基于气溶胶三维变分同化天津PM2.5数值预报研究

基于气溶胶三维变分同化技术,建立天津空气质量数值模式气溶胶同化模块,通过天津地区两次重污染过程同化模拟敏感性试验,分析了观测资料范围对同化结果的影响,并结合一个月的滚动预报试验,分析了气溶胶同化对天津地区PM_2.5数值预报效果的影响,以期为提升天津空气质量预报能力提供支撑.结果表明：气溶胶同化各控制变量背景误差水平相关系数的衰减尺度约50km,垂直方向上400m高度与模式底层的相关系数衰减至0.6左右;观测资料范围对同化结果影响显著,仅采用天津地区观测数据进行同化,对重污染过程期间天津地区PM_2.5浓度模拟的影响时效约12h,采用模拟区域内所有观测数据进行同化影响时效可持续24h以上,且模拟效果更优;采用三维变分同化技术,实现地面PM_2.5观测资料同化,天津地区PM_2.5数值预报效果显著提升,预报值和实况值之间的相关系数由0.74增加到0.87,均方根误差由32.3μg/m³减小为22.4μg/m³,平均相对误差由39.9%减小为27.1%;同化对模式初始时刻的改进效果最明显,随时间同化效果衰减,14h内改进效果最佳,对24h PM_2.5浓度预报也有明显改进.     

基于集合卡尔曼滤波的区域臭氧资料同化试验

基于集合卡尔曼滤波方法和嵌套网格空气质量模式系统建立了一个区域空气质量资料同化系统(RAQDAS),并利用该系统开展了京津冀地区2008年北京奥运会期间的地面臭氧观测资料同化试验,分析了同化系统订正臭氧初始场对24 h臭氧预报的影响.试验结果表明采用50个集合样本的集合卡尔曼滤波同化不仅改进了观测站点的臭氧预报,也提高了观测以外区域的臭氧预报技巧,使得臭氧预报的均方根误差平均下降了15％,并且当集合样本数减小到20时也可达到相近的预报改进效果.为了解决滤波发散问题,分别采用了放大集合离散度和扰动模式误差源两种方法.其中放大集合离散度能避免滤波发散,但没有提高臭氧预报技巧,反而导致预报误差的增加;扰动模式误差源不仅解决了滤波发散问题,也使同化导致的臭氧预报均方根误差下降比例从15％进一步提高到20％.     

霾天能见度参数化方案改进及预报效果评估

为了选择适合京津冀地区能见度预报的参数化方案,为霾的预报提供更准确的能见度预报产品.根据实际应用需求,改进了基于气溶胶体积浓度建立的Chen等能见度参数化方案（S1）,并利用2017年2月快速更新多尺度分析和预报系统-化学子系统（RMAPS-CHEM v1.0）的预报结果,对比评估了该方案与基于PM_2.5浓度建立的参数化方案（S2）和Mie散射计算方案（S3）在京津冀地区的预报效果.结果表明：①模式系统对京津冀地区的PM_2.5浓度预报总体较好,预报值与观测值非常接近,二者的相关系数在大部分地区可达0.8以上,小时相对湿度的预报值与观测值相关在0.78以上,平均误差低于3.91%.②三套方案计算的能见度都能较好地预报出2017年2月京津冀地区能见度的时间演变趋势,且在大部分时间三者计算的能见度都非常接近.总体上S1计算的能见度最低,S3计算的能见度最高,S2居中.在京津冀大部分地区,S1的均方根误差和归一化平均绝对误差最低,S3的最高,S2居中且在北京地区表现最佳.③能见度大于10 km时三套方案计算结果都偏低,其中S3的平均误差和均方根误差最低,能见度低于10 km时,特别是对出现频率较高的1~5 km低能见度的预报,S1方案的平均误差、均方根误差和归一化平均绝对误差都是最低的,更适合京津冀地区霾天气能见度的预报应用.     

