基于拉格朗日混合单粒子轨迹模式(HYSPLIT)的核污染物扩散数值预报技术

本研究利用拉格朗日混合单粒子轨迹模式(HYSPLIT)开展了核污染物数值预报试验。欧洲示踪试验和虚拟事故情景下的模拟预报试验结果表明,HYSPLIT模式模拟的1h内轨迹最小绝对误差约为0.2°,该模式可以有效地预报核污染物的扩散轨迹。模拟轨迹误差主要受风向和风速的影响,且初始状态误差会使轨迹模拟的误差随着预报时效增加而逐渐增大;对于单次轨迹模拟,模式模拟轨迹会存在偏差,但在一定时间范围内,轨迹模拟可以很好反映示踪剂在释放后空间范围内整体的分布特征;利用大气扩散模式HYSPLIT和中尺度天气预报模式(WRF),可以实现区域核污染物的数值预报,模式可以预报出事故区域核泄漏物质的扩散路径和浓度分布。

HYSPLIT模式轨迹计算误差分析

基于NCEP 1°×1°再分析资料GDAS和NCEP2.5°×2.5°再分析资料GBL,利用美国NOAA空气资源实验室ARL研发的一种用于计算和分析大气污染物输送、扩散轨迹的混合单粒子拉格朗日综合轨迹模式HYSPLIT,对2010年3月12日12时和田站距地100 m高度空气质点的3 d前向轨迹进行了模拟,分析了轨迹计算中的积分误差和分辨率误差.此次轨迹模拟试验中,积分误差对轨迹计算误差的贡献很小.随着积分时间的延长,积分误差略有增大.积分误差并未随着驱动数据分辨率的提高而减小.分辨率误差在积分的各个时刻并不相同,它与地形高度与天气系统有关.在轨迹模式中,轨迹计算基于风速在时间和空间上的线性插值,轨迹模拟的不确定性也与插值有关.使用不同分辨率的驱动数据对轨迹计算结果影响显著,分辨率误差对轨迹计算误差的贡献远大于积分过程中截断近似等带来的积分误差.

基于完全4D参考轨迹的场面滑行引导

文中针对自动驾驶模式,构造滑行油耗模型,以滑行过程中油耗最低为目标并利用粒子群算法得到航空器最优滑行速度剖面、包含航空器任意时刻位置信息的完全4D参考轨迹.并且根据航空器运动学模型、基于完全4D参考轨迹设计了一套基于模型预测控制算法(model predictive control, MPC)的控制器,以轨迹点位置误差和控制量变化最小为目标实现精准的参考轨迹追踪.最后,通过实验仿真验证了基于油耗模型的4D轨迹设计方案降低了成本、基于MPC的滑行引导算法能够驱动航空器在较小误差下实现完全4D参考轨迹.

基于HYSPLIT4模式的天水市颗粒物输送路径

首先利用后向轨迹模式(HYSPLIT)模拟了天水市2017~2019年冬季后向轨迹,分析了50,200,500和1000m 4个不同高度以及500m高度不同聚类数量对路径输送聚类统计结果的影响,并以500m高度四个季节的后向轨迹进行聚类分析,进一步运用权重潜在源贡献分析法(WPSCF),探讨了研究期间天水市细颗粒物的潜在源区及不同源区对天水市颗粒物浓度的贡献,结果表明,(1)起始点高度为500m时,颗粒物浓度极值比和极值差均较大,聚类结果最具代表性;(2)不同聚类数量分析结果表明,按照总空间变化(Total spatial variation,TSV)显著增加的原则选取的聚类数量较少,且能反映不同方向的轨迹输送特征;(3)天水市不同季节的轨迹聚类结果表明,冬季来自陕西南部的东南路径是PM_(2.5)污染程度最高的路径,该路径下PM_(2.5)浓度为78.2μg/m^(3),春季西北路径的颗粒物浓度最高,PM_(10)和PM_(2.5)的平均浓度分别是127.9~129.9和40.6~41.0μg/m^(3),夏秋季节不同路径的颗粒物浓度相差不大.

