嵌套网格空气质量预报模式系统的发展与应用

主要综述中国科学院大气物理研究所自主开发的嵌套网格空气质量预报模式系统(NAQPMS,NestedAir Quality Prediction Modeling System)的历史发展与应用情况。模式发展伊始为欧拉污染物输送实用模型,利用其研究东亚硫氧化物的跨国输送问题,得出中国对于周边国家的输送量不大的结论;在系统中嵌入适合东亚的起沙机制模块,用来模拟沙尘发生、输送及沉降等过程,估算亚洲大陆沙尘气溶胶对海洋地区的输送与沉降通量,为研究海洋生物地球化学循环提供基础数据;利用该系统研究沙尘及其土壤粒子对酸雨的中和作用,发现沙尘输送对东亚酸雨的分布影响很大;发展城市尺度高分辨率气象和空气质量预报技术,使模式水平分辨率达到500 m,并应用于台北高浓度臭氧和PM10的模拟;研究和集成区域及城市尺度大气污染预报理论和模拟技术,研制成目前的嵌套网格空气质量预报模式系统,以探讨不同尺度各种污染(如沙尘暴、城市光化学烟雾、酸雨、高浓度悬浮颗粒物等)的变化规律。在模式系统中初步建立资料同化模块,开展大气化学成分及沙尘输送模拟的资料同化研究。系统已经在北京、上海、深圳、郑州等城市环境监测中心实施空气质量的实时预报。未来,系统将集成到全球环境大气输送模式(GEATM),以实现从城市群到全球具有双向耦合功能的模式系统。

非结构网格空气质量模式对东亚强沙尘暴的初步模拟研究

基于中国科学院大气物理研究所自主研发的嵌套网格空气质量数值预报模式（NAQPMS）和英国帝国理工学院应用计算与建模小组（AMCG）研制的有限元流体模式（Fluidity）,构建了非结构网格沙尘传输模式（Fluidity-Dust）,并模拟再现了2010年3月19-22日东亚强沙尘暴整个暴发、演变的三维立体动态过程,从整体上对这次沙尘事件有了全新的直观认识和了解。通过利用FY-2D卫星沙尘反演资料及MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）卫星反演的气溶胶光学厚度（AOD）资料,可对模拟结果进行整体上对比验证;同时,利用中国9个城市站点的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）地面观测资料以及日本多个站点的激光雷达资料,逐一对比分析了不同地区PM10的时空分布以及沙尘传输经过时的垂直分布情况;并与NAQPMS模式的沙尘模拟结果进行了模式间的对比分析。对比结果均表明：该模式具有较好的模拟能力,能很好地模拟再现整个沙尘暴过程,为今后进一步运用自适应变网格技术以实现对沙尘暴的高精度追踪模拟奠定了基础。不同模式比较是量化模拟不确定性的重要方法。以往沙尘输送模式比较研究表明：起沙量模拟的不确定性是沙尘暴数值模拟的最大不确定来源。本文通过两个具有相同起沙方案的模式对同一沙尘事件的模拟,发现不同的平流方案以及不同的沉降计算也会对沙尘过程模拟产生重要影响。

北京市环保局高性能运算计算集群系统模式集成预报技术开发

该项目围绕奥运空质量预报需求,研发多种集成预报技术手段,开发以大气物理所双向嵌套模式、国际著名的MODEL 3CMAQ模式、CAMx模式为基础的空气质量多模式集成预报系统,研发的该预报系统平台实施多重嵌套方案,可实现从东亚、华北、京津冀、北京全域多层次的空气质量实时数值预报,并可为北京绿色奥运提供高质量的数值预报模型,从而提高空气质量预报准确率。

多尺度城市边界层数值模式系统

人为活动影响天气气候变化是当前大气科学研究的热点问题.随着城市发展,人为活动的加剧,城市非均匀下垫面大气边界层的数值研究面临更多的挑战.研究工作着眼于引入更完善的城市大气边界层物理过程,进一步发展完善南京大学的多尺度数值模式系统,以提高模式系统的模拟性能.主要研究内容包括:1)城市尺度模式中人为热及建筑物拖曳参数参数化方案的完善;2)基于参数化方案完善以及精细地理信息、地表特征参数支持下提高了城市尺度数值模式的分辨率;3)完成不同尺度边界层模式单向向下嵌套及各边界层模式与空气质量模式的单向嵌套;等等,从而建立物理机制更合理,计算过程更完善的多尺度城市边界层数值模拟系统,为天气气候研究,城市环境保护,城市发展规划以及国家安全防御等工作服务.