基于CESM-EnSRF系统全球甲烷及臭氧卫星资料同化试验研究

臭氧(O3)与甲烷(CH4)均是大气中重要的微量气体,对全球气候变化有着重要的影响.为提高全球范围的臭氧、甲烷在气候模式中的预报效果,使用集合平方根滤波(En SRF)同化方法及地球系统模式(CESM)构建了CESM-En SRF卫星资料同化预报系统,并通过设计试验,将大气红外探测器(AIRS)的臭氧与甲烷观测资料同化到气候模式中,对模式的同化再预报效果进行系统的测试与评估.结果显示,臭氧、甲烷分析集合均值的偏差及均方根误差皆低于背景集合均值的偏差及均方根误差.臭氧、甲烷的同化再预报偏差及均方根误差较控制实验都得到改善,但对5 h Pa以上高度臭氧预报准确性的改进效果很小.随循环同化的进行,平流层臭氧与甲烷的平均同化改进率呈增加趋势,并逐渐趋于稳定;对流层平均同化改进率随时间变化不明显.试验表明,该系统可有效利用臭氧与甲烷的观测资料对模式场进行合理的改善,从而有效地提高臭氧、甲烷在气候模式中的再预报效果,但对于平流层顶-中间层高度(5 h Pa以上)臭氧预报准确度的提高,模式中臭氧光化学过程的准确模拟较同化观测资料具有更重要的作用.此外,循环同化对提高5~150 h Pa高度臭氧及1~200 h Pa高度甲烷在CESM模式中的预报效果最有效.     

霾污染环境大气能见度参数化方案的改进

霾污染是高浓度大气气溶胶造成低能见度的大气现象,为了完善目前空气质量模式的大气能见度参数化方案,以准确地预报霾污染过程的能见度变化,基于已有的大气总消光系数与大气能见度的关系,依据Mie理论和大气分子的消光特性,计算颗粒物和NO₂的消光系数,提出一种改进的大气能见度参数化方案.为了验证这一改进的参数化方案的大气能见度预报性能,①利用空气质量模式WRF-Chem3.7模拟2013年12月南京地区两次霾污染个例,并且与实际观测数据对比,证实其能够准确地模拟大气颗粒物和NO₂的浓度变化;②利用模拟的大气颗粒物和NO₂的浓度数据,分别采用改进的能见度参数化方案及已有的IMPROVE方案和CHEN的能见度参数化等3个方案,计算两次霾污染个例的大气能见度变化;③与观测能见度比较,评估3个能见度参数化方案的模拟准确性。评估表明,改进的参数化方案模拟的两个霾污染个例能见度的平均标准化偏差和平均偏差分别为17.19%、3.18%和517、173 m,并且和观测能见度的相关系数分别提高到0.76、0.87,其能见度模拟的准确性优于其它两种已有的参数化方案,并在不同相对湿度（RH）和能见度范围内改进的参数化方案模拟的标准化平均误差均小于其它两种参数化方案,其中,在RH < 80%和能见度≥ 1 km范围内标准化平均误差均低于50%.研究显示,改进的大气能见度参数化方案能够有效地提高空气质量模式的霾污染环境大气能见度的预报准确性.      

利用多模式集合和多元线性回归改进北京PM_(10)预报

本研究将多模式集合预报和多元线性回归集成方法结合起来减小空气质量预报的不确定性.首先评估了北京空气质量多模式集合预报系统中3个模式成员(NAQPMS、CAMx、CMAQ)对北京地区PM10日均浓度的预报性能,在此基础上引入多元线性回归将历史观测信息纳入进来对3个模式预报结果进行集成,并将集成预报结果与3个模式算术平均的预报结果进行比较.结果发现:1不同模式的预报结果差异较大,并没有一个模式的预报技巧完全优于其它两个模式,其中CMAQ对北京PM10变化趋势的预报优于其它两个模式,NAQPMS预报的均方根误差整体低于其他两个模式.2多模式预报结果的算术平均在趋势预报和偏差两项指标上都低于部分单模式预报,并不能有效改进PM10预报;基于分站点的模式和观测数据构建的多元线性回归集成预报模型能显著提高PM10预报的准确率,选定合适的训练天数(36 d)后,28个站点PM10日均值预报的均方根误差相对单模式预报或集合平均预报下降32%~43%,预报偏差大幅减小至5.8μg·m-3,总体预报技巧显著优于单模式和多模式算术平均的预报结果,并且采用线性回归集成方法大幅提高了对污染过程的预报能力.     

