北京奥运会空气质量保障方案京津冀地区措施评估

采用嵌套网格空气质量预报模式系统(NAQPMS)源追踪方法,研究了奥运会北京空气质量保障方案京津冀污染控制措施对北京城八区(包括东城区、西城区、崇文区、宣武区、海淀区、朝阳区、丰台区和石景山区)空气质量的影响,量化基准、减排情景下京津冀地区对北京城八区SO2、可吸入颗粒物(PM10)浓度的贡献率。首先,模式对比验证结果表明,NAQPMS较好地模拟出奥运会同期(2006年8月)北京空气质量状况。其次,源追踪方法研究结果表明:1)除平谷县外,其余各区县SO2、PM10浓度北京污染源贡献占主导地位,特别是城八区,北京污染源对SO2、PM10月平均浓度的贡献百分比都超过80%。2)保障方案污染减排情景下,一方面北京污染源对城八区SO2贡献浓度显著减小;另一方面除张家口外,天津、河北各源区对城八区SO2贡献浓度略微下降,综合效果下,城八区SO2浓度将显著下降。与此同时,分析表明北京污染源对城八区SO2浓度贡献效率将增加。3)保障方案减排情景下,北京污染源对城八区一次PM10贡献浓度也显著减小,而天津、河北各源区对城八区一次PM10浓度则略有增加,这与周边源区对城八区SO2浓度贡献特征略有不同,综合效果下,北京本地强有力的颗粒物削减措施依然可有效降低城八区近地面PM10浓度。

BNU-ESM模式及其开展的CMIP5试验介绍

地球系统模式是采用数值模拟方法研究地球各个圈层之间联系及其演变规律，理解过去气候演变过程并预测未来潜在全球气候变化的重要工具。相对于气候系统模式，地球系统模式包含更多的生物地球化学过程，未来还将考虑日地空间环境和固体地球等概念。第五次耦合模式比较计划（CMIP5）是世界气候研究计划（theWorldClimateResearchProgramme，WCRP）耦合模式工作组（WorkingGrouponCoulpedModel，WGCM）于2008年9月启动的，旨在评估各耦合模式或地球系统模式在当前了解较少的碳循环和云反馈过程中的差异机制，

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。

中尺度天气模式在龙芯通用CPU平台的移植和应用

龙芯是中国科学院计算技术研究所自主研发的通用中央处理器(central processing unit,CPU),采用MIPS精简指令集构架.数值天气预报领域是目前高性能计算应用的重要领域之一,本研究选取广泛使用的中尺度气象模式MM5开展龙芯平台天气预报系统研发,在龙芯3A平台成功移植完成MM5模式所依赖的MPICH等各类软件库,构建MM5模式运行的龙芯版软件环境.在此基础上,实现MM5模式下垫面处理模块TERRAIN、水平空间插值模块REGRID、垂直插值模块INTERPF以及MM5模式主模块在龙芯平台的编译移植,并实现MM5模式主模块在龙芯3A平台的并行运行.基于以北京为核心区域的嵌套模拟测试表明,运用单个龙芯3A节点模拟48h情景需要耗费大约50h,未来随着龙芯计算节点增加计算耗时将随之降低,将有望在龙芯计算平台实现中尺度气象模式的预报模拟.本研究同时完成格点分析显示系统(grid analysis and display system,GrADS)和三维可视化软件Vis5D在龙芯平台的编译移植,并以此构建中尺度气象模式预报系统展示子系统,实现龙芯平台中尺度气象模式模拟所需要的全生态移植与应用.

北京空气质量多模式集成预报系统的建立及初步应用

介绍了北京空气质量多模式集成预报系统（EMS-Beijing）．系统中区域空气质量模式包括中国科学院大气物理所自主开发的嵌套网格空气质量模式系统（NAQPMS）模式、美国环保署（EPA）开发的Models-3／CMAQ模式及美国Environ公司开发的CAMx模式等，均使用SMOKE排放模型统一处理大气污染排放清单．此系统各模式采用统一的模拟区域和网格分辨率，采用中尺度气象模式MM5提供统一的气象场，并采用算术平均、权重集成等方法集成各空气质量模式结果，并投入北京空气质量业务预报，有效支持了北京奥运会空气质量数值预报．业务预报结果表明：1）采用SMOKE处理的奥运排放清单较接近实际，2008年8月各空气质量模式可吸入颗粒物（PM10）日均值预报结果相对偏差为-3％～17％，与观测数据相关系数在0．7以上；2）在排放清单较接近实际的情况下，PM10日均值多模式算术平均优于单个空气质量模式；3）分析2008年4—11月业务预报表明，采用权重集成方法预报的PM10日均值优于算术平均方法，达61％．总体上，权重集成方法优于算术平均结果．

