华东区域培训技术培训班王自发

1、中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室王自发，李杰，唐晓，葛宝珠，陈焕盛等空气质量数值预报技术与应用2014年11月27日技术推动环保 科学预测未来 研究背景 模式基本原理 模式关键技术 业务应用示范主要内容van Donkelaar et al., EHP, 2010灰霾沙尘Zhao et al., EST, 2009臭氧PM2.5 (g m-3)西方150多年发展经历的各类大气污染在我国集中爆发我国面临严重的大气复合污染三大污染问题：沙尘暴、臭氧和灰霾（细颗粒物）数据：中科院观测研究和文献整理灰霾天数 增加PM2.5增加北京 160天/年上海 200天/年广州 15

2、0天/年深圳 160天/年Atmos. Res. 2009, 94,161-167全国霾污染日益严重： 三区十群2013年1月尤其严重灰霾污染是困扰我国经济发展的重大问题国家对大气污染预报高度重视环境空气质量标准（GB3095-2012） 新增PM2.5、8小时O3 、CO等新标准重点区域大气污染防治“十二五”规划 2015年，重点区域PM10、PM2.5分别下降10%、5% 大气污染防治行动计划“国十条” 重污染应急管理，节能降耗减排，行政问责 2014年：三大城市群2015年：省级，副省级与省会城市预报预警中心构建时间节点：任务艰巨一次污染防治 二次污染防治单一城市管理 区域协同联动单一污

3、染物控制 多污染物协同控制污染现状、形成机制、污染来源、防治策略、调控对策科学需求：大气污染模拟和预测研究复合污染演变：模式模拟是关键 研究背景 模式基本原理 模式关键技术 业务应用示范主要内容源排放平流扩散化学转化干湿沉降控制方程物理图像数学表达将真实物理过程简化为理想模型描述物理模型的数学关系求解数学模型的数值算法执行计算的计算机程序和代码物理模型数学模型数值算法程序代码空气质量模式的功能结构通常包括4个层次模式基本方程求解求解思路：离散化网格划分，差分近似微分算符分离，物理化学过程参数化 空气质量模式发展历程物理模式数学模式大气化学模式统计模式数值模式拉格朗日和欧拉模式 三代模式（应用上

4、）半经验模式单一污染物模式多污染物模式空气质量模式的主要用途 1)解释观测现象; 2)污染演变规律;3)预测与调控工具去哪里观测野外观测实验室试验理论与模式模拟空气质量模式的基本构成 研究背景 模式基本原理 模式关键技术 业务应用示范主要内容大气所自主研制双向嵌套多尺度空气质量模式1234全球区域城市街区论文发表在WASP 2000; JGR, 2000;Tellus 2000: JGR 2002: GRL 2003;GRL 2004; JAC 2006; JGR 2007; ACP, 2008; JGR 2009; AE 2010,2011;SOLA 2011a,b;ACP 2011；ACP

5、 2012.跨洲东亚橘色：沙尘 浅蓝色：污染气溶胶珠三角全球洲际区域城市群城市北京构建从全球区域城市群城市多尺度污染气象耦合预报模式大气污染物排放源的优化处理有效降低预报误差采用稀疏矩阵排放模型SMOKE实现了排放源时空分配的精细化年平均小时50公里 3公里地面整个边界层2、排放源精细化处理技术未经修正的摩擦速度 修正后的摩擦速度 阵风脉动动能 增益系数 阵风起沙机制模型建立与应用沙尘模拟的难点和不确定性在于起沙量的估算。过去的模型机制未考虑阵风的作用，对起沙过程的模拟不正确。建立的起沙模型已被日本、及台湾和大陆等地区的空气质量模式采用(Seino et al, 2005 JMSJ; Kim

6、et al., 2006 JAMA; Tsai et al., 2008 JGR; Liu et al., 2009 AE)修订前后起沙通量差异3、阵风起沙技术大规模沙尘暴模拟有对流分层更新前更新后无对流不分层更多的S/N转化为硫酸盐和硝酸盐2007夏季4、云内分层对流技术气象污染双向反馈机制的影响 耦合模式研制特点：1. 考虑气溶胶的辐射反馈作用2. 气象与化学过程高效同时计算5、气象-污染双向反馈技术影响灰霾预报关键因子气象污染双向反馈机制对气象模拟的影响影响灰霾预报关键因子气象污染双向反馈机制对PM2.5模拟的影响6、重金属汞模拟技术汞形态：Hg(0)/95%、Hg(II)/15%、Hg

