CCSM4/WRF-CMAQ动力降尺度预估RCP8.5情景下京津冀地区空气质量的潜在变化

目前,针对气候变化对区域空气质量影响的研究相对较少,并且多采用统计降尺度方法对全球气候模式结果进行处理.采用WRF中尺度气象模式对CCSM4气候模式的CMIP5 RCP8.5情景预估结果进行动力降尺度处理,并为CMAQ空气质量模式提供气象场;在2012年清华大学MEIC大气污染物排放清单的基础上,选取2005年作为气候现状代表年、2049-2051年作为未来气候代表年,对京津冀地区典型月份（1月、4月、7月、10月）的气象及空气质量数值模拟结果进行对比,以此预估气候变化背景下京津冀地区空气质量潜在变化.结果表明,在排放情况不变及RCP8.5情景下,未来代表年与现状代表年相比,京津冀地区以典型月份为代表的年均气象因素整体呈现温度升高,风速、相对湿度及大气边界层高度均降低的趋势;年均大气污染物浓度整体呈现升高的趋势,其中,温度升高约0.8℃,风速降低约0.11 m/s,相对湿度降低约2%,大气边界层高度降低约8 m,ρ（PM_2.5）升高约2.4 μg/m3,ρ（SO₂）升高约1.8 μg/m3,ρ（NO_x）升高约1.0 μg/m3;此外,主要的气象条件（温度、风速、相对湿度、大气边界层高度）中,风速及大气边界层高度的降低可能是造成这些大气污染物浓度变化的主要气象因素,并且风速及大气边界层高度的降低与ρ（PM_2.5）降低的相关系数分别约为-0.44和-0.26.研究显示,气候变化会对京津冀地区造成污染物浓度升高的潜在风险,同时由于现阶段缺乏可用于空气质量模式的未来排放情景数据、在线耦合模式日臻完善,在我国气候-空气质量的研究领域亟待进行更深层次的研究.      

城市形态参数对边界层气象条件影响的模拟

利用耦合城市冠层方案的气象模式WRF,选取高密度城市深圳,通过在模式中设置不同建筑物高度和密度的敏感性试验,研究城市形态参数对边界层气象条件的影响.结果表明：建筑物高度和密度增加会使日间城市冠层对热量的截留作用增强,城市储热分别增加约6W/m²和9W/m²;在城市冠层遮蔽效应和截限作用的共同影响下,建筑物高度增加会使日间地表温度降低约0.3℃,而建筑物密度增大则会引起地表温度增加0.6℃以上,2m温度和地表温度的变化有很好的一致性.城市建筑物高度和密度增加均会引起地表粗糙度增加,造成风速分别降低约0.4m/s和0.6m/s,同时在夜间,由于湍流运动增强,使得夜间边界层高度分别增加约30~40m和20~30m.反之,建筑物高度和密度减小使日间储热减小6~7.5W/m²,10m风速增加约0.3m/s和0.4m/s,夜间边界层高度降低约30~50m和10~30m.     

边界层方案对华北一次污染过程模拟的影响

采用WRF模式中YSU、MYJ和ACM2 3种边界层参数化方案,利用WRF模式和空气质量模式CAMx对2015年11月11~15日发生在京津冀地区的一次污染过程进行了模拟,同时利用地面气象要素、风廓线、秒探空和空气质量观测数据对3种参数化方案下的模拟结果进行了验证对比.一种基于临界垂直湍流交换系数确定边界高度的方法被用于对比3种参数化方案之间垂直扩散能力的差异.结果表明,MYJ方案对10m风速高估最大（平均高估0.66m/s）,对2m温度和2m湿度低估最小,YSU和ACM2方案对地面气象要素的模拟效果相近;ACM2方案对于边界层内垂直廓线模拟效果优于YSU和MYJ方案,但是3种参数化方案对边界层内风速均存在高估（高估可达2.6m/s）;基于临界垂直湍流交换系数方法定义的边界层高度更能反映大气的垂直扩散能力,MYJ方案边界层高度最小,其模拟的PM_2.5浓度最高;MYJ方案对于地面风速的高估,会降低模拟的区域整体PM_2.5浓度,但是会增加风速较大区域下风向的PM_2.5浓度;ACM2方案对边界层垂直廓线模拟最好,夜间底层垂直湍流交换系数计算值较大,使得ACM2方案对于本次过程中PM_2.5等污染物的模拟优于MYJ和YSU方案.     

