大气化学传输模式CAMx的伴随模式:构建及应用

在大气化学传输模式CAMx的基础上,用人工编写代码的方法,构建其伴随模式,并通过数值试验,对伴随模式程序进行了检验。应用CAMx及其伴随模式,针对珠江三角洲地区空气污染进行数值模拟和敏感性分析,计算了地面二氧化硫和臭氧关于污染物排放源的敏感性,并用数值方法探讨了线性敏感系数的适用范围,可为深入研究该地区污染机理和控制策略提供重要依据。用伴随模式可以高效率地计算目标函数关于多个输入变量的敏感性,显著地扩展了原模式的功能,为大气环境优化控制和大气化学数据同化等科学问题提供了有力的研究工具。

能见度集合预报及后处理技术应用

基于污染物情况、环流系统和时空分布特征分析,利用神经网络对历史数据进行建模,生成了能见度集合预报产品。在2022年冬季的TS评分检验中,预报产品优于欧洲中期数值预报中心模式(ECMWF)的能见度预报产品。利用概率匹配、最优百分位和神经网络三种后处理方法生成后处理产品,这些产品的TS评分优于集合预报产品。预报输入的ECMWF模式2 m湿度与实况的偏差是误差的主要来源。利用集成方法对三种后处理产品进行集成,其TS评分结果在低能见度区间总体接近或略优于原始产品。生成的能见度集合预报后处理最优集成预报产品成功提高了对中期延伸期能见度天气的预测准确性。

青岛“上合峰会”期间夜间臭氧增长成因分析

针对青岛“上合峰会”保障期间出现夜间臭氧(O3)浓度增长的现象,本文利用地面常规观测资料和污染物浓度数据对其进行分析和研究.结果表明,在6日20:00~23:00,青岛出现O3浓度持续性增长,峰值浓度达194μg/m^3,浓度增长速率达10.7μg/(m^3·h).结合NCEP/FNL再分析资料可知,在夜间西南风的作用下,江苏、安徽等地排放的O3及其前体物向青岛传输,并在边界层内下沉运动作用下,将其传输至近地面.通过计算边界层内通风量可知,6日边界层内最大风速区高度逐渐降低,达到低空急流的标准,且在夜间1000m以下的通风量呈现出波动性增长,500m和500~1000m高度的通风量峰值分别为3900和5892m^2/s.另外,本研究基于CAMx空气质量数值模式中的O3来源追踪方法(OSAT)对其进行了模拟分析,结果显示在夜间O3增长时段(20:00~23:00),青岛地区的主要贡献来源分别为江苏、安徽以及上海,上述3地的贡献比例平均为62.3%、16.6%和8.6%.

脱硝技术与天然气应用情景下京津冀地区空气质量模拟评估

针对京津冀地区主要大气污染物NOx(氮氧化物)和PM2.5(大气中粒径小于或等于2.5μm的颗粒物),应用柴油车尾气净化技术及中小锅炉烟气脱硝技术,并根据2015年和2030年我国能源规划,设计3种技术应用情景,采用WRF-CAMx耦合模式,对京津冀地区大气中NOx和PM2.5进行了应用情景模拟。结果表明,单独应用柴油车尾气净化技术后(方案1),北京、天津地区大气中的NOx浓度降低幅度达20%,河北地区降低5%;PM2.5的浓度降低幅度约10%;应用柴油车尾气净化技术和2015年能源规划情景(方案2),京津冀地区大气中NOx和PM2.5浓度的降低幅度均超过20%;应用柴油车尾气净化技术和2030年能源规划情景(方案3),该地区NOx浓度降低幅度与之相当,PM2.5浓度降低幅度超过30%。可见脱硝技术和清洁能源利用的有效性依赖于其应用比例。二次气粒转化的化学过程形成的硝酸盐、硫酸盐和铵盐对该地区空气中PM2.5浓度的贡献很大,冬、春、秋季硝酸盐最大贡献高达60%,夏、秋季硫酸盐最大贡献超过70%,铵盐四季最大贡献约25%。这说明PM2.5的主要前体物NOx、SO2、NH3、VOCs(Volatile Organic Compounds)、CO等均大幅度削减才能有效降低该地区空气中PM2.5浓度。

降雨对长三角区域PM2.5浓度的影响

利用WRF-CAMx模式分析首届中国国际进口博览会(简称进博会)期间一次降雨过程对长三角地区PM2.5浓度影响,结果表明,降雨量分布区域与因降雨造成的PM2.5浓度减少量分布区域并不完全一致,湿沉降量受降雨量、PM2.5浓度和风速等多个因素共同影响。数值模拟结果表明,降雨导致浓度下降幅度排前5位的组分分别是有机气溶胶、硫酸盐、硝酸盐、铵盐和细颗粒原生气溶胶,下降幅度分别为44. 28%、16. 55%、11. 55%、9. 53%和5. 23%。结合观测资料和数值模式模拟结果可知,首届进博会期间上海本地减排和周边区域协同控制作用使PM2.5日均质量浓度降低33. 23μg/m3,因降雨引起的湿沉降作用使上海市PM2.5质量浓度降低15. 88μg/m^3。

百色市冬季PM2.5传输路径及来源分析

通过采用后向轨迹结合聚类分析方法计算2015—2016年百色市PM2.5潜在源贡献因子(PSCF)和浓度权重轨迹(CWT),分析影响该市冬季PM2.5质量浓度的潜在源区,并探讨不同源区对PM2.5的贡献率。同时,使用CAMx模式模拟百色市各县区及周边区域对该市大气传输的影响。结果表明,影响百色市PM2.5浓度潜在源主要集中在该市和临近的河池、南宁、崇左,以及北部的贵州省;CAMx模式模拟对百色市冬季大气污染物传输的地区来源与该市大气污染物的PSCF分析和CWT分析权重较大的区域较为一致,这些区域对百色市PM2.5的贡献率达73%。

