北京区域环境气象数值预报系统及PM2.5预报检验

基于北京地区快速更新循环同化预报系统 (BJ-RUC)、WRF-Chem模式和优选的能见度参数化方案,建立了北京区域环境气象数值预报系统。对2014年全年PM_2.5浓度、能见度和APEC (Asia-Pacific Economic Cooperation) 期间预报效果检验结果表明:该系统对京津冀及周边地区PM_2.5浓度的预报效果较好,大部分站点的相关系数在0.6以上,特别是北京的部分站点可达0.8以上,预报结果相比观测总体偏低,随着预报时效的延长,24 h之后预报效果略有下降。相比人工观测,能见度预报结果与自动观测能见度更加接近,对持续性低能见度过程预报与实况吻合较好,对于小时能见度低于10 km的分级检验显示,预报准确率从77%左右逐级下降,2 km以下在40%左右。2014年APEC期间,系统很好地预报出北京地区空气质量指数、PM_2.5浓度和能见度的时空演变特征,为APEC期间环境气象预报服务提供了有力的技术支撑。     

边界层方案对华北低层O3垂直分布模拟的影响

利用WRF-Chem模式,采用3种边界层参数化方案 (YSU, MYJ和ACM2),针对1个晴空、静稳日 (2013年8月26日20:00—27日20:00(北京时)) 进行模拟,着重分析不同边界层参数化方案对夜间残留层形成及日出前后O₃浓度垂直分布形式的模拟效果,并与固城站地面及垂直同步观测资料进行对比。结果表明:3种边界层参数化方案均能够模拟出温度及风速的区域分布形式以及风温垂直结构的变化特征;相比之下,MYJ方案模拟的夜间边界层高度较YSU方案和ACM2方案明显偏高,该对比结果可能是导致近地面污染物浓度模拟差异的重要原因;在夜间稳定层结至日出后稳定状态打破的边界层结构演变过程中,采用YSU方案和ACM2方案模拟的温度和风速垂直扩线形式与观测结果更为接近;同样采用非局地闭合的YSU方案和同时考虑局地和非局地闭合的ACM2方案,对于边界层高度内O₃浓度垂直分布形式的模拟效果具有明显优势。     

影响北京夏季O3污染的O3前体物浓度及天气条件分析

根据2003年北京夏季近地面大气光化学污染物观测资料,对中国气象局培训中心(代表站)O3超标日浓度、O3前体物浓度、不同天气条件下O3浓度分布特征等进行分析。结果表明:中国北京夏季NO2,NO,CO的浓度特征与日本神奈川县相似,白天(16:00以前)如果NO2/NO超过29,则容易出现O3超标;VOC浓度的高低影响O3浓度;当处于暖湿气流控制,地面为小风或静风、气温较高、湿度较大的多云天气时,易出现O3超标情况。这些污染物发生的特点和规律对北京大气光化学污染的研究和防治具有借鉴意义。     

基于信号处理的水下无线光通信综述

水下无线光通信(UOWC)具有高带宽、低时延和抗电磁干扰等优势,成为水下数据传输的重要手段之一。简述了 UOWC 的发展史,总结了基于高性能光电器件和数字信号处理(DSP)2 种方案的高速率长距离和高可靠性 UOWC 系统的研究现状。DSP 中的调制技术能够实现通信速率和传输距离的折衷;信道均衡技术能够消除码间干扰,增大调制带宽;信道编码技术能够纠正接收信号中的错误;分集复用技术则能够分别提高系统可靠性和通信速率。除了研究高性能的光电器件以外,引入 DSP 技术能够从软件层面进一步提高系统性能。     

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。     

北京城区和远郊区大气气溶胶的相似性研究

文章通过对北京城区和远郊区采集的气溶胶样品物理化学性质的分析,考察了两地气溶胶性质的相似性。 样品于2001年9月7～16日,11月3～27日,2002年1月30日～2月6日和2003年1月28日～5月21日分别在北 京舞蹈学院(城区)和昌平昭陵(远郊区)进行采集。根据元素富集因子(EF)的分析,几大类元素的源相似,自然源和 人为源对其均有重要的贡献。当然,在两地的大气气溶胶浓度是不同的。秋季总悬浮颗粒物平均浓度城区为177.1 g/m3,远郊区为117.4g/m3。城区气溶胶细粒子Pm².5质量浓度冬季为153g/m3,秋季为124.3g/m3。城区和 远郊区的大气气溶胶中各类元素占所测元素的百分数相近。两地主要元素百分数序列均为(Fe,Ca,Al)>(K,Na, Mg,Cl)>(S,Sb,As)>(Br,Ba,V,Pb),前3项之和超过94%。城、远郊区大气气溶胶质量浓度和元素浓度的粒径分 布也很相似。用Andersen9级采样器采集的气溶胶质量浓度PM10占其总质量浓度PM(A总)的95%以上,Pm².1/ PM10>62%。可见,气溶胶中可吸入颗粒物占绝对优势,而可吸入颗粒物又以细粒子为主。细粒子中以人为污染元 素S,As,Pb,Br和Zn为主,其Pm².1/PM10>60%,最高可达90%。气溶胶细粒子Pm².5的污染是区域性的。在城 区北京舞蹈学院单点监测的Pm².5,一定程度上可反应出北京市区Pm².     

