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多手段融合的大气臭氧廓线重构方法的研究

多手段融合的大气臭氧廓线重构方法的研究

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作者：杨雪婷西安理工大学

学位级别：硕士

臭氧是大气中非常重要的一种气体,臭氧垂直廓线表征臭氧在不同高度的浓度变化特征,高精度、高分辨率的大气臭氧垂直廓线是大气污染监测防治有力的科学依据。基于被动卫星遥感可以获得近地面-平流层以上大高度范围内的臭氧分布,利用wrf-C... 详细信息

臭氧是大气中非常重要的一种气体,臭氧垂直廓线表征臭氧在不同高度的浓度变化特征,高精度、高分辨率的大气臭氧垂直廓线是大气污染监测防治有力的科学依据。基于被动卫星遥感可以获得近地面-平流层以上大高度范围内的臭氧分布,利用wrf-chem模式可模拟近地面-平流层高度范围内的臭氧垂直廓线,激光雷达也是目前实现对流层大气臭氧廓线的有效探测手段,不同探测手段各有优势,具有不同探测高度、垂直分辨率和探测精度。本论文以高精度、高时空分辨率的大气臭氧垂直廓线为研究目标,基于TROPOMI卫星遥感、差分吸收臭氧激光雷达、wrf-chem数值模式三种手段,开展多手段融合的大气臭氧廓线重构方法的研究。具体工作如下:首先,具体分析了TROPOMI、wrf-chem数值模式、差分吸收激光雷达对臭氧垂直廓线探测的分布特征。TROPOMI数据包含了近地面至80 km高度范围内臭氧的分布信息,但其时空分辨率低,垂直分辨率低;wrf-chem数值模式可模拟近地面至20 km高度范围内的大气臭氧廓线,具有较高的时空分辨率和垂直分辨率,但其模拟结果受气象数据和排放数据等的影响,模拟结果与实测结果存在一定的偏差。激光雷达可获得对流层高度范围内的大气臭氧廓线,具有时空分辨率高、垂直分辨率高的特点,但受仪器、天气等因素的影响,探测高度有限。其次,基于多源数据开展了多手段融合的大气臭氧垂直廓线重构方法研究,提出了基于NSGA-Ⅱ算法的大气臭氧廓线重构方法。以TROPOMI和wrf-chem模式的臭氧浓度为数据源,以激光雷达臭氧浓度为真值,通过实数编码的方式产生TROPOMI和wrf-chem模式的权重作为初始种群,经过快速非支配排序、拥挤度计算、精英保留策略等流程,获得了基于TROPOMI和wrf-chem模式的最优权重集合,并结合平均误差从集合中确定了最优权重。通过模拟实验详细分析了种群数目和迭代次数对最优权重集合的影响,并确定了NSGA-Ⅱ算法的最优参数为:种群数目500,迭代次数为2。利用NSGA-Ⅱ算法在最优参数下获得的最优权重,建立了用于臭氧浓度重构的权重查找表,用于不同高度层上权重的确立。最后,开展了不同天气条件下大气臭氧廓线重构实验及结果分析。基于NSGA-Ⅱ算法建立的权重查找表,基于TROPOMI和wrf-chem模式在晴天、阴天及多云天气下进行了臭氧垂直廓线的重构,获得了近地面至高层,高精度、高垂直分辨率的大气臭氧廓线。重构结果表明:晴天天气下,重构后的臭氧廓线与激光雷达臭氧廓线的均方根误差为31.423μg/m3,相关系数为0.81;阴天天气下,重构后的臭氧廓线与激光雷达臭氧廓线的均方根误差为18.485μg/m3,相关系数为0.95;多云天气下,重构后的臭氧廓线与激光雷达臭氧廓线的均方根误差为37.630μg/m3,相关系数为0.92。为了验证结果,将重构后的臭氧廓线与激光雷达获得的边界层内臭氧廓线进行了对比分析,结果表明,基于权重重构后的臭氧垂直廓线与同步激光雷达的探测结果具有一致的变化特征,反映了边界层内大气臭氧的快速精细变化特征,两者具有强的正相关性,直接偏差小,验证了本文提出的多源数据臭氧廓线重构方法的可行性。

