影响上海的一次沙尘过程WRF-Dust数值模拟

利用完全耦合大气化学模式WRF-Dust(Weather Research and Forecasting-Dust)对2011年5月1~4日影响上海地区的一次典型沙尘天气过程进行了数值模拟研究,并与观测资料进行了对比分析.结果表明:WRF-Dust模式成功模拟了此次沙尘过程的形成、发展和演变的整体特征及其影响时间及范围;较好地模拟了沙尘到达上海的时间(模式和观测均在1日11:00前后)和直接影响的结束时间(2日02:00前后),而且模式沙尘浓度与观测资料较为一致;但局部地区和部分时段的气象条件和沙尘模拟还存在一定的偏差,未能准确模拟过程后期沙尘回流对长三角沿海地区的影响.分析了导致模拟偏差的原因,并探讨了提高模式沙尘模拟能力的可能途径.     

亚洲大陆2000～2002年春季大气沙尘时空特征的数值模拟

将矿物沙尘释放与沉降模式和全球大气化学传输模式相耦合,建立了一个能够完整描述沙尘的扬起、输送和沉降动态过程的模式系统,并利用实时气象资料强迫该模式,对2000、2001和2002年春季(3～5月)亚洲大气沙尘时空特征进行了数值模拟研究.结果表明,模拟的3年春季平均大气柱沙尘浓度分布与地面观测的3年春季平均沙尘暴频率分布范围基本吻合,模拟的沙尘气溶胶光学厚度与卫星观测的气溶胶指数具有显著的相关性,验证了该模式对亚洲沙尘的扬起、传输和沉降过程及大气沙尘载荷时空特征有较好的模拟能力,并基于模拟的沙尘释放通量与沙尘气溶胶光学厚度的相关分析,探讨了亚洲沙尘可能的传输路径.     

两种再分析资料对我国西北地区沙尘模拟的影响

利用耦合了Shao04起沙参数化方案的WRF/Chem模式对2014年4月22～25日发生在我国西北地区的一次沙尘天气进行了模拟,基于ERA-Interim和NECP-FNL两种再分析资料,探究了WRF/Chem在不同再分析资料提供初始场和边界条件时对沙尘天气的模拟能力,并分析了两种再分析资料对模拟结果影响的主要原因。总体来看,WRF/Chem在两种再分析资料提供初始场和边界条件时,均能较合理的模拟出主要的起沙区域、沙尘强度及其时空变化特征,沙源地附近和下游地区各个站点模拟的PM_(10)浓度时间变化特征与观测结果也较为吻合。但相比较而言,对西北地区此次沙尘天气过程,从沙尘的空间分布、沙尘浓度、垂直沙通量和地面各代表站点PM_(10)浓度变化等方面的模拟结果来看,NECP-FNL数据为模式提供初始场和边界条件时要优于ERA-Interim数据的结果,这主要与NECP-FNL数据在WRF/Chem模式中能相对较好的描述起沙过程中摩擦速度的量值有关,从而使得模拟的沙尘区域、强度和垂直沙通量更为合理。     

输送、滞留叠加海上回流的长时间沙尘天气影响判断及贡献分析

于2019年10月15日～11月7日对上海大气中颗粒物的质量浓度和PM2.5的化学组分进行了在线连续观测,期间,华东地区遭遇了一次大范围的沙尘过程.根据相关规定,结合沙尘示踪组分和WRF-CMAQ 数值模拟,将观测过程分为4 个阶段:沙尘前、沙尘I(输送和滞留过程)、沙尘Ⅱ(海上回流和清除过程)和沙尘后.基于相关规定、...     

