北京地区SO2污染特征及气象条件分析

分析1998～2000年北京地区SO2浓度监测资料和同期气象观测资料,发现北京地区SO2污染具有明显的季节变化、日变化特征及地域分布特征SO2污染在采暖季重于非采暖季;日变化趋势呈"两峰两谷";SO2浓度西部到北部高于东北部,城区高于郊区.影响大气中SO2浓度变化的主要气象要素为地面日平均风速、300 m风速、850 hPa 24 h变温、地面最低温度及有无逆温.     

污染源反演对重点城市群夏季O3模拟的改进效果评估

在嵌套网格空气质量预报模式系统(NAQPMS)的基础上,采用污染源反演方法优化以中国多尺度排放清单(MEIC)为主的先验排放清单中臭氧(O₃)前体物排放量估计。分析时段为2019年6～8月,重点评估了污染源反演对我国“2+26”城市、长三角、珠三角、成渝4个重点城市群O₃模拟的改进效果。评估结果表明,污染源反演获得的“2+26”城市、长三角、珠三角的氮氧化物(NO_x)排放速率整体低于先验清单的排放速率约0.6μg m_-2 s_-1,但反演的挥发性有机物(VOCs)排放速率在“2+26”城市整体上高于先验清单的排放速率约0.5μg m_-2 s_-1。利用反演的NO_x和VOCs排放量和NAQPMS模式对4个城市群O₃进行模拟,发现反演排放数据可以显著改进夏季O₃模拟性能,使得O₃日最大8小时平均值(MDA8-O₃)模拟的均方根误差(R...     

一个模拟SO2浓度分布的数值模式研究

初步发展了一个空气污染准业务数值模式,该模式将修改过的二维Mass风场模式预报的风场据实测风廓线推广到三维,用有限元法求解欧拉平流扩散方程,在此基础上,预报上海地区SO2指数和浓度分布.通过半年的试验,其结果与实测值基本一致,初步可用于业务预报使用.通过模拟表明,上海市的浓度高值区一般位于市区和郊区宝山,一天中早晨的浓度最大,傍晚次之,中午最小.     

一种新的城市SO2污染统计预报方法及其应用

针对目前采用的统计方法存在的不足, 即在选择预报因子时没有考虑预报因子之间的相关性, 挑选的预报因子由于非正交, 使回归计算的结果不稳定, 给计算带来一定的误差。该文提出把一元线性回归分析、自然正交函数 (EOF) 和逐步回归方法结合起来, 从而得到一种新的建立统计预报模型的方法。以西安市采暖期和夏季SO₂日均浓度为预报对象, 使用该方法建立预报模型。拟合及预报试验表明, 这些预报模型不但可以很好地拟合变化趋势, 而且还能作出较准确的预报, 采暖期预报的级别命中率为72.5 %, 夏季级别预报命中率为100%。通过对比试验, 此方法优于目前常用的逐步回归方法, 具有很好的应用前景。     

近红外CO2高光谱探测仪通道选择

近红外波段 (1.6 μm) 遥感可探测大气CO₂含量信息,应用于碳循环研究中。宽波段、高分辨率不但对仪器研制是一个挑战,而且巨大的数据量对观测的正演、反演也是一个挑战性课题。该文应用自由度及信息量分析法,对近红外高光谱波段中探测通道进行CO₂信息量分析,选择前20~100个高信息量的CO₂探测通道,并进行了反演模拟测试。结果表明:前20个高信息量通道占所有通道总信息量的76.4%,仅用所选的前20个通道进行反演,与所有通道参加反演的结果相比,误差增加0.3×10-6;通道数增至60时,信息量增加,通道数再增加,信息量则增加不显著;CO₂反演误差存在相似的关系。在高CO₂信息量分布上,弱吸收性质的1.6 μm波段和强吸收性质的2.06 μm波段表现出不同特点。     