基于多机器学习算法耦合的空气质量数值预报订正方法研究及应用

应用多种机器学习算法进行时空耦合从而建立一种新的多模式集合预报订正算法(简称“ET-BPNN算法”),对4种常规污染物(NO₂、O₃、PM_2.5和PM₁₀)的空气质量模型预报结果进行订正. 订正方法分为两步,第一步中利用随机森林、极端随机树和梯度提升回归树3种机器学习算法,采用4个空气质量数值预报模式(CMAQ、CAMx、NAQPMS和WRFChem)的多尺度污染物浓度预报数据、中尺度天气模式(WRF)的气象因子预报数据(包括2 m温度、2 m相对湿度、10 m风速、10 m风向、气压和小时累计降水量)以及污染物浓度观测数据作为训练集,训练结果进入基于均方根误差的择优选择器,选取3种机器学习算法中优化效果最好的算法;在第二步中利用了BP神经网络算法,通过加权平均获得集合模式订正预报结果. 结果表明:①与模式集合平均算法相比,ET-BPNN算法使NO₂、O₃、PM_2.5和PM₁₀浓度预报值与观测值之间的均方根误差分别减小了30.4%、18.9%、43.3%和38.1%. ②ET-BPNN算法的优化效果较随机森林、极端随机树和梯度提升回归树3个机器学习算法有明显提升,与极端随机树算法相比,ET-BPNN算法使NO₂、O₃、PM_2.5和PM₁₀浓度预报值与观测值之间的均方根误差分别降低了42.7%、20.1%、19.7%和9.7%. ③在易发生污染的秋冬季,ET-BPNN算法对PM_2.5浓度的预报具有明显的优化效果,此外该算法明显缩小了不同站点预报和不同预报时效之间的偏差,具有较好的鲁棒性. ④对O₃和PM_2.5浓度预报而言,经ET-BPNN算法优化后的预报结果能够更好地把握污染过程,对污染物峰值浓度的预报也较模式集合平均算法更准确. 研究显示,ET-BPNN算法提高了空气质量模式对污染物浓度的预报效果.      

罗斯比中心区域气候模型Ⅱ:北极圈气候的应用

作为ARCMIP国际计划的一部分,罗斯比中心区域气候模型(RCA2)针对整个北冰洋地区的气候作了数值模拟整合,并与来自sHEBA数据集的观测资料作了比较,RCA2标准模型对北极冬季的云量和长波辐射的模拟较实况偏多.通过引入新的云量参数化方案(该参数化方案显著地改进了云量的年循环)减少了这部分误差,确定了介于晴空向下大气长波辐射与云层底部的长波辐射的补偿率,利用可以更准确描述冰晶与太阳辐射相互作用的辐射方案修正了模型,从而使得模型对云-太阳辐射间的相互作用的描述更接近实际.在模拟晴空辐射部分,由于太阳辐射大气透射率过大,经常在边界层云的顶部产生正偏差.引入真实海冰和积雪两种表面反照率的时间变化,对准确模拟地面能量净收支是至关重要的.同样,为了准确模拟北极圈地区近地面的热力学过程,将雪面温度作为预报量引入模型中也似乎是必不可少的.     

风蚀性粒子降尘浓度的动力学预报模式

为探求开放源露天煤尘在自然风力作用下的扩散情况,本研究采用空气动力学的数值计算方法,以离散相拉格朗日随机轨道为计算模型,预测了原煤、大矿、水洗和精煤4类煤种料堆的降尘浓度分布,并采用风洞试验对结果进行了对比验证.结果表明:动力学模式对风蚀粒子的预报误差在±25%,其中原煤种的预报度最高,误差10%.动力学模式与高斯沉降模式相比,高斯模式对尘源处的降尘浓度预报误差过大,动力学预报模式是基于颗粒群的运动轨迹的行为预报,能准确地描述粗大颗粒的跃移运动状态,对于满足Rosin-Rammler粒径分布的固体粒子降尘浓度的预报良好.     

下垫面输入资料对深圳气象场及大气扩散能力模拟的影响

区域气象模式的输入资料更替相对城市化发展的实际态势存在滞后,使得空气质量预报模型受气象场模拟性能限制而难以准确预报污染事件.本文以深圳市的WRF模拟为例,对模式土地利用输入资料、城市冠层输入参数进行改进,通过提高气象场的模拟能力,探究下垫面输入资料对深圳气象场及大气扩散能力模拟的影响.结果表明,土地利用输入资料的更新使得城市建成区类型格点模拟温度在1月下降了0.05℃,在4、7和10月分别上升了1.1、0.4和0.5℃;风速在1、4、7和10月分别下降了2.3、1.8、1.9和1.8 m·s^-1;相对湿度分别下降了16.1%、9.0%、14.4%和6.5%;感热通量分别升高了85.3、73.6、134.8和65.6 W·m^-2;潜热通量分别下降了65.9、39.5、118.3和45.7 W·m^-2.土地利用输入资料更新后,深圳市扩散指数在空气质量为"优"、"良"、"轻度污染"时段内,分别下降了约25%、20%、30%,风向变化因子分别约有5%、5%的降低和20%的升高;输入城市冠层参数后,扩散指数分别下降了约25%、15%、5%,风向变化因子分别约有5%的降低、5%和5%的升高.土地利用输入资料的更替和城市冠层参数的输入带来模拟能力的改进,更好地重现了一些复杂的边界层热动力结构,包括典型污染日午后深圳市上空南侧上升、北侧下沉的城市热岛环流和近地面的海风局地环流.     

