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Assessment of the Biospheric Contribution to Surface Atmospheric CO2 Concentrations over East Asia with a Regional Chemical Transport Model

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Advances in Atmospheric Sciences 2015年第3期32卷 287-300页

作者： kou xingxia ZHANG Meigen PENG Zhen WANG Yinghong State Key Laboratory of Atmospheric Boundary Layer Physics and Atmospheric Chemistry Institute of Atmospheric Physics Chinese Academy of Sciences University of Chinese Academy of Sciences School of Atmospheric Sciences Nanjing University

A regional chemical transport model, RAMS-CMAQ, was employed to assess the impacts of biosphere–atmosphere CO2 exchange on seasonal variations in atmospheric CO2 concentrations over East Asia. Simulated CO2 concentrations were compared with observations at 12 surface stations and the comparison showed they were generally in good agreement. Both observations and simulations suggested that surface CO2 over East Asia features a summertime trough due to biospheric absorption, while in some urban areas surface CO2 has a distinct summer peak, which could be attributed to the strong impact from anthropogenic emissions. Analysis of the model results indicated that biospheric fluxes and fossil-fuel emissions are comparably important in shaping spatial distributions of CO2 near the surface over East Asia. Biospheric flux plays an important role in the prevailing spatial pattern of CO2 enhancement and reduction on the synoptic scale due to the strong seasonality of biospheric CO2 flux. The elevation of CO2 levels by the biosphere during winter was found to be larger than 5ppm in North China and Southeast China, and during summertime a significant depletion( 7 ppm) occurred in most areas,except for the Indo-China Peninsula where positive bioflux values were found.

关键词： CO2 regional transport modeling seasonal variation biospheric flux

Accounting for CO2 Variability over East Asia with a Regional Joint Inversion System and Its Preliminary Evaluation

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Journal of Meteorological Research 2017年第5期31卷 834-851页

作者： xingxia kou xiangjun tian meigen zhang zhen peng xiaoling zhang institute of urban meteorology china meteorological administrationBeijing 100089 state key laboratory of atmospheric boundary layer physics and atmospheric chemistry institute of atmospheric physicschinese academy of sciencesBeijing 100029 international center for climate and environment sciences institute of atmospheric physicschinese academy of sciencesNanjing 210093 school of atmospheric sciences nanjing university school of atmospheric sciences chengdu university of information technologyChengdu 610225

A regional surface carbon dioxide （C02） flux inversion system, the Tan-Tracker-Region, was developed by incor- porating an assimilation scheme into the Community Multiscale Air Quality （CMAQ） regional chemical transport model to resolve fine-scale CO2 variability over East Asia. The proper orthogonal decomposition-based ensemble four-dimensional variational data assimilation approach （POD-4DVar） is the core algorithm for the joint assimilation framework, and simultaneous assimilations of CO2 concentrations and surface CO2 fluxes are applied to help reduce the uncertainty in initial CO2 concentrations. A persistence dynamical model was developed to describe the evolu- tion of the surface CO2 fluxes and help avoid the ＂signal-to-noise＂ problem; thus, CO2 fluxes could be estimated as a whole at the model grid scale, with better use of observation information. The performance of the regional inversion system was evaluated through a group of single-observation-based observing system simulation experiments （OSSEs）. The results of the experiments suggest that a reliable performance of Tan-Tracker-Region is dependent on certain assimilation parameter choices, for example, an optimized window length of approximately 3 h, an ensemble size of approximately 100, and a covariance localization radius of approximately 320 km. This is probably due to the strong diurnal variation and spatial heterogeneity in the fine-scale CMAQ simulation, which could affect the perform- ance of the regional inversion system. In addition, because all observations can be artificially obtained in OSSEs, the performance of Tan-Tracker-Region was further evaluated through different densities of the artificial observation net- work in different CO2 flux situations. The results indicate that more observation sites would be useful to systematic- ally improve the estimation of CO2 concentration and flux in large areas over the model domain. The work presented here forms a foundation for future research in w

关键词： surface CO2 flux inversion proper orthogonal decomposition (PDO) four-dimensional variational dataassimilation (4DVar) joint assimilation regional transport model

秸秆燃烧排放对北京及其周边地区PM2.5浓度影响的数值模拟

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气候与环境研究 2018年第5期23卷 587-595页