乌鲁木齐市SO2浓度的分布及其可能原因

根据乌鲁木齐市1994～1997年SO₂浓度和气象监测资料,分析了SO₂浓度的时空分布特征及其可能原因,并对各监测点SO₂ 污染等级作出了评价。     

上海市气象场与SO2浓度数值模拟

采用地形坐标系下适合于复杂地形且满足地-气耦合的静力学三维中-β尺度气象预报模式,使用08时的实测流场经变分法初始化后得到的初始流场,模拟研究了上海地区的局地流场时空演变特征。模式较细致地考虑了湍流、长短波辐射、凝结、蒸发、地表热力平衡等因子,在此基础上,使用有限元法数值求解一阶闭合的三维欧拉平流扩散方程,模拟了上海地区的SO₂浓度分布。结果表明:上海的局地流场具有明显的日变化特征,受海陆温差的影响明显,日间风速较夜间风速大,风向呈顺时针旋转;在不稳定层结情况下,高架点源排放的高空污染物对地面的污染物浓度有贡献,会造成地面污染物浓度升高。     

不同大气污染物监测密度对CMAQ源同化修正效果影响的模拟

采用(美国环保部的MODEL-3系统的)CMAQ源同化模型及4种不同空间分辨率的SO2、NO2实测资料,反演得到中国不同尺度的同化修正排放源,利用新一代中尺度气象模式WRF与多尺度空气质量模式CMAQ,模拟分析了中国不同观测信息密度对SO2、NO2源同化反演及其浓度预报的影响,重点分析了华北地区SO2、NO2浓度加密观测对改善SO2、NO2排放源和空气质量预报的重要影响。结果表明,采用不同分辨率的实测资料时,SO2、NO2的趋势预报效果改善程度有一定差异;采用较高分辨率的实测资料进行SO2、NO2源同化修正时,可明显减小SO2、NO2浓度的预报误差。华北地区较高分辨率的观测信息对于改进源同化修正效果及SO2、NO2浓度的趋势预报十分重要,尤其是对SO2浓度的预报尤为重要;采用经高分辨率的实测资料同化修正的排放源时,WRF-CMAQ模式对北京城市尺度SO2、NO2浓度的变化趋势、浓度水平和空间分布特征具有较好的预报效果。高分辨率的观测资料和区域源同化反演方法对于区域污染物浓度预报及排放源清单具有显著的改进作用。     

CALPUFF模型在合肥地区SO2大气环境容量测算中的应用

在对合肥地区污染源调查的基础上,利用CALPUFF模型模拟了合肥地区大气污染物SO₂质量浓度场,通过与现场监测结果对比分析了模型的适用性,并根据模拟结果研究了不同排放源对合肥地区大气污染的贡献情况,建立了大气污染物传递矩阵;通过综合考虑城市区域的大气扩散能力、污染源贡献和大气环境质量目标等,采用线性规划模型测算了合肥市的大气环境容量.     

临安冬夏季SO2、NO2和O3体积分数特征及与气象条件的关系

对临安大气本底站2003-2004年冬、夏季二氧化氮(NO2)、二氧化硫(SO2)、臭氧(O3)进行了分析.结果表明:冬季NO2和SO2平均体积分数分别为19.48×10-9和35.74 x10-9,而夏季的平均体积分数分别为4.81×10-9和8.12×10-9,冬季高于夏季;O3在夏季的平均体积分数为33.55×10-9,略高于冬季的25.44×10-9;夜间NO2和SO2体积分数比白天高,并且NO2呈明显的单峰单谷型分布,O3也呈单峰型但峰值出现在白天.NO2、SO2体积分数存在着明显的“假日效应”,假日比非假日低,周五高于假日和非假日;但O3体积分数没有明显的假日效应.降水对SO2有明显的清除作用,但对NO2的清除作用不明显.与风向对比发现,夏季高体积分数的NO2、SO2都受到NW、WNW风的影响,冬季则分别受NE和SW、SSW风的影响;而O3受风向的影响较复杂,与局地光化学反应有关.     

Examining the aerosol indirect effect over China using an SO2 emission inventory

The relationship between SO₂ emissions and the effective particle radius of low-level water clouds (r_e) over China was investigated to determine anthropogenic effects on clouds. Sulfur dioxide emission values were obtained from a statistical inventory, and r_e origins were retrieved by satellite remote sensing on a 0.5° grid. Comparisons between annual mean SO₂ emissions and r_e showed generally decreasing r_e values, explained by the Twomey effect. The existence of the Twomey effect is supported by comparisons with simulated aerosol optical depths. Results further suggest that clouds over land show sensitivity to the Twomey effect as well as clouds over the ocean.     