Monitoring in Building Road Tunnel Across Coal Measures

<正>In some cases coal measures, goaf, big caves, and huge faults, as well as high initial stress cannot be avoided in road tunnel excavation. These geological features may make it more difficul practical tunnel construction. So it is necessary to take strong precautious measures against gas outburst, water bursting and roof fall in a tunnel across coal measures with risk of gas outburst. The techniques, such as advance drilling exploration, multiple-cycle shallow depth hole controlled blasting, reinforced supporting, which include concrete grouting and twice supporting, and monitoring measures are often applied in the construction of tunnels and satisfied results are achieved. Results in this paper can help others to get experiences in road tunnel construction with similar geological features.     

基于GIS的路面积雪灾害风险分析与区划研究

以宁夏高速公路为对象,利用1981—2018年25个常规气象站观测资料及交通相关数据资料,基于GIS、AHP等方法,从致灾因子的危险性、孕灾环境的敏感性、承灾体的易损性三方面进行高速公路路面积雪灾害风险分析与区划研究。结果表明:全区年平均积雪日数在6.5~86.7d,年平均降雪日数在10.3~64.5d,最大积雪深度在8~35cm,自南向北减少(浅),南部山区明显多(深)于北部地区。路面积雪灾害主要出现在冬季、初春和晚秋,大到暴雪级的路面积雪主要出现在秋冬转换的10~11月和冬春交替的3~4月。风险分析与区划研究结果表明,高风险区位于福银高速(G70)、青兰高速(G22)六盘山区东南麓区段;较高风险区位于福银高速(G70)固原市原州区段、青兰高速(G22)固原市隆德西段段、固西高速、彭青高速路段;同心以北的银川市、石嘴山市、吴忠市各路段风险总体较低。     

氯盐融雪剂对城市道路绿化带土壤性状的影响

2009年底至2010年初,北京市降雪非常集中且强度较大,为保障交通畅通,大量的氯盐融雪剂在北京城区的绿地上应用,其用量达3万t.路面撒施的融雪剂不可避免地进入分车带、绿化带等绿地,对绿地植物正常生长造成威胁.文章通过实地采集了45个绿地土样,研究了道路绿地土壤盐分等相关指标,结果表明,与对照相比,撒施融雪剂对道路绿化...     

汽车环境风洞试验能力综述

环境适应性试验是车辆研发验证过程中必不可少的环节,而汽车环境风洞已经成为环境适应性开发验证的重要设施.简述了车辆环境适应性测试方法以及汽车环境风洞的发展历史;详细介绍了汽车环境风洞实验室的组成以及各个子系统的功能和参数;重点介绍了汽车环境风洞的试验能力,包括可以开展的试验车型和试验项目,特别是依托环境风洞才能完成的汽车极限气候性能模拟试验,以及达到这些能力所需要的设备指标.并结合目前行业现状,对汽车环境风洞的使用和发展进行了总结和展望.     

疏浚污泥的表征及其作为垃圾覆盖材料的可行性研究

比较系统地研究了疏浚污泥的各种参数 ,如渗透系数、浸出毒性、重金属含量等 ,以及作为垃圾覆盖土的可行性。研究结果表明 ,用该污泥作垃圾填埋场覆盖土的边坡稳定性能较好 ,基本上满足作为覆盖土的技术要求 ,使用后不会给垃圾渗滤液的处理增加负担。因此 ,以疏浚污泥作为生活垃圾填埋场覆盖土 ,可同时解决平原型填埋场缺土和疏浚污泥的最终出路问题。     

