气象—化学双向耦合模式（WRF-NAQPMS）研制及其在京津冀秋季重霾模拟中的应用

为解析大气污染物与气象的双向反馈机制及其对气象和环境的影响,建立基于Mie散射理论的气溶胶—光学性质模块,研制气象-化学双向耦合器,以嵌套网格空气质量预报模式NAQPMS(Nested Air Quality Prediction Modeling System)为基础,建立了NAQPMS和中尺度气象模式WRF(Weather Research and Forecasting Model)的双向耦合模式(WRF-NAQPMS)。利用此模式数值模拟了2013年9月27日至10月1日的北京-天津-河北地区一次秋季严重灰霾过程。结果表明,考虑气溶胶辐射反馈的双向耦合模式模拟的气象要素和细颗粒物(PM2.5)浓度与观测结果更为一致。灰霾期间,气溶胶直接辐射效应显著改变了边界层气象要素,北京-天津-河北地区地面接收的太阳短波辐射减少25%,2 m高度的温度平均下降1°C,湍流动能下降20%,10 m高度的风速降低超过0.2 m/s,边界层高度下降25%,使得边界层大气更加静稳,进而造成了重污染地区污染进一步加剧,如石家庄近地面细颗粒物浓度增加可达30%。分析表明灰霾与边界层气象要素之间存在一种正反馈机制,采用该机制的双向耦合模式有利于准确模拟和预报灰霾污染过程。     

Retrieval of Liquid Water Path Inside Nonprecipitating Clouds Using TMI Measurements

Quantitative estimates of liquid water path （LWP） in clouds using satellite measurements are critical to understanding of cloud properties and the assessment of global climate change. In this paper, the relationship between microwave brightness temperature （TB） and LWP in the nonprecipitating clouds is studied by using satellite microwave measurements from the TRMM Microwave Imager （TMI） onboard the Tropical Rainfall Measuring Mission （TRMM）, together with a radiative transfer model for microwave radiance calculations. Radiative transfer modeling shows that the sensitivity is higher at both 37.0- and 85.5-GHz horizontal polarization channels for the LWP retrievals. Also, the differences between the retrieved values responding to TBs of various channels and the theoretical values are displayed by the model. Based upon above simulations, with taking into account the factor of resolution and retrieval bias for a single,channel, a nonprecipitating cloud LWP in the summer subtropical marine environment retrieval algorithm is formulated by the combination of the two TMI horizontal polarization channels, 37.0 and 85.5 GHz. Moreover,by using TMI measurements （1Bll）, this algorithm is applied to retrieving respectively LWPs for clear sky, nonprecipitating clouds, and typhoon precipitating clouds. In the clear sky case, the LWP cl~anges from -1 to 1 g m-2, and its mean value is about 10^-5 g m^-2. It indicates that, using this combination retrieval algorithm, there are no obvious systemic deviations when the LWP is low enough. The LWP values varying from 0 to 1000 g m^-2 in nonprecipitating clouds are reasonable, and its distribution pattern is very similar to the detected results in the visible channel of Visible and Infrared Scanner （VIRS） on the TRMM. In typhoon precipitating clouds, there is much more proportion of high LWP in the mature phase than the early stage. When surface rainfall rate is lower than 5 mm h^-1, the LWP increases with increasing rainfall rate.     

东亚酸沉降模式不确定性分析

酸沉降会对生态环境造成危害。要控制和减少酸沉降,就要了解酸沉降的幅度和不确定性,而模式研究是获得这些因子的重要工具。用东亚酸沉降模式比较计划（MICS-AsiaⅡ）中7个模式模拟的2001年7月和12月东亚地区酸沉降数据及东亚酸沉降监测网络（EANET）的观测数据,通过相关分析发现多模式模拟的平均值可表现东亚地区酸沉降的分布特征。采用各个模式与模拟结果平均值的离散程度来表征这些模式在东亚地区的不确定性,简要分析了目前模式模拟东亚酸沉降的不确定及其产生原因,可为制定酸沉降的控制措施提供依据。     

造成北京PM10重污染的二类典型天气形势

利用北京空气质量监测资料和NCEP再分析资料,分析了北京发生PM10重污染的天气形势。研究表明:1)虽然北京地区PM10重污染(API指数3级以上)每年只有10 d左右,但与之关联的轻微或轻度空气污染(API指数3级)天数,却可能占全年3级污染总天数的40%-50%。因此,分析研究造成北京PM10重污染的天气形势,对于空气污染的预警预报以及污染源的控制和管理,都具有十分重要意义。2)通过海平面气压场的主观分析,确定了二类北京PM10重污染的典型天气形势,即高压南下东移阻滞型和与北上台风(或热带低压)相关联的弱高压控制型,并指出了后者在2008年奥运会期间,对开展北京空气污染预报和污染控制的指导作用。     

新疆和田绿洲大气降尘和PM_(10)浓度变化特征分析

通过分析2000-2012年新疆和田绿洲环境监测记录和气象观测数据,研究该地区大气降尘强度和可吸入颗粒物浓度的变化特点,阐明其主要影响因素。结果显示:2000年以来大气降尘强度在1 300~1 500 t·km-2·a-1水平上下波动变化,春、夏两季受沙尘天气影响导致高降尘量,月平均强度均150 t·km-2;环境PM10年平均浓度在0.2~0.25 mg·mg-3之间变化,有逐渐上升的趋势,沙尘暴期间颗粒物浓度快速上升,PM10浓度极值可达到2.52 mg·m-3;超过91%的空气污染日数是由大气颗粒物造成的。因此,颗粒物是和田绿洲区的首要空气污染物。降水量波动变化剧烈,年平均值50 mm·a-1,尽管和田绿洲春、夏两季降水量增加,但降水对抑制大气颗粒物污染的湿清除作用极为有限。春、夏两季大风日数占全年大风天气总日数的84.7%以上,风蚀沙土在西北风作用下传输到绿洲区,来自塔克拉玛干沙漠的风蚀沙尘颗粒物是和田地区大气降尘和颗粒污染物的主要来源。     