关键词：臭氧廓线 TROPOMI wrf-chem数值模式激光雷达

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不同路径类型热带气旋对珠三角臭氧污染影响研究

不同路径类型热带气旋对珠三角臭氧污染影响研究

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作者：丁浩暨南大学

学位级别：硕士

珠三角地区位于中国华南沿海地区,其特殊的地理位置导致该地区常年遭受来自西太平洋或中国南海热带气旋活动的影响。热带气旋的活动过程能在短时间内影响局地气象条件,进而影响臭氧的光化学生成、扩散和输送,在一定程度上能导致臭氧污... 详细信息

珠三角地区位于中国华南沿海地区,其特殊的地理位置导致该地区常年遭受来自西太平洋或中国南海热带气旋活动的影响。热带气旋的活动过程能在短时间内影响局地气象条件,进而影响臭氧的光化学生成、扩散和输送,在一定程度上能导致臭氧污染事件的发生。本研究从路径聚类角度出发,以珠三角为研究区域,基于观测数据及wrf-chem数值模式,运用有限混合模型算法(Finite Mixture Model,简称FMM算法)以及过程分析方法,探讨了不同路径热带气旋对珠三角臭氧浓度变化影响的成因。研究所取得的主要结论如下:(1)依据FMM算法,将登陆华南沿海地区的热带气旋按路径形态分为6类,不同路径热带气旋登陆前后珠三角臭氧浓度变化存在差异。A1类(菲律宾-珠三角登陆型)、B1类(西太平洋-台湾,福建登陆北折型)以及B2类(菲律宾-台湾登陆东北偏向型)登陆前臭氧浓度平均增幅表现为B1类(60.9%)>B2类(55.7%)>A1类(44.9%),其中A1类在登陆天臭氧浓度下降约52.2%,B1、B2类则不会出现明显下降。而C1类(南海生成-粤西,海南登陆型)、C2类(菲律宾-粤西,海南登陆型)以及C3类(西太平洋-粤西,海南登陆型)登陆前臭氧浓度平均降幅表现为C2类(55.8%)>C3类(45.9%)>C1类(40.5%)。(2)从珠三角臭氧时空分布差异来看。A1、B1及B2类案例登陆前珠三角地面臭氧污染特征明显,且珠三角上空存在下沉气流,近地面弱风条件以及风场辐合的作用能促进臭氧积累;登陆天风速显著增强可能是导致A1类案例臭氧浓度显著下降的原因之一,而B1、B2类案例在登陆天风速仍然较低,臭氧污染则更持久。此外,热带气旋外围下沉气流可能只是限制边界层发展的外在条件,并非能将臭氧从高层大气向下输送。C1类案例影响时间短,登陆前高浓度臭氧现象并非由其活动过程引起;C2、C3类案例下扩散条件较好,臭氧浓度较低或呈下降趋势。(3)根据过程分析结果,臭氧的净生成基本能反映出臭氧浓度的变化趋势。在珠三角中心城区,化学反应对地面臭氧起消耗作用,垂直混合作用能将近高空由化学反应生成的臭氧向地面输送,补充地面臭氧的损耗;而在郊区,化学反应则主导臭氧的生成,垂直混合明显弱于中心城区并消耗臭氧,并不会促进上下层臭氧交换。因此,臭氧的向下输送是受垂直混合影响,并非由热带气旋外围下沉气流引发。此外,云量及向下短波辐射的变化也会对臭氧净生成产生影响,其中A1类案例登陆天云量陡增以及辐射骤降,会大幅削弱化学反应及垂直混合作用;而B1、B2类案例珠三角上空基本无云遮挡,辐射始终充足,光化学反应持续活跃。C1类案例向下短波辐射较弱,平流扩散作用在登陆天更为明显;C2类案例向下短波辐射的持续下降以及良好的扩散条件共同导致臭氧净生成很弱;C3类案例扩散条件较好,臭氧净生成持续下降。在整个区域空间上,化学反应正贡献作用显著,平流过程对绝大部分区域臭氧有明显的扩散作用;垂直混合则起到较弱的消耗作用。可见,化学反应才是促进臭氧生成以及导致臭氧出现污染的本质原因。

关键词：热带气旋臭氧路径聚类 wrf-chem数值模式过程分析

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