甘肃地区春冬季颗粒物输送路径及潜在源分析——基于HYSPLIT4模式及TraPSA分析平台

利用HYSPLIT4模式和全球资料同化系统数据,计算了甘肃地区5个站点2017~2018年逐时72h气团后向轨迹;结合各站点颗粒物逐时质量浓度数据,选择颗粒物污染最严重的春冬季,利用轨迹聚类方法分析了甘肃地区后向气流轨迹特征;基于潜在源贡献函数(PSCF)分析法和浓度权重轨迹(CWT)分析法,将各站点分析结果输入TraPSA分析平台进行加权叠加分析,探讨了影响甘肃地区春冬季颗粒物质量浓度的潜在源区及其贡献.结果表明:西北路径是影响甘肃地区的首要路径,其移动速度快、输送距离长、污染程度严重;东北路径次之,主要来源地为蒙古及内蒙古地区;甘肃南部地区受东南路径的短距离输送影响较大,且受到来自青藏高原的输送影响;甘肃地区春季气团轨迹的输送距离较冬季长且输送高度高,冬季PM_(2.5)浓度均值和PM_(2.5)/PM_(10)的比值均较夏季高.多站点PSCF叠加分析发现,PM_(10)潜在贡献源区春季主要分布在新疆东部、准噶尔盆地、塔里木盆地东北部及青海西北部,蒙古南部、四川北部、青海西北部及东部有零星分布;冬季主要位于新疆东部及塔里木盆地、青海西北部及东部、陕西南部;冬季源区整体向南偏移,且省内的短距离输送加强.多站点CWT叠加分析发现,PM_(10)浓度贡献区春季主要位于新疆东部地区、准噶尔盆地附近,蒙古南部及内蒙古北部有线性分布,青海北部及甘肃北部区域有零星分布;冬季主要分布在新疆东部及甘肃北部地区;春季较冬季PM_(10)污染的主要贡献区域更大、污染更重,但省内的短距离传输及颗粒物污染程度减弱.

基于后向轨迹模式下的合肥市大气污染来源研究

利用HYSPLIT(hybrid single-particle Lagrangian integrated trajectory)-4后向轨迹模式和美国国家环境预报中心(NCEP)的全球资料同化系统(GDAS)气象数据,结合SO2、NO2、PM10和PM2.5等常规大气污染物的质量浓度数据,对安徽省合肥市2014年的大气污染输送过程进行了模拟,并通过聚类分析和轨迹分型确定大气污染传输路径及影响源区.结果表明:合肥市的气流后向轨迹季节变化明显;合肥市不同季节的污染物潜在源区不同.1月份西北方向气流占43%,城市间局地气流占57%,SO2、NO2、PM10、PM2.5各项污染物浓度都很大;4月份从长三角地区来的气流占58%,各项污染物浓度都很低;7月份城市间局地气流占48%,长三角地区来的气流占24%,PM10浓度较高,其他污染物浓度较低;10月份城市间局地气流占50%,北方气流占27%,长三角地区来的气流占23%,PM10浓度较高,其他污染物浓度较低.影响合肥市大气污染的来源主要有北方气流,长三角地区来的气流和城市间局地气流.

