2013年1月我国中东部强霾污染的数值模拟和防控对策

利用自主研制的嵌套网格空气质量数值预报模式（NAQPMS）模拟研究2013年1月我国中东部的持续强灰霾天气,初步评估灰霾天气下大气细颗粒物（PM2.5）时空分布特征、传输规律和防控力度．结果表明：这一模式能够合理反映灰霾天气下中东部PM2．5,的时空分布特征和演变规律．发现静稳天气京津冀地区仍旧存在显著的区域输送,并直接造成京津冀地区PM2．5浓度的累积,来自区域外的跨城市群输送对京津冀PM2．5浓度贡献为20％-35％,区域内输送的贡献为26％-35％,两者之和与局地污染源贡献相当．针对这次强霾的控制试验表明,当京津冀周边区域省份污染源不控制,河北、天津和北京的污染物排放需要消减90％,90％和60％以上才能实现京津冀区域PM2．5达标（二级标准）,表明京津冀灰霾污染防控不仅需要重视区域内的联防联控,同时也需要其他城市群的协同控制．气象一大气污染双向反馈机制对强霾的形成也有非常重要影响,可使京津冀部分地区细颗粒物月均浓度增加30％,忽视这种耦合作用会导致模式对重污染期间污染物浓度的低估．     

城市化进程对北京地区冬季降水分布的影响

根据北京地区城市化程度将城市化进程分成两个时期: 即以1980年为分界点, 将1961~1980年划分为城市化慢速期, 1981~2000年为城市化快速期. 利用北京地区14个标准气象站40 a的降水量资料. 研究了城市化进程对北京地区降水分布的影响. 结果表明: 北京地区冬季降水分布发生了显著的、系统性的变化; 城市化缓慢期, 北京地区南部为降水相对较多地区, 北部为降水相对偏少地区; 城市化快速期, 相对降水量的分布正相反, 南部地区变为降水相对较少地区, 而北部变为降水相对偏多地区. 随着城市规模的扩大, 北京冬季“城市热岛”和“城市干岛”效应增强, 加速了云下降水物的蒸发过程, 使城区及南部地区的降水相对减少. 这可能是造成北京冬季降水分布变化的重要原因之一.     

高NOx条件下非甲烷烃体积分数的变化对O3生成量的影响

利用ＬＬＡ－Ｃ光化学反应机制,在ＮＯＸ保持高值不变时,模拟分布范围很广的８种初始［ＮＭＨＣ］／［ＮＯｘ］（１０９／１０９）（１．０、３．０、７．１、１４．３、２８．６、５７．２、１００．０、２００．０）条件下臭氧体积分数的变化。模拟结果表明,当［ＮＭＨＣ］／［ＮＯｘ］≥１５．０时,臭氧生成量对ＮＭＨＣ的改变不大敏感而主要依赖于ＮＯｘ的大小。但是,当非甲烷烃与氮氧化物的比北较低（＜７．０）时,臭氧生成量紧密地依赖于非甲烷烃体积分数。进一步的验证工作还有待于加强。     

全球环境大气输送模式(GEATM)的建立及其验证

初步建立了以二氧化硫、硫酸盐、黑碳、沙尘气溶胶等作为主要研究对象的全球环境大气输送模式(Global Environmental Atmospheric Transport Model,GEATM),其水平分辨率为1°×1°,垂直方向分为20层,采用地形追随坐标系,考虑了上述大气化学成分的地面源排放、平流与扩散、化学转化以及干沉降、湿清除等过程.利用NCEP/NCAR再分析资料作为驱动气象场,对2004年进行长期模拟,分析了二氧化硫、硫酸盐、黑碳、沙尘气溶胶的浓度分布和输送态势.与观测的比较表明,模式对于大气化学成分分布状况具有较强的模拟能力,在欧洲的Jarczew和Leba观测站,二氧化硫日平均浓度的相关系数分别达到了0.69和0.66;在中国,有47个站点的二氧化硫日平均浓度相关系数高于0.50,其中北京、天津、上海等28个站点的浓度相关系数达到了0.60以上.同时,模拟的沙尘气溶胶总体柱浓度分布状况与卫星观测输出的气溶胶光学厚度具有很好的一致性,体现了气溶胶粒子的输送态势和分布特征.模拟结果显示二氧化硫、硫酸盐、黑碳的浓度高值区主要位于污染排放较大的欧洲、东亚和北美地区,二氧化硫地面最大年均浓度值为1500×10-12,硫酸盐为500×10-12,黑碳气溶胶为1000ng/m3.沙尘浓度与下垫面土壤类型以及地面气象条件关系密切,全球沙尘浓度主要分布在撒哈拉沙漠、阿拉伯半岛、中亚地区、澳大利亚西部以及拉丁美洲南部地区,并且呈现了较为显著的季节变化特征,撒哈拉沙漠输送最强时期是在6～8月,影响范围覆盖了整个赤道大西洋,最西端伸展到了北美的加勒比海地区;阿拉伯半岛沙尘输送最强时期是3～8月,影响范围包括阿拉伯海和孟加拉湾地区;亚洲在3～5月有非常强烈的沙尘东传过程,浓度输送带一直贯穿了整个北太平洋地区.     