生物质燃烧对清洁地区地面O3含量的影响

使用美国热电子公司的TE Mode1 49C型 O3监测仪、TE Model 48C型CO监测仪和TE Model 42C型NOx监测仪,对上甸子区域大气本底站2005年9月地面O3、CO和NOx的浓度进行了连续监测,获得了同步的气象数据,并详细记录了测站附近生物质燃烧的现象。结果表明,生物质燃烧影响了O3浓度日变化规律,最大小时平均浓度出现在18时(北京时间,下同),峰值过后的5～6 h内 O3的浓度仍明显高于无燃烧现象的情况, 且从燃烧集中时段（15时左右）至傍晚（19时）,O3浓度逐时上升;NOx和CO浓度日变化规律和城市地区的观测结果也有不同,浓度高值时段和燃烧时间吻合,其中CO浓度在燃烧集中时段上升明显;生物质燃烧情况下,Δφ(O3)/Δφ(CO)高于无燃烧情况, 在午后至傍晚燃烧集中且太阳辐射条件较好的时段内,NOx、CO浓度与O3浓度呈现正相关关系。相同天气条件下的个例对比结果显示：测站受生物质燃烧排放输送的影响,主导风向下燃烧个例中O3浓度明显高出无燃烧个例约0.02 mg·m-3。     

秸秆燃烧排放对北京及其周边地区PM2.5浓度影响的数值模拟

采用卫星监测的火点燃烧排放数据,利用区域化学传输模式WRF-Chem模拟分析了2017年5月华北地区细颗粒物(PM2.5)质量浓度分布,通过生物质燃烧排放源(华北区域以秸秆燃烧为主)开关的敏感性试验定量计算了燃烧排放对北京及其周边地区PM2.5质量浓度的影响。卫星监测结果显示,2017年5月华北地区有大量的秸秆焚烧现象,对该地区空气质量造成一定影响的燃烧天数为20 d,占全月总日数的65%左右。数值模拟结果表明:该地区秸秆燃烧排放导致PM2.5浓度升高的区域集中在华北平原农作物产区,其分布位置与卫星监测的火点分布吻合。秸秆燃烧导致这些地区PM2.5浓度月平均值上升幅度普遍超过3 μg/m~3,高值区超过了11 μg/m~3,上升比例可达10%以上;此外,来自华北平原及长三角地区的燃烧排放对北京(特别是东南部地区)污染物浓度的影响是不容忽视的,其中河南、山东、天津等地的秸秆燃烧在合适风场的作用下会严重影响北京,可导致丰台及通州等地PM2.5小时浓度上升超过17 μg/m~3,上升幅度超过40%。     

2014年10月京津冀地区一次PM2.5污染过程的数值模拟

近年来我国东部尤其是华北地区的PM2.5污染逐年加重,引起广泛关注。本文利用WRF Chem模拟了2014年10月京津冀地区一次PM2.5重度污染过程,研究造成此次过程的天气形势、污染物的时空分布特征以及一次、二次PM2.5对总浓度的贡献率,并对污染最严重当日的PM2.5垂直分布进行详细分析。结果表明：造成本次污染过程的是弱高压控制下的静稳天气系统,地面主导风向为南风,垂直方向上有逆温层,抑制了污染物垂直方向上的扩散。发生污染时,PM2.5的高浓度主要分布在北京南部、天津北部与河北接壤的区域,二次PM2.5的贡献率大于一次PM2.5,在清洁大气中则一次PM2.5的贡献更大。垂直方向上,PM2.5中的一次颗粒物只在近地面有高浓度中心,1.2~1.6 km的上空高值区以二次生成的颗粒物为主,是由前体物上升到高空后再通过氧化反应生成的,当这部分颗粒物随着边界层落回近地面时会加重污染。随着时间的变化,污染物的分布高度和边界层高度呈明显的正相关。     

2006年春季沙尘天气下背景地区大气气溶胶光学特性的观测研究

利用2006年3～5月北京上甸子本底站气溶胶细粒子(PM2.5)质量浓度、吸收和散射系数的连续观测资料,对2006年春季上甸子本底站清洁、污染输送及典型沙尘天气下气溶胶的消光特性进行了分析.结果显示:①本底站在春季清洁情况下PM2.5质量浓度、吸收和散射系数的日均值水平分别为:10 μg/m3、7 Mm-1和20Mm-1左右,单散射反照率分布在0.71～0.78之间;此次观测到的污染输送过程中PM2.5质量浓度、吸收和散射系数平均值分别为:145 μg/m3、44.5 Mm-1、374.3 Mm-1,单散射反照率分布在0.84～0.94之间;沙尘影响期间,PM2.5质量浓度、吸收和散射系数以及单散射反照率的测量结果分布在248.2～424.1 μg/m3、10.8～44.7Mm-1、225.4～392.5 Mm-1和0.89～0.96之间.②观测得出,沙尘影响集中的时段细粒子质量浓度、气溶胶散射系数和气溶胶吸收系数都成倍地上升,其中质量浓度和散射系数上升的幅度要高于吸收系数.③3种天气条件的对比结果显示.受沙尘天气影响PM2.5质量浓度明显上升,且逐时波动幅度大;吸收系数远高于清洁天气下的观测结果,但比污染输送过程的测量结果偏低;散射系数同样高于清洁天气下的观测结果,与污染输送情况下的测量结果接近.沙尘天气导致颗粒物浓度明显上升,其对气溶胶粒子散射作用的贡献要大于吸收作用.