大气污染资料同化与应用综述

我国正面临以高浓度臭氧和细颗粒物为典型特征的大气复合污染问题,对其进行模拟和预报是有效应对大气污染的关键。大气复合污染预报的不确定性来源复杂,同时存在化学非线性的影响,各种模式输入不确定性对模拟预报影响的时空差异较大,从而导致很多不确定性约束方法难以确定关键的不确定性因子而进行有针对性的约束和订正。利用资料同化方法融合模式、多源观测等信息,减小模式输入数据的不确定性成为提升大气污染模拟预报精度的关键。本文将简要介绍大气污染资料同化相关的模式不确定性、同化算法以及污染物浓度场同化、源反演研究上的进展,探讨大气污染资料同化面临的主要挑战和发展趋势。     

京津冀及其周边地区“2+26”城市PM2.5的蒙特卡罗集合预报试验

本文在嵌套网格空气质量预报模式系统（NAQPMS）的基础上,结合蒙特卡罗模拟方法搭建了多扰动的空气质量集合预报系统。利用该系统对京津冀及其周边地区“2+26”城市的PM2.5浓度进行预报试验,试验时段为2017年9～12月,模式水平分辨率为15 km。研究发现,基于蒙特卡罗集合预报系统,采用“集合样本优选”均值集成法能显著提升PM2.5预报精度,大幅减小预报偏差。与所有集合样本的均值集成法相比,该方法将PM2.5预报均方根误差（RMSE）由58.0 μg m?3降低至34.7 μg m?3,将模拟—观测两倍因子百分比（FAC2）由67%提升至87%。此外,“集合样本优选”均值集成法对各污染等级的整体预报效果优于均值集成法。本文结果可为改进城市PM2.5预报效果和减小PM2.5预报偏差提供参考。     

大气自净容量的算法及关键物理因子分析

为更科学地量化大气对污染物的清除能力,使用WRF-NAQPMS模式对2017年12月进行模拟,对比分析影响大气清除能力的主要关键物理因子,修正A值法和大气自净容量算法的差异,进一步计算大气自净容量余量及各关键物理化学过程的贡献量。结果表明,边界层高度、风廓线、湿清除系数等3个关键物理参数较混合层高度、10 m高度风速、雨洗强度等更适用于量化清除过程;修正A值法和大气自净容量算法虽均能表征大气清除能力的强弱,但前者受目标城市面积影响较大,结果远高于大气自净容量算法;大气自净容量余量与细颗粒物（PM2.5）浓度变化趋势呈负相关,污染越重,大气自净容量亏空越多,其中平流扩散对大气自净容量贡献最大,化学转化过程次之,湿沉降等过程也不可忽视。     

京津冀典型工业城市沙河市大气污染特征及来源分析

近些年京津冀地区秋、冬季大气重污染事件频发,工业生产与居民燃煤是大气灰霾污染的重要原因。河北省沙河市是京津冀地区以玻璃制造和加工为主的典型工业城市,本研究选取该城市为研究对象,主要利用2017年1月至12月国控站点的大气环境监测和气象数据,采用扩散模型、潜在源分析等手段,分析了沙河市主要污染物的时空分布特征和污染来源。主要结论有:（1）沙河市首要污染物具有明显季节特征,春季、夏季、秋冬季分别以PM₁₀、O₃、PM_2.5污染为主,季节贡献率分别为43.3%、72.3%、61.5%。（2）受城市大气边界层和排放的共同影响,PM₁₀、PM_2.5、SO₂、NO₂和CO浓度均有剧烈的季节—日变化特征。（3）冬季东北风时PM_2.5、NO₂、SO₂均展现出高浓度和高相关性特征,表明站点可能受东北方向玻璃企业排放影响。同时,站点可能也受城中村散煤燃烧影响。（4）沙河市冬季PM_2.5浓度为143 μg m-3。冬季的一次重污染中硫氧化率SOR、氮氧化率NOR的最高值分别达0.67、0.39,气态污染物的二次转化剧烈,高湿度利于二次粒子的生成。重污染中C(NO₃-)/C(SO₄2-)均值为1.89,推测沙河市NO₂主要来自大型运输车辆和企业的共同排放。（5）本地源是沙河市PM_2.5的主要潜在源区,周边几个重工业城市也有一定贡献。因此本研究建议沙河市PM_2.5的治理除需加强本地污染源的削减和控制外,区域联防联控也十分重要。     

基于京津冀高密度地面观测网络的大气污染物浓度地面观测代表性误差估计

地面观测提供空间点的浓度信息,三维化学模式提供网格面的浓度信息,两者在进行对比验证或同化融合时会因为空间尺度不匹配引入误差,即观测代表性误差。本研究将大气污染地面国控监测站与区县监测站结合起来,获得了京津冀地区高密度地面观测数据,利用该数据首次对京津冀地区6项常规大气污染物（PM_2.5、PM₁₀、SO₂、NO₂、CO和O₃）的地面观测代表性误差进行了客观估计,并与Elbern et al.（2007）方法估计的代表性误差进行了对比。结果发现:两种方法对京津冀地区NO₂地面观测代表性误差估计非常接近,但Elbern et al.（2007）方法显著低估了SO₂、CO和O₃地面观测的代表性误差。在此基础上,我们对Elbern et al.（2007）方法及其误差特征参数进行了本地化修正,并增加了PM_2.5和PM₁₀的代表性误差特征参数,建立了京津冀大气污染地面观测代表性误差的客观估计方法。