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24h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。

AQI标准下北京市空气质量数值预报系统及其在重大活动保障中的应用

围绕新AQI标准下环境空气重污染预报预警工作的需求,全面优化升级了北京市空气质量数值预报系统。该系统集成了新一代天气模式WRF,并进一步发展污染源处理模型SMOKE,实现了点源、面源、机动车源等排放源高时空分辨率制作,同时紧追空气质量模型(CMAQ、CAMx、NAQPMS)新发展,实现在线源解析模块的业务应用。这一系统不仅在日常业务预报中有效提升了北京市空气重污染过程的预报准确率,还成功应用于2014年APEC会议、2015年纪念中国人民抗日战争暨世界反法西斯战争胜利70周年阅兵等重大活动空气质量保障工作中,满足了重大活动对空气质量预报预警的特殊需求,为进一步提高城市空气质量预报预警技术的发展做出有益尝试,并积累了丰富的经验。

区域输送对北京夏季臭氧浓度影响的数值模拟研究

奥运期间北京需要良好的空气质量,北京周边地区的大气污染物排放对北京夏季的空气质量有重要影响。利用嵌套网格空气质量预报模式系统(NAQPMS)模拟了2006年8月份北京及周边地区臭氧的污染情况,并采用质量追踪法分别计算了周边各地区的臭氧污染对北京的贡献率。结果表明,模式系统可合理再现北京及周边地区臭氧的浓度变化情况和输送过程;周边地区的污染输送对北京的臭氧浓度有不同程度的影响,影响较大的地区是天津、张家口、保定和廊坊,其中影响最大的来源是保定,其对北京市区和远郊最大落区的最大贡献率分别达到了28.1%和59.5%;风场是影响周边地区污染输送的主要气象因素。

东亚春季边界层臭氧的数值模拟研究

利用嵌套网格空气质量模式系统(NAQPMS)对2004年4月东亚边界层(距地面2km以下)臭氧进行了数值模拟,并评估了东亚边界层光化学反应的活性.结果表明:东亚春季臭氧呈带状分布,其高值区〔φ(O3)>55×10-9〕主要集中在30°N～40°N.受东亚季风气候控制,沿蒙古、中国东北以及日本一线有一强臭氧输送通道,输送通量达3×10-5mol/(m2.s).通过计算边界层O3光化学净生成率可知,光化学影响主要集中在高污染源排放地区,其与水平输送对臭氧影响的分布具有负相关性,说明光化学生成的O3可被输送至下风地区,而不仅限于局地.

北京两次沙尘污染过程中PM2.5浓度变化特征

利用北京市空气质量监测数据和气象资料,对2013年2月28日和3月9日两次沙尘污染过程PM2.5(空气动力学当量直径小于等于2.5μm的颗粒物,即细颗粒物)、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)浓度及PM2.5浓度/PM10浓度比值的变化特征进行了分析,研究结果表明:(1)沙尘开始影响北京时,PM2.5与PM10浓度表现出反位相变化,PM10浓度在两次沙尘过程中2 h内分别上升50.8%与202.4%,最高达800μg m-3以上;PM2.5浓度分别下降58.3%与50.9%,直至下降至35μg m-3以下,PM2.5有明显改善现象。(2)虽然PM2.5浓度在沙尘到达前有缓升的迹象,但沙尘抵达后,PM2.5浓度持续快速下降,PM2.5浓度/PM10浓度比值由沙尘影响前的0.75以上降至0.25以下。沙尘影响前,PM2.5日均值均超过150μg m-3,北京地区处于重度污染水平。这说明沙尘来临前以人为污染为主,主要由细粒子"贡献",沙尘来临后的空气污染,主要由巨、大粒子的沙尘"贡献"。

