上海典型持续性PM2.5重度污染的数值模拟

本研究针对2013年1月23~24日的上海PM_(2.5)持续重污染过程,采用WRF-Chem大气化学模式以及PM_(2.5)质量浓度、能见度、气象要素等地面实测资料相结合的方式,揭示了造成上海冬季PM_(2.5)持续性重污染的一类"天气学必要成因",即一次弱冷空气活动过程导致了两种不利污染天气条件——"弱气压场(静稳形势)"和"弱冷空气扩散(输送形势)",两者先后影响上海造成PM_(2.5)浓度持续上升.主要过程如下:首先弱冷空气影响之前,上海处在不利的局地气象扩散条件下,受弱气压场控制10 h后本地PM_(2.5)质量浓度达到重度污染水平,之后夜间稳定边界层(地面静风和低层逆温)使得PM_(2.5)重度污染维持了7h,期间PM_(2.5)平均质量浓度为172.4μg·m~(-3).后期弱冷空气影响上海,虽然改善了局地扩散条件但是同时产生了明显的周边污染物输送,使得本地PM_(2.5)质量浓度升高并达到峰值(280μg·m~(-3)),继续加重污染水平,期间PM_(2.5)平均质量浓度为213.6μg·m~(-3).WRF-Chem模拟结果进一步表明,整个污染过程周边区域输送对上海PM_(2.5)平均贡献率为23%,其中两个阶段周边区域输送的平均贡献率分别为17.2%和32.2%,可见在不同的污染天气条件下周边污染源的贡献存在显著差异,因此可以根据对污染天气类型的预判制定应急减排方案.     

京津冀一次重污染过程的成因和来源

2016年12月16~21日,京津冀地区经历了一次大范围重污染过程.本文基于空气质量监测资料及实况天气图分析了此次极端区域重污染事件的天气成因,并利用嵌套网格空气质量预报模式（NAQPMS）对京津冀主要城市PM_2.5污染来源进行定量解析.结果表明：污染前中期500hPa高空为偏西气流伴空中回暖,后期转槽前偏南气流增温增湿明显;对应地面气压逐渐降低,辐合不断增强;垂直方向上,逆温层不断抬升加厚,中低层暖平流明显,风垂直切变小;大气长时间处于极度静稳状态也是造成此次重污染过程的天气因素.污染期间,京津冀各主要城市PM_2.5污染本地贡献占40%~60%;北京市PM_2.5本地贡献为48%,其中16~17日北京市主要受沿太行山东侧的西南向输送通道（邯郸-邢台-石家庄-保定-北京）影响,其后风速减小,北京本地及周边城市贡献增大.     

成渝地区一次区域重污染过程来源解析及减排效果研究

基于嵌套网格空气质量预报模式(NAQPMS)及耦合的污染来源追踪模块模拟2017年12月16日至2018年1月3日成渝地区一次区域重污染过程,定量解析成渝地区主要城市PM2.5来源,评估过程中应急减排的成效。结果表明,天气静稳和风向辐合是造成此次重污染过程的重要因素,污染峰值阶段,成渝地区多个城市PM2.5日均质量浓度超过150μg/m3,达到重度污染级别。污染过程中,成都市PM2.5本地排放的贡献率为42%,眉山和德阳贡献率将近30%;重庆市PM2.5本地排放的贡献率为60%,外来输送以湖北、湖南和其他地区为主,贡献率为24%,成都和重庆市的工业源和交通源的贡献最大。区域联防联控应急减排对成渝各城市空气质量改善效果显著,成渝地区PM2.5浓度降低率为5%~11%,对于未实施应急预警方案的地区(如眉山市)受周边城市减排影响,浓度降低可达6%。     

突发性大气污染监测与预报技术集成移动平台

为应对突发性大气污染事故科学决策和规范处置的需要,在国家“863”课题“突发性大气污染事件模拟与风险控制技术”资助下,我国首个突发性大气污染监测与预报技术集成(IMF)移动平台研发成功.2010年7月5日至8月6日在北京市阳坊地区的综合外场实验表明, IMF移动平台从燃油燃烧事故监测至应急预案发布需时约5min.采用逐次偏差订正法,有效改进了气象预报场,实验中近地面黑碳预报最大浓度较合理.     

CMAQ模式及其修正技术在上海市PM_(2.5)预报中的应用检验

利用CMAQ空气质量数值预报模式对上海市PM2.5浓度进行预报,选取10个囯控站点监测数据对预报进行验证评估.结果表明,CMAQ模式开展能够较好地模拟出PM2.5的时间变化趋势及浓度水平,但总体处于低估的水平,偏低幅度约25%,尤其在高污染阶段,模式的低估更为突出,达32%,这与污染源清单的不确定性有关.为提高PM2.5预报准确度,采用学习型线性回归方法对PM2.5浓度的数值预报结果进行修正,统计检验结果显示修正预报准确率由原来的76.4%提高到了79.3%,污染预报成功指数由56.4%提高至72.1%,明显提高了PM2.5浓度的预报效果,反映了引入实际监测数据对空气质量数值预报模式进行修正的研究意义和可行性.     