起沙方案及Nudging对中国西北沙尘模拟的影响

利用耦合了AFWA和Shao04起沙参数化方案的WRF-Chem模式结合Nudging方法,对2020年4月9～11日发生在我国西北地区的一次沙尘天气过程进行模拟,结合地面及卫星观测数据,对模式模拟沙尘的能力进行了初步验证,分析了不同起沙方案及其结合Nudging方法后对模式模拟结果的影响。结果表明,2种起沙方案均有能力再现此次沙尘天气过程,开启Nudging后2种方案模拟出的沙尘分布结果都有所改进。对于地面沙尘模拟,在沙尘源区不开Nudging的模式模拟结果更接近观测,在沙尘影响区开启Nudging后的模拟结果更优。整体而言,结合了Nudging方法的Shao04起沙方案对我国西北地区的沙尘过程具有更好的模拟能力。Nudging方法对模式模拟风场的能力改进较为明显,从而提高了模式对沙尘的模拟能力。     

RegCM3模式模拟我国春季气溶胶光学厚度及检验

利用区域气候模式RegCM3模拟了我国2005~2007年春季每月的气溶胶光学厚度及沙尘气溶胶光学厚度(AOD),并利用站点观测资料检验了模拟结果,探讨了沙尘气溶胶和人为活动排放气溶胶对春季AOD的贡献与影响.结果表明,模拟的我国春季AOD主要有3个高值区:南疆盆地和北疆部分地区,河西走廊地区,以及四川盆地和临近的中南部分地区.前两者AOD高值主要由沙尘气溶胶引起,后者主要受人为活动排放的气溶胶影响.观测资料检验表明模拟结果具有一定的可信度,模式对人类活动影响较少区站点的模拟效果优于对人类活动频繁区站点及城市和沿海站点的模拟,对城市和沿海站点的模拟结果偏低,对最偏远的阜康、海北、拉萨和西双版纳等站点的模拟结果与实际观测差别较大.     

塔里木盆地空中蓄尘库效应对空气质量的影响

利用WRF中尺度天气预报模式耦合GOCART大气化学气溶胶辐射传输模式,对2011年4月27日~5月2日源于我国西北沙尘源区的一次大范围沙尘天气过程进行了数值模拟,并结合MODIS卫星观测资料,发现了塔里木盆地对沙尘气溶胶分布的空中蓄尘库效应.为了对该效应及其对下风向城市空气质量的影响进行验证,期间在兰州大学监测点开展了1h分辨率PM₁₀中水溶性Ca²⁺浓度监测,并结合CALIPSO气溶胶类型垂直分布产品和HYSPLIT气团轨迹模型,利用PSCF方法分析了期间监测点的48h气团后向轨迹.模拟,遥感和监测结果共同表明,塔里木盆地的空中蓄尘库效应会对进入其内部的沙尘气溶胶产生限制-积累作用,若在限制-积累过程中盆地内部近地面风场改变,空中蓄尘库会二次释放沙尘气溶胶,对下风向城市空气质量产生影响.     

北京春季强沙尘过程前后的激光雷达观测

利用激光雷达、PM_2.5和地面气象要素等综合观测资料,分析了北京地区2012年3月30—31日的强沙尘过程前后的天气形势和PM_2.5的污染特征,反演了雷达探测期间得到的消光系数,探讨了沙尘过程中气溶胶的时空分布特征及输送特征. 结果表明:沙尘过境时,地面风速最大达到6m/s,沙尘沉降时ρ(PM_2.5)增至289μg/m3,相对湿度和能见度明显降低,大气低层逆温和近地面风速等气象条件对沙尘影响地面的时间和程度起到了重要作用;沙尘层雷达反演的气溶胶消光系数最大为0.96km-1,偏振比最大为0.4,近地面消光系数变化与地面ρ(PM_2.5)变化规律吻合较好,其探测可以精确反映不同天气形势下气溶胶的垂直结构和时空变化信息;高空输送至北京的沙尘以粗颗粒物为主,细粒子主要来源于本地及周边地区细粒子源;西北方向的内蒙及外蒙地区沙尘输送是导致此次北京强沙尘过程的主要原因.      