7、(P)/1%，考虑汞人为、自然排放，气相、液相化学转化，干湿沉降等气相反应（5个）气-液平衡液相平衡液相反应（6个）液相吸附汞化学转化：ReactionRates (k or K)ReferencesHg(0)(g)+O3(g)Hg(II)(g)3x10-20 cm3molec-1s-1(Hall, 1995)Hg(0)(g)+HCl(g)HgCl2(g)1x10-19 cm3molec-1s-1(Hall, 1993)Hg(0)(g)+H2O2(g)Hg(OH)2(g)8.5x10-19 cm3molec-1s-1(Tokos, 1998)Hg(0)(g)+Cl2(g)HgCl2(g)2.6

8、x10-18 cm3molec-1s-1(Ariya, 2002)Hg(0)(g)+OH(g)Hg(OH)2(g)8x10-14 cm3molec-1s-1(Sommar, 2001)气相反应全球年均汞浓度模拟评估气态汞氧化汞北半球中纬度海上气态汞偏低氧化汞系统性偏高纬向变化红色GNAQPMS绿色GEOS-Chem点为观测吸取各模式优点提高预报准确率7、多模式集成预报技术神经网络：O3模拟改进（35%）多元回归：PM 模拟偏差显著降低多模式集成预报技术发展评估多种预报技术，提高集合预报准确度北京O372小时预报结果广州万顷沙O3预报结果臭氧污染概率预报7、单模式多扰动技术 针对排放源、气象场、

9、模式参数的误差特征进行同时扰动；构建最优扰动组合使集合预报能最大限度反映预报不确定性。8、资料同化技术：利用观测资料提高预报准确率 科学难题实况同化的作用：提供模式预报初值;修正模式偏差模式偏差来自哪里？如何进行空间插值？如何利用观测修正？思路：空间插值本质上是一个变量空间相关性的估计问题 沙尘暴预报同化效果显著同化改善北京及周边臭氧预报资料同化对PM2.5模拟效果显著改进发展基于集合卡尔曼滤波的污染源反演技术，性能优异、计算和操作成本较低Basic formula：Eemission field：obsobservation：modchemical field：(2008-08-02 13:

10、00 model NO2 VCD with original EI)(2008-08-02 13:00 OMI NO2 VCD)(2008-08-02 original NOx emission field)9、污染源反演技术：利用观测资料订正排放源10、源追踪技术源排放Pre +Pre来源iSec + Sec来源i对流、扩散、沉降化学反应Sec来源iPre来源iPre -Pre来源iSec + Sec来源i*Pre:前体物*Sec:二次生成或一次排放的污染物按前体物分配来源源解析地域时间行业标识来源敏感性分析方法 存在非线性误差；计算时间较长，多地域多物种解析需要多组试验；污染物浓度排放源E

11、base0Ebase-50%CEC12*C2化学非线性C2C1CE-50%主要优势PM2.5O3Streets et al., 2008北京外的贡献北京的贡献受体模型法周期长，昂贵无法区分本地与外来源无法实现预测污染排放源地标记示例1：2010年北京地区主要污染物的来源解析以本地排放贡献为主，外来贡献冬季小而夏季大外来SO2：34%（27%41%），NO2：13%（11%14%）外来PM10：19%（13%26%），PM2.5：23%（17% 30% ）示例1：2010年北京对周边大气污染物的贡献率对东边（天津、秦皇岛和唐山）全年贡献较小，冬季相对较大对北边（张家口、承德）夏季贡献大，冬季小对

12、南边（保定、廊坊）冬季贡献大，夏季小示例2：上海硫酸盐前体物来源上海城区上海郊区初边条件上海城区上海郊区苏州南通无锡泰州常州镇江扬州南京嘉兴宁波湖州杭州绍兴长三角之外本地贡献小于5g/m3苏州、嘉兴、杭州和绍兴贡献明显长三角之外地区对硫酸盐贡献非常大空间ID来源时段case高值低值0 day69.060.91 day16.71.12 day5.23.43 day1.32.94 day0.44.05 day1.416.1初边条件6.011.6城区郊区长三角嘉兴苏州宁波之外当天贡献为主，60%以上高值时段，一天前和两天前的贡献明显增大本地及临近地区，当天占绝大贡献上海城区臭氧的来源时段广州PM10

