大气环境数值模式

书书书第!卷第#期$$%年&月大!气!科!学’()*+,+-./0*12.3456.,7(+0)898)+*8+,:.2;!!.;#-/2=$$%王自发!庞成明!朱江!等=大气环境数值模拟研究新进展=大气科学!$$%!!##$%&!?@1*AB)31!C1*A’(+*A6)*A!B(/-)1*A!+512=D4CC0.A0+,,)*156.,7(+0)8+*E)0.*6+*56.F+2)*A0+,+108(=!#$%&%’()*$+,(-./0(&1%*#232#%$2%&)*’()*+,+#!$$%!!##$%&!?收稿日期!$$%$!G#!$$%$!G&收修定稿资助项目!中国科学院重要方向性项目HB’IJK@J$?作者简介!王自发!男!G&年出生!研究员!研究方向$大气输送及模式发展%LJ61)2$M)31N1*A61)2=)17=18=8*大气环境数值模拟研究新进展王自发G!庞成明G!!朱江G!安俊岭G!韩志伟G!廖宏GG中国科学院大气物理研究所大气边界层物理与大气化学国家重点实验室!北京!G$$$中国科学院研究生院!北京!G$$$#摘!要!近五年来!中国科学院大气物理研究所简称大气所#在大气环境数值模拟方面取得了丰硕的成果!通过自主发展和引进!建立了完备的多尺度&多成分的大气环境数值模式!包括全球大气化学输送模式&区域和城市空气质量预报模式%大气所利用这些模式研究各种空间尺度上污染物浓度时空分布以及污染物的输送和演变!研究了多种污染过程的成因和污染变化规律!在污染物输送&低对流层臭氧高污染&区域及城市污染等方面取得了很多成果!并对区域或城市空气质量进行业务化实时预报%大气所还拓展了我国大气环境模拟研究的新领域$大气化学资料同化&污染模式集合预报&污染源反演新方法%初步建立了空气质量模式的资料同化系统分别基于最优插值技术和集合卡曼滤波技术#和多模式集合预报体系!提高了模式预报水平’在污染源反演新方法方面进行了初步的探索%结合我国目前仍然面临着的大气环境问题!对今后大气环境数值模式的发展方向进行了展望%关键词!大气环境!数值模拟!空气质量模式文章编号!G$$O%?$$%#$#$%&$!!!中图分类号!IGO!!!文献标识码!4#$%%&’(&)**+,$-.’*/0)&+12,3+&’,.),-4’5)6+,(7)*)8&10@4PB)31G!C4P’(+*A6)*AG!!BQR-)1*AG!4-/*2)*AG!Q4B()N+)G!1*FSD4TQ.*AGG3/+/%4%56+7(*+/(*5(-./0(&1%*#28()$9+*56+5%*:5&+$9./0(&1%*#2!%0#&/*5!;$&/#/)/%(-./0(&1%*#2:5&!!#$%&%.2+9%05(-32#%$2%&!8%##$=!G$$$*+9)+/%?$#@%*&#/5(-!#$%&%.2+9%05(-32#%$2%&!8%##$=!G$$$#$9*-&81-!U(),717+070.E)F+,18.670+(+*,)E+!80)5)8120+E)+N.35(+6.,5)67.051*50+,+108(70.A0+,,)*156.,J7(+0)8+*E)0.*6+*56.F+2)*A0+,+108()*5(+D*,5)5/5+.3456.,7(+0)8C(V,)8,!’()*+,+481F+6V.398)+*8+,D4C(’49#F/0)*A0+8+*53)E+V+10,=W/25)J,812+!6)X+F8.67.,)5).*,156.,7(+0)8+*E)0.*6+*56.F+2,(1E+Y++*)*F+J7+*F+*52VF+E+2.7+F.0)*50.F/8+F!N()8()*82/F+5(+A2.Y12156.,7(+0)88(+6)812501*,7.056.F+2!5(+0+A).*121*F/0Y1*1)0Z/12)5V6.F+2=[),50)Y/5).*!501*,7.0515).*1*F+E.2/5).*.37.22/51*5,15F)33+0+*5,715)12,812+,10++XJ72.0+FN)5(5(+,+6.F+2,=R*F+0,51*F)*A,.3*15/0121*F1*5(0.7.A+*)87.22/51*5,\501*,7.05!,/0318+()A(.M.*++7J),.F+!1*F0+A).*12.0/0Y1*7.22/5).*10+)670.E+F=U(+0+12J5)6+3.0+81,56.F+2,V,5+63.01)0Z/12)5V),F+E+2.7+F1*F/,+F)*10+A).*.08)5)+,=D5),3)0,52V8.*8+0*+F)*’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’&5*!156.,7(+0)8+*E)0.*6+*5!*/6+0)812,)6/215).*!1)0Z/12)5V6.F+2=!引言日益变暖的全球气候及频繁的极端天气和环境事件已成为人类社会生存发展的重要议题之一!正确评估人类活动对大气系统的扰动是当前科学界面临的难题和热点%国际上已开始对此议题进行广泛的研究!发现大气痕量成分不仅在全球大气变化中扮演重要角色!而且是目前研究不确定性的重要来源之一DC’’!$$&#%评估人类活动对大气痕量成分的影响!