起沙方案对西北地区沙尘过程模拟的影响

研究利用耦合了GOCART、AFWA、Shao01、Shao04和Shao11 5种起沙参数化方案的WRF-Chem模式对发生在西北地区的强沙尘过程进行了模拟,找出了对西北地区沙尘过程模拟更为合理的起沙方案。研究发现,WRF-Chem模式模拟结果较好地再现了气象场的演变特征,耦合了5种不同方案的模式均较合理地模拟出沙尘浓度的时空演变特征、主要的起沙区域和沙尘传输过程。但Shao01、Shao04和Shao11 3种方案下模拟的沙尘分布和起沙过程较符合实际情况。沙尘源地附近和下游兰州市PM_(10)和PM_(2.5)质量浓度时间变化特征的模拟与观测结果也十分接近,Shao1 1方案对PM_(10)和PM_(2.5)质量浓度的模拟结果要优于GOCART、AFWA、Shao01和Shao04 4种方案,说明Shao1 1方案对发生在西北地区的沙尘过程具有更好的模拟能力。     

基于CALIPSO对中国春季一次沙尘暴的研究

文章利用CALIPSO卫星观测资料,结合气溶胶模式模拟,分析了2013年入春以来发生的第1次强沙尘天气过程中的沙尘气溶胶垂直分布特征及输送特性.结果表明:此次沙尘事件有两个源区,南疆盆地(源区一),沙尘先后输送影响我国内蒙古西南部、甘肃、宁夏等地区.2月27日沙尘在甘肃西部河西走廊附近,沙尘气溶胶分布在2~5 km,退偏振比在0.1~0.5之间,色比在0.4~0.8之间;28日新疆地区沙尘气溶胶分布在4~12 km,退偏振比在0.3~0.5,色比在0.5~1.0之间.蒙古国西南部地区(源区二),沙尘先后影响我国内蒙古中西部地区、甘肃、山西北部、陕西北部、河北北部和东北西南部地区,2月28日内蒙古沙尘气溶胶分布在4~11 km,退偏振比在0.2~0.5之间,色比在0.5~1.2之间.     

上海地区一次典型连续浮尘天气过程分析

研究分析了2011年5月1~4日上海地区一次典型的连续浮尘天气过程.利用微脉冲激光雷达数据资料反演得到的气溶胶消光系数和垂直廓线,结合地面气象数据和气溶胶观测资料以及卫星遥感资料,初步研究了此次连续浮尘过程的传输特征和形成的主要原因.结果表明,5月1日的浮尘过程以PM2.5的影响为主,而5月2~4日为回流浮尘过程,PM2.5比重较5月1日下降.外源性输入、垂直风场分布和大气层结变化为浮尘天气的发生和维持创造了有利条件.研究还发现,在此次浮尘的气溶胶大气消光作用中,其散射贡献大于吸收作用.     

兰州城市和远郊区黑碳气溶胶浓度特征

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)2010年9月至2011年8月的黑碳气溶胶观测资料,分析了兰州市区和郊区黑碳气溶胶的浓度变化特征.结果表明:市区的年平均黑碳浓度要远大于郊区.日变化都呈明显的双峰结构,最大值出现在08:00~10:00,最小值出现在16:00左右;对于月最大频数浓度的年变化,市区和郊区均是5月黑碳浓度最小,其值分别为1143和932ng/m3,1月黑碳浓度最大,分别为10230和5063ng/m3;市区的周变化较郊区明显;沙尘条件下黑碳气溶胶浓度值低于当月的日均值.     

上海地区臭氧数值预报

基于WRF-Chem在线区域化学/传输模式构建了区域化学天气数值预报业务系统,评估了2013年5月1日至9月30日期间的1h和8h臭氧业务数值预报效果.结果表明:臭氧预报没有明显的系统偏差,预报偏差在0两侧基本呈对称分布;数值预报具有较高的准确性,其中8h臭氧的效果略好,不同时效预报的相关系数均在0.8上下,浓度平均偏差和偏差中值都只有1′10-9~2′10-9,臭氧达标日和污染日预报都有很高准确率和CSI/TS评分,首要污染物也较准确;不同时效的预报效果接近,48h时效略好,24h和72h相当;数值预报也存在一定不足,存在极个别显著偏高或显著偏低的情况,同时由于等级划分阈值的存在,等级预报的准确性明显低于浓度和分指数预报.综合地看,数值预报可以提供较为准确的臭氧预报,为空气质量预报预警业务提供有力的支撑,但分指数等级预报上仍需要进一步提高.     

