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我国大气环境模式的研究进展和未来展望

中国环境科学 2024年

作者：王体健李蒙蒙韩志伟张华周春红谢旻李树庄炳亮吴昊曲雅微傅宗玫马丹阳李亚松南京大学大气科学学院中国科学院大气物理研究所东亚区域气候研究中心中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室中国气象科学研究院大气成分与环境气象研究所南京师范大学环境学院南京气象科技创新研究院中国气象局交通气象重点开放实验室金陵科技学院智能科学与控制工程学院南方科技大学环境科学与工程学院

大气环境模式是开展大气复合污染模拟、空气质量预报、大气污染来源解析、大气环境容量估算、大气污染防控、空气污染和气候变化等基础和应用研究的重要工具。本文对我国大气环境模式的发展历史、主要特点进行系统综述，并对大气环境模... 详细信息

大气环境模式是开展大气复合污染模拟、空气质量预报、大气污染来源解析、大气环境容量估算、大气污染防控、空气污染和气候变化等基础和应用研究的重要工具。本文对我国大气环境模式的发展历史、主要特点进行系统综述，并对大气环境模式的研究进行了展望，提出未来可能的发展方向。我国自20世纪60年代开始大气环境模式方面的研究，历经输送扩散模式、酸沉降模式、空气质量模式、气候-化学耦合模式、地球系统模式等不同阶段，自主发展了具有中国特色的大气环境模式，改进完善了国际先进的大气环境模式，在大气污染防治与管控、重大活动环境保障和气候变化应对等方面发挥了重要作用。未来需要进一步加强大气污染形成机理研究、排放清单的动态更新和动态源排放模式研发、多源观测资料与大气环境模式融合、集合预报技术研发、非结构网格系统研发、基于人工智能的预报技术研发，全面提升我国大气环境模式的整体性能，积极推进我国大气环境模式的开源化和国际化。

关键词：输送扩散模式酸沉降模式空气质量模式气候-化学耦合模式地球系统模式

基于无人机的大气细颗粒物与臭氧污染探测与溯源研究进展

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环境科学 2023年第12期44卷 6598-6609页

作者：曲雅微王体健袁成吴昊金陵科技学院智能科学与控制工程学院南京211169 南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室气象灾害预报预警与评估协同创新中心南京210044 南京大学大气科学学院南京210023 南京气象科技创新研究院中国气象局交通气象重点开放实验室南京210041

近年来,中国大气细颗粒物(PM_(2.5))污染的治理已取得阶段性成效,但臭氧(O_(3))污染快速上升,实现PM_(2.5)和O_(3)协同控制的基础与关键是针对大气污染物的精细化探测和污染溯源.随着无人机技术和传感器技术的迅速发展,基于无人机平台... 详细信息

近年来,中国大气细颗粒物(PM_(2.5))污染的治理已取得阶段性成效,但臭氧(O_(3))污染快速上升,实现PM_(2.5)和O_(3)协同控制的基础与关键是针对大气污染物的精细化探测和污染溯源.随着无人机技术和传感器技术的迅速发展,基于无人机平台的大气污染探测可以有效获得近地层的PM_(2.5)和O_(3)结构特征,并结合计算机算法对大气污染事件进行精准溯源,具有高时效性、高灵活性和高时空分辨率的特征,有助于研究人员了解区域污染物的分布、变化以及来源,为大气复合污染的协同控制提供科学依据.通过回顾传统的大气污染探测方法,总结了污染探测领域常用的无人机飞行平台类型和探测仪器,归纳了基于无人机的PM_(2.5)和O_(3)污染探测应用与相关溯源算法,并展望了无人机大气探测的未来研究方向.

关键词：无人机(UAV) PM_(2.5) 臭氧(O_(3)) 大气污染探测大气污染溯源

“双碳”目标对我国未来空气污染和气候变化的影响评估

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科学通报 2022年第8期67卷 784-794页

作者：徐北瑶王体健李树庄炳亮谢旻李蒙蒙谢晓栋南京大学大气科学学院南京210023 南京信息工程大学环境科学与工程学院南京210044

近期,我国提出实现碳达峰、碳中和的“双碳”目标和时间节点,未来我国空气污染和气候变化的发展趋势备受关注.本研究利用区域气候-化学-生态耦合模型Reg CM-Chem-YIBs,基于代表性浓度途径气候情景RCP4.5,使用中国未来排放动态预测模型(D... 详细信息