城市化对青岛夏季海陆风环流影响的个例分析

基于分辨率为500 m的青岛地区下垫面土地利用资料,利用中尺度大气数值模式Weather Research& Forecast(WRF),模拟分析了不同城市下垫面情形下,2007年8月4-5日青岛地区的一次海陆风过程.控制试验和干农田下垫面及城市下垫面两个敏感性试验都模拟出了海陆风的转换过程及城市小风区和城市热岛现象.模拟分析结果表明,城市化进程下城市区域气温明显升高,增温幅度为1～2℃,高密度城市下垫面造成的城市热岛效应增大了海陆温差,加强了海风,青岛城市热岛环流受海陆风影响显著;干农田地貌与灌溉农田、林地下垫面相比,不利于局地降温,但与城市下垫面相比,有效地加强了近地面风速.     

台风过程珠江三角洲边界层特征及其对空气质量的影响

利用2006年7月珠江三角洲南北向3个点为期1个月的小球测风、低空探空资料及9个地面气象站逐时风向、风速资料,通过计算和分析风、温梯度资料,研究了台风过程珠江三角洲边界层特征及其对珠江三角洲地区空气质量的影响,重点分析了台风下沉气流影响导致灰霾天气期间的边界层结构.结果表明,2006年7月珠江三角洲地区空气质量主要受2个台风过程影响,当台风中心位于粤东及福建以东海域时,台风外围的下沉气流会对珠江三角洲地区的空气质量产生强烈影响,出现灰霾天气.在台风登陆前出现灰霾日时,珠江三角洲被均压场所控制,大部分区域为静小风,沿海地区会出现局地的海陆风,边界层风速较小.在200~500m低空会出现逆温层,同时最大混合层高度迅速下降到不足500m.     

河谷城市通风系数研究

通风系数是科学确定污染物排放总量的基础.利用WRF模式模拟的边界层高度和风速计算了兰州新区2014年4个季节的通风系数,探讨了风速的季节性变化和日变化特征.结果表明:①WRF模式模拟得到的兰州新区的混合层平均风速呈夜间高、日间低的特征,日间混合层内平均风速最大值出现在20:00左右,这与地面风速积分法确定的平均风速具有较高相关性,验证了利用模式模拟边界层内平均风速特征的能力.②混合层高度季节变化呈现春夏季高、秋冬季低的特征;受太阳辐射的影响,日间混合层高度明显高于夜间.③通风系数具有明显的季节性变化特征（4个季节的通风系数分别为4 607.6、5 424.1、1 316.4、706.9 m2/s）,夏季高,冬季小,这与混合层高度和混合层内平均风速的季节性变化特征一致;日变化呈现单峰型的变化规律,冬季的峰值出现在15:00,而其他3个季节的峰值则出现在17:00左右.研究显示,WRF模式的模拟结果可以较好地反映混合层平均风速的基本特征,利用WRF模式模拟的结果计算得到的河谷地形的通风系数较为合理,不同季节的通风系数差异较大.      

城市PM10污染与气象因素的关系研究

分析通辽观测站2011年6月至2013年5月PM10质量浓度与气象要素的相关关系,结果表明:(1)利用二次多项式描述风速与PM10质量浓度的变化关系更合理,PM10质量浓度最小值对应的风速为2.8 m/s.PM10污染在风速大于3.5 m/s时出现频率最高,在风速小于1.5 m/s时出现频率最低.(2)风向为偏西风(W-NW)和偏南风(SSE-SSW)时,PM10污染时数出现频率较高.(3)当温度低时PM10浓度随着气温升高而增大,表现为正相关;当温度上升到一定程度(0℃～5℃左右时)后,PM10浓度随着气温的升高而逐渐降低,表现为负相关.(4)PM10浓度与降水和相对湿度分别呈负相关关系.     

