辽宁中部城市群主要大气污染物时空分布特征的数值模拟

利用美国第三代空气质量模式系统Models-3对2002年1月17～18日辽宁中部城市群大气污染物SO2,NO2和PM10的浓度分布进行了数值模拟,并将模拟结果与监测结果进行了对比分析。结果表明:污染物的模拟值与观测值变化趋势具有一致性,模式反映了SO2,NO2和PM10浓度的时空分布特征和变化规律,再现了污染物浓度呈波峰波谷日变化的重要特征,可用于辽宁中部城市群区域大气污染物的研究。     

长三角地区典型城市臭氧及其前体物时空分布特征

基于美国宇航局NASA/AURA卫星臭氧监测仪OMI数据,分析了2005—2014年长三角地区及其典型城市对流层O_3、NO_2柱浓度和HCHO大气总柱浓度的时空分布特征。结果表明:10 a间,长三角地区对流层O_3柱浓度和HCHO总柱浓度呈现增长趋势,O_3增量为0.23ppbv/10 a,HCHO增量为0.07×10~(16) mol/(cm~2·10 a),对流层NO_2柱浓度呈现降低趋势,减量为0.06×10~(15)mol/(cm~2·10 a);长三角地区对流层O_3柱浓度最大值出现在3、4、5月,而对流层NO_2柱浓度最大值出现在1、12月,HCHO总柱浓度最大值出现在6、7月;对流层O_3柱浓度的高值区分布在长三角中部、北部区域,对流层NO_2柱浓度高值区分布于长三角中部,HCHO总柱浓度高值区相对分散,且四季的分布各不相同。O_3与NO_2和HCHO在时间和空间上呈现一定的相关性。     

2011年南海夏季风爆发期间大气污染物特征的数值模拟

利用2006年Global emissions data和2011年NCEP Final Analysis资料作为WRF-chem3.0模式的初、边值条件,模拟了2011年4月25日—5月25日南海夏季风爆发前后一个月,区域为70～160 °E,0～40 °N范围内的季风区海盐、PM10、COx、SO2、NOx及O3等各种大气化学污染物的三维空间基本分布情况, 结果发现在近地面950 hPa和400 hPa高度附近,由季风爆发引起的南海地区偏西和偏南风分量加强等风场形势的改变,导致了相应各种污染物浓度在分布上的较大变化,尤其在南海地区,由于出现较强风场辐合导致该地区的污染物浓度明显高于其它区域。还发现在垂直方向上,各种污染物的分布都分别受到了由季风爆发期间引起的偏西和偏南风分量变化的影响较明显。同时,季风爆发前陆地上的污染物浓度明显大于海洋上的污染物浓度,而随着季风爆发,大部分污染物的这种海陆浓度差异会大幅减小。      

Models-3空气质量模式对兰州市污染物输送的模拟

较详细地介绍了美国环保总局的第三代空气质量模式系统Models-3的特点,并且针对兰州市冬季采暖期污染严重的特点,选取2002年12月份的个例,将兰州市最新的大气污染源资料加入模式中．对模式进行调试并检验了该模式对兰州污染的模拟性能。从模式对SO2,NO2和O3等几种大气污染物浓度的模拟结果与监测资料对比分析,表明该模式系统较好地模拟出了SO2,NO2的空间分布格局,模拟结果与监测结果比较吻合,而且模式模拟的污染物浓度场比较均匀;模式模拟的O3的日变化规律与资料分析结论基本一致,也符合O3的生成机理。因此该模式系统对于复杂地形条件下的城市污染物输送具有一定的模拟能力。     

夏季准定常环流系统及其月内演变特征的数值模拟

用球带范围的耦合模式，研究了夏季准定常环流系统的基本特征及其月内时间演变过程，发现在北半球中高纬，无论在大气高层还是低层，环流形势具有纬向两波结构，与纬向海陆分布的两波结构完全吻合，从而证明了海陆分布是造成准定常环流系统的根本原因。准定常环流系统的时间变化主要发生在前20个模式日中，变化最明显的地区通常也是准定常环流系统的中心。     

2020年新冠肺炎疫情管控期江苏省大气污染物浓度变化特征

利用江苏省大气环境监测站点的大气污染物监测数据,分析了2020年初新冠肺炎疫情管控期间(2—3月)主要大气污染物浓度的变化特征。结果显示,相比于2019、2020年疫情管控期间PM_2.5、PM₁₀、NO₂、SO₂、CO浓度的全省平均降幅分别为37.5%、36.9%、31.9%、28.2%和21.2%。严格管控期的2月和生产恢复期的3月,江苏省十三市PM_2.5、PM₁₀浓度同比降幅大致相当,呈现出较好的时间连续性和空间均匀性。但各市臭氧浓度同比变化呈现出较大的时空差异。空间上,沿江以南城市南京、无锡、常州、苏州和镇江五市臭氧浓度明显上升,而其他城市臭氧浓度以下降为主;时间上,2月南京等九市臭氧浓度上升,3月徐州等八市臭氧浓度持平或者下降。假设未发生新冠肺炎疫情以及未采取为阻断疫情蔓延而实施的种种举措,在仅考虑近年来大气污染防治政策持续实施的情况下,与预期降幅相比,疫情管控对NO₂实况浓度降幅的影响最大,其次是PM_2.5     