近期,我国提出实现碳达峰、碳中和的“双碳”目标和时间节点,未来我国空气污染和气候变化的发展趋势备受关注.本研究利用区域气候-化学-生态耦合模型Reg CM-Chem-YIBs,基于代表性浓度途径气候情景RCP4.5,使用中国未来排放动态预测模型(Dynamic Projection model for Emissions in China,DPEC)2030年排放数据,模拟预测了考虑实现“双碳”目标的情景下,未来区域减排政策和全球气候变化对我国空气污染与气候变化的影响.研究表明,相对于2015年,在未来区域减排政策和全球气候变化的共同作用下,2030年中国地区细颗粒物(PM_(2.5))、臭氧(O_(3))、二氧化碳(CO_(2))平均浓度相对2015年分别下降了36.8、19.8μg m^(-3)和1.9 ppm(1 ppm=1μL L^(-1)).我国南方地区的气温将有明显升高,升高幅度在0.5~1.5 K之间,降水和云量分别减少了1~2 mm d^(-1)和3%~6%;北方地区气温有所降低,一般在1 K以下,降水和云量分别增加了2 mm d^(-1)和6%左右.总体而言,区域减排政策对于PM_(2.5)、O_(3)和CO_(2)浓度的影响较大,是未来空气质量变化的主导因素,而全球气候变化对气温、云和降水的影响更大.“双碳”目标下的减排政策将大大改善空气质量,但会导致我国部分地区的气温有所上升.因此,缓解区域气候变化需要更为合理的温室气体与大气污染协同减排政策和全球的共同参与.

关键词：碳达峰碳中和气候变化空气质量

南京市溧水区大气挥发性有机物污染特征及来源解析

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环境科学 2023年第11期44卷 5933-5945页

作者：阮兆元燕鸥王体健王勤耕罗干文金科南京大学环境学院南京210023 南京大学大气科学学院南京210023

为了解南京市溧水区大气挥发性有机物(VOCs)的组分、来源及其对臭氧的贡献,2021年对区域内VOCs开展了为期1 a的走航监测,进行数据分析.结果表明,溧水区ρ(TVOC)年均值为223.45μg·m^(-3),其中ρ(烷烃)为49.45μg·m^(-3)(占比22.13%),... 详细信息

为了解南京市溧水区大气挥发性有机物(VOCs)的组分、来源及其对臭氧的贡献,2021年对区域内VOCs开展了为期1 a的走航监测,进行数据分析.结果表明,溧水区ρ(TVOC)年均值为223.45μg·m^(-3),其中ρ(烷烃)为49.45μg·m^(-3)(占比22.13%),ρ[含氧(氮)VOCs]为50.63μg·m^(-3)(占比22.66%),ρ(卤代烃)为64.73μg·m^(-3)(占比28.95%),ρ(芳香烃)为35.46μg·m^(-3)(占比15.87%),ρ(烯烃)为18.26μg·m^(-3)(占比8.19%),其他为4.9μg·m^(-3)(占比2.2%).夏季的ρ(TVOC)平均值较高,为263.75μg·m^(-3),冬季较低,为187.2μg·m^(-3),春季为246.11μg·m^(-3),秋季为204.77μg·m^(-3).日均TVOC浓度,在09:00~10:00和14:00~15:00出现峰值.2021年溧水区的TVOC臭氧生成潜势(OFP)为278.92μg·m^(-3),其中烯烃114.47μg·m^(-3)(41.1%),芳香烃113.39μg·m^(-3)(40.8%),二者贡献率总和超过80%,是臭氧重要的前体物质.特征物甲苯/苯(T/B)为4.13,反映出其受溶剂使用的影响较大.基于正定矩阵因子分解(PMF)模型的源解析结果表明,溧水区的VOCs主要来源于溶剂使用、有机合成及道路移动源.溧水区大气挥发性有机物污染对臭氧的影响较大,应加大对工业排放源、溶剂使用源及道路移动源的治理.

关键词：南京市溧水区挥发性有机物(VOCs) 臭氧生成潜势(OFP) 源解析走航监测

区域大气环境模拟系统RegAEMS的研究进展

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中国环境科学 2022年第10期42卷 4571-4580页

作者：罗干徐北瑶王体健李树庄炳亮谢旻李蒙蒙南京大学大气科学学院南京江苏210023

区域大气环境模拟系统RegAEMS是我国自主发展的空气质量模式之一,包含中尺度气象模式MM5/WRF/TAPM和大气环境模式AEM,并能与区域气候模式RegCM耦合,可以用于酸沉降、光化学烟雾、细颗粒物、重金属元素等大气污染的形成机理、模拟预测、... 详细信息

区域大气环境模拟系统RegAEMS是我国自主发展的空气质量模式之一,包含中尺度气象模式MM5/WRF/TAPM和大气环境模式AEM,并能与区域气候模式RegCM耦合,可以用于酸沉降、光化学烟雾、细颗粒物、重金属元素等大气污染的形成机理、模拟预测、管控对策、环境影响和气候效应研究.本文主要介绍RegAEMS的发展历程、框架结构和主要性能,重点介绍近期的模式改进和模拟验证情况.研究表明,改进的RegAEMS在硫酸盐、二次有机气溶胶、臭氧和氮沉降方面具有较强的模拟能力,可以用于区域大气复合污染模拟预测和管理控制的基础研究及业务应用.