三维变分在PM2.5重污染数值模拟中的应用研究

为了探讨三维变分法(3DVAR)对成渝城市群冬季PM2.5重污染模拟的改善效果,采用3DVAR对成渝城市群2017年12月至2018年1月的空气质量数值模拟结果进行资料同化,对比评估嵌套网格空气质量预报模式(NAQPMS)原始数据与同化再分析数据的准确率,并分析成渝重污染特征。研究结果显示,3DVAR在PM2.5、PM10和NO2的同化实验中均取得较好的改善效果,成渝地区检验站点各污染物相关系数(r)的平均提升比例依次为44%、90%和332%,r改善的站点占检验站点总数的比例分别为98%、100%和82%;检验站点均方根误差(RMSE)的平均下降比例分别为15%、37%和31%,RMSE改善的站点占检验站点总数的比例为65%、98%和84%。与原始模拟结果相比,同化结果能够更准确地反映成渝地区冬季重污染期间的PM2.5和PM10空间分布特征。     

上海市夏季颗粒物污染过程数值模拟研究

利用观测资料和嵌套网格空气质量模式(Nested Air Quality Prediction Model System,NAQPMS)模拟研究了2010年7月26日—8月26日上海市及周边城市PM10、PM2.5及其无机盐组分的浓度变化趋势及时空分布特点.结果表明,NAQPMS模式较为合理的重现了上海各方位站点及其周边城市PM10、PM2.5及其硫酸盐、硝酸盐等无机化学组分的浓度水平与变化趋势,相关系数在0.7以上.研究期间造成上海颗粒物污染的主要原因是:弱气旋低压系统控制下,西南或西北气流将内陆污染物输送至上海市,当低压中心移至上海附近时带来的辐合气流使得污染进一步累积上升.长三角地区PM2.5主要无机盐组分分布特征表明,上海市及周边城市的硫酸盐、硝酸盐和铵盐的总和占PM2.5浓度的40%~60%,二次气-粒转化过程贡献明显,且以SO2向SO2-4的氧化转换为主;污染上升过程中NO-3/SO2-4比率增大,说明流动源的贡献有所增加.     

基于机器学习的短临预报方法及其在空气质量保障中的应用

基于多个数值模式(NAQPMS、CMAQ)预报结果和站点观测资料,采用岭回归机器学习方法构建了一种多污染物短临预报方法,并应用于2017年厦门金砖国家峰会和2019年武汉军运会空气质量保障工作,评估总结了短临预报方法的可行性和预报效果。结果表明:短临预报表现出很好的预报能力,可以有效改进数值模式的预报趋势和量值。从日均模拟效果来看,短临预报的颗粒物相关系数达到0.9以上,均方根误差小于5μg/m~3,而且预报的臭氧相关系数和均方根误差分别为0.99和2μg/m~3。相较于日均数值模式预报结果,短临预报可使颗粒物和臭氧的预报相关系数至少提升16%和9%,预报均方根误差至少下降50%和86%。对于小时模拟效果,短临预报能够更好地把握颗粒物的小时变化特征,其相关系数较模式提升了0.2以上;同时短临预报能够更好地再现观测到的臭氧日循环特征,对白天的峰值和夜晚的低值预报更好,其相关系数高达0.9。总体来说,短临预报方法可为重大活动空气质量保障提供较为精准的临近预报结果,具有较好的应用价值。     

最优化集成方法在城市臭氧数值预报中的应用研究

基于多模式(NAQPMS、CMAQ、CAMx、WRF-Chem)空气质量数值预报业务系统的滚动预报结果,结合站点观测资料,评估了最优化集成方法在城市臭氧数值预报中的可行性和预报效果。一年的评估结果表明:当训练期为15 d时,最优化集成方法能够得到相对较好的结果。总体而言,最优化集成方法对城市臭氧浓度变化趋势和浓度水平的预报效果明显优于单个模式,且在大部分城市优于多模式的最优预报,其预报值和观测的相关系数提高0.11以上,均方根误差降低约10μg/m~3;该方法对城市臭氧污染等级的预报能力也明显优于单个模式,特别是轻、中度污染。此外,在模拟偏差较大的城市,最优化集成方法对预报效果的改进更为显著;在模拟偏差较小的城市,该方法仍可进一步提升预报效果。     

2013年12月上海市PM2.5重污染过程数值模拟研究

基于2013年11月30日-12月13日上海一次PM_2.5重污染过程,利用Model-3/CMAQ模式及过程分析技术,定量评估不同时段各大气过程对上海PM_2.5浓度变化的影响.结果表明:Model-3/CMAQ模式系统能较好的模拟出实况PM_2.5的浓度变化趋势与特点.研究期间,白天源排放的增强和大气传输的影响、加上较强的气溶胶和云过程生成贡献,是造成上海PM_2.5浓度上升至重污染的主要原因.不同污染时段对PM_2.5浓度上升贡献率最大的过程均为输送,其中,西北部点位(青浦淀山湖和虹口凉城输送)的贡献率最大,且重污染时段输送的贡献率明显高于非重污染时段.