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行业专项成果综述-华北地区臭氧及其前体物时空变化规律与影响机理研究及应用

发布者:张岳   来源:   发布时间:2019/12/25 16:35:13   标签:   浏览次数:5841

项目编号GYHY201206015

研究周期2012年 1月2014年 12月

国拨经费278.9

项目负责人】徐晓斌

项目骨干成员】马建中、颜鹏、林伟立、孟昭阳、王瑛、黄富祥、张小玲、齐瑾、程红兵、靳军莉、何迪、董、赵秀娟、徐敬

项目承担单位】中国气象科学研究院

项目协作单位】国家卫星气象中心、中国气象局北京城市气象研究所

主要研究成果

本项目针对华北地区臭氧、臭氧前体物等污染物时空变化规律与影响机理开展了单点强化观测、多点同步观测、资料综合分析、模式优化改进与业务化应用等一系列研发工作,在提升科学试验水平、加深科学认知、推进环境气象业务平台建设等方面取得了重要进展。具体成果如下:

1)通过优化电动固定翼无人飞机结构、选配和集成微型探测设备形成了无自身污染的无人飞机探测平台,利用该平台可在1小时内获取半径5千米范围内、从地面到约3千米高度的臭氧浓度、黑碳浓度以及气溶胶粒子谱等精细的垂直结构。该无人飞机探测平台配有遥控控制的降落伞和缓冲气囊,可很好地保护机体和机载设备;也可应用于其他类似探测,获取低对流层大气环境要素的垂直分布。

2)利用上述无人飞机探测平台和系留汽艇平台获得的臭氧、黑碳、气溶胶粒子谱等资料,并结合地基遥感获取的气溶胶消光资料,揭示了华北农村站点低对流层臭氧、黑碳和气溶胶垂直分布的细微特征、日变化及其与边界层结构演变的关系,指出夜间残留层对第二天上午地面臭氧的快速抬升起重要作用。

3)对不同卫星探测反演的臭氧资料实现了订正处理,取得了1979-2013年一致性的华北区域对流层臭氧时间序列,获得了该地区对流层臭氧夏季以1.28DU/10a速率显著增长、冬季以1.46DU/10a显著下降的重要结论;通过包含调和函数的拟合,获得了太阳周期、厄尔尼诺-南方涛动和准2年振荡等自然因素对华北对流层臭氧影响的量级。

4)利用无人飞机探测的臭氧垂直分布资料、MOZAIC计划获得的臭氧垂直分布历史资料以及华北本底站、城市站和乡村站取得的地面臭氧资料,开展了华北臭氧长期趋势研究,揭示了近十余年来各类站点夏季地面浓度和相关健康与植物影响指标以及华北平原夏季低对流层臭氧快速增长态势,用观测事实表明了该地区光化学污染日益加重的严峻形势。

5)在华北多个站点开展了重要光化学污染物过氧乙酰硝酸酯(PAN)的观测与资料分析研究,获得了北京市区冬春季节、上甸子本底站一年四季以及河北农村固城站和饶阳站夏季PAN的浓度水平与变化特征;揭示了北京冬季PAN与臭氧的脱钩以及与PM2.5的高度正相关现象;表征了上甸子本底站PAN的季节变化;首次估算获得了上述站点的过氧乙酰自由基的浓度水平。

6)研究了华北地形和特殊天气过程对地面臭氧的影响及其机制,用模拟结果和观测资料分析揭示了夏季黄土高原上空温暖空气东移,导致华北平原西部混合层高度压低,从而造成更高臭氧污染的机制;发现华北平原地面臭氧浓度夏季夜间突然大幅抬升(45-70ppb)的现象,用再分析资料、雷达资料及臭氧垂直分布数据证明了对流性天气过程中500-800hPa高空气流下沉是导致夜间臭氧急速抬升的原因,其影响可达中尺度范围,并可造成次日白天地面臭氧浓度显著高于平日。

7)通过观测资料分析、模式模拟和VOCs排放源研究探讨了华北地区城市与工业中心排放对区域光化学污染的影响;研究表征了华北主要城市输送的烟雨的O3OxP(O3)NOxNOx/NOyNOz等特征,揭示了来自不同城市和工业中心烟雨的臭氧生成效率(OPE)的差异与原因;建立了北京市VOCs物种排放清单,估算了各物种臭氧生成潜势(OFP),结果表明,80%OFP来自乙烯、二甲苯、甲苯等10种主要VOCs的贡献。

8)针对北京及华北区域环境气象预报需求,优化改进了WRF-Chem模式,并先后与北京地区快速更新循环同化预报系统(BJ-RUC)和快速更新多尺度分析和预报系统(RMAPS)实现耦合, 研发形成了BREMPS V1.0V2.0以及RMAPS-Chem V1.0环境气象预报系统,完成了系统预报效果检验,建立了预报产品订正与释用技术,实现了预报系统业务化应用。该系统运行稳定,可实现华北区域9km(京津冀区域3km96小时的O3NO2SO2COPM2.5PM10、能见度,AQI指数以及边界层高度等的预报,向华北区域各省市区气象局提供实时预报产品,有力地支撑了区域环境气象预报业务。

 成果应用情况

项目共同资助完成的北京区域环境气象数值预报系统(BREMPS)系统自2013111日正式向京津冀及周边地区下发环境气象客观预报产品,并于20149月向国家气象中心上传格点预报产品,在京津冀及周边地区空气质量预报、雾霾、能见度预报业务中取得了显著的应用效果,为京津冀及周边地区环境气象预报业务提供了有力的技术支撑。国家气象中心中国气象局环境气象中心、北京市气象局京津冀环境气象预报预警中心、天津市气象局气象科学研究所、河北省气象局环境气象中心、山西省气象科学研究所、内蒙古自治区气象台等都将该预报产品接入当地业务预报平台,作为每日雾霾和空气质量预报参考产品之一。

使用情况反馈表明,该系统对污染过程的趋势变化预报较准,特别是区域持续性雾霾、重污染过程预报准确,对于污染物浓度的降低、雾霾天气消散时间也有比较好的把握。对5km以下的连续雾霾过程预报与实况符合较好,为雾霾天气预报提供了很好的参考。20166BREMPS系统更名为RMAPS-Chem系统,通过了北京市气象局组织的业务准入评审,正式业务化运行,向华北区域各省市区气象局提供实时预报产品,有力地支撑了区域环境气象预报业务,对夏季高浓度臭氧预报等提供重要支撑。

    除了应用于日常预报服务,该预报系统还在重大活动期间得到应用。如在APEC、世锦赛、“9.3阅兵等活动中,该系统能准确预报主要污染物浓度和能见度时空演变特征。该系统为区域污染源减排的预评估与后评估工作,区域大气污染联防联控决策提供了有价值的决策参考,在保障京津冀区域环境气象预报以及为政府决策服务方面也发挥了重要作用,取得了显著的社会效益。

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