青岛“上合峰会”保障期间臭氧污染特征及其来源贡献分析

利用地面常规气象要素和逐小时污染物浓度资料,对青岛上合峰会期间的臭氧污染特征及气象条件进行了统计分析。结果表明,在峰会保障期间,各类污染物浓度均有不同程度下降,其中日最大8 h滑动平均臭氧浓度下降至94.1μg/m^3,较峰会保障前期下降2.9%。白天大气氧化性主要受O3控制为主,所占比例达到93.4%。此外,臭氧日变化曲线相较于温度日变化曲线存在1 h滞后性,且风速小于2 m/s的条件下,容易出现臭氧污染情况。基于CAMx空气质量数值模型中的臭氧来源追踪方法(Ozone Source Apportionment Technology,OSAT),对青岛臭氧的污染来源进行了模拟分析。研究结果表明,峰会前期,江苏、安徽对青岛臭氧贡献分别达到32.5%和11.1%,而峰会期间除青岛本地贡献较为突出之外,来自山东、河北及辽宁的贡献有所增加,分别达到了21.7%、9.8%及4.3%。

山西省城市地区近年来环境空气臭氧污染特征及来源解析

基于山西省2018—2020年国控点位O_(3)监测数据分析了全省O_(3)污染特征,分别以晋城市和太原市为典型城市,分析了温度、相对湿度和风向风速等气象因子以及前体物(NO_(x)和VOCs)对O_(3)的影响,并采用CAMx模式开展2020年6—8月山西省O_(3)区域和行业来源解析.结果表明:①山西省O_(3)超标天数中以O_(3)轻度污染为主,且中度及以上污染呈增加趋势,O_(3)污染集中出现在5—9月,且呈现较强的地域性特征,O_(3)浓度日变化呈单峰型特征.②ρ(O_(3-1 h))(臭氧1 h平均浓度)与气温、风速均呈正相关,与相对湿度呈负相关,高温、低湿有利于O_(3)的生成.风速与ρ(O_(3-1 h))呈分段式线性关系,ρ(O_(3-1 h))随着风速增大而升高,当风速大于某一阈值时,ρ(O_(3-1 h))随风速的增加而下降.以典型城市晋城市为例,当温度在25℃以上、相对湿度在30%~60%之间、风速为4~5 m/s,且风向为南风和东南风时更容易出现ρ(O_(3-1 h))高值.③山西省2020年6—8月O_(3)区域来源解析表明,各城市O_(3)本地源贡献较弱而传输贡献影响显著(>80%).④山西省2020年6—8月O_(3)行业来源解析表明,各市工业源类(电力源、焦化源和其他工业源)的贡献率在50%左右,柴油交通源贡献率在20%~27%之间.研究显示,山西省O_(3)污染传输贡献影响显著,联防联控势在必行,电力源、焦化源和柴油交通源对O_(3)生成贡献较大,亟需优先加强管控.

京津冀污染物跨界输送通量模拟

发展了关键影响因子加权人为源分配方法(WKIF),增添了依赖于气象条件和下垫面类型的生物源,动态更新了气象场和浓度场的边界条件.然后利用WRF-CAMx模式定量给出了四季北京、天津和河北大气边界层中PM2.5、O3、CO、SO2、NO2和NO跨界输送通量和北京净输入或输出通量.结果表明WKIF方法合理反映了中小城市人为源的空间分布特征,模式重要输入参量、初值与边界条件的改进显著改善了WRF-CAMx模式对京津冀地区6个观测站点近地面NOx、O3和PM2.5浓度的模拟.北京向天津冬、春季主要通过西北方向,夏、秋季主要经过偏西方向输入NO、NO2、SO2、CO、O3、PM2.5,输送通量夏季均最小,冬季均最大,且四季北京向天津输入的CO、O3、PM2.5通量显著高于NO、NO2、SO2通量.河北的污染物冬、春季主要通过西北方向,夏季主要经由偏南方向,秋季主要途径偏西方向进入北京;四季北京向河北输入NO和NO2,但跨界输送通量小于20t·d-1;四季河北向北京输入的CO、O3、PM2.5通量远高于北京向河北输送的NO、NO2通量,明显大于北京向河北输送的SO2通量,且河北向北京输入CO、O3、PM2.5通量夏季均最小,冬季均最大;四季北京大气边界层中NO、NO2、SO2最大净输出通量小于50t.d-1,CO、O3、PM2.5净输入或输出通量分别为111～2309、567～6244、715～1778t·d-1.这些定量结果为京津冀区域污染源调控对策的制定提供了科学依据.

2014年春季山东省PM_(2.5)跨界输送研究

利用CAMx模式模拟了2014年春季(3~5月)山东省ρ(PM2.5)浓度空间分布、输送、沉降特征并建立了各市PM2.5跨界输送矩阵.结果表明,山东省ρ(PM2.5)分布呈现明显的空间差异特征,鲁西地区浓度较高,半岛地区浓度较低;垂直方向上ρ(PM2.5)主要集中在2 000 m以下.全省ρ(PM2.5)水平输送通量平均达110μg·(m2·s)-1,全省总沉降量为23.05×104t.全省近地面ρ(PM2.5)外来输送贡献率为21.08%±3.83%,各市外来输送贡献率平均为40.45%±5.96%;随着高度的升高,京津冀、背景及边界等条件对山东省ρ(PM2.5)的贡献率明显上升,分别上升了7.56%、6.18%.