空气质量模式“源同化”模型及排放源影响效应研究

论文摘要

污染源排放清单是空气质量模式的重要输入数据,排放源的不确定性是影响当前空气质量模式研究结果准确性的主要因素之一,亦对污染源的调控产生较大影响。近年来排放源模式、源反演模型等间接源排放估算方法成为定量计算污染源排放量及其时空变化规律的主要研究方向之一,它们可以为空气质量模式提供高时空分辨率、多排放参数的污染源排放清单。采用简单易行、具有较高可信度和应用价值的“Nudging”源同化修正模型反演具有季节变化特征、高分辨率、动态的多尺度排放源清单,成为提高空气质量预报水平的重要途径之一。本文研究的主要目的是采用多尺度源同化反演模型在中国各区域、各季节和不同天气条件下进行模拟试验研究,以探讨空气质量模式“源同化”模型的模拟效果及其理论认识;本文还研究气象场模拟技术的改进、不同空间分辨率的观测资料以及OMI高分辨率柱浓度卫星资料的应用对空气质量预报水平提高的显著性问题;本文着重讨论奥运时段华北不同地区污染源的不同排放控制情景对北京市空气质量的影响以及各种物理、化学过程的贡献率,试图寻找周边污染源的关键控制区,以提供奥运会期间北京地区空气质量保障与调控的科学依据。以下是本文的主要研究工作和结论总结。（1）本文定量分析了“Nudging”污染源同化反演方法在中国不同地区、不同季节、不同天气过程的适用性及其对空气质量预报改进的长期客观效果检验。通过大样本模拟试验,揭示出中国区域排放源的月际和季节变化特征;证实引入源同化反演模型后,CMAQ模式在中国不同地区、不同季节和不同天气条件下预报水平均有较显著的改进。获取了全国47个城市区域具有季节变化特征的动态排放源,其预报效果明显优于2000年David Streets排放源;采用上述源同化反演方法,不仅显著改善了SO2、NO2浓度的预报趋势,而且可明显减少预报误差;SO2排放源强增加导致源影响过程贡献的SO2浓度增大是源同化方法提高SO2浓度预报水平的主要物理机制,排放源的改善导致化学反应过程贡献的NO2浓度增大是源同化方法提高NO2浓度预报水平的主要化学机制;SO2、NO2排放源的改善对PM10、O3逐时预报以及O3最大值预报具有间接影响,可提高PM10、O3逐时及O3最大值浓度预报水平,趋势预报效果较好。（2）比较了两种气象模式（MM5/WRF）提供的气象场对华北地区SO2、NO2源同化修正效果及其浓度预报水平的影响差异;采用CMAQ模式中的IPR过程分析模块着重分析了WRF模式中边界层高度、相对湿度模拟的改进对SO2、NO2源同化效果的影响。分析结果表明,边界层高度和相对湿度模拟的改进对于SO2、NO2浓度趋势模拟效果有一定的影响;相对气象模式模拟效果的改进而言,排放源的改善对于提高SO2、NO2浓度的趋势及浓度模拟水平的作用更显著。（3）采用不同空间分辨率的SO2、NO2实测资料模拟分析了中国地区SO2、NO2不同观测信息密度对SO2、NO2源同化反演及空气质量预报的影响,重点分析了奥运时段华北地区SO2、NO2浓度加密观测对改善SO2、NO2排放源和空气质量预报的重要作用。分析结果表明,采用较高分辨率的实测资料进行SO2、NO2源同化修正时,可明显减小SO2、NO2浓度的预报误差,华北地区较高分辨率的观测信息对于改善源同化修正效果及奥运时段华北地区SO2、NO2浓度的趋势预报效果十分重要,尤其是对SO2浓度的预报尤为重要。（4）本文采用OMI SO2、NO2卫星遥感产品着重讨论北京周边地区SO2、NO2排放源的影响效应以及该产品在改善NOX源同化修正效果及提高NO2浓度预报水平中的初步应用。提出了卫星遥感-地面大气污染观测综合分析及其卫星遥感变分场同化源技术途径。根据卫星遥感与地面观测相结合思路,利用地面实测污染资料变分订正卫星遥感OMI高分辨率柱浓度资料,并采用卫星遥感变分场源同化模型获取了华北地区高分辨率的动态NOX排放源,个例模拟试验研究表明该技术方案具有提高污染物预报水平的可行性。