作者：徐敬寇星霞李梓铭中国气象局北京城市气象研究所北京100089 京津冀环境气象预报预警中心北京100089

采用卫星监测的火点燃烧排放数据,利用区域化学传输模式WRF-Chem模拟分析了2017年5月华北地区细颗粒物(PM2.5)质量浓度分布,通过生物质燃烧排放源(华北区域以秸秆燃烧为主)开关的敏感性试验定量计算了燃烧排放对北京及其周边地区PM2.5... 详细信息

采用卫星监测的火点燃烧排放数据,利用区域化学传输模式WRF-Chem模拟分析了2017年5月华北地区细颗粒物(PM2.5)质量浓度分布,通过生物质燃烧排放源(华北区域以秸秆燃烧为主)开关的敏感性试验定量计算了燃烧排放对北京及其周边地区PM2.5质量浓度的影响。卫星监测结果显示,2017年5月华北地区有大量的秸秆焚烧现象,对该地区空气质量造成一定影响的燃烧天数为20 d,占全月总日数的65%左右。数值模拟结果表明:该地区秸秆燃烧排放导致PM2.5浓度升高的区域集中在华北平原农作物产区,其分布位置与卫星监测的火点分布吻合。秸秆燃烧导致这些地区PM2.5浓度月平均值上升幅度普遍超过3 μg/m^3,高值区超过了11 μg/m^3,上升比例可达10%以上;此外,来自华北平原及长三角地区的燃烧排放对北京(特别是东南部地区)污染物浓度的影响是不容忽视的,其中河南、山东、天津等地的秸秆燃烧在合适风场的作用下会严重影响北京,可导致丰台及通州等地PM2.5小时浓度上升超过17 μg/m^3,上升幅度超过40%。

关键词：秸秆燃烧北京细颗粒物(PM2.5)数值模拟

京津冀周边秸秆燃烧对PM2.5无机组分影响

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应用气象学报 2019年第4期30卷 467-478页

作者：张方健徐敬马建中寇星霞中国气象科学研究院北京100081 北京城市气象研究院北京100089

华北平原是我国主要农作物产区,田间秸秆焚烧现象普遍存在,选取秋收季节(2014年10月)分析了秸秆燃烧的排放特征,利用区域化学传输模型WRF-Chem模拟研究了燃烧排放对气态前体物及其氧化产物的影响,以及最终导致的PM2.5中硫酸盐、硝酸盐... 详细信息

华北平原是我国主要农作物产区,田间秸秆焚烧现象普遍存在,选取秋收季节(2014年10月)分析了秸秆燃烧的排放特征,利用区域化学传输模型WRF-Chem模拟研究了燃烧排放对气态前体物及其氧化产物的影响,以及最终导致的PM2.5中硫酸盐、硝酸盐和铵盐的变化。研究表明:2014年秋收季节,河南和山东等省份的秸秆燃烧排放会在东南风的输送作用下影响京津冀地区;秸秆燃烧排放大量挥发性有机物(VOCs),导致火点源及周边地区大气中主要氧化剂浓度上升,提升了区域大气氧化能力;当携带大量VOCs的秸秆燃烧烟羽与以化石燃料排放为主的城市气团相混合时,大气氧化性增强会加速城市地区人为源排放的NOx和SO2等气态前体物的氧化过程,提高硫酸盐和硝酸盐的形成速率、促进二次无机气溶胶的生成。

关键词：秸秆燃烧 PM2.5无机组分数值模拟

近年来云南省PM2.5浓度变化趋势与潜在区域来源分析

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气候与环境研究 2023年第5期28卷 509-517页

作者：刘芮男寇星霞高怡赵靖川张美根云南大学地球科学学院昆明650504 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北京100029 浙江省乐清市气象局浙江乐清325600 北京城市气象研究院北京100089 中国科学院大学北京100049

云南省地处低纬高原地区,毗邻东南亚,空气污染物质除受本地排放外也受东南亚地区跨境输送的影响。本文收集整理了2017~2021年云南省16个州市40个国控站观测数据,分析云南省污染特征和变化趋势;并利用后向轨迹(HYSPLIT)聚类分析和浓度权... 详细信息