奥运会开幕前后北京PM10输送通量变化及情景分析

利用嵌套网格空气质量预报系统(NAQPMS)的模拟结果,对奥运会开幕前后京津冀地区(2008年7月20日～8月24日)PM10(空气动力学当量直径小于等于10μm颗粒物)输送特征进行计算与分析。结果表明,气象条件的改变使得在南、东南和东三个方向输入北京地区的PM10通量在数值与分布上发生了较大幅度改变。开幕式前PM10主要自南部边界输送入北京,占输入总通量的55.8%,东南边界次之,占29.4%;奥运期间,二者贡献分别变为38.1%和47%,且入京总通量小时均值由50t下降为40.2t。垂直方向上,开幕式前输送能力最大的区间位于边界层中下部,奥运期间(8月8日～24日)边界层内输送的垂直分布较为平均。另外,结合2006年同期气象场及排放清单,通过替换的方法对奥运会期间的空气质量状况进行了情景模拟,结果表明:气象场的变化在PM10区域输送中起着决定性的作用,但在空气质量的改善方面,污染源减排的效果更为明显。

城市土壤热扩散率实验研究

为了获得城市边界层能量特征,于2004年7～8月分别在合肥、南京两地采集土壤温度数据,并分析获得两地的土壤热扩散率v_g。由于数据采集存在差异,采用不同的处理方式分析数据:采用振幅变化法分析合肥地区水银地温温度计及计算机系统采集的数据,得到其深度15cm以上土壤层的土壤热扩散率v_g值为1.665×10^(-7)～4.687×10^(-7)m^2/s,v_g值随深度加深而增加;利用热传导方程设计的差分格式分析合肥(铂电阻地温温度计-计算机采集系统采集数据)、南京浦口两地数据,结果表明合肥土壤深度10cm处的v_g值为2×10^(-7)m^2/s,南京土壤深度5～20 cm之间的v_g值为2.1×10^(-7)～6.5×10^(-7)m^2/s,其v_g值随深度变化而变化,趋势与合肥一致。最后比较了合肥、南京两地土壤热扩散率v_g值的差异,对同一土壤深度,南京地区的土壤热扩散率v_g值略大于合肥地区。

蒙特卡罗不确定性分析在O_3模拟中的初步应用

利用蒙特卡罗不确定性分析方法,分析了嵌套网格空气质量模式系统(NAQPMS/IAP)中154个模式输入变量不确定性对臭氧模拟的影响,量化了模式在北京奥运会期间臭氧模拟的不确定性,并确定出了主要不确定性因子。结果表明:(1)在奥运会期间(2008年8月8日～2008年8月24日),北京城区臭氧模拟的平均不确定性为19ppb,不确定性存在明显的日变化特征,白天不确定性大,夜间不确定性小。(2)在白天,北京城区近地层臭氧模拟最重要的不确定性来源是局地前体物排放,其次是NO2光解系数、风向、北京周边前体物排放和垂直扩散系数。另外,地面约150m以上,对臭氧模拟影响最大的不确定性因子是风向和北京周边前体物排放;夜间,北京城区近地层臭氧模拟的最大不确定性来源是局地NOx排放和垂直扩散系数。

北京地面O_3的集合预报试验

基于蒙特卡罗集合预报方法建立了一个北京地面臭氧的集合预报系统,该系统对包括排放源、气象场在内的154个模式输入和参数进行了扰动,共包含了50个集合成员。利用该集合预报系统模拟了北京奥运会期间一次臭氧过程(2008年8月11日～8月13日),分析了集合预报系统在概率预报,最优集合子集预报以及表征预报可靠性方面的特点。结果表明:与原确定性预报相比,集合预报能为用户提供更加丰富的预报信息,通过概率预报可以提供不同事件发生的概率,对臭氧事件的预报准确率更高。采用最优集合子集预报方式时的臭氧预报均方根误差比原确定性预报低了10%以上。

北京奥运会期间NO_2浓度降低原因分析

2002～2008年,北京市城区和近郊8月的NO2月均浓度大体呈现逐年下降趋势,其中前5年二者均以每年约10%的降幅下降,2008年发生显著下降,降幅达40%左右。利用嵌套网格空气质量模式系统(NAQPM/IAP),采用敏感性试验方法,评估了气象条件与污染控制措施对北京奥运会期间大气NO2浓度降低的影响,评估不同污染控制措施对NO2浓度降低的作用。研究结果表明,污染控制措施是NO2浓度降低的主要影响因素,其中面源的污染控制措施对于NO2浓度降低的作用最明显。

