TRACE-P期间硫酸盐、硝酸盐和铵盐气溶胶的模拟研究

结合最新评估的东亚地区 1°× 1°污染源资料 ,利用由区域大气模式系统 (RAMS)和区域大气质量模式系统 (CMAQ)耦合的空气质量模式系统 ,对东亚地区 2 0 0 1年春季气溶胶的输送及其化学转化过程进行了研究。为了检验模式系统的模拟效果 ,我们将模拟的硫酸盐、硝酸盐和铵盐气溶胶的浓度与TRACE -P观测期间获取的观测值进行了比较。比较结果显示 ,模拟值与观测值具有相当好的一致性 ,模式很好地反映了气溶胶浓度的分布特征和变化规律 ,再现了许多观测到的重要特征。模拟结果表明 ,中国区域硫酸盐气溶胶浓度高值主要是人为排放的二氧化硫造成的 ,10 0°E以东的中国广大地区的硫酸盐气溶胶柱含量超过了 6mg·m- 2 ,最高值达到 2 4mg·m- 2 ,柱含量 >16mg·m- 2 的区域延伸到中国近海的广大海域。东亚地区的人类活动不仅使污染地区气溶胶柱含量显著增加 ,而且使近海无源区的广大海域的污染加重。本模式系统的建立为今后进一步研究区域大气污染物的变化机理提供了有效的手段。     

地震孕育、发生、发展动态过程模拟系统

给出了模拟地震孕育、发生、发展动态过程的微机处理系统．系统可在486以上微机上运行;程序在运行中可自动处理地震发生发展瞬间的时间不连续过程．该系统同时具有实时监控功能,可随时暂停模拟进程,用图形功能显示当前和历史上有关的计算结果．退出图形功能后,可在原来计算结果的基础上继续运行．     

三角网格有限元法声波与弹性波模拟频散分析

本文对声波与弹性波方程进行有限元法离散,构造有限元法频散关系的一般特征值问题,分析了时间离散格式为中心差分的三角网格有限元法声波与弹性波模拟的频散特性. 比较了三种质量矩阵即分布式质量矩阵、集中质量矩阵和混合质量矩阵对有限元法频散的影响;选取四种典型三角网格,分析了混合质量矩阵有限元（MFEM）频散的方向各向异性;数值频散、方向各向异性随插值阶数的增加逐渐减弱,当空间为三阶插值时,频散主要表现为随采样率的变化而几乎无明显方向各向异性, 其频散幅值也较小. 控制其他影响因素不变的情况下,研究了不同波速比介质中弹性波的数值频散. 最后给出了三角网格MFEM的数值耗散性.     

界面二次源波前扩展法全局最小走时射线追踪技术

以Moser方法为代表的最短路径射线追踪算法可以快速稳定地获得整个追踪区域的全局最小走时和路径,但它存在两个缺陷：一是射线大多由折线呈锯齿状相连,长度和位置偏离真实射线路径;二是在低变速区容易出现射线路径多值现象．本文提出的界面二次源波前扩展法全局最小走时射线追踪技术（以下简称界面源法）旨在解决上述两个问题．不同于Moser方法,界面源法只在物性分界面上设置子波源点,子波出射射线可以到达任何不穿越物性界面而直接到达的空间点和界面离散点,在均匀块体内或层内地震波以精确的射线路径传播．显然,界面源法的子波出射方向数远远大于传统方法,算法的追踪误差主要由界面离散引起的,因此,界面源法很好地解决了Moser法存在的问题,大大提高了追踪的精度．同时,由于界面源法的子波源点数远远小于Moser法,因而效率也很高．模型实算证实了该算法的高效性．     

时间域全波场各向异性弹性参数反演

从各向异性弹性波的有限元正演方程出发 ,导出了反问题中时间域雅可比矩阵求解的计算公式 .它具有与时间域有限元正演方程相同的表达形式 ,故可通过有限元正演计算来获得雅可比矩阵 .研究了有限元正演算法的效率和精度、吸收边界条件等方面的问题 ,以提高反演系统的效率和精度 .在此基础上 ,实现了叠前全波场各向异性弹性参数反演 .计算表明 ,在初始模型偏离真实模型较大的情况下 ,层状模型和横向不均匀模型的反演结果均能准确地收敛到真实模型上 .     