四川盆地一次污染过程的WRF模式参数化方案最优配置

精准的气象场是空气质量模型的基础,本文对中尺度气象模式WRF(The Weather Research and Forecasting)中微物理过程方案、陆面过程方案、行星边界层方案以及积云参数化方案进行组合,设计了24组参数化方案,对2014年5月初四川盆地内一次空气重污染过程中的气象场进行了模拟,将模拟输出的10 m风速、2 m温度、2 m相对湿度、水汽混合比廓线及位温廓线与研究区内14个气象站及1个探空站的实测数据进行对比.结果表明,Mellor-Yamada-Janjic(MYJ)边界层方案能更好的模拟出盆地内风速的变化趋势,而Yonsei University(YSU)边界层方案模拟的2 m相对湿度效果更优.第16组参数化方案(由WRF Single-Moment 3-class(WSM3)方案,热扩散(SLAB)方案、Mellor-Yamada-Janjic(MYJ)方案及Grell-Devenyi(GD)方案组合)能够较好地模拟盆地近地面风场的水平分布及风速的日变化规律,模拟的温度日变化规律更贴合实际情况,同时能够模拟出边界层内水汽混合比及位温的垂直分布特征,对边界层内逆温层和混合层的模拟也更加贴近实际,尽管该方案对2m相对湿度的模拟并不是最好,但基本能够模拟出四川盆地气象要素的变化特征,因此认为第16组参数化方案(WSM3,SLAB,MYJ及GD)适用于模拟此次重污染过程的气象场.     

新型垂直探测资料在污染天气分析中的应用

针对2017年1月上旬广州地区出现的一次持续时间长的重污染天气过程,基于地面观测资料、激光雷达、风廓线雷达和微波辐射计数据,从水平和垂直扩散条件2个方面分析了此次污染过程的形成和维持的原因.结果表明：（1）本次污染过程期间,广州地区地面风速基本为小于2m/s的偏北风,在300m高度以下普遍存在平均水平风速低于2.6m/s的小风层;污染前期640m高度内的各层回流指数廓线小于0.6,100m高度小于0.4,污染缓解后回流指数高于0.7.（2）地面PM_2.5浓度与逆温强度的相关系数为0.42,过程平均逆温厚度167m,平均逆温强度为1.08℃/100m;（3）PM_2.5浓度与边界层高度的相关系数为-0.56,清洁时段的平均边界层高度（876m）约为污染时段（620m）的1.4倍,过程最低边界层高度为267m;PM_2.5浓度与边界层通风量的相关系数为-0.61,清洁时段的平均边界层通风量（2538m²/s）约为污染时段（1136m²/s）的2.2倍,使用边界层通风量能更好表征大气污染的程度.     

海面动力学粗糙度参数化方案对近海风资源评估结果的影响

采用数值模拟手段可以获取风能资源开发利用高度处资源量的区域分布状况,海面的动力学特性对近海面风速的数值模拟结果影响较大,论文采用WRF模式来研究不同海面动力学粗糙度参数化方案对近海及沿海地区风能资源的数值模拟评估结果影响以及方案的适用性.采用不考虑粗糙度变化(P_0)、WRF模式中参数化公式系数为定值的方案(P_WRF)、Yelland和Taylor 的分风速对参数化系数进行取值的方案(P_YT)对杭州湾近海及沿海地区风场进行模拟研究.通过与观测资料的对比分析可以得出以下结论:通过参数化方法改变海面动力学粗糙度可以改进近海和沿海地区风速的模拟效果,且P_YT 方案的模拟效果要优于P_WRF方案;当观测点为海风时,考虑粗糙度变化方案的风速模拟结果改进更加明显;观测点风速低于约8 m/s 时,所有方案模拟结果的相对误差均随风速增加而降低,P_YT 方案的模拟误差最小,P_0 的误差最大;而当风速大于8 m/s 时,相对误差会随风速的增加而增加,P_YT方案模拟误差最大,P_0 方案误差最小.三种方案模拟风能资源差异主要体现在陆地沿海和近海区域,离海岸线较远的陆上地区模拟结果相差不大,在沿海和近海区域方案P_WRF平均风速模拟结果比方案P_YT的偏高约为0.5 m/s,平均风功率密度偏高约为50 W/m².     