分析结果表明,无论冬季还是夏季,华北地区SO2、NO2实测浓度与OMI SO2、NO2卫星遥感柱浓度的高低值区分布较一致,SO2、NO2柱浓度卫星资料可适用于华北地区卫星遥感-地面观测综合变分分析;经变分订正的OMI SO2、NO2柱浓度的空间分布特征可看出,北京的西南、东南地区污染源对北京地区的SO2、NO2浓度的影响较大;采用经变分订正、分辨率较高的OMI NO2卫星遥感资料同化修正排放源时,WRF-CMAQ模式对华北地区冬、夏季NO2浓度水平预报和趋势预报可取得较显著的改善效果;采用经变分订正的、高分辨率的OMI NO2卫星遥感资料进行源同化时,可模拟得到与实测浓度分布较一致的、细致的、高分辨率的NO2浓度信息,弥补了采用地面有限实测资料模拟效果的不足,卫星观测资料对于城市区域尺度的NO2浓度模拟尤为重要。OMI NO2高分辨率卫星遥感资料对于奥运期间华北和北京地区的NOX排放源调控以及提高场馆尺度NO2浓度预报水平有一定的实际应用和参考价值。（5）在夏季奥运时段华北地区同化修正源的改善以及改进后的WRF模式技术的基础上,着重分析了北京区域气候背景、风向频率分布等气象条件以及奥运时段华北不同地区污染源的不同排放控制情景对北京市SO2、NO2、PM10、O3浓度的影响和各种物理、化学过程的贡献率。找到了周边污染源关键控制区,为奥运期间北京地区空气质量保障与调控决策提供科学依据。分析结果表明:1)周边污染源对北京地区空气质量影响的主要通道是北京的西南和东南部地区。北京西南部的污染源对北京地区SO2、NO2、PM10浓度的影响最大,东南部的污染源影响次之,西北部的污染源对北京地区SO2和PM10有一定程度的影响。北京西南部对SO2浓度影响程度最大,PM10次之,NO2最小。周边污染源对北京地区O3浓度的影响较小;2)北京周边污染源应急调控方案需考虑当时的风场结构特征,选取“上风方”周边污染源为主要调控目标,其中重点调控北京周边城市西南与东南区域,其次为西北区域;另外在弱风或静风条件下需重点调控北京本地污染源。3)控制北京西南地区的SO2、NO2污染源排放时,北京及周边地区SO2、NO2、PM10三种污染物浓度的减少幅度形成由南向北的带状分布,而且带状分布地区PM10浓度减少比例存在日变化特征。4)夏季多数三级以上污染日北京地区SO2、NO2、PM10浓度减少幅度与北京主体“上风方”（西南、东南部）SO2、NO2污染源减排比例呈同步变化关系,且北京西南部三种污染物的减排效果明显优于东南部的调控效果,因此北京西南地区的污染源控制对于改善北京地区的空气质量更加重要。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 大气污染数值模拟研究的重要意义
• 1.2 空气质量数值模式的研究进展
• 1.3 源同化方法研究的重要性
• 1.4 源同化方法研究的国内外进展
• 1.5 本论文研究目的和创新点
• 1.6 本论文的研究内容和技术路线
• 2、NO₂源同化模型的区域适用性及其客观性效果检验'>第二章 SO₂、NO₂源同化模型的区域适用性及其客观性效果检验
• 2.1 引言
• 2.2 “Nudging”源同化方法的理论基础
• 2.3 MM5 和CMAQ 模式参数设置和输入资料
• 2.3.1 MM5 模拟系统简介
• 2.3.2 MM5 参数设置和输入资料
• 2.3.3 CMAQ 模式简介
• 2.3.4 CMAQ 模式参数设置和输入数据
• 2.4 “Nudging”源同化试验方案设计
• 2.5 源同化反演季节动态模型模拟试验研究
• 2.6 源同化反演模型区域性特征试验研究
• 2.7 源同化反演模型效果检验
• 2.7.1 实测浓度比较法
• 2.7.2 源同化模型改进污染物预报水平的物理、化学机制
• 2.7.3 实际排放源比较法
• 2、NO₂ 排放源的月际和季节变化特征'>2.7.4 SO₂、NO₂排放源的月际和季节变化特征
• 10、O₃浓度预报效果的间接影响'>2.7.5 源同化模型对PM₁₀、O₃浓度预报效果的间接影响