基于C4ISRE系统的核电站大气核污染扩散轨迹系统仿真研究

为了在核污染事故处理时提供精细化预警,以辽宁省某核电站周边部分重要目标(大衣屯、大周屯、红沿河镇、驼山乡、西杨乡、复大线应急撤离线路)为研究对象,将环境保护指挥自动化系统C4ISRE(Command,Control,Communications,Computer,Intelligence,Surveillance,Reconnaissance,Environmental Impact Assessment)与HYSPLIT 4.9模型相耦合,采用NCEP(美国国家环境预报中心)的FNL全球气象数据对核污染扩散轨迹进行仿真研究.结果表明:自模拟初始时间2014-04-01T00:00:00.00开始,进、出大衣屯边界时间分别为00:06:16.560、00:06:49.000,历时31.340 s;由西向东横穿过大周屯,进、出时间分别为于00:06:16.56到达大衣屯北部边界,于00:06:46.90扩散出大衣屯边界,经过大衣屯区域耗时共计29.00 s;核污染气团于00:15:30.85到达大周屯上空500 m处,由西向东横穿过大周屯,于00:15:46.05离开大周屯上空,过程耗时15.20 s;核污染气团于00:32:14.25经过重要应急撤离线路2(复大线),全程耗时32 min 14.25 s.核污染气团与从2014-04-01T00:00:00.000进入红沿河镇上空500 m区域,于00:24:27.00扩散出,全程历时24 min 27.00 s;进、出驼山乡上空500 m区域的时间分别为00:24:28、00:51:00,历时26 min 32.00 s;进、出西杨乡上空的时间分别为00:51:01、01:05:4.70,历时14 min 37.00 s;重点区域大衣屯和大周屯行政区的预警时间分别为376.56、930.85 s,重点撤离线路2区域预警时间为1 934.25 s.

利用HYSPLIT模式探析西安市大气颗粒物的输送路径

运用HYSPLIT4.9模式和全球资料同化系统(GDAS)气象数据,计算了2016年西安市四季代表月(1、4、7、10月)气团的24h后向轨迹,利用聚类分析方法分析各月气团轨迹的代表性输送路径。研究发现西安市大气颗粒物的输送路径主要分为远距离运输、城市间运输及本地运输3类。其中,本地输送源所占的比例最大,主要与气象、地形条件有关;周边城市污染物排放也占据较大比例。

玛曲地区夏季强降水的环流分型及水汽轨迹分析

利用青藏高原(下称高原)东北边坡玛曲地区1967—2008年12个常规气象观测站的降水资料和NCEP/NCAR再分析资料,在环流分型的基础上,应用后向轨迹模型分析了不同等级降水的不同环流型的水汽输送轨迹。结果表明:(1)暴雨发生的环流型以高原低槽型为主,大雨的发生以切变型为主。(2)暴雨的不同环流型的水汽输送轨迹差异较大,同一型暴雨不同等压面水汽轨迹较一致;大雨的不同环流型之间水汽轨迹无明显差异,同一型大雨不同等压面的水汽轨迹差异很大。(3)通过追踪不同时间长度的水汽输送的后向轨迹发现,可以用向前追踪360h的水汽输送轨迹代表玛曲地区的水汽输送,水汽轨迹以偏南气流为主。由此可见,虽然不同等级、不同环流型强降水之间的水汽轨迹存在差异,但是玛曲地区强降水的水汽主要来自印度洋-孟加拉湾和南海-孟加拉湾的偏南气流。

近50年夏季西北暴雨特征和水汽轨迹分析

采用中国西北地区19602009年68月常规气象观测站24 h(20:0020:00)降水资料和NCEP/NCAR(2.5×2.5)19602009年再分析逐日4次的850,700,600,500 hPa位势高度、比湿q和U,V风场资料.在分析西北地区降水概况的基础上,通过NOAA HYSPLIT_4水汽轨迹模型和常规诊断分析方法,对2005年7月12日降水过程进行了分析,结果表明:中国西北地区暴雨的主要特点是降水频率低,降水频数有明显的年际变化特征;降水时间相对集中,主要集中在7月和8月;降水持续时间短,且降水时间持续2天(包括2天)以上的过程性降水次数有明显的年代分布特征.西北地区降水的环流形势主要以西低东高型和偏南气流型为主.利用HYSPLIT后向轨迹模型,对2005年7月12日降水过程向前360 h追踪水汽输送轨迹,发现水汽主要来自偏南气流;但是,不同等压面上水汽轨迹并不总是一致的,降水量越大,不同等压面上的水汽输送轨迹越趋于一致.通过物理量的诊断分析,表示水汽来源的水汽通量分布与后向轨迹模型给出的水汽来源一致.因此在本个例中,后向轨迹模型可以作为判断降水过程中水汽来源的方法之一,并且此次降水过程伴随强烈的上升运动和对流层中下层的强辐合及高层的辐散气流.