北京奥运会期间CBM-Z化学机制的模拟应用

利用CBM-Z化学机制模拟了中国科学院大气物理研究所气象塔站在北京奥运会期间高臭氧时段O3浓度的日变化,评估了气象条件、北京奥运会加强控制措施以及O3前体物浓度对近地面O3生成的影响。结果表明:(1)CBM-Z化学机制较好地模拟了北京奥运会期间典型时段气象塔站O3、NO、NO2日变化特征。(2)有利于局地高臭氧事件发生的气象条件非常相似;北京奥运会加强控制措施的实施显著减少了NOx及VOCs的排放量,导致近地面O3浓度的明显下降。(3)奥运会期间VOCs和CO是影响气象塔站O3生成量的关键因素。

2008年北京奥运会期间污染控制效果数值模拟--以个例分析为例

利用2007和2008年北京地区空气质量监测资料和NCEP再分析资料,分析了北京地区空气动力学当量直径小于等于10μm颗粒物(PM10)污染过程与天气形势及天气系统之间的关系。结果表明:西太平洋热带气旋路径对北京地区发生PM10污染具有预示作用,即当热带气旋北上并在朝鲜半岛或日本登陆的情况下,北京地区一般受持续均压场等弱中尺度天气系统控制,这种中尺度天气系统不利于污染物的扩散,因此北京地区经常发生区域性的PM10空气污染事件。在2007年9次台风北上登陆朝鲜半岛或日本的过程中,北京地区伴随发生了9次PM10污染过程,预示准确率达100%,2008年的预示准确率也达到了80%以上。为了说明北京奥运会期间污染控制措施对改善北京空气质量有实际效果,利用中国科学院大气物理研究所区域空气质量模式NAQPMS,采用无控制措施源和有控制措施源,对2008年北京残奥会期间一次西太平洋北上型热带气旋天气条件下的空气质量状况进行了数值模拟试验,揭示了此次过程北京地区未发生PM10空气污染的原因。

对流层O3区域输送的定量评估方法研究

主要介绍一个可用于化学输送模式的对流层O3来源和过程追踪技术。该方法可定量估算不同区域的光化学反应通过输送过程对目标地区O3浓度的贡献,并且克服了光化学非线性特征对估算结果的影响。以研究2001年中国南部和北部光化学生成O3的输送为例,通过与改进的敏感性分析方法比较,系统评估了该方法的合理性。比较结果表明,两种方法的估算结果在水平、垂直分布和典型输送个例等方面具有良好的一致性,说明污染物来源和过程追踪技术可以为量化区域输送对目标地区O3浓度的影响提供合理结果。个例模拟分析的结果也表明,中国南部和北部光化学生成的O3可以通过输送对整个东亚O3产生重要影响,并且在不同的季节呈现不同的特征。

区域空气质量模式与我国的大气污染控制

区域空气质量模式是大气污染预报与控制的核心研究工具之一,通过建立数学模型描述大气污染物的物理化学性质,考虑大气污染排放的时空规律,进而再现污染物在大气中输送、演变、清除等过程。模式开发涉及大气动力学、大气物理学、大气化学、生态学、大气探测与遥感、污染控制论、计算机和网络技术等诸多学科领域,是一项多学科交叉、复杂性和综合性很强的系统工程。本文主要从大气污染数值模式在北京奥运空气质量保障中的应用实例,阐述空气质量模式在城市和区域污染控制中的作用,以及未来的模式发展方向与前景。

外来沙尘输送对北京市空气质量影响的预报预警技术初步研究

利用多方位监测数据和气象资料,分析了2010—2011年春季外来沙尘输送对北京市空气质量指数的影响,提出外来沙尘对北京市空气质量级别影响的预报判据。此外,基于NAQPMS模型的沙尘模块,开展数值预报研究,并对北京市2010年3月一次沙尘天气污染过程进行数值模拟试验,结果表明,模拟的PM10浓度值与实测值有较好的一致性。通过判别预报和数值模拟两种预报技术的开展,可以预报沙尘输送影响的空气质量级别、沙尘分布和演变规律,为进一步开展空气质量预报预警和防控沙尘工作打下了很好的科学基础。