关键词：大气环境数值模式空气污染气候变化 RegAEMS

中国大陆和印度黑碳气溶胶对东亚冬季气候的影响研究

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大气科学 2023年第4期47卷 1113-1130页

作者：蔺惠娟李沐阳庄炳亮陈慧敏魏雯高伊曼王体健李树陈璞珑南京大学大气科学学院

黑碳(BC)气溶胶(简称黑碳)对区域和全球气候变化具有重要影响。为了进一步认识亚洲地区黑碳的区域气候效应，本文使用新一代的区域气候—化学模式RegCM4，研究了来自印度和中国大陆的黑碳排放对东亚冬季气候的影响。结果表明：来自中国... 详细信息

黑碳(BC)气溶胶(简称黑碳)对区域和全球气候变化具有重要影响。为了进一步认识亚洲地区黑碳的区域气候效应，本文使用新一代的区域气候—化学模式RegCM4，研究了来自印度和中国大陆的黑碳排放对东亚冬季气候的影响。结果表明：来自中国大陆和印度的黑碳排放可导致东亚地区黑碳的区域平均柱含量、大气顶和地表有效辐射强迫分别变化了+1.78 mg m-2、+1.98 W m-2和-2.17 W m-2。中国大陆和印度黑碳对东亚气候的影响机制相同。印度黑碳对东亚冬季气候的影响主要通过对大气动力过程的调整来实现，由此造成的散射气溶胶浓度增加可导致该区域850 hPa附近和地表气温降低，而中国大陆的黑碳还可直接影响东亚气候，其加热效应可导致该区域大部分地区850 hPa附近的气层变暖。由于中国大陆黑碳在东亚地区占主导，其在影响东亚区域气候变化方面发挥着更重要的作用。总体而言，两地总的黑碳会造成850 hPa高度附近云量减少和气温升高；地表日照时数减少，气温、感热通量和地表蒸发量下降；边界层高度降低和散射气溶胶的柱含量上升。研究结果还进一步反映了东亚冬季气候对不同排放黑碳的响应表现出了一定的非线性。

关键词：黑碳气溶胶中国大陆印度 RegCM4模式气候效应

冬季华北平原高空急流对近地层空气污染物作用的初步分析

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大气科学 2023年第5期47卷 1341-1354页

作者：魏雯庄炳亮蔺惠娟束宇王体健陈慧敏高伊曼南京大学大气科学学院南京210023 南京市气象局南京210019

研究表明东亚地区严重的近地层空气污染与高空急流之间存在着一定的联系。本文利NCEP/NCAR逐日风场、垂直速度资料以及Science Data Bank的地面污染物和气象要素数据,运用统计分析法研究了冬季东亚高空急流与近地面空气污染物高浓度区... 详细信息

研究表明东亚地区严重的近地层空气污染与高空急流之间存在着一定的联系。本文利NCEP/NCAR逐日风场、垂直速度资料以及Science Data Bank的地面污染物和气象要素数据,运用统计分析法研究了冬季东亚高空急流与近地面空气污染物高浓度区的关系并初步探讨了两者之间的作用机制。结果表明,2013~2018年冬季我国华北平原是颗粒物的高值区,华北平原污染物PM_(2.5)、PM_(10)的平均浓度分别为80.65μg m^(−3)、118.62μg m^(−3),超标天数分别共计459 d、489 d。颗粒物浓度均呈逐年缓慢下降趋势,PM_(2.5)/PM_(10)平均浓度约为0.65,该比值保持多年稳定。该地区的空气污染物浓度与东亚高空温带急流和副热带急流之间的强度反位相变化关系显著,两者可能通过地面温度以及经向风进而产生联系。当冬季高空温带急流强度偏强时,平均状态下副热带急流强度会偏弱,温带急流与副热带急流之间通过次级环流进行质量交换并稳定在这一状态,此时由于华北平原处于减弱的副热带急流右侧,上升气流减弱,地面温度升高,有增强的异常南风出现,有利于华北平原中部的PM_(10)、北部PM_(2.5)的堆积。反之,当冬季高空温带急流强度偏弱时,平均状态下副热带急流强度会偏强,此时上升气流增强,地面温度降低,有减弱的异常北风出现,此时不利于华北平原中部的PM_(10)、北部PM_(2.5)的堆积。