阿克达拉大气本底站气流轨迹模拟研究

利用1994—2002年NCEP再分析资料和HYSPLIT v4.7轨迹模式模拟了阿克达拉大气本底站的气团三维后向轨迹;采用簇分析方法对计算出的数千条后向轨迹进行了聚类归并,得到反映气流轨迹主要特征的数条轨迹;按垂直层次和季节分别作图,并进行分析。主要研究了该站近9a来不同季节距地面100m和1 000m的近地面边界层气流轨迹的特征、各方向轨迹出现的频数及当地天气形势和地面天气系统与气流轨迹的关系;并且把该地的轨迹与地面观测和附近气象站的探空观测历史风向玫瑰图作了对比。揭示了该站气流轨迹的季节分布特征,天气系统的位置和移动路径以及大地形对轨迹的影响。结合该站周边城镇的分布和发展规模以及气团移动的轨迹,分析对阿克达拉大气本底站的可能影响,为建立区域大气本底站提供科学的选址依据;为今后在该站开展进一步的研究提供近地层大气气团移动方向和速度背景参考资料;同时,通过实例把轨迹模式模拟方法予以简介,希望其在气体污染物和沙尘的溯源与追踪研究以及对空气污染敏感设施站址的选择、具有污染排放源设施建设的环境评价中得到应用。

西藏昌都强降水的环流分型及其水汽轨迹分析

利用西藏自治区昌都市及周边18个气象观测站1989~2018年降水资料和NCEP/NCAR再分析资料,首先进行强降水个例筛选,在大气环流分型的基础上,应用后向轨迹模型分析了暴雨和大雨在不同环流形势下的水汽输送轨迹。结果表明:昌都产生强降水的大气环流形势分为高原低涡、高原槽及高原切变线3种类型,其中以高原切变线型为主,而降水强度最大的是高原槽型。不同环流形势下暴雨发生时三个等压面的水汽轨迹方向基本一致,均以偏南气流为主,水汽来源相对集中,容易在短时间内造成强降水;而大雨发生时三个等压面的水汽轨迹多以偏南气流为主,与暴雨相比,水汽来源较为分散且水汽条件较差。夏季昌都的水汽来源主要以印度洋、孟加拉湾、阿拉伯海、南海为主,最远可以追溯到大西洋。

基于气流轨迹大气输送对大连市酸雨形成分析

文章利用HYSPLIT-4后推气流轨迹模式,对辽宁省大连市2007年的降水来源进行气流轨迹模拟,再通过聚类分析方法,得到气流的平均轨迹分布,从而分析大连市降水的来源及各方向气流对酸雨形成的影响。研究表明,大连市酸雨污染主要由西-南、西北和北-东-南3个方向气流形成。在季风影响下,6-10月的雨季,来自西-南方向气流多经过河北、京津、山东、我国东部沿海等工业发达地区或朝鲜半岛;起源于北绕行东-南方向气流仅在辽宁省内行12小时后,也途经山东或朝鲜半岛及南部海域,这2个方向的气流运行高度低,地面污染贡献大,携带大量致酸前体物,在大连形成酸性降水频率高,导致其酸雨污染严重。而来自西北方向的气流经过蒙古、内蒙古、辽宁西部等工业欠发达地区,且多在高空运行,气流相对干净,很少形成酸性降水。

基于气流轨迹聚类的大气输送对丹东市酸雨形成影响

利用HYSPLIT4.8后推气流轨迹模式对辽宁省丹东市2007年的降水来源进行气流轨迹模拟,再通过聚类分析方法得到气流的平均轨迹分布,从而分析丹东市降水的来源及各方向气流对酸雨形成的影响。研究表明,丹东市酸雨污染主要受外来输送影响。在季风影响下,6—9月的雨季,来自西南和东南方向气流多经过河北、京津、山东等工业发达地区或朝鲜半岛,SO2和NO2污染较重,且运行高度低,地面污染贡献大,气流携带大量致酸前体物,在丹东形成酸性降水频率高,导致其酸雨污染严重。而来自西北方向的气流经过蒙古国、内蒙古自治区、辽宁省西部等工业欠发达地区,且多在高空运行,气流相对干净,很少形成酸性降水。

