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基于三维变分方法的卫星AOD资料同化试验研究

臧增亮  黄然  潘晓滨  梁延飞  尤伟  
【摘要】:1引言气溶胶污染是我国当前最为严重的环境问题之一,利用大气化学模式对气溶胶进行模拟预报是大气环境研究的重点方向之一。准确的初始场是模式预报成功的必要条件,资料同化能够将观测信息和模式背景场融合,给出大气真实状态的最优估计,从而提高模式的预报准确率。资料同化在气象业务上已得到普遍运用,但对于大气化学模式下的资料同化,特别是针对气象化学耦合模式下的气溶胶资料同化研究仍较为滞后。丰富的观测数据是资料同化的前提,我国环保部门已从2013年开始逐步完善气溶胶观测网的建设,目前已在全国建立了1500余个监测站点(国控站)。但地面观测资料的获取始终是有限的,对于污染物大范围的时空分布和演变趋势难以做到精细化描述,而在我国的中、西部地区,地面监测站点的建设还较为落后,由于监测站点数量不足无法提供大范围高精度的地面气溶胶观测资料,由卫星遥感的气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth, AOD)产品可以提供范围区域广、精度质量高的气溶胶观测资料,在某种程度上可以有效弥补地面常规观测站点在数量上的不足。本文利用WRF-Chem大气化学模式和气象资料,建立了面向地面和卫星AOD观测资料的三维变分同化系统,对2015年冬季的一次气溶胶污染过程进行了同化和模拟试验,检验资料同化对于模式初始场的改进效果和对预报的影响。2模式与资料模式采用的是WRF-Chem 3.5版本,区域设置为两重嵌套,第一重网格以(109.4°E,36°N)为中心,纬向网格数为92,经向网格数为84,网格距为45km,包含了中国的大部分陆地区域;第二重网格以(114.932°E,38.895°N)为中心,纬向网格数为97,经向网格数为85,网格距为15km,主要涵盖了整个华北地区。观测资料包括有两类,一类是来地面监测站的常规观测,自于"城市空气质量实时发布平台",该平台由中国环境总站在互联网上实时发布(http://106.37.208.233:20035/)。目前,该平台主要提供全国多个城市及乡村的空气质量实时监测数据,共有近1500个地面监测站点。平台发布的数据信息包括PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3的逐小时浓度值和24小时平均浓度值,以及空气质量指数AQI。卫星AOD资料来自于Terra卫星的MODIS传感器,AOD是MODIS卫星目前最为成熟的气溶胶反演产品。本文使用的资料为MODISMOD04的二级产品,过境时间为北京时间10:30(对应同化时间为00UTC),数据可以从NASA官网(http://ladsweb.nascom.nasa.gov/data)上进行下载。3方案设计本文设计1个控制试验,3个同化试验,时间从2015年12月15日00UTC开始作24小时预报,模拟试验方案如下:方案1:控制试验,不进行同化,以背景场作为初始场进行24小时预报,记为Control。方案2:同化区域为两重嵌套网格区域,对常规观测PM10进行同化,同化时间为起报时刻00UTC,以分析场作为初始场进行24小时预报,记为DA-SUR;方案3:同化区域为两重嵌套网格区域,对MODISAOD进行同化,同化时间为起报时刻00UTC,以分析场作为初始场进行24小时预报,记为DA-AOD;方案4:同化区域为两重嵌套网格区域,对以上两类观测资料进行混合同化,同化同化时间为起报时刻00UTC,记为DA-BOTH。4试验结果试验结果表明,相对于无同化的控制实验,所有的同化实验均对初始场有不同程度的改进,同化后区域污染分布和强度均发生改变。通过与实况对比,发现即使只同化卫星观测资料的DA-AOD试验也能有效地修正模式背景场模拟浓度值偏低的问题,特别是对于山东半岛东北部和江苏北部的PM2.5大值区有较为明显的改进;同时同化地面和卫星资料的DA-BOTH方案效果最好,通过与初始场比较,PM2.5的RMSE降低了40.4μg/m3,相关系数提高了43.7%;PM10的RMSE降低了68.5μg/m3,相关系数提高了56.4%。

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