城市热岛效应对污染物扩散规律影响的数值模拟

用一个二维非定常扩散方程模拟了夜间城市边界层中三种不同有效高度(20m,72m和110m)连续线源所产生的污染物浓度分布特征。数值试验结果表明:不管是否出现热岛环流,城市热岛效应使高架源产生的地面浓度增大,而使近地面源所产生的地面浓度减小。这是因为城市下垫面的热力和动力作用改变了一般的边界层低层的温度结构和湍流结构所致。     

西太平洋地区大气边界层内臭氧的季节变化及其影响因子分析

利用臭氧探空资料,分析了西太平洋地区香港(Hong Kong)、那霸(Naha)和札幌(Sapporo)三个站点2000~2010年期间大气边界层内臭氧(O₃)的季节分布和年变化趋势。结果表明,三个站点O₃的季节分布存在明显的差异。其中,那霸和香港大气边界层内O₃季节平均呈双峰值分布,其峰值分别出现在春季和秋季;而札幌站为单峰分布,峰值出现在春季。造成季节分布差异的主要原因包括人为污染源和自然因素如气象条件。另外,三个站点大气边界层内O₃均呈上升趋势。其中札幌、那霸上升最快,分别达0.80 ppb a-1和0.77 ppb a-1。(ppb表示10-9,下同)香港的年际增长较不明显,但秋季增长却非常明显,高达1.21 ppb a-1。结合GOME (Global Ozone Monitoring Experiment) 和SCIAMACHY (Scanning Imaging Absorption Spectro Meter for Atmospheric Chartography)卫星反演的NO₂数据发现,过去10年中国京津唐和东北地区的对流层内NO₂柱总量增加极为迅速。这些O₃前体物通过远距离输送是导致札幌、那霸O₃浓度增加的主要原因之一。珠江三角洲人为污染源的增加及偏北气流的影响,是导致香港地区秋季O₃增加的主要原因。     

大气臭氧垂直分布变化的模拟研究

利用包括垂直平流、扩散和化学过程的一维平流层—对流层的大气化学模式，通过增加NOx的地面源，发现由于NOx地面源的增强，引起对流层下部臭氧浓度增加，夏季臭氧浓度的增加远大于冬季；通过扩散系数和垂直风速的敏感性试验比较，看出由平流层向对流层输送臭氧的过程中，平流过程的影响可能更重要。     

复杂地形气象场对污染物浓度空间分布影响的研究

利用WRF模式与多尺度空气质量模式(CMAQ)系统模拟了试验期间(2005年1月30-2月2日)兰州市城区SO2的地面浓度,并根据模拟结果进一步分析了兰州市冬季污染物的空间分布特征。研究结果表明西固区和城关区各有一处污染物高浓度区域;受排放源空间分布和气象场的综合影响,夜间SO2地面污染范围小于日间,夜间污染物地面最大浓度明显高于日间,夜间模拟区域平均值低于日间;水平流场和山谷风环流形成的垂直运动均对污染物地面浓度有明显影响。     

山东气溶胶光学厚度时空分布及其与地面大气污染物质量浓度的相关性分析

基于卫星的气溶胶光学厚度(aerosol optical thickness,AOT)是研究大气污染程度及时空变化的重要参考,由于大气污染物排放特征、地理和气候背景不同,不同区域AOT的时空分布及其与地面大气污染物质量浓度的相关性存在一定的差异。选取了2017年7月—2020年7月山东89个国家环境空气质量监测站数据、日本宇宙航空研究开发机构(Japan Aerospace Exploration Agency,JAXA)发布的葵花8号和9号气象卫星(Himawari-8／9)AOT产品、欧洲中期天气预报中心(European Center for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)的ERA5再分析数据产品,研究了山东地区卫星AOT时空分布特征,AOT与地面污染物质量浓度的相关性,并得出了以下结论:1)山东存在两个主要的AOT低值区,分别位于鲁中山区一带,半岛丘陵并延伸到东部沿海一带,低值区的分布没有明显的季节变化;山东AOT年平均的高值区主要分布在山东西部、南部与外省接壤附近地区,以及渤海南部至莱州湾沿岸一带,在分析气溶胶跨省传输时值得关注。不同季节AOT的高值区分布存在差异。2)山东AOT白天变化呈现双峰结构,08时由峰值逐渐下降,11时转为上升,14时达全天最大值0.608;AOT的日变化趋势与细颗粒物(PM2.5)、O3等大气污染物质量浓度变化明显不同,是影响其相关性的重要因素。AOT月际变化中,存在两个显著的峰值6月(0.648)和10月(0.622),2月AOT最低。AOT的季节变化与地面污染物质量浓度的季节变化呈现一定的反位相特征。3)总体上AOT与PM2.5、O3等主要大气污染物质量浓度的相关性不高,一年之中,6月AOT与污染物的相关程度最低,1月的相关性最高;15—17时是AOT与污染物相关性最强的时间段,而10时相关性最差。单凭AOT难以定量反映污染物的分布特征,使用卫星开展地面大气污染监测分析还需纳入更多的因子进行分析。     