宜昌市致洪中尺度极端降水成因分析

极端降水对河流防洪调控、水库蓄水泄洪等具有重要的影响,研究极端降水成因成为强化区域洪水资源管理的必要环节。基于多源观测资料和ERA5再分析资料,利用HYSPLIT后向轨迹模式和锋生强度诊断等方法,对2023年8月26日夜间宜昌市致洪中尺度极端降水成因进行分析。结果表明:①此次极端降水过程关键影响系统为低空急流、超低空急流、边界层冷空气和中尺度低涡。强降水可以分为中尺度低涡新生、低空急流发展,冷暖对峙、冷锋南下,低涡中心东移3个阶段。②此次过程中低层主要有4条暖湿输送通道,强降水区水汽通量超800 kg/(m·s),可降水量超70mm。③强降水时段低层相对涡度正值中心与垂直速度负值中心基本重合,加之锋生作用增强,强降水中心低层垂直速度达-7.1 Pa/s。④强降水时段,地形过渡带附近形成θ_(se)(假相当位温)能量锋区,垂直方向上出现高能舌,800 hPa附近中心强度达360 K以上。⑤中尺度地形形成了“西北冷干、东南暖湿”中尺度温湿锋区,并起到了阻挡抬升和触发作用,使强降水出现在山前喇叭口内。研究成果可为汛期区域洪水资源管理策略制定提供依据。

2014年5月中旬江西地区暴雨天气过程水汽输送特征分析

利用NCEP 1°×1°的fnl资料、地面观测资料和GDAS资料,分析了2014年5月16—17日江西地区暴雨天气过程的水汽输送特征,同时使用Hysplit后向轨迹模式对水汽来源进行了模拟。结果表明:此次暴雨过程的水汽主要来自大西洋、西太平洋和印度洋,其中来自大西洋的水汽经赤道东风带输送至西太平洋,与来自西太平洋的水汽汇合后一部分直接输送至江南,另一部分继续向东北方向输送至日本海域附近转向,经我国华北向南输送至江南一带;来自印度洋的水汽,经孟加拉湾和南海输送至中国江南暴雨区。来自西南、东南和东北方向的气流在我国南方上空辐合,辐合中心值高达300×106 kg/s,且辐合趋于纬向型。利用Hysplit模式对此次暴雨区不同高度的水汽来源及输送路径进行后向轨迹模拟,结果与利用流函数和势函数分析出的水汽输送源地和路径基本一致。

葫芦岛市大气颗粒物潜在源区分析

基于后向轨迹模式(HYSPLIT)模拟了葫芦岛市2019—2021年气流的72 h后向轨迹,同时结合同期的逐日PM_(2.5)浓度数据,采用潜在源贡献因子分析法(PSCF)和浓度权重轨迹分析法(CWT)探讨了葫芦岛市PM_(2.5)不同季节的潜在源区及其对葫芦岛市PM_(2.5)浓度的贡献。结果表明:冬季,葫芦岛市最主要的潜在源区为乌兰布和沙漠,其次为蒙古国东南部、内蒙古东部、京津冀地区和辽宁省西部城市群;秋季葫芦岛市最主要的潜在源区为辽宁省南部、京津冀地区、山东省北部和河南省北部;春季的相对高值区域零星分布在京津冀地区、山东省和渤海海域等地区,夏季相对高值区域零星分布在京津冀地区和山东省西北部。