东亚地区降水离子成分时空分布及其特征分析

利用东亚酸沉降监测网(EANET)观测资料,对2001年东亚地区降水成分的时空分布特征进行了分析,通过与过去的观测进行对比,揭示东亚各地酸雨分布情况及降水化学特性差异,为东亚酸沉降长距离输送模式比较计划提供前期分析资料.分析结果表明:(1)东亚地区降水化学成分表现出明显的地域特征,滨海地区的日本降水含量中Na+、Cl-分别为219、208μmol·L-1居东亚地区之首,而中国西北地区Ca2+、NO-3、NH4+、SO24-、Mg2+、K+含量最高各为755、168、260、768、59.3、53.6 μmol·L-1;降水酸度主要受阳离子Ca2+、NH4+和阴离子SO24-、NO3-的影响.(2)东亚地区降水化学成分季节变化明显,除部分源自人为或工业排放源影响外(如北部地区冬季取暖),东亚地区气候呈季节变化也是影响的主要因子之一.春季沙尘源区沙尘、扬沙频繁,其上空存在较强的西风带,在天气系统冷锋影响下,沙尘粒子易随大风扬起而由锋前强烈抬升气流输送到对流层中层,在高空西风急流作用下输送到下游地区.(3)东亚地区酸雨区降水与以往主要以硫酸型酸雨为主的降水性质不同,除中国西南工业欠发达地区仍为硫酸型外,其他酸雨区均为硫酸和硝酸混合型.表征酸雨类型的特征参量[SO24-]/[NO3-]的比值在中国西南地区为3～5,东南和华南地区为0.5～3;其他各国均在0.5～3之间.     

我国近20年太阳辐射时空分布状况模式评估

利用NCAR/PSU联合研发的第5代中尺度气象模式(MM5),结合最优插值方法,模拟获得高时空分辨率的我国太阳辐射分布特征。MM5模式模拟中采用敏感性分析方法挑选参数化方案,结合1975—1997年辐射日平均值资料验证模拟效果,采用最优插值方法优化辐射的模拟效果,并导入GIS平台进行统计分析。分析表明:最优插值后辐射模拟平均标准绝对误差由原来的24.4%下降到8.5%,平均标准偏差由20.6%下降到3.5%。模拟获得的全国平均年太阳辐射总量为5648.6 MJ·m~(-2),空间分布上,呈现以内蒙中西部—宁夏—甘肃西北部—四川西部—云南西北部为分界线的西高东低特征,分界线以西太阳辐射在6000 MJ·m~(-2)以上,东部以华北太阳辐射为最高;1975—1997年年太阳辐射总量呈现上升—下降—上升的变化趋势,1978年太阳辐射最高,1989年最低。此外,基于Arc GIS 8.3统计获得各省份平均年太阳辐射总量,对各省份太阳辐射丰富程度进行等级划分,统计结果表明:西藏、青海、新疆是太阳辐射最丰富的省份,其中,西藏平均年太阳辐射总量在6900MJ·m~(-2)以上。     

北京奥运会前后静稳天气条件下SO2和NO2干沉降模拟

利用中国科学院大气物理研究所北京325m气象塔气象要素和污染物浓度观测资料,采用气体干沉降阻力模型,对奥运会前后北京行政区内SO2和NO2的干沉降影响因子、干沉降速率、干沉降通量进行数值模拟。结果表明:1)随着大气稳定度、太阳辐射强度和下垫面类型的改变,北京SO2和NO2的干沉降速率有明显变化,表面阻力是影响气体干沉降速率变化的主要因子。2)SO2和NO2在白天的干沉降速率及通量普遍大于夜晚。3)静稳天气条件下,奥运会前北京地区一天可清除24tSO2和55.2tNO2,奥运会期间一天可清除10.8tSO2和50.4tNO2,这说明北京及周边地区的减排措施对改善奥运会期间的空气质量效果显著。     