沙尘和灰霾期间中国近海大气氮沉降通量估算

利用WRF-CMAQ模型估算了2011年4月26日~5月3日沙尘事件和2016年1月1日~7日灰霾事件在中国近海引起的总无机氮（TIN）沉降通量,分析了两类事件对中国近海海洋初级生产力的贡献,探究了灰霾事件时中国近海无机氮沉降的可能来源.结果表明：典型沙尘和灰霾过程中,中国近海TIN干沉降通量均值分别为6.77,3.01mg N/（m²·d）,是晴朗天的6.84,3.04倍,可提供38.5,17.1mg C/（m²·d）的海洋初级生产力;沙尘期间无机氮沉降以还原态氮（NH₃和铵态氮,占TIN的62.2%）为主,灰霾期间则以氧化态氮（HNO₃和硝态氮,占TIN的84.3%）为主.典型沙尘事件TIN沉降对黄海影响最大,对渤海影响最小;典型灰霾事件对黄海和东海TIN沉降影响相当,高于对渤海的贡献.典型灰霾期间,京津冀和山东西北部（区域一）对渤、黄、东海TIN干沉降的贡献均大于长江三角洲及周边地区（区域二）,区域一对3个海域TIN干沉降的贡献约为38.7%~74.6%,区域二的贡献约为1.14%~12.1%.     

春季沙尘过程对华东高山背景区域颗粒物中水溶性无机离子的影响

于2014年3—5月在国家大气背景监测福建武夷山站采集了PM2.5及PM2.5~10样品,利用离子色谱对其中的水溶性组分进行分析,并同步收集气象因子及污染物质量浓度数据,结合后向气流轨迹,分离出受沙尘影响的样品,探讨了春季沙尘过程华东高山背景区域颗粒物中水溶性组分的特征.结果表明,春季武夷山背景点沙尘影响期间颗粒物质量浓度及各水溶性离子浓度均比非沙尘期高,在粗粒子中表现更为明显;沙尘期间NO-3在粗粒子中明显富集,NO-3浓度显著升高;受沙尘影响,粗粒子中阳离子与阴离子的当量浓度比及NO2的二次转化率均明显升高.     

1995~2004年东亚沙尘气溶胶的模拟源汇分布及垂直结构

利用全球气溶胶模式GEM-AQ/EC的1995~2004年10年沙尘气溶胶模拟,探讨了东亚地区沙尘气溶胶源汇分布和垂直结构特征.结果表明,东亚大陆沙尘气溶胶源区主要集中在东亚的沙漠地区,有两大沙尘主要源区:覆盖蒙古国南部及中国内蒙中西部的沙漠地区和南疆的塔克拉玛干沙漠.东亚沙尘排放量春季最大,占全年排放总量的66.81%,四月份达15.29Mt,夏季下降,秋季小幅度回升,冬季最小;东亚沙尘排放量呈现明显的年际变化及增强的趋势.东亚沙尘沉降高值区与源区一致,源区及附近以干沉降为主,远距离传输到中国东北、长江以南及西太平洋包括日本、朝鲜半岛,湿沉降占主导地位;沙尘沉降具有季节变化,其趋势与东亚沙尘排放量的季节变化大致相同,且模拟的10年沉降量呈上升趋势.东亚沙漠地区排放的沙尘主导了东亚沙尘气溶胶的变化,最大的净沙尘汇区集中在紧邻净沙尘源区的黄土高原及华北平原西部.东亚地区春夏秋3个季节均是沙尘的净源区,而冬季强西风急流输入东亚以外的沙尘使东亚整体上为沙尘净接收区.东亚大陆大部分地区,沙尘垂直分布主要集中在对流层低层3km高度以下,在西太平洋地区包括日本、朝鲜半岛沙尘高值中心位于在对流层中层5km高度上下,在沙漠以北地区沙尘垂直廓线的高值出现在对流层中上层6~8km高度.     

