Theory for Reconstruction of an Unknown Number of Contaminant Sources using Probabilistic Inference

We address the inverse problem of source reconstruction for the difficult case of multiple sources when the number of sources is unknown a priori. The problem is solved using a Bayesian probabilistic inferential framework in which Bayesian probability theory is used to derive the posterior probability density function for the number of sources and for the parameters (e.g., location, emission rate, release time and duration) that characterize each source. A mapping (source–receptor relationship) that relates a multiple source distribution to the concentration measurements made by an array of detectors is formulated based on a forward-time Lagrangian stochastic model. A computationally efficient methodology for determination of the likelihood function for the problem, based on an adjoint representation of the source–receptor relationship and realized in terms of a backward-time Lagrangian stochastic model, is described. An efficient computational algorithm based on a parallel tempered Metropolis-coupled reversible-jump Markov chain Monte Carlo (MCMC) method is formulated and implemented to draw samples from the posterior probability density function of the source parameters. This methodology allows the MCMC method to initiate jumps between the hypothesis spaces corresponding to different numbers of sources in the source distribution and, thereby, allows a sample from the full joint posterior distribution of the number of sources and the parameters for each source to be obtained. The proposed methodology for source reconstruction is tested using synthetic concentration data generated for cases involving two and three unknown sources.     

区域化学输送模式中NO x和O3源示踪法的引入

发展了化学输送模式中氮氧化合物(NOx)和臭氧(O3)的一种源示踪方法,对这种示踪法及其应用模式作了详细介绍,并结合臭氧光化学反应机理的分析描述了NOx和O3示踪物浓度方程的推导过程。将这种示踪法引用到区域化学输送模式中,并以太原和石家庄地表NOx人为排放产生的活性氮化物和臭氧为例,演示了污染物向北京的输送过程,模拟的O3,NOx和NOz示踪物浓度时空分布与O3,NOx和NOz在大气中的衰减尺度分析一致,表明该示踪法是一种有效的研究区域氮氧化物以及臭氧来源和输送转化过程的方法。个例模拟分析结果显示:太原和石家庄的地表人为排放产生的NOx本身并不能输送到北京,但通过它们产生的O3和HNO3可以输送到北京,对北京地表附近大气污染造成影响。     

Inversion method for multi-point source pollution identification: Sensitivity analysis and application to European Tracer Experiment data

Fast and accurate identification of unknown pollution sources plays a crucial role in the emergency response and source control of air pollution. In this work, the applicability of a previously proposed two-step inversion method is investigated with sensitivity experiments and real data from the first release of the European Tracer Experiment (ETEX-1). The two-step inversion method is based on the principle of least squares and carries out additional model correction through the residual iterative process. To evaluate its performance, its retrieval results are compared with those of two other existing algorithms. It is shown that for those cases with richer measurements, all three methods are less sensitive to errors, while for cases where measurements are sparse, their retrieval accuracy will rapidly decrease as errors increase. From the results of sensitivity experiments, the new method provides higher estimation accuracy and a more stable performance than the other two methods. The new method presents the smallest maximum location error of 18.20 km when the amplitude of the measurement error increases to 100%, and 22.67 km when errors in the wind fields increase to 200%. Moreover, when applied to ETEX-1 data, the new method also exhibits good performance, with a location error of 4.71 km, which is the best estimation with respect to source location.摘要快速并且准确地识别未知污染源, 在大气污染应急响应和源头控制过程中起着至关重要的作用. 本文利用敏感性试验及欧洲示踪物测场试验(ETEX-1)数据研究了新提出的两步反演算法的实用性, 并将其反演结果与现有的两种算法进行了对比分析. 敏感试验表明, 在观测数据较为丰富的情况下, 三种算法对观测误差和风场误差的敏感性均较低; 而当观测数据较为稀疏时, 所有算法的估计精度都将随着误差的增加而下降, 但与其他两种算法相比, 两步反演算法具有更高的估计精度以及更稳定的估计性能. 此外, 欧洲示踪物测场试验的源项估计结果也表明, 在三个算法中, 两步反演算法具有最小的位置估计误差.     

