报区域范围内的污染浓度分布；为区域气象中心和省级气象业务部门开展区域空气质量预报提供技术方法和业务平台。2006年5月CAPPS-3在中国气象局大气成分中心开始进行全国范围的空气质量业务预报试验，并建立了产品发布平台，每天发布SO2和PMIO的浓度预报图和预报结论，     

Atmospheric Environmental Capacity of SO2 in Winter over Lanzhou in China： A Case Study

The total emission control method based on atmospheric environmental capacity is the most effective in air pollution mitigation. The atmospheric environmental capacities of SO2 on representative days over Lanzhou are estimated using the numerical models RAMS, HYPACT and a linear programming model, according to the national ambient air quality standard of China （NAAQSCHN）. The results show that the fields of meteorological elements and SO2 simulated by the models agree reasonably well with observations. The atmospheric environmental capacity of SO2 over Lanzhou is around 111.7 × 10^3 kg d^-1, and in order to meet the air quality level Ⅱ of the NAAQSCHN, SO2 emissions need to be reduced by 20%.     

城市大气污染物扩散模拟系统开发

简单介绍了一个应用于复杂地形，下垫面条件下的中尺度大气污染物扩散模式的开发和利用；并为城市大气质量数值模拟和预测的实施，以兰州为例进行了初步的理想数值试验，其结果将对改进模式和城市污染源描述提供依据并积累经验，同时这也是最终形成城市大气质量预测系统的前期工作。     

忻州市空气质量日报与预报方法

采用环保监测部门大气质量监测点污染物的自动采样数据，根据常规气象观测资料和数值预报产品，输入城市中各监测点的污染物指数后，就可以较为及时准确地预报出未来空气质量，计算结论与环保部门会商后通过电视等多种媒体面向社会公众服务。污染指数的预报准确率达76％。     

Modeling the concentration of pollutants using the WRF-ARW atmospheric model and CHIMERE chemistry transport model

Described is a system for analyzing and forecasting the air quality in the central regions of Russia, During the operation of the system, the detailed meteorological information provided by the WRF-ARW model is used by the CHIMERE chemistry transport model for simulating the processes of transport, chemical transformation, and deposition of atmospheric minor constituents. Considered is the quality of retrieved and forecasted (with the lead time up to three days) concentrations of O₃, NO₂, NO, CO, and PM₁₀. The presented verification scores of pollutant concentrations demonstrate a relative success of the system. Demonstrated is a need in improving the data on the emissions of the air pollutants used for simulations. A procedure for the statistical correction of computed concentrations is described and verification scores of its results are given.     

北方15个大型城市总悬浮颗粒物的季节变化

对1998年7月至1999年6月北方15个大型城市空气质量监测结果进行了分析。结果表明：（1）中国北方大型城市（北京除外）大气中的首要污染物是总悬浮颗粒物,年平均发生频数在70%～100%之间。（2）各大城市空气质量为II级的发生频数均在夏、秋季高,春、冬季低。局地因素（当地的气象条件、地貌状况、植被分布以及人们的活动状况）是形成这种季节变化的主要原因。（3）空气质量为III级的发生频数不同城市有不同的季节性。除局地因素的影响外,邻近城市之间的相互输送是一个主要原因。（4）各大城市空气质量IV级的发生频数均在春、冬季高,夏、秋季低。春、冬季节北方多大风或强风天气引起西北干旱区沙、尘的长距离输送是产生这种季节变化的根本原因。这也说明西北干旱区的绿化、固沙工作迫切需要加强。     

大气边界层物理与大气环境过程研究进展

总结了近5年来中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室(LAPC)在第二代超声风速温度仪研制、城市边界层研究、复杂地形大气边界层探测与数值模拟、湍流机理研究、大气污染模式发展与应用等领域的主要进展,其中,第二代超声风速温度仪的野外对比测试结果表明其主要性能完全达到了国际先进水平;北京城市化发展使得北京325 m气象塔周边近地面流场已经具备了典型城市粗糙下垫面的流场特征,近地面夏季平均风速呈现非常明显的逐年递减趋势;北京沙尘暴大风时期湍流运动主要是小尺度湍涡运动,而大风的概率分布偏离高斯分布,风速较大的一侧概率分布呈指数迅速衰减,大风中风速很大的部分具有分形特征;珠穆朗玛峰北坡地区两次综合强化探测实验是迄今为止在青藏高原大型山地中实施的针对山地环流和物质／能量交换最为全面和连续的大气过程探测实验;白洋淀地区的观测研究表明,非均匀边界层具有一般边界层不具备的特点,无论是边界层结构还是湍流输送方面,水、陆边界层之间存在一定的差异,凸显其地表非均匀性的作用;为了解决不同尺度、不同类型的大气污染问题和实际应用,研制或发展完善了多套大气污染模式系统,包括全球大气化学模式、区域大气污染数值模式、城市大气污染数值模式和微小尺度(如街区尺度)范围内污染物输送扩散模式。     

Influence of Tropical Cyclones on Hong Kong Air Quality

Tropical cyclones(TCs) constitute one of the major atmospheric activities affecting the air quality of the Pearl River Delta region. In this study, the impact of TCs on air quality in Hong Kong during the TC active season(July–October) from 2000 to 2015 is investigated. It is found that 57.5% of days with concentration of particulate matter with an aerodynamic diameter 10 μm(PM_(10)) above the 90th percentile are related to TC activity. TCs in three regions, located to the east, southeast, and southwest of Hong Kong, have obvious impacts on pollutant concentration. When TCs are located east of Hong Kong near Taiwan, 65.5%/38.7% of the days have high or extremely high PM_(10)/ozone(O_3) levels, which are associated with northerly wind, sinking motion, and relatively low precipitation. When TCs are located southeast of Hong Kong, 48.1%/58.2% of the days have high pollution levels, associated mainly with continental air mass transport. When TCs are south or west of Hong Kong, only 20.8%/16.9% of the days have high PM_(10)/O_3 levels, and the air quality in Hong Kong is generally good or normal due to TC-associated precipitation, oceanic air mass transport, and an enhanced rising motion. The higher chance of high O_3 days when TCs are present between Hong Kong and Taiwan, possibly due to lower-than-normal precipitation along the east coast of China under TC circulation. The results in this study highlight the important influence of TC position and associated atmospheric circulations on the air quality in Hong Kong.     

处理后焦化冷焦水对环境空气质量的影响分析

针对炼油厂延迟焦化装置排放的冷焦水,采用不同处理方法,并进行环境空气质量影响的预测。结果表明:近年新研制的冷焦水密闭脱臭处理方法是目前最佳的处理手段,可以基本解决焦化装置恶臭污染环境问题。