Wave Watch的操作系统移植及其与SWAN嵌套接口的改进

为使WaveWatch和SWAN两种海浪预报模式能够有效地嵌套运行,将WaveWatch模式从UNIX移植到Windows系统下运行,同时对SWAN模式与WaveWatch模式的嵌套接口格点座标读取精度进行修改,使其能够应用于不规则边界的曲线网格和小间距规则网格的嵌套;作为检验个例,使用WaveWatchIII与SWAN模式多重嵌套的方法在Windows系统下对长江口海浪场进行数值模拟实验,得到了理想的模拟结果。

全耦合多尺度空气质量预报模式系统

空气质量预报模式系统是空气质量状况预测、潜在重污染事件预警、外场观测实验指导的关键甲台。目前，空气质量预报模式正在从离线耦合向在线全耦合模式过渡，我国迄今未形成全球区域城市尺度伞耦命夺气质蛋预报预警系统。提高特定区域模拟精度，普遍选州等距均匀的嵌套网格技术，无法动态加密污染源高排放区或污染物高浓度区模式网格，也无法充分反映高浓度条件下非线性化学过程。自适应网格方法可以更好解决该问题，但在窄气质量模式中应用很少。

北京市环保局高性能运算计算集群系统模式集成预报技术开发

该项目围绕奥运空气质量预报需求,研发多种集成预报技术手段,开发以大气物理所双向嵌套模式、国际著名的MODEL 3CMAQ模式、CAMx模式为基础的空气质量多模式集成预报系统,研发的该预报系统平台实施多重嵌套方案,可实现从东亚、华北、京津冀、北京全域多层次的空质量实时数值预报,并可为北京绿色奥运提供高质量的数值预报模型,从而提高空气质量预报准确率。

北京市环保局高性能运算计算集群系统模式集成预报技术开发

项目概况该项目围绕奥运空气质量预报需求,研发多种集成预报技术手段,开发以大气物理所双向嵌套模式、国际著名的MODEL 3CMAQ模式、CAMx模式为基础的空质量多模式集成预报系统,研发的该预报系统平台实施多重嵌套方案,可实现从东亚、华北、京津冀、北京全域多层次的空气质量实时数值预报,并可为北京绿色奥运提供高质量的数值预报模型,从而提高空气质量预报准确率。

北京市环保局高性能运算计算集群系统模式集成预报技术开发

该项目围绕奥运空气质量预报需求,研发多种集成预报技术手段,开发以大气物理所双向嵌套模式、国际著名的MODEL 3CMAQ模式、CAMx模式为基础的空气质量多模式集成预报系统,研发的该预报系统平台实施多重嵌套方案,可实现从东亚、华北、京津冀、北京全域多层次的空质量实时数值预报,并可为北京绿色奥运提供高质量的数值预报模型,从而提高空气质量预报准确率。

北京市环保局高性能运算计算集群系统模式集成预报技术开发

该项目围绕奥运空气质量预报需求,研发多种集成预报技术手段,开发以大物理所双向嵌套模式、国际若名的MODEL3/CMAQ模式、CAMx模式为基础的空气质量多模式集成预报系统,研发的该预报系统平台实施多重嵌套方案,可实现从东亚、华北、京津冀、北京全城多层次的空气质量实时数值预报,并可为北京绿色奥运提供高质量的数值预报模型,从而提高空气质量预报准确率。

空气重污染应急措施对北京市PM_(2.5)的削减效果评估

利用嵌套网格空气质量模式系统（NAQPMS）模拟了2013年1月10～14日一次典型的大气严重污染过程,并利用同期气象和污染物浓度的小时观测数据验证了NAQPMS的模拟结果.敏感性试验结果表明,在重污染期间,当仅实施《北京市空气重污染应急预案（试行）》一级预警中机动车单双号限行措施时,可削减北京PM2.5小时平均浓度4%～10%;当仅实施工业限产减排30%的措施时,可削减北京PM2.5小时平均浓度1%～6%;当同时实施机动车单双号限行和工业限产减排30%的措施时,可削减北京平均PM2.5小时平均浓度6%～12%,并且PM2.5小时浓度与削减率的变化趋势呈反相关,即该措施对污染较轻时段PM2.5浓度削减率高于污染峰值时段;若京津冀地区两市一省同时实施机动车单双号限行和工业限产减排30%的措施时,可削减重污染期间北京小时平均PM2.5浓度20%～35%,且污染严重的区域和时段削减效果更加显著,空气质量可提升一个等级.研究结果表明,当北京发生重污染时,仅靠北京本地限排限产并不能有效减轻PM2.5浓度,若要有效控制北京重污染,应根据污染物区域输送特征,京津冀地区实施大气污染联防联控。

