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城市大气环境数值技术的集成、改进和应用研究

2020-11-23阅读(820)

城市大气环境数值技术的集成、改进和应用研究

论文摘要

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MM5UCP-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SO2、NOx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SO2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MM5UCP-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。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 前言
  • 1.1 选题意义
  • 1.2 城市空气质量预报方法的研究进展
  • 1.3 污染源排放清单的研究进展
  • 1.4 污染源反演技术的研究进展
  • 1.5 城市边界层大气动力热力特征的数值研究进展
  • 1.6 讨论
  • 1.7 研究方法和研究内容
  • 第二章 CMAQ-MOS预报技术途径研究
  • 第1节 北京市大气污染的同位相特征和季节变化
  • 1.1 城区和远郊污染物的同位相变化特征
  • 1.2 城郊污染物的季节变化特征
  • 1.3 小结
  • 第2节 北京及周边城市污染物的区域相关特征和季节变化
  • 2.1 北京及周边城市大气污染变化的相关特征
  • 2.2 采暖期、过渡期、非采暖期各城市污染物的变化特征
  • 2.3 小结
  • 第3节 CMAQ模式介绍
  • 3.1 CMAQ模式组成
  • 3.2 “One-Atmosphere”的动力框架
  • 3.3 CCTM的控制方程和计算结构
  • 3.4 华北地区CMAQ模式的准业务化运行
  • 第4节 CMAQ-MOS动力统计模型
  • 第5节 CMAQ-MOS空气质量预报试验
  • 5.1 CMAQ-MOS单点预报试验
  • 5.2 CMAQ-MOS城市平均预报试验
  • 5.3 小结
  • 第6节 点-面结合的预报模型及其预报试验
  • 6.1 点-面结合的空气质量预报模型
  • 6.2 点-面结合的空气质量预报试验
  • 6.3 小结
  • 第7节 本章小结
  • 第三章 污染源“Nudging”修正试验
  • 2排放“Nudging”修正试验'>第1节 城市SO2排放“Nudging”修正试验
  • 1.1 试验方案
  • 1.2 试验结果分析
  • 1.3 过程分析
  • 1.4 效果检验
  • 1.5 小结
  • x排放“Nudging”修正试验'>第2节 城市NOx排放“Nudging”修正试验
  • 2.1 试验结果分析
  • 2.2 过程分析
  • 2.3 效果检验
  • 2.4 小结
  • 第3节 误差因子敏感性试验
  • 3.1 第一类因子影响
  • 3.2 第二类因子的影响
  • 3.3 综合“Nudging”试验
  • 3.4 小结
  • 第4节 污染源平均“Nudging”试验
  • 4.1 试验方案
  • 4.2 试验结果分析
  • 4.3 各月平均试验结果对比
  • 4.4 小结
  • 第5节 污染源逐小时排放“Nudging”修正试验
  • 5.1 试验方案
  • 5.2 试验结果分析
  • 5.3 逐小时修正源强度对比
  • 5.4 小结
  • 第6节 本章小结
  • 第四章 区域污染物变化特征及其对城市的影响效应
  • 第1节 三大经济圈秋冬季节污染特征对比
  • 1.1 区域大气污染的季节变化
  • 1.2 区域大气污染的功率谱分析
  • 1.3 小结
  • 第2节 本地及周边源对北京城区大气污染的贡献
  • 2.1 方案设计
  • 2.2 模拟结果和观测值对比
  • 2.3 本地和周边源对北京城区大气污染的贡献
  • 2.4 小结
  • 第3节 本地及周边源对上海城区大气污染的贡献
  • 3.1 模拟值和观测值对比
  • 3.2 本地和周边源对上海城区大气污染的贡献
  • 3.3 小结
  • 第4节 本章小结
  • 第五章 城市冠层大气环境的数值模拟研究
  • 第1节 城市冠层参数化方案（UCP）简介
  • 1.1 格点结构
  • 1.2 大气控制方程及参数化方案
  • 1.3 城市冠层参数化方案中的参数
  • 第2节 冬季城市冠层大气环境的数值模拟试验
  • 2.1 城市冠层气象场数值模拟
  • 2.2 城市冠层大气污染的数值模拟
  • 2.3 小结
  • 第3节 夏季城市冠层大气污染的数值模拟试验
  • 3.1 气象场数值模拟
  • 3.2 大气污染数值模拟
  • 3.3 小结
  • 第4节 本章小结
  • 第六章 全国城市空气质量业务预报的建立
  • 6.1 运行环境
  • 6.2 代码移植
  • 6.3 预报区域和模式参数
  • 6.4 预报产品
  • 6.5 后处理
  • 6.6 业务流程
  • 6.7 小结
  • 第七章 总结与展望
  • 7.1 全文总结
  • 7.2 特色和创新
  • 7.3 存在问题和展望
  • 参考文献
  • 博士期间发表和完成的论文
  • 致谢

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