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。     

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。     

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%。     

Dust storm ensemble forecast experiments in East Asia

The ensemble Kalman filter (EnKF), as a unified approach to both data assimilation and ensemble forecasting problems, is used to investigate the performance of dust storm ensemble forecasting targeting a dust episode in the East Asia during 23–30 May 2007. The errors in the input wind field, dust emission intensity, and dry deposition velocity are among important model uncertainties and are considered in the model error perturbations. These model errors are not assumed to have zero-means. The model error me...     

关于我国和东亚酸性物质的输送研究：Ⅰ.三维欧拉污染物输送实用模式

本文发展了一种三维欧拉型污染物距离输送实用模式，比较详细地考虑了源、输送、干、湿沉降、气、液相化学过程。用分裂解法气相化学过程者查表式处理，颅具特色，使用实测气象输入场，节约了大量的计算机资源，通过模式的灵敏度试验，模式具有较高的分辨率和灵敏度，根据与实测资料对比，模式有较好的可信度，能方便的计算长时间（月，季，年）的污染物沉降及远距离输送态势。     

关于我国和东亚酸性物质的输送研究II. 硫化物浓度空间分布特征及季节变化

应用硫化物输送三维欧拉实用模式,计算和分析了我国和东亚地区二氧化硫和硫酸盐粒子的空间分布特点及季节变化,给出了年平均硫化物大气含量分布,还讨论了四种典型下垫面硫化物浓度的垂直分布廓线。结果表明,近地层硫化物浓度分布与排放源的分布类似,高值区主要在山东半岛及相邻的华北部分地区和四川盆地,在上海、台南、汉城和东京等地是小范围的高值区。地面浓度冬季大,夏季浓度小。高空分布形势与低层不同,由西南-东北走向变为东西走向。硫酸盐粒子分布高值中心少且平滑。夏季分布更加均匀化。年平均硫酸盐大气含量高值区主要集中在江淮流域,向海上延伸距离较远。四类地区硫化物垂直廓线反映了不同季节外来输送贡献。     

春季沙尘对关中地区PM2.5 浓度影响的多尺度模拟研究

“一带一路”建设让古代丝绸之路的起点——西安成为世界焦点，西安的空气质量也是政府和公众关注的焦点。以2017年5月我国北方的一次强沙尘过程为例，首次利用中国科学院大气物理研究所气溶胶和大气化学模式系统IAP-AACM（Aerosol and Atmospheric Chemistry Model of the Institute of Atmospheric Physics）模拟关中地区细颗粒物（PM_2.5）的时空分布，并结合地面逐小时PM_2.5观测数据对沙尘气溶胶和PM_2.5模拟的关系进行深入探究。结果表明:加入沙尘组分对模拟关中地区PM_2.5时空变化特征作用显著，相关性可提升0.4～0.6，并且可以很好地再现强沙尘时段PM_2.5浓度骤增的过程；在强沙尘时段和一般时段，沙尘组分对PM_2.5的贡献分别为60%～80%和10%～30%；0.11°×0.11°高分辨率模拟有助于提升模式捕捉污染物时空变化的能力。     

一个适用于地球系统模式(CAS-ESM)的在线气溶胶与大气化学分量模式(IAP-AACM)的发展与评估

地球系统模式是研究全球气候与生态环境变化问题的重要工具，气溶胶与大气化学模式负责为其中的大气环流模式提供与气候效应有关的气态化学物质和气溶胶成分。本文在全球嵌套网格空气质量预报模式系统的基础上发展了一个适用于中国科学院地球系统模式（CAS-ESM）耦合计算的气溶胶与大气化学分量模式（IAP-AACM），采用简化的气相化学机制，不仅考虑了人为气溶胶，同时考虑了海盐、沙尘和二甲基硫等自然气溶胶及其前体物的在线排放。评估结果表明，IAP-AACM氧化剂插值计算可靠，采用简化机制和碳键机制（CBM-Z）模拟的差异较小。和观测的对比表明，得益于CAS-ESM的气溶胶双向反馈作用，简化版能够较好地抓住气溶胶及其前体物的空间分布，为IAP-AGCM提供可靠的气溶胶模拟。另外，简化版能大幅提升计算效率，满足CAS-ESM耦合长期积分的需求。为了在全球气候变化的研究中提供更完善的气溶胶模拟，未来考虑在IAP-AACM中增加氮化学和臭氧平流层化学机制。     

城市空气污染持续维持机制研究Ⅰ.2002年西安市空气污染持续维持过程分析及其气象成因

为研究城市大气污染持续过程的形成机制及区域输送问题,利用2002年西安市环境监测站SO2、NO2和PM10日平均污染物浓度资料分析了西安市大气污染的时空分布特征及其与气象条件的关系.分析结果表明:一年中西安出现3天以上空气质量为3级以上的持续污染过程18次,累计污染超标日为192天,出现3级以上的概率为53%.西安市区的污染物以可吸入颗粒物为主,PM10污染超标日较多.重点分析了2002年1月9～12日造成西安市持续污染过程的气象条件及天气形势,可见4天的气象条件有着共同的特点:平均风速小,气温较低,出现逆温,相对湿度较大.西安地处高压后部,气压较低,高空为较平直的西北气流,天气形势持续稳定.