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...     

华北地区夏季降水模拟研究:区域气候模式性能评估

利用高分辨率区域气候模式Reg CM3对华北地区1991—2002年夏季气候进行了数值模拟,对照中国台站的实测资料,对模拟的华北地区夏季降水、温度进行了较为全面的比较,以检验模式的模拟性能。对平均场的模拟结果检验认为,该区域气候模式对华北地区夏季降水的空间分布模拟存在一定的误差,河套地区及黄河以南地区降水量接近实况,沿着太行山脉及东部沿海地区降水量明显偏多。模式对温度的模拟误差较小,较好地再现了气温的空间分布特征,但山西及以北地区模拟的温度略偏低。模式能够较好地模拟出华北地区夏季降水和气温的年际变化,成功再现了该区域降水和气温的异常变化。模式能够成功模拟出该区域降水和气温日变化特征,特别是对于逐年夏季的降水日变化过程的峰值和谷值均有成功表现,对于典型年份华北地区较强降水过程中降水发生的时间、落区、强度等也有再现能力,不足的是模拟的降水量比观测偏大。对于模式误差是否与地形或模式积云对流参数化方案等有关,需要进一步探讨。     

A microscale model for air pollutant dispersion simulation in urban areas: Presentation of the model and performance over a single building

A microscale air pollutant dispersion model system is developed for emergency response purposes. The model includes a diagnostic wind field model to simulate the wind field and a random-walk air pollutant dispersion model to simulate the pollutant concentration through consideration of the influence of urban buildings. Numerical experiments are designed to evaluate the model's performance, using CEDVAL(Compilation of Experimental Data for Validation of Microscale Dispersion Models) wind tunnel experiment data, including wind fields and air pollutant dispersion around a single building. The results show that the wind model can reproduce the vortexes triggered by urban buildings and the dispersion model simulates the pollutant concentration around buildings well. Typically, the simulation errors come from the determination of the key zones around a building or building cluster. This model has the potential for multiple applications; for example, the prediction of air pollutant dispersion and the evaluation of environmental impacts in emergency situations; urban planning scenarios;and the assessment of microscale air quality in urban areas.     

京津冀地区霾成因机制研究进展与展望

为满足当前对京津冀地区霾研究和控制的迫切要求,本文梳理了近年来京津冀地区霾的长期变化特征、天气学特征、污染物来源等相关研究成果,发现:从2000年以后,京津冀地区的霾日数呈现出了下降趋势;北京细颗粒物(PM2.5)质量浓度也在总体上呈现下降的趋势,但2013年年均质量浓度仍高达89.5μg m–3,约为我国空气质量标准的3倍(35μg m–3),京津冀空气污染的形势依然严峻;近年来京津冀地区的霾污染事件频发可以归因为不利天气条件与大量污染物人为排放的共同作用;大量的研究表明,区域输送对京津冀地区霾事件的形成和维持有不可忽视的影响;京津冀地区的大气污染不再局限于一时一地,针对重污染天气的预警以及应急控制应该以区域预报为基础实现区域联动;京津冀地区独特的地理环境条件加上城市群的快速发展,形成的局地大气环流也会对局地的污染过程产生重大的影响;大气边界层内气象要素的变化对重污染发生具有显著贡献。京津冀地区的污染控制需要城市群的联动应对治理。     

利用区域尺度气象模式模拟黑河地区地表能量通量的研究

应用中尺度区域模式RAMS (the regional atmospheric model system), 在40余组不同参数的条件下模拟中国干旱半干旱黑河地区的地表能量通量和土壤温度特征, 并以此探索模式在干旱半干旱地区的适用性。为了证明模拟结果的准确性和模式的稳定性, 模拟连续运行30天, 其中包含晴好和阴雨的天气过程。模拟结果表明: 即使使用较为可靠的NECP再分析气压层资料和实地探测资料, 进行初始场和参数的输入, RAMS的默认设置也很难较为合理地反演出地表能量通量, 只有合理地调整好其土壤特征参数, RAMS才能得到与实测资料符合得较好的结果。土壤特征参数对模拟结果影响较大, 影响因子的重要性依次为: 土壤含水量、 土壤层总厚度、 土壤温度。     

沈阳近地层大气颗粒物浓度垂直变化特征及与气象因子的关系

利用2018年10月1日至2019年9月30日沈阳地区三个高度大气颗粒物浓度和气象要素逐时观测资料,分析了不同高度颗粒物浓度时间变化特征及其与气象要素的关系.结果表明:不同高度的颗粒物浓度均存在明显的季节变化,秋冬季数值明显高于春夏季.冬季,三个高度的PM2.5平均浓度为54.98±12.67μg·m-3、63.77±...     