开滦苯加氢精制工程环境风险评价

以某苯加氢精制工程为例,探讨了焦化行业环境风险评价方法;利用该项目所在地近3 a地面常规气象观测资料,分析了当地的污染气象特征;采用风险识别、源项分析、后果计算、风险评价等环境风险评价技术方法,筛选出主要风险因子并进行风险预测,采用多烟团模式并考虑气象因素进行风险计算。结果表明：污染事故发生后,苯类物质的地面浓度最大值为3 214 mg/m^3,位于距离事故发生源WNW方向约50 m处超标1 339倍,由此可知近距离污染严重;高浓度污染物主要集中在污染源附近,随着距离的延长,污染物浓度不断向下风向扩散,超标范围在6 km内。利用简化分析法,定量给出此项工程的最大可信事故风险值为7.6×10^-6/a,小于化工行业风险值8.33×10^-5/a,此工程风险值水平与同行业比较在可接受的范围内。     

开滦苯加氢精制工程环境风险评价

以某苯加氢精制工程为例,探讨了焦化行业环境风险评价方法;利用该项目所在地近3 a地面常规气象观测资料,分析了当地的污染气象特征;采用风险识别、源项分析、后果计算、风险评价等环境风险评价技术方法,筛选出主要风险因子并进行风险预测,采用多烟团模式并考虑气象因素进行风险计算。结果表明:污染事故发生后,苯类物质的地面浓度最大值为3 214 mg/m3,位于距离事故发生源WNW方向约50 m处超标1 339倍,由此可知近距离污染严重;高浓度污染物主要集中在污染源附近,随着距离的延长,污染物浓度不断向下风向扩散,超标范围在6 km内。利用简化分析法,定量给出此项工程的最大可信事故风险值为7.6×10-6/a,小于化工行业风险值8.33×10-5/a,此工程风险值水平与同行业比较在可接受的范围内。     

改进的Holroyd云粒子形状识别方法及其应用

云降水粒子形状是影响云微物理过程的重要因素,准确的云粒子形状信息是诸多云微物理参量计算的前提。为获取机载云粒子成像仪（CIP）所测云粒子的形状信息,文中提出了一种改进的Holroyd云粒子形状识别方法,即先对云粒子形状进行预分类,然后针对预分类后的完整粒子和可识别的部分状粒子,分别选出合适的参数及其阈值再进行具体的分类,最终可将云粒子分为微小状、线形状、聚合状、霰、球形、板状、不规则和枝状。利用实测数据对原始的Holroyd方法和改进的Holroyd方法进行识别效果对比验证。结果表明改进的Holroyd方法在云粒子形状识别的准确度方面比原Holroyd方法有较大的提高。将所提方法应用于太原地区一次降水性层状云的云微物理飞机观测资料以分析不同的降水阶段云中冰晶粒子的形状分布、增长机制、冰晶粒子数浓度以及冰水含量的垂直分布特征,所获取的云中冰晶粒子属性表明新提出方法有助于云微物理分析。      

北京城市大气环境污染机理与调控原理

该文主要介绍了科技部国家重点基础研究发展规划项目“首都北京及周边地区大气、水、土环境污染机理及调控原理”大气分项目的研究成果。项目分别于2001年和2003年重点开展了BECAPEX科学试验 (Beijing City Air Pollution Experiment)。BECAPEX试验同步进行城市边界层气象与大气化学观测, 通过卫星遥感、地面观测, 即城市空间和地面以及点与面结合的技术途径, 以揭示北京城市污染“空气穹隆”大气化学结构特征及其变化规律, 为城市环境大气动力-化学模式提供基本科学参数, 给出城市边界层大气物理化学过程综合模型, 为提高城市环境大气物理-化学过程耦合模式的准确性和可靠性提供科学依据。该项目揭示了北京城区和城近郊区城市边界层结构与湍流特征, 城市大气污染垂直结构特征; 发现了城市大气污染空间结构多尺度特征, 其中包括大气污染源影响和城市热岛多尺度特征; 揭示了城市大气重污染过程周边源影响域, 以及北京及周边地区气溶胶影响域和区域气候响应; 提出了北京市典型污染源排放清单; 发展了城市气象模式系统, 包括冠层模式、街谷环流和热力结构以及城市高大建筑群周围风环境数值模拟; 发展了空气质量模式技术, 包括二次气溶胶模拟试验、北京地区SO₂污染的长期模拟及不同类型排放源影响的计算与评估、影响北京地区的沙尘暴输送模拟、区域化学输送模式中NO_x和O₃源示踪法, 城市尺度的大气污染CAPPS模式及统计模型的应用、大气污染及紫外辐射数值预报模式和CMAQ-MOS空气质量预报方法; 改进了美国公共多尺度空气质量预报模式, 建立了CMAQ-MOS区域空气质量动力-统计模型预报模式, 以及发展的源同化技术, 突破了当前空气质量模式技术“瓶颈”, 使模式预报准确率明显提高。     