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。

河南省一次PM_(2.5)污染过程区域性影响数值模拟

为了研究区域输送对河南省PM_(2.5)重污染的影响,利用中国科学院大气物理研究所自主研发的NAQPMS(嵌套网格空气质量预报)模式模拟了河南省2014年1月12─19日的一次污染事件.污染期间,河南省所有城市ρ(PM_(2.5))小时均值最大值均超过250μg/m3,达到了严重污染水平.利用基于NAQPMS的污染源来源追踪方法评估了本地排放和区域输送的影响.结果表明:研究期间,本地排放和区域输送对河南省ρ(PM_(2.5))的平均贡献率分别达到了50.6%和49.4%.在区域输送方面,安徽省对河南省ρ(PM_(2.5))的贡献率(10.0%)最高,山西省(9.2%)、陕西省(8.5%)次之,河北省(仅2.1%)最低.分地区来看,河南省中部地区以本省累积(贡献率为61.4%,下同)为主,东部地区以安徽省(30.4%)输送为主,南部地区以本省累积(45.1%)、湖北省(14.1%)及安徽省(13.7%)输送为主,西部地区以陕西省(35.4%)输送为主,北部地区则主要以本省累积(58.1%)及山西省(20.7%)输送为主.研究表明,尽管河南省各地区同时出现高污染,但其来源不同,有必要采取区域联防联控措施.

东亚边界层臭氧时空分布的数值模拟研究

利用嵌套网格空气质量预报模式系统（NAQPMS）对2010年东亚地区边界层臭氧（O3）的时空分布进行了数值模拟,并评估了东亚边界层光化学反应的活性.结果表明,NAQPMS 模式与观测结果较为一致,站点观测与模拟的日均值（月均值）相关系数达到0.56-0.91,模式能合理再现东亚地区地面O3的时空分布特征.东亚地区冬季边界层O3低值区出现在中国东部；春季O3浓度增加,西北太平洋沿岸地区O3浓度达60μL/m^3左右；夏季东亚中纬度35°N附近大陆地区O3由于强烈的光化学反应呈现出一浓度高值带,浓度达60μL/m^3以上；秋季东亚大部分地区O3浓度维持在40-45μL/m^3左右.夏季中国京津冀和长江三角洲部分地区光化学净生成率已超过30×10^-9/d.

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。

兰州城区冬季大气污染物日变化的数值模拟

应用嵌套网格空气质量预报模式系统(NAQPMS),模拟研究了兰州市2006年12月大气污染的日变化特征及其影响因素。在复杂地形条件下,兰州城区冬季大气污染日变化呈现白天高、夜晚低、峰值在中午的特点,NAQPMS较为合理地再现了这一特征。分析表明,在兰州冬季低风速的情况下,逆温出现频次的日变化特征与污染的日变化特征保持一致,说明逆温在冬季大气污染日变化中的作用显著。

武汉市大气污染变化趋势预测

以2014年武汉市大气污染源排放清单为基准,结合《武汉市城市空气质量达标规划(2013—2027年)》研究工作,预测了其实施后在控制"两高"行业新增产能、污染源综合治理、淘汰落后产能、控制机动车保有量等方面对武汉市SO_2、NO_x、PM_(10)、PM_(2.5)的减排量.利用嵌套网格空气质量预报模式系统(NAQPMS),模拟分析了《达标规划》大气污染治理重点工程实施的空气质量改善效果.结果表明:《达标规划》实施后,2020年武汉市SO2、NO_2、PM_(10)和PM_(2.5)排放量将分别比2014年削减22%～66%、6%～37%、14%～40%和17%～46%;武汉市空气质量有所改善,但NO_2和颗粒物年均浓度仍不能达到环境空气质量二级标准.

云光学厚度对华北地区夏季边界层臭氧模拟影响评估

为评估云光学厚度(CLDOPD)在空气质量数值模式中对边界层臭氧浓度的模拟影响,利用中国科学院大气物理研究所自主研发的嵌套网格空气质量预报模式系统(NAQPMS),对中国华北京津冀地区2013年6月夏季臭氧浓度进行模拟。结果表明:NAQPMS对极端对流性天气下的CLDOPD模拟偏低,结合观测数据对CLDOPD进行修正后,边界层臭氧浓度的模拟误差在一定程度上有所减小。此外,除极端性天气外模式对高CLDOPD值情况下的边界层臭氧浓度的模拟能力要优于低值情况。

亚运时段广州大气污染物来源数值模拟研究

利用嵌套网格空气质量预报模式系统(Nested Air Quality Prediction Model System,NAQPMS)研究2006年亚运时段广州的空气质量状况,同时结合污染源追踪方法,分析珠三角各城市的源排放对广州全市、广州二环以内市区、广州6个亚运加强观测站的污染物浓度贡献.结果表明,NAQPMS模式能较好地反映广州各污染物(NO2、SO2、PM10)浓度的变化;广州全市、广州市区、6个亚运加强观测站的污染物最主要来源于本地排放,而周边城市以东莞的贡献最大.3个源受体中,广州市区受本地排放的影响最显著,来自本地的NO2、SO2、PM10的月均贡献率分别为89.5%、75.4%、86.7%;东莞则对6个亚运加强观测站的影响最为突出,其NO2、SO2、PM10的月均贡献率达9.3%、23.8%、21.7%,而日最大贡献率高达19.3%、40.2%、48.7%.因此在大力削减广州本地污染排放的同时,对周边城市特别是东莞实施区域联防联控,将能有效改善亚运场馆附近的空气质量.