气溶胶和气态污染物三维变分协同同化

气溶胶是大气的重要组成成分，影响大气能见度和人体健康，并通过辐射和与云、降水的相互作用影响气候。近年来，中国的区域性气溶胶污染事件频发，受到人们的广泛关注，因此研究如何提高空气污染的预警水平具有重大的现实意义。随着数值模式的不断发展，空气质量模式在污染物的分析与预报等方面发挥了重要作用。但由于模式化学初始场存在一些不确定性，使得预报结果仍存在一定的误差。资料同化是一种为数值模式提供初值的技术，通过资料同化可以将观测信息和模式背景场有机融合在一起，形成理论上最优的分析场，有效改善模式的初始场，从而提高大气化学成分模拟及大气环境预报的准确性。目前污染物的资料同化研究多集中在单独针对离线空气质量模式气态污染物或颗粒物PM2.5、PM10总量的顺序同化，以及美国开发的针对沙尘气溶胶化学方案气溶胶三维变分同化系统(GSI)。

近日，国防科技大学气象海洋学院的汪代春硕士、尤伟博士(通讯作者)和臧增亮副教授等人利用三维变分同化方法，设计了能控制、分析气溶胶化学成分黑碳、有机碳、硫酸盐、硝酸盐、氯化物、钠盐、铵盐、无机物和颗粒物PM2.5、PM10以及气态污染物SO2、NO2、CO、O3质量浓度的协同同化系统，并利用中国环境监测总站发布的PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO和O3观测数据进行了一个月的模拟预报试验，结果显示设计的同化系统有效提高了气溶胶颗粒物和气态污染物浓度分析和预报水平。该研究成果在《中国科学：地球科学》英文版第9期上发表。

研究发现，同化对不同污染物预报产生的改善效果有所差异(图1)。同化对PM2.5、PM10和CO预报的改善效果显著，产生的正效应能持续到48小时以上。对SO2和O3的预报, 同化的正效应持续8小时左右。NO2的同化效果较差，仅提高了3小时内的预报。经分析，污染物的同化效果与其生命周期有一定的关系。对于生命周期长的污染物，同化对改进预报时效相对于寿命短的污染物要好。

同时，作者还分析了污染物同化效果的空间分布情况(图2)。从空间来看, 除个别地区外, 同化对全国范围内的气溶胶48小时预报都有改善效果。同化对华北地区SO2的48小时预报有明显的改进。NO2的同化效果较差, 没有大范围的改进。除华北、华东以及四川盆地外, 同化对其他地区48小时内的CO预报有改善效果。除西南和西北地区外, 同化对全国48小时内的O3预报改善效果明显, 而且华南地区的改进幅度高于其他地区。

这一研究结果丰富了气溶胶和气态污染物的研究。它不仅对于空气污染物的监测、预报以及控制具有参考价值，而且对于我国应对污染天气、大气环境的治理和保护具有重要的科学意义。

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该项研究得到了国家重点研发计划项目(No. 2017YFC0209803)和国家自然科学基金项目(No.41775123&41805092)资助。

文章信息：

中文版：汪代春, 尤伟, 臧增亮, 潘晓滨, 何宏让, 梁延飞. 2020. 气溶胶和气态污染物三维变分协同同化. 中国科学: 地球科学, 50, doi: 10.1360/SSTe-2019-0182

http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SSTe/doi/10.1360/SSTe-2019-0182?slug=fulltext

英文版：Wang D, You W, Zang Z, Pan X, He H, Liang Y. 2020. A three-dimensional variational data assimilation system for asize-resolved aerosol model: Implementation and application for particulate matterand gaseous pollutant forecasts across China. Science China Earth Sciences, 63(9): 1366–1380, https://doi.org/10.1007/s11430-019-9601-4

http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SCES/doi/10.1007/s11430-019-9601-4?slug=fulltext

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