13、来源时间变化本地贡献：48%（16日）68%（22日），平均56%外来贡献：东莞19%，粤北12%广州郊区受外来影响显著，东莞对石娄贡献达55%，而粤北对英豪贡献达26%广州及典型站点PM10来源市区全市南郊东郊北郊西郊示例3：亚运期间广州PM10来源解析41示例4：中山PM2.5一次、二次与行业来源本地二次生成Vs一次排放贡献，61/52%比39/48%本地行业来源中，以工业、交通、扬尘为主城区本地二次生成比例更小，一次排放贡献更大全市平均城区华柏园a）地区来源b）本地一次vs二次贡献c）本地行业来源发起国际模式比较计划提高模式研制水平改进关键物理和化学过程模拟方案发起单位： IAP/九州大

14、学十余个沙尘模式各个模式的差别沙尘数值预报系统的新方向沙尘模式国际比较计划(DMIP)亚洲空气质量模式国际比较计划(MICS-Asia II) 发起者：DORC/IIASA/IAP八个区域化学模式提出了集合预报方法可有效提高酸沉降的模拟效果Atmos. Environ.专刊2010年启动，由我们主导，已召开大连、三亚、北京三次研讨会，2012年9月发布科学计划和实施方案论文发表在Atmospheric Environment 专刊, 2008MICS-Asia III比较计划目的“十五期间”NAQPMS单尺度模拟（单一分辨率）多尺度模拟（嵌套、多个分辨率）单物种（硫或者沙尘）多物种（臭氧、细粒

15、子、硫氮）查表法气相化学，基于平均态驱动场多相态，综合考虑光化学过程、气溶胶过程、气溶胶与气体非均相过程、液相化学；71个物种，134个反应传统起沙机制自主阵风起沙机制欧美的干沉降参数化方案适合我国的参数化方案静态污染源（基于统计）静态和动态相结合，基于SMOKE的高时空精度专业排放处理，基于观测的源反演源解析方法：敏感性试验在线源解析方法（节省计算资源，克服化学非线性）无资料同化基于最优插值、集合卡尔曼滤波同化运行方式：手动，串行自动化，高效并行与国内外模式的比较模式CMAQCAMxNAQPMS起沙机制无无阵风资料同化无（研究版本有）无（研究版本有）有污染源反演无（研究版本有）无有气相化学有

16、有有液相化学有有有气溶胶过程有有有气体与气溶胶相互影响2010年后有无有气溶胶对液相化学影响有（除沙尘外）有（除沙尘外）有（包括沙尘）沉降过程适合欧美适合欧美适合我国污染物来源解析无（研究版本有）有有并行技术跨节点高效并行单节点跨节点高效并行与国内外模式的比较 研究背景 模式基本原理 模式关键技术 业务应用示范主要内容多模式集成预报系统技术体系NAQPMSCMAQCAMx源识别与跟踪过程分析敏感性分析反向模拟卫星资料模式参数优化城市冠层模拟技术复合污染化学模块误差智能识别最优插值同化集合卡尔曼滤波污染源反演集成预报产品污染源模型SMOKE气象模型MM5各种观测 气象 空气质量 航测 卫星 污染

17、源权重平均多元回归神经网络集合滤波空气质量预报重大活动预警空气质量多模式集成预报业务化平台提供1-3天气象要素和空气质量的精细预报和7天的趋势预报.短期预报的不确定性小于30%；自动化、智能化、完成预报的时间小于6小时。无人值守自动数据下载自动运行模式自动绘图自动统计分析自动生成网页会商演示网络用户终端操作终端多模式系统/计算机群磁盘阵列无限带宽下载资料气象场模拟空气质量预报数据后处理00:00 01:00 03:30 6:30 7:30 上海世博 广州亚运多模式集成预报系统北京 奥运成果被国家重大国际活动所采用 成果应用：北京奥运上海世博广州亚运空气质量保障方案空气质量预报空气质量会商空气质量预报空气质量保障方案空气质量预报预报预警监测网络信息发布实时监控预报预警技术示范平台：珠三角大气污染预报预警 沈阳 北京 郑州 上海广州 深圳 重庆 兰州 乌鲁木齐 济南