基于CMA-MESO三维变分系统的化学同化框架设计及气溶胶观测的初步分析预报试验

CMA-CUACE-Haze化学天气模式是中国研发的气溶胶过程模拟和评估工具,但目前还没有配套的大气化学天气耦合同化分析系统。文中在CMA-MESO三维变分分析的基础上建立了区域化学天气耦合同化系统,该系统把变量之间不相关的PM_(2.5)和PM_(2.5-10)作为控制变量,采用模型化的背景误差协方差,初步实现气溶胶观测PM_(2.5)和PM_(10)的同化分析。通过单站气溶胶观测的理想同化试验验证耦合同化系统设计的合理性,并针对2016年12月的重污染天气过程进行GTS传输的常规观测与气溶胶PM_(2.5)和PM_(10)观测资料同化与预报试验。试验结果表明,大气化学天气耦合同化系统可对气溶胶观测和天气变量观测同时进行极小化分析,大气化学变量和天气变量分析场互不影响;气溶胶观测资料的同化合理修正了大气化学背景场,PM_(2.5)和PM_(10)变量分析场更接近观测;气溶胶观测资料同化对污染物预报的影响可持续72 h。搭建的区域化学天气耦合同化系统能为CMA-CUACE-Haze化学天气模式提供更准确的化学初始场。

地面PM_(2.5)和气溶胶激光雷达联合变分同化对天津冬季一次重污染过程数值模拟改进研究

针对输送型重污染过程,大气化学模式垂直模拟偏差较大,地面观测同化对污染垂直初始场改进不明显,高空输送模拟偏低的问题,以2023年1月5~6日天津地区一次重污染过程为例,通过PM_(2.5)地面观测和气溶胶激光雷达垂直观测联合应用,发展相应的气溶胶变分同化技术,改进大气化学模式污染垂直模拟效果,服务重污染天气预报预警和成因解析.研究表明:此次重污染过程由于大气化学模式垂直模拟能力不足,导致S1发展阶段地面PM_(2.5)增长速率和S2维持阶段的峰值浓度明显低估,垂直分布上污染层高度模拟偏低200~300m,白天输送阶段高空PM_(2.5)浓度高于地面、夜间稳定边界层以上污染高值特征均未能有效反映;通过同化地面PM_(2.5)观测有效实现PM_(2.5)空间分布模拟优化,过程期间上游城市石家庄和衡水的模拟误差分别下降35.3μg/m^(3)和77.3μg/m^(3),天津地面PM_(2.5)质量浓度模拟误差下降39.7μg/m^(3),但地面同化对垂直分布模拟改进有限,尤其是对于输送型污染过程中PM_(2.5)垂直分布的复杂变化,基本无法准确反映;通过增加气溶胶激光雷达PM_(2.5)垂直观测同化,模式PM_(2.5)垂直模拟效果进一步提升,450m左右均方根误差减小幅度最大,约19.8μg/m^(3).在同化时刻及临近2~3h正效果明显,后续时效中S2阶段表现更优,夜间稳定边界层以上污染高值得到有效模拟,污染层高度模拟差异减小至50~100m,低于未同化CTRL试验(200~300m)和地面同化DASFC试验(100~200m);S1阶段随着时效延长垂直模拟偏差明显增加,但同化的正作用依旧存在,污染层高度模拟误差比DASFC试验降低幅度不低于50m.

基于源反演和气溶胶同化方法天津空气质量模式预报能力改进

为提升天津空气质量数值模式精细化预报能力,基于高分辨率排放源清单,技术应用源反演技术和气溶胶三维变分同化方法开展2020年天津空气质量数值预测分析,评估不同技术对空气质量模式预报能力改进,并结合气象因素评估模式系统性误差,以期提升天津空气质量精细化预报能力,服务分区精细化大气污染防治.结果表明,基于高分辨率排放源清单、源反演技术和气溶胶三维变分同化方法,可有效改进天津空气质量模式预报能力,调整后天津PM_(2.5)、PM_(10)、SO_(2)、NO_(2)和O_(3)浓度预报平均偏差均在2μg·m^(-3)以内,其中高分辨率排放源清单应用后PM_(2.5)平均偏差为1.80μg·m^(-3),源反演技术和气溶胶三维变分同化技术应用后平均偏差分别为-1.45μg·m^(-3)和-3.98μg·m^(-3),均显著小于原模式的18.75μg·m^(-3);PM_(2.5)浓度预报和实况的相关系数,基于高分辨率排放源清单、源反演技术和气溶胶三维变分同化分别提高至0.77、0.80和0.92,相对误差分别下降至33.71%、30.62%和21.91%,空间差异有效预报天数提高至145、175和360 d,优于原空气质量模式PM_(2.5)浓度预报相关系数的0.73、相对误差的35.66%和空间差异有效预报天数的100 d.其中气溶胶三维变分同化技术将天津中-重度过程预报TS评分由0.46提升至0.72,重污染过程预报TS评分由0.60提升至0.80.方法改进后天津空气质量数值模式预报仍存在一定系统性误差,呈现低污染时预报偏高,高浓度时预报偏低;低相对湿度时预报偏高,高相对湿度时预报偏低;低风速时预报偏低,高风速时预报偏高的特征,尤其锋前低压和低压槽天气时PM_(2.5)浓度预报值比实况显著偏低,可根据上述特征进行系统性调整,进一步提升空气质量数值模式预报准确性,精细服务天津大气污染防治.