空气质量多模式系统在广州应用及对PM10预报效果评估

介绍了广州空气质量多模式系统并评估其对2010年9月广州市的气象要素和PM10日均浓度的24 h的预报效果.评估结果表明：模式系统较好地预测了气象要素的变化,但高估了风速;各空气质量模式能合理预测广州PM10浓度的时空变化,预报效果均处于可接受范围内(平均分数偏差MFB小于±60%且平均分数误差MFE小于75%),部分模式可达到优秀水平(MFB小于±30%且MFE小于50%),但同时各模式在郊区均预测偏高而在市区偏低;总体上,模式在广州郊区的PM10预报效果优于市区.模式间对比表明,在本次业务预报实践中,不存在最优的单模式,同一模式对不同的统计指标、不同的站点,其预报效果可能存在差异,基于算术平均集成各模式结果未能获得最优的预报效果.优化排放源空间分布并引进更好的集成预报方法(如权重平均、神经网络、多元回归等)是未来改进广州空气质量多模式系统预报效果的可能途径.     

大气应急响应模拟中城市冠层风廓线参数化方法检验

城市冠层内风场的准确模拟或预报是突发性大气污染应急响应措施制定和实施的重要前提和基础。为了合理反映城市冠层的影响, 并满足应急响应时效性的要求, 将MacDonald(2000)提出的城市冠层内风廓线参数化方法耦合于中尺度气象模式MM5, 并利用2010年7月18日至8月6日北京325 m气象塔垂直观测资料进行验证。试验结果表明:(1)城市冠层参数化方法能够较好的模拟各种稳定度条件下冠层内风速廓线垂直变化, 中性、稳定和不稳定层结时的标准平均偏差分别为78%、12%、4%, 标准平均误差分别为78%、52%、21%。(2)城市冠层参数化方法能够较好的模拟冠层内实际风速变化情况, 虽然随高度增加模拟偏差增大, 但8、15、32、47 m高度的模拟风速与观测值依然十分接近, 标准平均偏差分别为2%、-26%、25%、60%, 标准平均误差分别为54%、46%、52%、73%。(3)与传统的Monin-Obukhov相似性边界层参数化方法相比, 城市冠层参数化方法明显提高了冠层风速的模拟能力。中性、稳定、不稳定层结时, Monin-Obukhov相似性边界层参数化方法的标准平均误差高达420%、176%、184%, 城市冠层参数化方法的标准平均误差减小至78%、52%、21%;冠层内8、15、32、47 m高度, Monin-Obukhov相似性边界层参数化方法的标准平均误差分别为283%、184%、227%、167%, 城市冠层参数化方法的标准平均误差减小至54%、46%、52%、73%。     

非结构网格空气质量模式对东亚强沙尘暴的初步模拟研究

基于中国科学院大气物理研究所自主研发的嵌套网格空气质量数值预报模式(NAQPMS)和英国帝国理工学院应用计算与建模小组(AMCG)研制的有限元流体模式(Fluidity),构建了非结构网格沙尘传输模式(Fluidity-Dust),并模拟再现了2010年3月19~22日东亚强沙尘暴整个暴发、演变的三维立体动态过程,从整体上对这次沙尘事件有了全新的直观认识和了解。通过利用FY-2D卫星沙尘反演资料及MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)卫星反演的气溶胶光学厚度(AOD)资料,可对模拟结果进行整体上对比验证;同时,利用中国9个城市站点的PM10(空气动力学当量直径小于等于10μm的颗粒物,即可吸入颗粒物)地面观测资料以及日本多个站点的激光雷达资料,逐一对比分析了不同地区PM10的时空分布以及沙尘传输经过时的垂直分布情况;并与NAQPMS模式的沙尘模拟结果进行了模式间的对比分析。对比结果均表明:该模式具有较好的模拟能力,能很好地模拟再现整个沙尘暴过程,为今后进一步运用自适应变网格技术以实现对沙尘暴的高精度追踪模拟奠定了基础。不同模式比较是量化模拟不确定性的重要方法。以往沙尘输送模式比较研究表明:起沙量模拟的不确定性是沙尘暴数值模拟的最大不确定来源。本文通过两个具有相同起沙方案的模式对同一沙尘事件的模拟,发现不同的平流方案以及不同的沉降计算也会对沙尘过程模拟产生重要影响。