关键词：东亚高空急流大气颗粒物地面气象要素统计分析

基于WRF-Chem/DART的硫酸盐化学反应速率同化研究

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中国科学:地球科学 2023年第10期53卷 2273-2287页

作者：黄丛吾马超群王体健曲雅微李蒙蒙李树庄炳亮谢旻湖北大学资源环境学院武汉430062 南京大学大气科学学院南京210023 金陵科技学院智能科学与控制工程学院南京211169

硫酸盐(SO_(4)^(2-))是我国大气中细颗粒物(PM_(2.5))的主要成分之一,其化学机制十分复杂,空气质量模式对硫酸盐的模拟往往存在一定的低估.为了提高WRF-Chem模式(Weather Research Forecast-Chemistry)对硫酸盐的模拟精度,本文提出了一... 详细信息

硫酸盐(SO_(4)^(2-))是我国大气中细颗粒物(PM_(2.5))的主要成分之一,其化学机制十分复杂,空气质量模式对硫酸盐的模拟往往存在一定的低估.为了提高WRF-Chem模式(Weather Research Forecast-Chemistry)对硫酸盐的模拟精度,本文提出了一种硫酸盐生成复杂机理的替代方法,并开展了针对硫酸盐化学反应速率的同化方法研究.在WRF-Chem模式基础上,新增了一个硫酸盐生成参数化方案,该方案包含两个替代反应和六个待定参数,基于DART(Data Assimilation Research Testbed)系统,同化了近地面SO_(4)^(2-)、SO_(2)、NO_(2)、O_(3)和颗粒物浓度(PM_(2.5)、PM_(10))来调整相关的待定参数.结果表明,经过资料同化调整后,新方案能有效解决模式低估SO_(4)^(2-)、高估SO_(2)的问题,SO_(4)^(2-)的平均偏差由-13.1μg m^(-3)下降为3.5μg m^(-3),SO_(2)由17.0μg m^(-3)下降为6.3μg m^(-3).新方案中反应速率的时空变化特征与基于理论的研究结果符合,表明硫酸盐生成的复杂机理可以用参数化方案代替,且采用资料同化的方法可以实现参数调整.本文发展并改进了WRF-Chem模式中SO_(4)^(2-)生成参数化方案中的反应速率参数,为提高空气质量数值预报的准确性提供了新的思路.

关键词：硫酸盐化学反应速率 WRF-Chem/DART 资料同化空气质量预报

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新冠疫情防控期间昆山市空气质量变化

大气科学 2023年第6期47卷 1770-1782页

作者：吴珂陈慧敏汪婷庄炳亮王体健夏蕴玉吴俊梅昆山市气象局江苏昆山215337 苏州市气象局江苏苏州215100 南京大学大气科学学院大气环境研究中心南京210023

为了应对新冠疫情,昆山市严格遵守国家防疫规定,自2020年1月24日开始采取了严格的封锁管控措施。以机动车活动为首的人为排放量因而减少,空气质量也因此发生变化。利用昆山市环境监测网络,并结合气象观测系统,综合运用数理统计和空间分... 详细信息

为了应对新冠疫情,昆山市严格遵守国家防疫规定,自2020年1月24日开始采取了严格的封锁管控措施。以机动车活动为首的人为排放量因而减少,空气质量也因此发生变化。利用昆山市环境监测网络,并结合气象观测系统,综合运用数理统计和空间分析方法,针对疫情防控前期(2020年1月1至20日)和疫情管控期间(2020年1月27日至2月15日)两个阶段,调查人类活动模式变化对昆山市空气质量的影响。结果表明,昆山市污染治理工作取得良好进展,与过去3年同期(1月1日至2月15日)相比,颗粒物(PM_(2.5)和PM_(10))超标天数减少了4天,但日最大8小时臭氧(O_(3))浓度(MDA8 O_(3))升高了14%,表明严重的O_(3)污染已不局限于夏季,而即将成为全年多发性问题。由于疫情期间以交通部门为首的排放量减少,O_(3)的重要前体物二氧化氮(NO_(2))以及颗粒物浓度均显著下降,疫情管控期间内MDA8 O_(3)的升高(62%)。选取污染个例研究发现,即使在减排的情况下也可能发生严重的污染事件,因而气象条件对空气质量的影响是不可忽视的。本研究进一步了解了昆山市主要污染物在冬季的浓度特征,并探究了人为源及气象要素对污染物的影响,也将为长三角城市尺度的气溶胶的模拟和预测结果提供科学参考。

关键词：新冠疫情封锁管理空气污染气象条件观测分析