NUMERICAL SIMULATION OF THE INFLUENCE OFO3,CO2 AND SPECTRUM VARIATION ON THE PHOTOSYNTHESIS OF CROP CANOPY*

Coupled the photosynthesis with transpiration and adjustment of stoma,a dynamic ecological model for simulating the canopy photosynthesis of winter wheat was established by scaling up from the biochemical scale to canopy scale,in which the effects of O₃,CO₂ and solar spectrum on crop photosynthesis were fully considered.Validation of the model against the data measured with CI-301PS portable photosynthesis analyzer showed that the leaf photosynthesis model passed the correlation significance test and had a fairly high accuracy.Numerical analysis showed that the canopy photosynthesis rate would be reduced by 29% if the O₃ concentration increases from 0 ppbv to 200 ppbv,whereas the canopy photosynthesis rate would increase by about 37% while the CO₂ concentration increases from 330 ppmv to 660 ppmv,and the canopy photosynthesis rate would be reduced by 27%0 or so under the condition that the spectrum coefficient changed from 0.5 to 0.4.If the O₃ concentration reached 200 ppbv at noon on the typical sunny day with higher radiation,the canopy photosynthesis will be reduced slightly in the suburb area where the pollution is serious and the photochemical fog is easy to be formed,contrast with that in the clear region and regardless of the climate change,due to the fact that the positive effect of CO₂ on crop photosynthesis can not compensate the negative effect of O₃ on crop photosynthesis.The canopy photosynthesis will be reduced by 35% or so than the BASE value at present,when the spectrum of photosynthetic active radiation(PAR) reduces to 0.4 or so.     

Behaviour of H2O2, NH3, and black carbon in mixed-phase clouds during CIME

We investigated the partitioning of trace substances during the phase transition from supercooled to mixed-phase cloud induced by artificial seeding. Simultaneous determination of the concentrations of H₂O₂, NH₃ and black carbon (BC) in both condensed and interstitial phases with high time resolution showed that the three species undergo different behaviour in the presence of a mixture of ice crystals and supercooled droplets. Both H₂O₂ and NH₃ are efficiently scavenged by growing ice crystals, whereas BC stayed predominantly in the interstitial phase. In addition, the scavenging of H₂O₂ is driven by co-condensation with water vapour onto ice crystals while NH₃ uptake into the ice phase is more efficient than co-condensation alone. The high solubility of NH₄⁺ in the ice could explain this result. Finally, it appears that the H₂O₂–SO₂ reaction is very slow in the ice phase with respect to the liquid phase. Our results are directly applicable for clouds undergoing limited riming.     

厌氧条件下土壤反硝化气体(N2、N2O、NO)和CO2排放——氦环境培养—气体同步直接测定法的应用初探

反硝化过程是维系闭合氮循环所必需的氮素形态转化环节。土壤反硝化过程速率及产物比的直接测定是研究氮循环过程机理的基础,但却是一个难题。为解决此难题,德国卡尔斯鲁厄技术研究所与中国科学院大气物理研究所最近合作新建了一套通过氦环境培养-气体同步直接测定土壤反硝化气体--氮气（N2）、氧化亚氮（N2O）、一氧化氮（NO）和二氧化碳（CO2）排放的系统和与之配套的三阶段培养方法。为检验该新建系统和配套方法测定土壤反硝化过程的准确性和可靠性,以华北地区广泛分布的盐碱地农田土壤（采自山西运城）为研究对象开展实验室培养试验,在初始可溶性有机碳（DOC）供应比较充足约300 mgC kg–1干土（d.s.）的条件下,测试了不同初始土壤硝态氮含量水平（10、100 mgN kg–1d.s.左右,分别表示为10N和100N）的反硝化气体和CO2排放过程。结果显示：100N的反硝化速率（定义为N2、N2O 和NO 排放速率之和）显著高于10N 处理（统计检验显著水平p＜0.01）;两个处理的反硝化产物均以N2为主（质量比分别占77%和75%）,产物的NO/N2O摩尔比分别为1.2和1.5,N2O/N2摩尔比均为0.19;土壤反硝化气体动态排放速率及相关指标的测定结果表明,培养土壤中消失的硝态氮被回收81%～87%,培养前后的氮平衡率达92%～95%。因此,该新建方法测定土壤反硝化速率和产物比的结果具有很好的可靠性,为定量研究土壤反硝化过程提供了有效的直接测定手段。研究中检测到的土壤反硝化产物NO/N2O摩尔比大于1,不同于以往用液体培养基纯培养反硝化细菌得出的NO/N2O摩尔比远小于1的结论。这意味着,不能用NO/N2O摩尔比小于1与否来推断土壤排放的N2O和NO是主要来源于反硝化作用还是硝化作用。     