绿潮早期聚集期间天气过程分析

利用中尺度气象模式WRF对2009~2012年绿潮(浒苔)早期聚集之前两周的气象要素进行了模拟,分析了其两周平均、周平均和日平均变化规律。两周平均结果表明,绿潮聚集前期海面风速基本维持在(6~7)m/s,气温和海表温度(SST)均在12℃~15℃范围内,海温接近浒苔适宜生长温度;短波辐射能量在200 W/m2左右,光照条件有利于绿潮繁殖。除2009年外,其余3 a周平均结果表明绿潮聚集前期平均风速有减弱趋势,SST增温明显。日变化分析表明,除2009年外,2010、2011、2012年绿潮早期聚集前几天风速均较小,为4 m/s左右,风向基本为东南风;气温和SST均有快速上升趋势,2010、2011、2012年聚集之前SST超过15℃,SST和光照条件有利于浒苔大量增殖。     

中国中东部PM2.5时空分布变化及气象影响分析

为探究气象条件变化对PM_(2.5)的分布影响,该研究利用CAMx及WRF模型,分别模拟了中国中东部地区2017-2019年第4季度PM_(2.5)浓度(ρ(PM_(2.5)))分布及气象条件变化,并对"2+26"城市、长江三角洲地区的ρ(PM_(2.5))及气象因子进行时空变化分析。结果表明:2017-2019年,太行山东麓沿线污染最为严重,季度平均ρ(PM_(2.5))达150～250μg/m3,长江三角洲地区季度平均ρ(PM_(2.5))为35～115μg/m3;2019年太行山东麓及燕山南麓地区气象条件优势明显,西北气流频次增加,同时相对湿度下降,大气边界层升高,降水量增加,地区ρ(PM_(2.5))下降6～18μg/m3;长江三角洲沿海地区降水量增加,风速增大,ρ(PM_(2.5))下降8～16μg/m3。数值模拟结果显示,2017-2019年,受降水、相对湿度、边界层、风速以及主导风向的影响,2019年中国中东部地区冬季ρ(PM_(2.5))降低6～18μg/m3,不同区域影响ρ(PM_(2.5))变化的气象因子不同。     

黄河流域西柳沟中游输沙势及风沙入黄量估算

以十大孔兑之一的西柳沟风沙区为研究区,通过野外监测与室内分析相结合,对研究区风况和输沙势特征进行分析,同时开展风沙流活动观测,测定流域两岸不同下垫面输沙通量,再通过函数拟合法科学估测风沙入黄量.结果表明:(1)研究区属于中等风能环境区,年均起沙风风速为6.41m/s,年均起沙风频率为17.85%,最大风速为11.37m/s;(2)不同时间尺度合成输沙势方向趋于一致,均以偏东南方向(SE,SSE)为主,年方向变率指数属于中等变率,年合成输沙势方向(RDD)为SSE方向,直接导致大量沙物质输入河道;(3)不同下垫面垂向输沙通量存在显著差异,流动沙地、半固定沙地和固定沙地风沙入黄量占比分别为77.09%、15.30%和7.61%.流域地表输沙率垂线变化表明不同下垫面总输沙率与风速均呈较好的指数函数关系,因此利用输沙率(q)、起沙风时长(h)与断面长度(d)之间关系,估算西柳沟流域年均风沙入黄总量约为8.09×10⁵t/a.本文旨在探究西柳沟流域不同下垫面输沙率与风速两者之间耦合关系,为风沙入黄防治工作提供数据基础,从而降低风沙问题对黄河流域造成的安全隐患.     

东沙群岛附近海域风候特征分析

目的利用近22年的CCMP(Cross-Calibrated,Multi-Platform)风场资料,对东沙群岛海域的风候特征进行深入研究,为军地海洋建设提供科学依据。方法利用具有高精度的CCMP风场资料,统计分析近22年期间东沙群岛附近海域的风候特征。结果东沙群岛附近海域的海表风速呈"W"状双峰型月变化。峰值出现在11、12和1月期间,海表风速在9 m/s左右,次峰值位于6月,海表风速在6 m/s左右,东沙海域的年平均风速为6.5 m/s。东沙海域的海表风速表现出"U"型日变化特征。东沙附近海域的风速主要分布于3~5级,即3.4~10.7 m/s之间,1月的大风频率明显高于7月。1月和10月,东沙附近海域的风向以NE向为主,7月受西南季风影响显著,风向以S-SW向为主,4月风向则以ENE和SSE向为主。从全年来看,风向以偏东北向为主,S-SW向居其次。在近22年期间,东沙海域的海表风速整体上以0.0424 m/(s·a)的速度显著性逐年线性递增。结论运用高精度的CCMP风场资料,通过统计分析方法得到了东沙群岛海域的风候特征,对军地海战场环境建设具有科学支持作用。     