突发性强对流天气快速识别预警改进方法

传统多普勒天气雷达强对流灾害性天气监测采用固定阈值判别法给出强风暴的冰雹闪电灾害预警结果,该方法不适用于不同经纬度、季节和复杂地形条件下的强对流天气识别预警。本文利用循环递归的区域生长法对TITAN算法进行改进,从而快速识别三维强风暴单体及其雷达特征物理量;使用多普勒天气雷达和TRMM星载气象雷达的历史观测数据反演河北石家庄地区春夏两季复杂地形条件下的强风暴灾害性天气Logistics多元线性回归概率预警模型。对发生在河北石家庄夏季的一次强飑线天气和发生在春季的一次超级多单体风暴天气进行冰雹闪电灾害性天气识别预警实验,并与传统算法进行误差对比分析。实验结果表明:与传统算法对比,该方法对强风暴天气识别预警的定位精度较高,并且其漏报率和虚报率较低,有助于快速识别预警强对流灾害性天气。      

青藏高原五道梁低层大气气溶胶来源的初步分析：Ⅱ.源地和输送

基于对五道梁大气气溶胶来源的分析结果和青藏高原及其附近地区环流和天气特征，根据各源气溶胶的浓度变化与单站气象要素变化的关系，讨论了气溶胶的源区和输送。五道梁有两个稳定的污染排放源，全年均对该地低层大气有影响。     

北京地区气溶胶PM2.5粒子浓度的相关因子及其估算模型

文中运用统计分析和气象统计预报的方法 ,使用北京白石桥小区的污染物观测资料和同期北京地区的气象观测资料 ,对影响大气污染的气象因子进行了综合分析 ,并分别建立了气溶胶PM 2 .5粒子浓度与气体污染物、气象要素场的两类统计相关拟合模型。发现气溶胶PM2 .5粒子浓度与气体污染物浓度存在不同程度的相关性 ,且与气象条件亦存在显著的相关关系 ,此类时空变化及其量化估算模型具有一定实际应用价值。通过确定气象要素场和气溶胶浓度的关系可进一步研究不同地区的污染物输送和污染源扩散影响的问题。     

南宁市酸雨特征及来源分析

通过对酸雨观测资料和污染源资料的统计分析，并利用拉格朗日烟团模式计算表明，南宁市酸雨的频率较高，pH值较小；南宁市酸雨的来源构成以外来源为主。运用天气学诊断方法，对气象要素影响酸雨来源进行了分析，结果表明，南宁市酸雨主要受东北方污染源影响，且冬春两季的影响最大，风频及逆温对酸雨的影响较大。在上述分析的基础上，总结出近两年大气环流影响酸雨的几种类型，其中以高空槽锋面型为最多，酸雨影响程度也最严重。     

Sonic Anemometer as a Small Acoustic Tomography Array

The spatial resolution of a sonic anemometer is limited by the distance between its transducers, and for studies of small-scale turbulence and theories of turbulence, it is desirable to increase this spatial resolution. We here consider resolution improvements obtainable by treating the sonic anemometer as a small tomography array, with application of appropriate inverse algorithms for the reconstruction of temperature and velocity. A particular modification of the sonic anemometer is considered when the number of its transducers is doubled and the time-dependent stochastic inversion algorithm is used for reconstruction. Numerical simulations of the sonic anemometer and its suggested modification are implemented with the temperature and velocity fields modelled as discrete eddies moving through the sonic’s volume. The tomographic approach is shown to provide better reconstructions of the temperature and velocity fields, with spatial resolution increased by as much as a factor of ten. The spatial resolution depends on the inverse algorithm and also improves by increasing the number of transducers.     