其关键在于定量了解不同物理化学过程在大气环境中的相对重要性%大气环境数值模式可以通过综合物理&化学和数学等学科的最新进展!再现不同过程在大气中的作用!因此与现场观测&实验室模拟成为当前大气环境研究的主要手段%同时大气环境数值模式还具有全球及区域尺度大气痕量成分的源汇评估&历史过程再现和未来场景预测等其他手段不具备的优点!受到了大气环境研究领域的格外重视!也得到了广泛的发展%为了提高科学研究水平和满足国家需求!中国科学院大气物理研究所简称大气所#与国内外紧密协作!针对全球大气环境!特别是我国自主开发及引进了一系列不同尺度的化学输送模式包括全球大气化学输送模式&多尺度区域及城市空气质量预报模式&酸雨数值模拟和沙尘预报模式#!对我国人为活动的影响进行了科学的评估!也为我国的大气污染控制政策提供了必要的支持%胡非等)G*对于大气所大气环境方面的科研工作作了系统的回顾!本文主要对大气所近五年来大气环境数值模拟工作进行总结!并对未来的发展方向提出建议%!空气质量多尺度数值模式系统近五年来!在自主研制和改进国外先进模式的基础上!大气所从过去以区域模式为主发展到目前初步建立全球区域城市等多尺度的大气环境模拟系统!其研究物种从单一成分发展到多成分的同时模拟!研究手段从单一模式发展到多模式集合同化%利用该模拟系统!大气所对各种尺度污染物浓度时空变化以及污染物的输送&演变规律进行了系统的研究!同时也积极开展区域和城市空气质量的预报研究%==!多种模式体系的建立大气所研制全球模式历经二维到三维的发展历程%大气所建立了一个全球二维纬向平均化学模式)*!模式包括!#种大气成分和G$#个化学反应!其结果与观测结果具有较好的一致性%为了更好地描述大气痕量成分的分布结构!揭示其输送机制和通道!大气所近年来自主建立三维全球环境大气输送模式P2.Y12L*E)0.*6+*512456.,7(+0)8U01*,7.05W.F+2!简称PL4UW#)!*!其水平分辨率为G_‘G_!垂直方向$层!采用地形追随坐标系!考虑了地面源排放&平流与扩散&化学转化以及干沉降&湿清除等过程%罗淦等)!*利用PL4UW模式对$$#年全球污染物进行长期模拟!分析二氧化硫&硫酸盐&黑碳&沙尘气溶胶的浓度分布和输送态势!并与观测进行了比较!在中国和欧洲!二氧化硫日平均浓度模拟和观测的相关系数较高’模拟的沙尘气溶胶总体柱浓度分布状况与卫星观测输出的气溶胶光学厚度具有很好的一致性!体现了气溶胶粒子的输送态势和分布特征!这些都表明该模式对于大气化学成分分布状况具有较强的模拟能力%在自主研发的基础上!大气所还引进国外先进全球环境模式WTB4aU)#!O*和PLT9J’QLW)&*!并对其在东亚的模拟能力进行系统的评估%全球模式在大气所的建立!不仅可以为区域模式提供边界条件!同时也可以为评估欧洲地区的污染排放物对亚洲的输送影响提供支持%近年来!我国大气环境呈复合型和区域型的污染趋势!发展多成分同时模拟的区域和城市大气环境模式成为研究的热点%大气所在过去单一物种的区域模式例如硫输送模式#基础上!成功研制多成分大气环境数值模式!包括嵌套网格空气质量预报模式系统4bCW9!+,5+F4)0b/12)5VC0+JF)85).*W.F+2)*A9V,5+6#)%*%该模式可以同时用于%%大!气!科!学’()*+,+-./0*12.3456.,7(+0)898)+*8+,!!!!!卷:.2;!研究不同尺度区域&城市#&不同成分的污染问题!并可利用系统中的单向和双向嵌套功能研究和探讨不同尺度污染间的相互作用!被广泛应用在区域臭氧和气溶胶污染以及污染物长距离输送等方面%Q1*等)*研制了区域尺度欧拉型模式U’UWU0.7.,7(+0)8’(+6)812U01*,7.05W.F+2#!模式包含主要的物理&化学和生态过程!如平流&扩散&化学反应&云和降水&干沉积&源排放等!被应用于生态源排放对臭氧和过氧乙酰硝酸脂的影响等研究%a4bWa+A).*124)0b/12)5VW.F+2#是一个三维区域空气质量欧拉模式)G$*!能够模拟多种大气污染物的输送和演变%在火山爆发对9T和9Tc#影响的研究中!a4bW展示了较好的能力%为了吸收国外研究结果!大气所引进美国国家环保署LC4#的区域多尺度空气质量模型W.F+2,J!(’W4b!并对其进行改进!使之适合中国及周边地区的情况!建立了一个多尺度空气质量模式系统a4W9J’W4b)GG!!*%=!基于模式系统的科研应用基于全球区域城市多尺度多物种模式系统!大气所对东亚!特别是我国!酸沉降进行了广泛的演究%利用a4bW模式!4*等)G!*发现火山排放使得临近地区下风方边界层9T和9Tc#浓度分别增加了!$$d和G?$d!总硫沉降每月也增加!$$d%Q1*等)G$*的研究证实东亚冬季酸雨依然分布广泛7Q#=?!中国西南部&长江三角洲部分地区&黄海和朝鲜平原#!中国大部分地区仍然是硫酸型酸雨!但中国东部和西太平洋边缘区为硝酸(硫酸混合型酸雨%利用a4W9J’W4b!B(1*A等)$*对$$G年春季东亚地区含硫物的产生和输送过程进行模拟!9T和9Tc#浓度具有显著的时空变化!由于化学转化和输送过程相互影响!9T和9Tc#的变化形式不同%模拟研究4T!气溶胶时空分布的季节特征!结果表明边界层内硝酸盐气溶胶的浓度具有明显的季节性差异!通常冬&春和秋季硝酸盐浓度高!而夏季浓度低!这种季节变