区域海气耦合模式对华北夏季大气水汽输送模拟结果的检验及其与单独气候模式的比较分析

将区域海气耦合模式RegCM3-POM和区域气候模式RegCM3 40年(1963-2002年)的模拟结果与NCEP/NCAR再分析资料进行对比,检验区域海气耦合模式对中国华北地区夏季大气水汽含量和水汽输送特征的模拟能力,比较耦合模式与单独区域气候模式的差异.结果表明,区域海气耦合模式RegCM3-POM的模拟性能相对于单独区域气候模式RegCM3,大气水汽输送特征的模拟能力有了较大的改进.分析显示两种模式都能够较好地再现东哑地区气候平均夏季大气水汽储量浅红和水汽输送的空间分布特征,而耦合模式对大气水汽输送的模拟更为合理.在对流层中低层更接近观测;耦合模式对中国华北地区夏季平均大气水汽输送通量在垂直方向卜的分布型及水平4个边界水汽输送收支的模拟,相对于单独大气模式有了一定的改进;耦合模式对伴随华北地区夏季早涝的大气水汽异常输送也具有较好的模拟能力,其模拟的水汽输送异常的来源与观测基本一致,尤其是在20°N以北地区,耦合模式结果相对于单独区域气候模式有了很大的改进.但同时耦合模式在低纬度海洋上对气候平均夏季大气水汽含量模拟的偏差比区域气候模式显著;与观测相比,耦合模式对来自孟加拉湾地区的大气水汽输送模拟偏弱,而对西太平洋副热带高压西侧水汽输送模拟偏强,与华北夏季旱涝相联系的水汽输送异常的模拟在低纬度海洋上也存在明显偏差.     

新疆库尔勒市空气质量等级及首要污染物时空变化研究

城市空气质量与经济建设及人民生活息息相关,是政府和人民关注的重大社会问题。利用库尔勒市2014年9月1日-2015年8月31日州政府、棉纺厂、开发区三个环境监测站逐时观测资料,分析了库尔勒市空气质量等级和首要污染物的时空分布,并分析了污染天气发生的日变化特征。结果表明：（1）三站污染天气出现频率分别为49.4%、40.9%和34.7%,符合州政府＞棉纺厂＞开发区的分布规律。三站污染天气均是春季出现频率最高,分别占到44.7%,39.4%和48.5%,其次为秋季、冬季和夏季;（2）库尔勒市首要污染物中, PM10的频率最高,其次为PM2.5,CO、NO2、O3及SO2出现频率均低于10.0%。PM10作为首要污染物在春季出现频率最高,三站出现频率为33.9%-36.3%,PM2.5则是冬季出现频率最高,三站出现频率为59.1%-86.4%;（3）库尔勒市污染天气和重污染天气发生频率符合傍晚与夜间高,白天低的变化规律。污染天气发生频率最高值出现在0:00时,最低值出现在6:00-7:00时,重污染天时延迟到9:00时。上述结果表明库尔勒市春季周边自然污染源的排放与输送对该市的空气质量影响巨大。     

层状云催化后过冷水分布与演变规律的数值模拟

在郭学良等(1999年)发展的层状云雨滴分档模式中加入冰晶繁生过程,模拟了碘化银和液态二氧化碳的催化效率以及催化后云中过冷水的分布与演变过程.结果表明:碘化银和液态二氧化碳在5200～5600 m高度上的催化效率相当,最大达到11.1%;液态二氧化碳在2600～3000 m高度层的催化效率明显增大,达到14.2%;模式云被催化后,云中云水含量在200 min都较未催化时增长0.05 g/m3以上,表现出云中过冷水被消耗后的恢复趋势;碘化银和液态二氧化碳对云体催化后,云中水汽含量减少0.5～2 g/m3,对过冷水的恢复作出贡献;催化过程使得模式云中雨滴浓度在210 rin时较未催化时减少73%,在240 min时较未催化时增加309%.得出了两点结论:(1)模式云被催化后,云中过冷水在200 rin表现出恢复趋势,云中水汽对过冷水的恢复过程作出了贡献;(2)在过冷水较多的区域播撒液态二氧化碳可以取得较好的催化效率.