气候变化对长三角臭氧污染影响的数值模拟研究

目的研究气候变化对污染物浓度的影响,进而了解其对环境空气质量的影响。方法利用WRF-Chem模拟2014年1月、7月(代表现在)和2050年1月、7月(未来)长三角地区的气象要素和空气质量的数据,研究气候变化对该区域臭氧浓度的影响。结果在夏季,未来(2050年7月)与现在相比(2014年7月),整个长三角区域的臭氧浓度变化幅度较小,约为-0.09×10~(-9),且呈现出北部增加,南部减少的趋势,在长三角北部的陆地地区,臭氧浓度增加达到极大值(15.0×10~(-9))。在冬季,与2014年1月的数据比较,未来(2050年1月)整个长三角地区臭氧比现在降低约7.9%,其中在上海以东洋面上减少达到极值(-25.1%)。结论在夏季,导致长三角北部地区臭氧浓度升高的主要原因是太阳辐射量的增加、VOC和NOx浓度的升高、边界层高度的降低以及增强南风的输送有关。长三角南部地区臭氧浓度的减少,主要原因是其太阳辐射的减少以及风速的增加。在冬季,在南通、上海以东洋面上臭氧减少的幅度较大,这与温度的降低、辐射的减少以及NOx浓度的增加有关。长三角南部区域的臭氧浓度有所增加,这与该区域太阳辐射的增加以及区域范围内的输送有关。在制定臭氧控制策略时,应该考虑未来气候变化的影响。     

风浪对太湖水体中胶体态营养盐和浮游植物的影响

为了解不同风浪条件下太湖水中胶体态营养盐和浮游植物含量的特征, 选择不同风速情况进行现场观测和采样, 用切向流超滤法获取胶体, 测定胶体态有机碳、氮、磷及其他形态营养盐含量. 同时收集浮游植物样品, 测定其密度和生物量. 结果表明, 在风速小于4m/s时胶体氮(CN)和胶体磷(CP)含量随风速变大而升高, 而在风速大于4 m/s时其含量不再升高, 甚至略有降低; 叶绿素a(Chl-a)、浮游植物密度、蓝藻密度和蓝藻生物量均在风速小于4m/s时随风速增大而升高, 在风速大于4 m/s时随风速增大而降低, 说明小风浪有利于蓝藻生长或漂浮, 而大风浪对其生长或漂浮不利. CN和CP含量与浮游藻类含量呈显著正相关, 表明在藻类生长旺盛的夏季, 太湖水中胶体氮、磷的主要来源为藻类产物.     

珠三角土地覆被资料优选及在WRF模式中的初步应用

针对WRF模式中珠三角地区土地覆被资料不准确的现况,从国内外主要的土地覆被产品中筛选与统计年鉴资料相符的产品,与模式内置的静态资料进行对比试验以评估土地覆被资料对模拟结果的影响.试验模拟的时段设为2010—2011年1、4、7、10月.结果表明:①WRF模式内置的MODIS资料在珠三角地区对于建成区高估超过3倍,而主要土地覆被遥感产品中GLC2009资料最为接近统计年鉴和调查结果值;②GLC2009土地覆被数据相比模式内置的MODIS资料,对珠三角区域地表温度、风速、相对湿度的模拟有一定改善,2 m地表气温与观测的平均偏差从0.32℃降至0.08℃;2 m水汽压平均偏差从0.31 hPa降至0.28 hPa;10 m风速平均偏差从0.59 m·s-1降至0.38 m·s-1,其中10 m风速对于土地覆被变化最为敏感;③从空间分布上看,GLC2009资料相对内置的MODIS资料,其对整个模拟区域内的温度、湿度模拟结果有所改善,并且对珠三角城市外围区域风速模拟结果的改善明显;④模拟结果的变化是由于土地覆被类型及其比例的变化直接改变了模式中地表反照率、粗糙度、植被覆盖率、植被气孔阻抗等参数的取值引起的.     

