珠三角重污染天气过程的边界层气象条件分析与预报能力研究

The proposed project is based on our current systematic and completed environmental, meteorological dataset, and some enhance observations to systematicly analyze boundary layer wind and temperature vertical structures and actinic radiation of heavy air pollution process over Pearl River Delta in recent five years, aiming to establish quantitative Pollution Meteorological Condition Index for heavy pollution process. The localized model system (GRAPES) will be used to study the forecasting ability of boundary meteorological conditions which trigger the serious air pollution episode in the Pearl River Delta region. The rationality and adaptability of the modeled boundary layer parameterization scheme will be analyzed. By coupling urban canopy model and data assimilation using wind profile radar network to enhance the forecasting capability for the boundary meteorology condition. This study will lay the foundations for local fine meteorology model having real-time data assimilation capability coupled with air quality model and its application in emergency during heavy pollution weather.

本项目拟在现有的比较系统完整的污染环境气象资料集基础上，补充加强观测，系统分析近五年珠三角重污染天气过程的边界层风温垂直结构与光化辐射特征，建立重污染天气过程的污染气象条件的定量指标参数；利用本地精细化中尺度气象模式系统（GRAPES）开展珠三角重污染天气过程边界层气象条件的预报能力研究，分析GRAPES模式边界层参数化方案的合理性与适用性，通过耦合城市冠层模式与风廓线雷达网资料同化等手段改进边界层气象条件的预报能力，为把具有实时观测资料同化能力的本地精细化气象模式与空气质量模式耦合及其在重污染天气应急中的应用奠定基础。

本课题针对空气质量预报预警技术的关键问题，详细分析了珠江三角洲重污染天气的控制气象条件，深入认识了华南区域大气成分数值模式的预报能力，研究结合了当前珠三角重污染天气区域联防联控应急服务的需求，具有科学价值与应用前景。. 本课题主要开展如下四方面的内容研究：①普查了珠三角近35年灰霾天气与近5年重污染（PM2.5与O3）天气过程，建立了相应边界层污染气象案例库。广东省四大区域污染过程具有显著协同性，区域污染过程与区域灰霾过程基本相吻合，区域PM2.5重污染过程主要影响天气型为冷高压变性出海型。珠三角区域高浓度O3污染次数同比明显增加，极端过程出现概率加大，尤其在秋季副高异常强盛，同时叠加台风外围下沉气流时，可预先根据影响天气型预报，实施珠三角重点区域联防联控预案措施。②从不同角度（污染物的输送路径与垂直交换；低能见度情景与液态含水量、相对湿度与低云的关系；台风影响期间形成高臭氧的动力与热力机制；以及臭氧-PM2.5与辐射的关系等）剖析珠三角重污染天气过程的边界层气象控制因子与定量指标。③实现了本地精细化中尺度气象模式系统（GRAPEs）驱动华南区域大气成分业务数值预报模式系统（GRACEs）。GRAPEs模拟的风场等偏差较大是GRACEs模式的预报能力还不够理想的重要原因，应进一步对模式中的参数化方案与物理化学机制进行改进。④利用我国自主研发的本地精细化预报系统GRAPES模式耦合单层城市冠层模式UCM，评估冠层效应对气象条件的影响作用，并接入化学模式CMAQ，对多个典型污染天气过程进行模拟与评估分析。城市冠层效应使城市气温升高，感热通量及向上长波辐射增加，热岛效应增强；城区风速减小而风速的脉动增大；GRAPES-UCM模式对城市地表温度、风速、净辐射通量及感热通量等的模拟结果与实际观测更为接近，城市冠层模式的引入对GRAPES模式在城市下垫面的模拟效果有显著的提升作用。UCM效应对污染物的影响呈现复杂的相互作用（正、负反馈作用)。冠层效应总体上降低了风速，不利于污染物的输送和扩散，使得污染物累积（正反馈）；但冠层效应对温度的增加、湿度减少或者辐射（化学反应过程）等方面的影响对污染物的变化与分布有重要作用，可使得污染物降低（负反馈）。有待深入开展模式的动力、热力、化学机制，及其相互作用的机理研究。