南京一次暴雪过程大气污染特征分析

利用气象和环境监测资料分析2013年2月19日南京一次短时强降雪过程对各类污染源及污染物浓度的影响,并利用Pearson相关分析法分析不同污染物之间及污染物与气象要素之间的相关关系。结果表明：此次南京暴雪对面源影响最大,扬尘排放量几乎为零,流动源主要受机动车早晚高峰变化影响,工业点源受影响不大。此次暴雪过程后,南京空气质量达到优级,2013年2月19日AQI指数比18日与20日均下降35%,SO₂日变化仍呈单峰型,颗粒物及NO2日变化则未呈现早晚双峰变化。PM_2.5与PM₁₀、SO₂、NO₂、CO呈显著正相关,相关系数分别为0.979、0.663、0.837和0.875,说明污染物来源具有一定的同源性。污染物浓度与风速、相对湿度呈显著负相关,与温度、大气压强呈显著正相关。     

南京市大气NOx扩散规律与防治对策研究

以实用的多源大气扩散模型计算了南京市点源、面源及流动源等各类污染源对地面及不同高度的关心点上N0。年平均浓度分布状况及其各类源的平均浓度贡献率，分析了影响NO。在大气中扩散的主要因素，着重对交通源的排污扩散进行研究。发现2000年南京交通源对大气中NO。浓度的贡献率在市区绝大多数地区已超过70％。另外，还将美国的CAI．INE3模式引入南京。模拟了2000年交通源的排污扩散状况。结果表明，经过修正的CAuNE3模式基本上能合理地描述城市道路N0。的污染状况。根据城市管理部门给出的3种NO。减排方案，计算了实施这些方案后大气中NO。污染状况。结果表明。不能继续维持南京市的交通现状。而必须实施机动车车辆控制或排放因子的限制。     

基于OPTICS聚类算法的雷达数据雷暴单体识别方法

雷达数据的雷暴单体识别算法是雷暴追踪算法的重要组成部分,传统的连续区域法只能通过改变回波强度阈值来调整雷暴单体识别结果,不能满足当前应用需求。本文提出了一种基于OPTICS(Ordering Points to Identify the Clustering Structure)算法的雷暴识别方法,该方法能基于高回波点的密度信息进行雷暴单体识别。利用高分辨率X波段天气雷达在两次雷暴过程中的体扫数据检验了算法的效果,并与传统方法进行了比较。结果表明:该方法能克服连续区域法在高分辨率雷达数据中可能出现的无法区分不同单体、识别结果过于零散等问题。并且能在不修改回波强度阈值的情况下灵活调整输出结果,以适应不同应用需求。     

Tracking a Severe Pollution Event in Beijing in December 2016 with the GRAPES–CUACE Adjoint Model

We traced the adjoint sensitivity of a severe pollution event in December 2016 in Beijing using the adjoint model of the GRAPES–CUACE (Global/Regional Assimilation and Prediction System coupled with the China Meteorological Administration Unified Atmospheric Chemistry Environmental Forecasting System). The key emission sources and periods affecting this severe pollution event are analyzed. For comaprison, we define 2000 Beijing Time 3 December 2016 as the objective time when PM_2.5 reached the maximum concentration in Beijing. It is found that the local hourly sensitivity coefficient amounts to a peak of 9.31 μg m^–3 just 1 h before the objective time, suggesting that PM_2.5 concentration responds rapidly to local emissions. The accumulated sensitivity coefficient in Beijing is large during the 20-h period prior to the objective time, showing that local emissions are the most important in this period. The accumulated contribution rates of emissions from Beijing, Tianjin, Hebei, and Shanxi are 34.2%, 3.0%, 49.4%, and 13.4%, respectively, in the 72-h period before the objective time. The evolution of hourly sensitivity coefficient shows that the main contribution from the Tianjin source occurs 1–26 h before the objective time and its peak hourly contribution is 0.59 μg m^–3 at 4 h before the objective time. The main contributions of the Hebei and Shanxi emission sources occur 1–54 and 14–53 h, respectively, before the objective time and their hourly sensitivity coefficients both show periodic fluctuations. The Hebei source shows three sensitivity coefficient peaks of 3.45, 4.27, and 0.71 μg m^–3 at 4, 16, and 38 h before the objective time, respectively. The sensitivity coefficient of the Shanxi source peaks twice, with values of 1.41 and 0.64 μg m^–3 at 24 and 45 h before the objective time, respectively. Overall, the adjoint model is effective in tracking the crucial sources and key periods of emissions for the severe pollution event.     