• 10预报'>2.7.5.1 PM₁₀预报
• 3预报'>2.7.5.2 O₃预报
• 2.8 本章小结
• 第三章 MM5/WRF气象场模拟能力改进及其对源同化空气质量模式预报水平的 影响
• 3.1 引言
• 3.2 MM5、WRF 与CMAQ 模式参数设置及敏感试验设计
• 3.2.1 WRF 简介
• 3.2.2 MM5 与WRF 模式比较
• 3.2.3 MM5 与WRF 模式参数设置
• 3.2.4 CMAQ 模式参数设置
• 3.2.5 CMAQ 模式敏感试验设计
• 3.3 MM5 与WRF 模式模拟效果评估
• 3.3.1 华北地区模拟气象场评估
• 3.3.2 北京地区模拟气象场评估
• 3.4 不同模式模拟的气象场对空气质量模式预报效果的影响
• 3.4.1 三种试验方案的模拟结果对比分析
• 3.4.2 试验结果的IPR 过程分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 大气污染观测信息空间密度对源同化模型客观性的尺度影响特征
• 4.1 引言
• 4.2 试验设计方案
• 4.2.1 WRF-CMAQ 模式基本参数设置
• 4.2.2 试验方案
• 4.3 源同化模型应用影响域与时空尺度特征分析
• 4.3.1 全国区域尺度影响特征
• 4.3.2 华北区域尺度影响特征
• 4.3.2.1 冬季
• 4.3.2.2 夏季
• 4.3.3 北京城市区域尺度影响特征
• 4.4 本章小结
• 第五章 OMI卫星资料在源同化反演模型及CMAQ模式中的应用
• 5.1 引言
• 5.2 OMI/Aura 卫星产品和使用资料
• 5.2.1 OMI/Aura 卫星简介
• 2柱浓度卫星遥感产品简介'>5.2.2 OMI SO₂柱浓度卫星遥感产品简介
• 2柱浓度卫星遥感产品简介'>5.2.3 OMI NO₂柱浓度卫星遥感产品简介
• 5.2.4 使用资料
• 2、OMI NO₂卫星资料与地面观测资料的对比分析'>5.3 OMI SO₂、OMI NO₂卫星资料与地面观测资料的对比分析
• 2、OMI NO₂卫星资料的变分订正'>5.4 华北地区OMI SO₂、OMI NO₂卫星资料的变分订正
• 2卫星资料在源同化修正模型中的初步应用'>5.5 OMI NO₂卫星资料在源同化修正模型中的初步应用
• 5.5.1 WRF-CMAQ 模式参数和试验设计方案
• 5.5.2 试验结果分析
• 5.5.2.1 冬季
• 5.5.2.2 夏季
• 2 浓度空间分布模拟的重要影响'>5.5.2.3 卫星资料对华北地区NO₂浓度空间分布模拟的重要影响
• 5.6 本章小结
• 第六章 奥运时段源同化技术在周边污染源影响调控对策中的应用研究
• 6.1 引言
• 6.2 华北地区污染源“上游”风场的相关矢分析
• 6.2.1 风向频率分布
• 6.2.2 污染物浓度与地面、高空风场的相关矢分析
• 6.3 WRF-CMAQ 模式参数和试验设计方案
• 6.4 控制试验结果分析
• 6.5 敏感试验A 的模拟结果及IPR 过程分析
• 6.5.1 四种污染物的减排结果
• 6.5.2 不同风向对减排结果的影响
• 6.5.3 不同减排结果的空间分布特征
• 6.5.3.1 西南、东南风影响为主的减排结果
• 6.5.3.2 西北风影响为主的减排结果
• 6.5.3.3 弱南风或静风影响为主的减排结果
• 6.5.4 IPR 过程分析
• 6.6 敏感试验B 的模拟结果及过程分析
• 6.6.1 三种污染物的减排结果
• 6.6.2 IPR 过程分析
• 6.7 敏感试验C 的模拟结果及过程分析
• 6.7.1 三种污染物的减排结果
• 6.6.2 IPR 过程分析
• 6.8 本章小结
• 第七章 总结和讨论
• 7.1 论文的主要研究结论
• 7.1 有待进一步研究的问题
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 附表