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城市大气环境数值技术的集成、改进和应用研究

许建明  
【摘要】:本文以新一代空气质量模式CMAQ为工具,采用动力统计相结合的CMAQ-MOS方法和污染源“Nudging”修正技术,实现对城市排放源清单的更新,修正空气污染数值模拟与预报偏差:集成了MM5_UCP-CMAQ城市大气环境数值模拟系统,研究城市冠层特殊的下垫面和建筑群对边界层大气的动力热力效应,以及对污染物分布及其物理化学过程的影响;基于国家级业务平台和巨型计算机建立了中国区域的城市空气质量数值业务预报系统,主要研究内容如下: (1) 以北京和周边城市为对象,研究城市尺度和区域尺度大气污染的时空变化特征,提出CMAQ-MOS动力统计相结合的空气质量预报方法,进行城市空气质量预报试验和检验。结果表明CMAQ-MOS方法明显修正了由于排放源清单的非客观性产生的模式预报偏差,提高了预报效果。 (2) 提出污染源“Nudging”修正模型,进行城市SO_2、NO_x排放强度的“Nudging”修正试验,讨论了“Nudging”试验的收敛条件和误差因子,并进行了北京SO_2和CO逐小时排放的“Nudging”修正试验。检验结果表明“Nudging”修正技术显著改进了城市污染物的浓度预报和趋势预报效果,具有较高的可信度和应用价值。 (3) 分析比较了中国三大经济圈的区域污染特征,利用“Nudging”修正源结果模拟了北京和上海不同季节的污染物浓度,在此基础上计算本地和周边污染源对北京和上海大气污染的贡献。 (4) 集成城市冠层大气环境数值模拟系统MM5_UCP-CMAQ,研究了冬夏季北京边界层大气的动力热力效应,以及对污染物分布、变化及物理化学过程的影响。发现城市冠层特殊的动力热力作用使城区的温度升高,风速减小,湍流动能增强,形成明显的增温区、阻风区和湍能增强区,改变了城市大气污染的物理化学过程,尤其阻风效应明显增强了城区的污染物浓度,形成污染物的多尺度堆积。 (5) 将CMAQ模式移植到国家气象局IBM巨型计算机上,结合CMAQ-MOS技术和污染源“Nudging”修正成果,基于国家气象中心数值业务,建立了CMAQ城市空气质量数值业务预报系统。


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