面向我国碳中和、碳达峰的大气甲烷观测卫星现状与发展趋势分析

甲烷（CH₄）是辐射强迫仅次于二氧化碳（CO₂）的重要温室气体,减少CH₄排放是控制全球增温,实现碳中和目标的必要手段。面对碳中和战略需求,快速定位排放源并定量监测CH₄排放量,准确估算全球和区域CH₄源汇分布,对减排措施的制定、实施和评价均具有重要的现实意义。此外,结合长期CH₄观测数据和气候系统模型探索大气CH₄浓度变化规律,是预测和积极应对气候变化的前提。IPCC 2006年国家温室气体清单指南2019修订版正式提出了利用“自上而下”方法计算通量、核验排放清单的方法,表明获取全球范围内的高精度高时空分辨率CH₄观测数据势在必行。为了实现碳中和目标,本文首先从大气CH₄研究需解决的几个关键科学问题入手,分析了CH₄的星载探测需求,总结了CH₄星载探测的现状和发展趋势,并简要介绍了中国第二代碳卫星的设计思路。同时,星载CH₄探测还依赖于高精度的反演算法提供可靠的数据产品,以实现监测和实际应用的目的。因此,本文进一步阐述了卫星遥感CH₄反演算法及相应数据产品在排放量监测和通量反演中的应用,论述了提升反演算法计算效率和精度,开发甲烷烟羽快速识别算法和建立通量反演算法的必要性。最后,本文从探测、数据获取和应用的角度进行总结,表明了CH₄卫星观测在碳中和目标实践中的科学应用潜能。     

西宁市区不同天气形势下的PM_(10)输送路径及潜在源区

针对2016年西宁市区稳定和沙尘两种不同天气形势,基于后向轨迹气团的聚类分析法、潜在源贡献因子法(PSCF)和浓度权重轨迹分析法(CWT),结合市环境监测站PM_(10)浓度质量资料,分析了西宁市区不同天气形势下不同来源区域PM_(10)质量浓度的贡献影响及其潜在源区。结果表明:西宁市区稳定天气PM_(10)均来自青海省境内,PM_(10)输送路径以西方和东方转向路径最多,占总轨迹数的34.78%和30.43%;西方路径主要从青海省格尔木市向东输送,东方转向路径则从西宁市西部地区向东转而向西输送,两者经过的地区均没有明显的沙源;PM_(10)的潜在贡献源区主要在西宁市区及其北部与大通县和互助县交界地区。沙尘天气PM_(10)输送路径除了以来自青海省海西州的西方路径为最多外,甘肃省河西走廊的东方转向路径也较多,占比分别达到42.11%和36.84%;西方路径PM_(10)主要从沙漠地带南疆—青海省海西州西部向东输送,东方转向路径PM_(10)则经河西走廊沙源地进入西宁市区;PM_(10)污染主要是PM_(10)由沙源地输送进入西宁市区聚集所造成。地形对PM_(10)的输送路径有较大的影响。     

城市面源SO2允许排放总量的网格分配方法

为了弥补A—P值法的不足，本文以A值法和SSIM模式为基础。提出了一种合理分配城市面源SO2允许排放总量的方法。该方法将A值法计算出的面源SO2允许排放总量作为一个约束条件放入SSIM（Source Strength Inversed Model）模式，调整该模式中各组源强的分担率，直至模式反演出的城市控制区各网格内的面源允许排放量之和与约束条件相等为止，此时模式输出的网格面源SO2允许排放量就是城市控制区内面源SO2允许排放总量的分配结果。应用该方法对石家庄市面源SO2允许排放总量进行网格分配，并采用美国工业源长期浓度复合模式（ISC3LT）对石家庄市SO2总量控制效果进行检验。结果表明：采用该方法分配面源SO2允许排放总量，可保证城市总量控制区内各网格上的SO2浓度值均满足国家标准。     

一个基于打靶法的大气污染源反演自适应算法

污染源反演对大气污染预报及控制有重要意义。目前普遍采用的源反演统计方法存在对观测误差、源清单先验估计误差敏感等弱点。基于打靶法思想的各种算法以其精度高、程序简单、实用性强的特点被广泛应用于系统控制领域。本文提出的基于打靶法思想的大气污染源反演自适应算法在精度高、算法简明的基础上弥补了统计方法的不足:能处理源清单中的大误差、初值大误差、观测值在个别时间点的大误差;无需先验分布假设及误差估计。本文还以简单模型的理想试验为例,展示了该自适应算法的计算效果。