石家庄采暖季道路降尘PM2.5中元素分析及生态风险评价

为了解石家庄采暖季铺装道路降尘中元素污染状况及生态风险,利用降尘缸收集市区4种类型道路的降尘样品,分析降尘PM_(2.5)中Na、K、Cr、Ni、Cu、Zn、As、Pb、Al、Mg、Ca、Fe、Si等13种元素在不同类型道路、不同高度的含量特征,采用富集因子、主因子分析推测PM_(2.5)中元素来源,用潜在生态风险指数法评价重金属元素的生态风险.结果表明,主干道和支路降尘中元素含量最高,快速路最低,地壳元素Al、Si、K、Na更易在1.5 m高处富集,2.5 m高处多人为污染元素如Cr、Ni、Cu、Zn、As、Pb;富集因子和主成分分析显示采暖季道路降尘PM_(2.5)元素来源于燃煤燃油、交通(机动车尾气排放及零件老化磨损、轮胎磨损、道路扬尘)、建筑扬尘和生物质燃烧;富集因子范围0.35~100.45,地壳元素无富集,Cr富集因子平均值达100,生态风险指数高达320,富集程度极强且生态风险指数最大,应该引起足够重视.     

氯盐类融雪剂污染及其腐蚀作用的初步研究

观察长春市主要街道使用融雪荆后残雪中某些元素的变化以及融雪剂对铺设该街道混凝土方砖的溶蚀作用。方法在降雪并撒布融雪荆后,采集长春市5条主要街道的雪样,测定样品的pH值及Cl^-、Na^＋、Ca^2＋、Mg^2＋、K^＋含量,并不同浓度融雪剂浸溃混凝土方砖,观察20天内的溶蚀作用。结果使用融雪荆的雪水中离子的浓度平均值明显高出对照样品（P〈0．01）,而pH值明显下降（P〈0．01）;浓度为10％的融雪剂在20天时可出现混凝土方砖腐蚀作用。20％的融雪剂溶液腐蚀作用最明显。结论融雪剂可明显盐化地面雪,并对混凝土方砖衣斌蚀诈硪。     

铅稳定同位素在示踪环境污染中的应用

根据Pb同位素的地球化学特点,分析了Pb同位素在示踪环境污染中的理论基础.从国内外大量研究实例出发,总结了近年来Pb同位素在示踪工业Pb污染的应用现状,肯定了Pb同位素在示踪Pb工业污染中的地位和作用.结合我国首次北极考察海洋大气气溶胶铅稳定同位素的初步研究,笔者认为研究环境系统有关对象(如大气、海水、冰雪和沉积物等)的Pb同位素组成,通过其Pb同位素混合模型计算和源区参数计算,可有效示踪Pb工业污染的来源、分布和远距离传输规律.      

基于积尘负荷的西安市铺装道路扬尘排放研究

近年来城市颗粒物污染问题日渐突出,严重影响着人们的环境幸福指数和对美好环境的期待.道路扬尘作为城市扬尘的重要组成部分,对颗粒物污染的贡献不容小觑.在此背景下,采用积尘负荷法采集西安市快速路、主干道、次干道、支路等4种类型25条道路的道路扬尘样品,并分析采样速率、采样次数等因素对采样效率的影响.在此基础上,计算得到西安市各类型道路的平均积尘负荷,结合车流量、车重、道路长度,通过《扬尘源颗粒物排放清单技术指南》中的公式计算得到各种类型道路TSP、PM₁₀、PM_2.5的排放系数及排放量.结果显示：采样速率为1.0 m²·min^-1,采样次数为两次可满足采样要求.不同类型道路积尘顺序为：支路（4.18 g·m^-2）>次干道（2.80 g·m^-2）>快速路（1.49 g·m^-2）>主干路（1.34 g·m^-2）;道路积尘TSP、PM₁₀、PM_2.5的平均排放系数分别为6.066、1.542和0.447 g·km^-1.快速路和主干路的扬尘排放系数较小,支路的扬尘排放系数次之,次干路的扬尘排放系数较大.采用Monte Carlo方法对TSP、PM₁₀和PM_2.5的排放量进行不确定性分析,在95%的概率分布范围下,三者定量不确定性均为-16.88%~17.96%.     

湖沥青加SBS改性沥青混合料路用性能试验研究

本文通过室内试验,对首都机场高速公路大修中上面层采用的湖沥青加5%SBS改性沥青混合料路用性能进行了研究,结果表明:与5%SBS改性沥青相比,加入20%湖沥青后的改性沥青混合料的低温稳定性、高温稳定性、疲劳性能、水稳定性等路用性能都有不同程度的提高,是一种值得推广的沥青路面上面层材料。