气象-气溶胶资料联合同化对秋季PM_(2.5)浓度模拟的影响研究

相比冬季大范围静稳条件下的污染堆积过程,秋季气象条件更加复杂和局地化,气象条件模拟不确定性给秋季气溶胶模拟带来了更大难度,且目前研究较少考虑气象-气溶胶因素在线模拟和联合同化。使用WRF/Chem模式和格点统计差值(GSI)三维变分同化系统,2015年10月进行了为期1个月的气象-气溶胶资料联合同化及模拟试验,并基于此讨论了气象-气溶胶资料联合同化对秋季PM_(2.5)浓度模拟的影响。结果表明,WRF/Chem模式可以模拟出秋季污染天气过程,但对华北平原和中东部地区存在高估、西北部存在低估现象;同化地面PM_(2.5)浓度观测资料可以改进对PM_(2.5)浓度的模拟,上述两个地区的偏差均得到订正,6 h预报偏差均降低至6μg/m3以内;重点针对华北地区的分析表明,秋季PM_(2.5)污染过程与特殊气象条件(湿度升高、风场辐合、区域输送)密切相关,因此在地面PM_(2.5)观测资料同化基础上增加常规气象资料同化,能进一步提高对华北平原气象-污染过程的表达,PM_(2.5)浓度预报相关系数从0.86提高至0.89。气象-气溶胶联合资料同化能更加准确地模拟秋季气溶胶污染过程,为更好地开展污染成因和在气象预报框架下开展气象-气溶胶相互影响研究提供了基础。

利用同化资料改进WRF-Chem对华北地区秋季PM_(2.5)预报的研究

气溶胶初始场同化能够提高WRF-Chem气象-气溶胶耦合预报的准确度。为了讨论气溶胶同化在不同时刻对耦合模式预报的影响,针对2015年10月一次重度霾污染过程,进行了一天4个不同时刻的气象-气溶胶联合同化及短时预报试验研究。结果表明,在同化气象资料的基础上同化气溶胶观测资料能够改善不确定性较大的排放源清单带来的模拟高估问题,减小初始场PM_(2.5)的正偏差;随着初始场PM_(2.5)浓度的下降,气溶胶导致的地面辐射的下降减弱,使得日间时刻6 h预报场的向下短波辐射量增加;日间近地面温度和湿度对辐射量变化的响应(增温减湿)呈现为在空间大面积上的重合和时间上的同步,这种响应在循环滚动预报的影响下即使在夜间也得到了延续;近地面增温减湿的结构有助于边界层向上发展,从而促进气溶胶的向上传输,最终进一步减弱预报场对地表PM_(2.5)的高估。因此,气溶胶同化带来的初始场PM_(2.5)信息的改善,使得6 h耦合预报的结果更加准确。

基于WRFDA-Chem三维变分同化系统的中国PM2.5和PM10资料同化试验

将大气化学三维变分同化系统WRFDA_Chem引入睿图—化学环境气象数值预报系统(RMAPS-Chem),利用2016年11月地面观测细颗粒物(PM2.5)和颗粒物(PM10)逐小时质量浓度资料进行同化预报试验:6 h循环同化结果表明,WRFDA-Chem对初始场PM2.5和PM10的模拟偏差和相关性有显著改善,均方根误差(RMSE)减小40%左右,相关性提高0.27~0.37;同化对预报改进能持续24 h以上,PM2.5(PM10)浓度预报RMSE降低25%(10%),相关性提升14%(25%);加密同化频次(逐小时循环同化)进一步改进预报效果。未来需要进一步开展同化数据质量控制方案研究以优化业务预报效果,并在深入理解模式不确定性和偏差来源的情况下,进一步开展模式和同化系统的协同发展。