横向各向同性介质中地震波场谱元法数值模拟

横向各向同性介质是地球内部广泛存在的一种各向异性介质,因此为了能够更好地认识地震波在这种介质中的传播特征,用数值方法进行地震波模拟显得十分必要.本文采用谱元法对横向同性介质中的地震波进行模拟,该方法基于弹性力学方程弱形式基础之上,具有有限元适应任意复杂介质模型的韧性和伪谱法的精度.文中阐述了基于Legendre多项式的谱元法的理论和推导过程,该方法可以形成全局对角质量矩阵,在时间域使用显式的差分算法,提高运算效率,最后通过横向各向同性介质的数值计算,模拟结果表明该方法是一种有效的数值模拟方法.     

2013年1月华北平原重霾成因模拟分析

2013年1月华北平原出现了罕见的重污染天气过程,并引发连续多天大范围重霾现象。利用中华人民共和国环境保护部公布的空气污染指数日值数据和气象常规观测数据,结合区域空气质量模式系统RAMS-CMAQ的模拟结果,对1月10~15日污染过程的气象要素和关键气溶胶物种时空分布特征进行了详细分析,并对灰霾成因进行了探讨。结果表明,受本次污染过程影响的区域主要分布在北京-天津-唐山、河北省中南部和山东省大部。这些地区细颗粒物(即PM2.5)日均质量浓度超过120μg m–3,且基本被灰霾覆盖,日均能见度在5~8 km之间。其中在北京、天津、石家庄和济南市及周边地区细颗粒物日均质量浓度可达250~300μg m–3,部分市区可超过300μg m–3,而日均能见度则可下降至3 km以下,形成重度灰霾。此外,对气象场的分析显示,本次污染过程期间华北平原大部分地区水平风速较多年平均值偏小约20%,且有明显逆温层覆盖,北京-天津-唐山、河北省南部和山东省北部的相对湿度则较多年平均值偏高达10%~40%。这样的气象条件不仅造成污染物易于堆积,而且有利于吸湿性粒子消光效应的快速增长,使能见度明显下降,是引发灰霾的重要因素之一。在北京地区引发灰霾的主要气溶胶物种为硫酸盐、硝酸盐和铵盐,这3种无机盐对近地面的消光贡献比率达到50%以上。其中硝酸盐的消光贡献比率最高,可达总体效应的1/4,表明在这次污染过程中除相关工业源排放外,交通源排放也是北京地区主要的污染源之一。     

复杂地形对对流混合层的影响

用发展后的混合层模式研究下垫面（地形和地面热力）的不均匀性对混合层结构的影响。数值实验表明,在保持了混合层模式简便和实用等特点的同时,发展后的混合层模式能够很好地反映复杂地形对混合层厚度和风速的影响。     

数值与统计方法在广东核事故应急系统中的应用

根据研究区域（310km×220km）三年的气象资料,将每天的天气按季节、天气状况和风向与风速及其日变化等因子划归为具有代表性的不同天气类型,然后用中尺度气象模式模拟这些天气类型的风温场,使得模拟的风温场能反映下垫面动力和热力不均匀性的影响,并以此统计出研究区域内关心点的天气状况、风向和风速与天气类型之间的相关关系和相关判据。在已知关心点的季节、天气状况、风向和风速后,依据这种相关关系,找出相应天气类型的风温场,并用以预报核泄漏物的污染路径、强度和范围。     

Model analysis of influences of aerosol mixing state upon its optical properties in East Asia

The air quality model system RAMS (Regional Atmospheric Modeling System)-CMAQ (Models-3 Community Multi-scale Air Quality) coupled with an aerosol optical/radiative module was applied to investigate the impact of different aerosol mixing states (i.e., externally mixed, half externally and half internally mixed, and internally mixed) on radiative forcing in East Asia. The simulation results show that the aerosol optical depth (AOD) generally increased when the aerosol mixing state changed from externally mixed to internally mixed, while the single scattering albedo (SSA) decreased. Therefore, the scattering and absorption properties of aerosols can be significantly affected by the change of aerosol mixing states. Comparison of simulated and observed SSAs at five AERONET (Aerosol Robotic Network) sites suggests that SSA could be better estimated by considering aerosol particles to be internally mixed. Model analysis indicates that the impact of aerosol mixing state upon aerosol direct radiative forcing (DRF) is complex. Generally, the cooling effect of aerosols over East Asia are enhanced in the northern part of East Asia (Northern China, Korean peninsula, and the surrounding area of Japan) and are reduced in the southern part of East Asia (Sichuan Basin and Southeast China) by internal mixing process, and the variation range can reach 5 W m－2. The analysis shows that the internal mixing between inorganic salt and dust is likely the main reason that the cooling effect strengthens. Conversely, the internal mixture of anthropogenic aerosols, including sulfate, nitrate, ammonium, black carbon, and organic carbon, could obviously weaken the cooling effect.