2018年杭州市主城区气溶胶散射特性的观测

本文利用2018年杭州国家基准气候站Aurora-3000浊度仪和相关气象要素观测资料,研究了杭州市主城区大气环境中气溶胶散射系数的变化特征.结果表明,2018年杭州市主城区年平均散射系数为(217.4±161.9)Mm^(-1).受大气环流形势,季节性气象条件变化以及人为源的影响,气溶胶散射系数表现为冬季和春季高于秋季和夏季.在逆温层,交通排放,人为活动的共同作用下,散射系数呈“一峰一谷型”的日变化特征,峰值出现在8:00(北京时,下同),谷值出现在15:00.随着PM_(2.5)质量浓度的增加,散射系数和PM_(2.5)质量浓度表现出越来越明显的正相关关系.散射系数随地面风的增大而减小.并且由于春季地面风速达全年最大值,具有较好的扩散条件,因此导致散射系数较冬季小;秋冬季,由于人为排放的气溶胶局地性很强,因此不同风向的散射系数分布差异不大.对2018年11月27日—12月3日一次典型的空气污染过程分析表明,混合层高度与散射系数,PM_(2.5)浓度呈现负相关关系.该过程中散射系数的高值区一般都保持高湿低温的状态.结合天气形势和后向轨迹模式分析可知,该时段由于受到西南低空急流的影响,污染气团主要是来自我国西南及周边地区.

常德市一次重污染过程天气特征及成因

为探讨常德重污染过程中气象成因和污染物来源,利用空气质量监测数据和高空、地面气象观测数据,结合月移动第30百分位法、后向轨迹模式、时滞相关等方法,对湖南省常德市2015年12月31日至2016年1月5日出现的一次持续重污染过程进行分析。结果表明:①此次重污染过程最高峰出现于北方弱冷空气渗透南下,地面风向转为东北风、中低层大气辐散下沉加强之时。②月移动第30百分位法定量估算此次重污染过程中污染物外来源和本地源各自的贡献率,发现外来源与PM 2.5质量浓度监测值变化趋势一致,相关系数为0.97,5日重污染最强时段外来源直接贡献了PM 2.5总质量浓度的73.0%。③后向轨迹追踪此次过程污染气团来源于河北、山东、河南等重污染区域;时滞相关分析表明:北京、济南、武汉和荆州的重污染分别超前于常德约50、40、12 h和5 h。④常德“两山夹一凹朝东北开口”的特殊地形具有“避风港”效应,北方污染气团随弱冷空气南下,低层大气下沉运动及特殊的地形共同为本次污染过程的形成和维持提供了有利条件。

贵州铜仁一次持续性暴雨水汽收支定量分析

基于混合单粒子拉格朗日综合轨迹模式(版本4)(Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model,HYSPLIT4),利用降水观测数据、ERA5和NCEP GDAS(National Centers for Environmental Prediction,Global Data Assimilation System)再分析数据,分析2014年7月13—16日铜仁持续性暴雨过程的水汽输送、收支和各水汽源地的定量贡献。结果表明:(1)东伸的南亚高压和高低空急流的耦合作用增强了低层辐合、高层辐散的动力机制,利于水汽在目标区域辐合上升、凝结,形成降水。(2)500 hPa稳定控制贵州南部以南地区的副热带高压、短波槽和低纬印度半岛的热带气旋协同作用,建立明显的水汽输送通道,使海上的水汽源源不断地输送到暴雨区。(3)后向追踪120 h发现,暴雨区空气块主要来自阿拉伯海、孟加拉湾和南海,所处高度较低;少量空气块来自铜仁以北至欧亚大陆、大西洋,所处高度较高。(4)影响铜仁暴雨的水汽源地为铜仁以南-南海及附近岛屿和海域、印度半岛东部-孟加拉湾、阿拉伯海-印度半岛西部,水汽贡献率分别为48.29%、32.17%和10.47%,铜仁以北至欧亚大陆、大西洋的贡献率为9.07%。(5)850 hPa和700 hPa为主要的水汽输送层,为暴雨区贡献了近3/4的水汽,其余1/4水汽由500 hPa输送。