黄土高原黄土的成因:沙尘气溶胶源汇模拟与黄土堆积

黄土高原是重要的降尘区还是沙尘源区这一科学问题至今未有确切定论.本文利用北半球气溶胶区域气候模式NARCM,根据1995~2004年10a的模拟数据,分析了中国区域沙尘起沙量、沉降量以及沙尘的盈亏空间分布及风场,得到如下结论:1)沙漠及沙漠化地区是起沙量最大的区域、沉降量高值区集中在沙漠、沙漠化地区及其下风方向.黄土高原起沙量很小,而沉降量远大于起沙量.2)沙尘源区是沙漠及沙漠化地区,其余的地区则是沙尘汇区,降尘量由西北向东南递减.3)黄土高原因太行山和秦岭阻挡,处在最大的沙尘汇区.黄土高原的黄土是冰期和间冰期交替、经过漫长年代沙尘沉降的结果,模拟分析结论为黄土的风成学说提供了有力的证据.     

全球沙尘气溶胶源汇分布及其变化特征的模拟分析

根据全球沙尘气溶胶气候模式GEM-AQ/EC模拟的1995~2004年的沙尘起沙量和干湿沉降量,分析了沙尘气溶胶源汇的全球时空变化特征.全球沙尘起沙量集中在各个主要沙漠地区,北非对全球沙尘气溶胶贡献最大为66.6%.沙尘气溶胶沉降的高值区分布在沙漠源区及其紧临的下风地区.最大净沙尘气溶胶接收主要分布在沙漠周围地区并形成净接收量大于10t/(km2×a)的位于0°N~60°N之间的北非、欧亚大陆、西太平洋、北印度洋、北美和大西洋的带状分布.在北非、阿拉伯半岛、中亚、东亚和澳大利亚5个主要沙漠地区中,起沙量和沉降量都存在明显的季节变化,除中亚其他4个区域干湿沉降量和起沙的季节变化基本一致;东亚地区沙尘气溶胶起沙量和总沉降量的季节变化最为明显,而北非沙漠起沙量和总沉降量的季节变化最小,其他3个区域的季节变化幅度基本相同.中亚起沙峰值和阿拉伯半岛起沙次峰值出现在夏季,其他区域的峰值均出现在春季.10年间全球陆地年平均起沙量为(1500±94)Mt,保持略微上升趋势.以北非沙漠起沙量年际变化率最低(6.3%), 而以东亚(28.3%)和澳大利亚(45.0%)起沙量年际变化最为明显;全球陆地的沙尘气溶胶沉降量以约9.9Mt/a的速率递减,全球海洋的沙尘气溶胶沉降递增.     

An air quality forecasting system in Beijing - Application to the study of dust storm events in China in May 2008

An air pollution forecast system, ARIA Regional, was implemented in 2007-2008 at the Beijing Municipality Environmental Monitoring Center, providing daily forecast of main pollutant concentrations. The chemistry-transport model CHIMERE was coupled with the dust emission model MB95 for restituting dust storm events in springtime so as to improve forecast results. Dust storm events were sporadic but could be extremely intense and then control air quality indexes close to the source areas but also far in the Beijing area. A dust episode having occurred at the end of May 2008 was analyzed in this article, and its impact of particulate matter on the Chinese air pollution index (API) was evaluated. Following our estimation, about 23 Tg of dust were emitted from source areas in Mongolia and in the Inner Mongolia of China, transporting towards southeast. This episode of dust storm influenced a large part of North China and East China, and also South Korea. The model result was then evaluated using satellite observations and in situ data. The simulated daily concentrations of total suspended particulate at 6:00 UTC had a similar spatial pattern with respect to OMI satellite aerosol index. Temporal evolution of dust plume was evaluated by comparing dust aerosol optical depth (AOD) calculated from the simulations with AOD derived from MODIS satellite products. Finally, the comparison of reported Chinese API in Beijing with API calculated from the simulation including dust emissions had showed the significant improvement of the model results taking into account mineral dust correctly.