云南省地处低纬高原地区,毗邻东南亚,空气污染物质除受本地排放外也受东南亚地区跨境输送的影响。本文收集整理了2017~2021年云南省16个州市40个国控站观测数据,分析云南省污染特征和变化趋势;并利用后向轨迹(HYSPLIT)聚类分析和浓度权重轨迹(CWT)方法分析了PM2.5的主要区域来源。结果表明,云南省PM2.5年均浓度呈下降趋势,下降率为0.91±0.23μg m^(-3) a^(-1)。在季节变化上,春季浓度最高,全省平均为31.92±9.08μg m^(-3),夏季浓度最低,为13.50±2.69μg m^(-3)。春季东南亚地区生物质燃烧导致云南省PM2.5的污染最严重,最大贡献值超过40μg m^(-3),此外广西西南部也是云南省春季高潜在源区之一。在日变化上,PM2.5浓度呈现“双峰型”特征,最大值出现在09:00(北京时间,下同)至12:00和21:00至01:00,主要是人为活动与较低的边界层高度和风速等气象因素共同作用的结果。研究显示,云南省春季PM2.5浓度多源于跨境输送,这将为云南省空气污染物治理提供新的启示。

关键词：云南省 PM2.5 跨境输送潜在源区

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城市及区域尺度碳同化反演研究进展

环境工程 2024年第10期42卷 209-217页

作者：寇星霞彭珍张美根苗世光陈敏赵秀娟北京城市气象研究院北京100089 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北京100029 南京大学大气科学学院南京210023 中国科学院大学北京100049

双碳战略背景下,对碳源、汇的准确估算提出了迫切需求。尽管"自上而下"碳同化反演理论严谨,但从大气浓度变化反演碳源汇,长期以来是一个具有挑战性的科学问题。以往基于卫星和地面监测的大气反演,已在全球尺度上提升了陆地和海洋碳源汇... 详细信息

双碳战略背景下,对碳源、汇的准确估算提出了迫切需求。尽管"自上而下"碳同化反演理论严谨,但从大气浓度变化反演碳源汇,长期以来是一个具有挑战性的科学问题。以往基于卫星和地面监测的大气反演,已在全球尺度上提升了陆地和海洋碳源汇的认识。然而,城市和区域尺度碳源汇估算仍有很大的不确定性。一方面,在区域尺度,我国陆地生态系统碳源汇反演大多采用全球大气传输模式,在月和周时间尺度上同化,有限的观测资料和模式分辨率导致反演的不确定性很大。基于中尺度大气传输模式的区域碳同化,通过提升碳源汇估算的时空分辨率,改进陆地碳源汇反演水平。另一方面,在城市尺度,城市是人为碳排放的主要来源,基于能源消耗统计数据的"自下而上"清单法不确定性大且更新慢。通过碳同化反演,可获得客观及时的碳排放数据,实现与"自下而上"清单的相互校验。总体上,近年来城市和区域尺度碳同化取得了很大进展,未来亟须进一步降低模式和观测不确定性的影响,开展自然源和人为源的精准反演,为双碳目标提供科学支撑。

关键词：温室气体大气反演大气传输模式陆地生态系统人为排放

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北京春季一次霾和沙尘混合污染天气过程分析

干旱气象 2017年第1期35卷 100-107页

作者：熊亚军唐宜西寇星霞李梓铭孙兆彬卢冰中国气象局北京城市气象研究所北京100089

2015年3月26—31日北京地区发生一次霾和沙尘天气交替出现的混合型污染天气过程。利用常规气象观测数据、南郊观象台探空数据以及北京环境保护监测总站的空气质量数据,分析了典型个例的发生发展过程。结果发现:此过程可分为霾—沙尘—... 详细信息

2015年3月26—31日北京地区发生一次霾和沙尘天气交替出现的混合型污染天气过程。利用常规气象观测数据、南郊观象台探空数据以及北京环境保护监测总站的空气质量数据,分析了典型个例的发生发展过程。结果发现:此过程可分为霾—沙尘—沙尘回流—霾4个发展阶段。第1阶段北京受弱辐合区控制,大气层结稳定,风速较小,以霾天气为主;第2阶段受蒙古气旋影响,沙尘天气南下影响北京;第3阶段沙尘从华北南部回流,再度影响北京;第4阶段沙尘天气逐渐减弱,北京地区再次出现霾。HYSPLIT后向轨迹模型的模拟结果表明,这是一次典型的沙尘回流所导致的混合污染型天气个例。

关键词：霾沙尘回流 HYSPLIT模型