南京城市下垫面变化对夏季臭氧浓度的影响研究

利用南京基准地面气象站1951~2010年的气象数据分析南京气象要素的长期变化,利用2007年南京草场门大气污染物监测数据探讨O3同气象要素之间关系并分析气象要素改变对污染的可能影响,结合WRF-CALGRID模式基于2008年7月的情景模拟研究1990年代以后南京城市下垫面变化对气象要素变化的贡献,并分析其对O3浓度的影响.结果显示,南京气温呈现增长趋势,平均风速、大气湿度、日照时数呈现降低趋势.气温与O3浓度呈一定的正相关关系、较小的风速和相对湿度有利于O3的生成.城市下垫面的增加使得南京城区气温增高超过1℃、风速减小0.4m/s、湿度下降0.5g/kg、混合层高度增加100m.气象要素的改变使地面NOx浓度减小,最大减小量超过6×10-9.对O3浓度的影响有增有减,南京市北部、西部增加,增加量超过2×10-9,主要受温度增加、风速减小以及NO的垂直输送影响;主城区的南部、东部O3浓度减小,减少量1×10-9~3×10-9,主要受混合层高度增加的影响.     

珠江三角洲典型灰霾过程的边界层特征

2014年1月初珠江三角洲(以下简称珠三角)地区出现严重的灰霾天气.利用广东省城市空气质量资料、中国气象局番禺大气成分站逐时PM10、PM2.5、PM1以及能见度数据、广东省946个自动站风向风速数据、广州基本站风向风速数据、2013~2014年东莞佛山大气边界层观测试验资料等,研究了珠三角2014年1月1~8日典型灰霾过程的边界层特征.结果表明:大陆冷高压变性出海是这次灰霾过程发生的主要天气系统.其使得珠三角地区受静稳天气控制,造成微风或静风状况以及低的边界层和逆温结构;6日珠三角主要城市空气质量呈现不同的变化,其原因主要是区域内风向的变化,5日上午珠三角为弱的偏北风,整个珠三角都为灰霾天气,而5日下午风向由偏北风转为偏南风,珠三角东南部地区空气质量改善,北部(内陆)地区的空气质量恶化;后向轨迹分析发现所有气流呈明显下沉作用,且5日20:00的后向轨迹簇来自陆面,6日20:00的后向轨迹簇来自海面,两者对珠三角的空气质量具有不同的影响.     

青岛市不同下垫面微生物气溶胶分布特征

分别在青岛市市区街道、海滨区域、饮用水水源地、城市垃圾填埋场和人工湿地污水处理厂设置监测点,分析比较不同下垫面空气细菌和真菌浓度、日变化和粒径分布. 结果表明:5个下垫面空气细菌浓度依次为城市垃圾填埋场>市区街道>饮用水水源地>海滨区域>人工湿地污水处理厂,真菌浓度依次为城市垃圾填埋场>人工湿地污水处理厂>饮用水水源地>市区街道>海滨区域,其中城市垃圾填埋场空气细菌和真菌浓度最高,分别为(613.1±68.9)、(1300.4±74.3)CFU/m3,其他下垫面空气的细菌和真菌浓度分别在(155.5±14.2)～(596.6±396.4)和(401.9±78.7)～(994.7±63.4)CFU/m3之间. 海滨区域空气细菌浓度下午明显高于上午和中午,其他下垫面表现为上午>下午>中午,但无显著性差异;市区街道、饮用水水源地、人工湿地污水处理厂的空气真菌浓度日变化表现为上午>中午>下午,城市垃圾填埋场则始终升高,除人工湿地污水处理厂和城市垃圾填埋场不同时段间空气真菌浓度有显著性差异外,其余下垫面无显著性差异. 细菌气溶胶粒径分布为F1级(粒径>7.0μm)最高,呈偏态分布;真菌气溶胶粒径呈对数正态分布,除城市垃圾填埋场峰值出现在F3级(3.3~4.7μm)外,其余下垫面均出现在F4级(2.1~3.3μm). 不同下垫面细菌气溶胶中值直径在2.8~4.6μm,存在差异;而不同下垫面空气真菌气溶胶中值直径均在2.0μm左右,无显著性差异.