Influence of leaf water potential on diurnal changes in CO2 and water vapour fluxes

Mass and energy fluxes between the atmosphere and vegetation are driven by meteorological variables, and controlled by plant water status, which may change more markedly diurnally than soil water. We tested the hypothesis that integration of dynamic changes in leaf water potential may improve the simulation of CO₂ and water fluxes over a wheat canopy. Simulation of leaf water potential was integrated into a comprehensive model (the ChinaAgrosys) of heat, water and CO₂ fluxes and crop growth. Photosynthesis from individual leaves was integrated to the canopy by taking into consideration the attenuation of radiation when penetrating the canopy. Transpiration was calculated with the Shuttleworth-Wallace model in which canopy resistance was taken as a link between energy balance and physiological regulation. A revised version of the Ball-Woodrow-Berry stomatal model was applied to produce a new canopy resistance model, which was validated against measured CO₂ and water vapour fluxes over winter wheat fields in Yucheng (36°57′ N, 116°36′ E, 28 m above sea level) in the North China Plain during 1997, 2001 and 2004. Leaf water potential played an important role in causing stomatal conductance to fall at midday, which caused diurnal changes in photosynthesis and transpiration. Changes in soil water potential were less important. Inclusion of the dynamics of leaf water potential can improve the precision of the simulation of CO₂ and water vapour fluxes, especially in the afternoon under water stress conditions.     

基于WRF模式的京津冀地区地表大气CO2浓度的模拟研究

在“双碳”目标背景下,从国家层面到地方层面,区域、城市、行业企业都在制定和实施双碳目标行动计划。CO₂模拟因其客观性和高时空分辨率等优势,在城市碳排放研究中深受重视。本研究以京津冀地区为研究区域,采用Picarro仪器高精度观测的2019—2020年CO₂数据,利用WRF模式进行CO₂传输模拟,分析了CO₂浓度变化的季节特征,评估了模式在城区中心、城郊及背景3个观测站点的模拟效果,并对边界层高度及化石燃料碳排放等可能影响CO₂浓度的因素进行了研究。3个观测站点分别为北京中国科学院大气物理研究所325 m气象塔观测站(北京站)、河北香河观测站(香河站)和上甸子区域本底观测站(上甸子站)。模拟结果表明：上甸子站优于香河站,香河站优于北京站,在冬季尤其明显;CO₂浓度的高值区主要分布在城区、电厂和工业区,尤其是唐山、石家庄和邯郸地区,大量交通、工业排放导致CO₂浓度明显上升,且高值区的范围在冬季最大;就日平均变化和日变化而言,边界层高度与C...     

大气CO2浓度升高及气候变化对作物冠层光合影响的数值模拟

利用美国Licor-6200光合作用测定仪,对黄淮海地区代表性冬小麦品种鲁麦23号叶片光合作用速率进行了较为全面的测定,分别确定了冬小麦叶片光—光合作用响应曲线和CO₂—光合作用响应曲线,在此基础上,建立了叶片光合作用模式,并进而建立了一个具有瞬时时间尺度,空间积分为叶片尺度的冬小麦冠层模式,利用模式分别分析了大气中CO₂浓度升高和温度变化对冠层光合作用的不同影响,并在此基础上进一步进行了综合数值分析。单因子分析表明:晴天状况下,冠层光合速率随CO₂浓度升高而上升,当CO₂浓度由330×10^-6上升至660×10^-6时,冠层光合日总量可增加19.7%;冠层光合速率随辐射增加而增大,辐射量增加10.0%,冠层光合日总量可增加6.7%;冠层光合速率随温度升高而下降,温度升高1℃,冠层光合日总量减少2.9%。多因子综合数值分析表明:在辐射量较大的气候背景下,冠层光合日总量对温度和CO₂变化响应更加敏感。本文的实测数据为研究气候变化对中国农业影响提供了最基本的可靠模型参数,冠层光合模型为未来改进作物模型提供了理论基础。