基于WRF-Chem模式气溶胶多物种多粒径段组合变量的卫星AOD直接同化技术研究

项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    41805092
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    23.5万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    D0506.大气化学
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2021-12-31

项目摘要

Modeling and forecasting based on atmospheric chemistry model has become an important ways to effectively deal with aerosol pollution such as PM2.5 and PM10. Data assimilation can improve the initial field of atmospheric chemistry model by integrating the observed data, so as to improve the accuracy of the model prediction. Because of its wide coverage and high resolution, satellite AOD data is the most important source of aerosol data assimilation. However, due to the complex non-linear relationship among satellite AOD and aerosol species (chemical composition), particle size distribution and relative humidity, it is difficult to directly assimilate. This project will focus on developing direct assimilation of satellite AODs based on the multi-species and multi-particle size bins of the MOSAIC aerosol program in the WRF-Chem model. Then, aerosol variables are optimally combined based on the aerosol optical properties, horizontal and vertical correlations to construct background error covariance. Developing Complex AOD observation operator and its adjoint operator based on the Mie theory. An efficient satellite AOD data assimilation system was developed and validated by numerical experiments. The system will provide theoretical and technical support for improving aerosol simulation and forecasting.
基于大气化学模式的分析预报已成为有效应对PM2.5、PM10等气溶胶污染重要的手段之一。资料同化通过融合观测资料,能够有效改进大气化学模式的初始场,提高模式预报的准确性。卫星AOD资料由于覆盖面广、分辨率高,是气溶胶资料同化最重要的资料源,但由于卫星AOD与气溶胶的物种(化学成分)、粒径分布以及相对湿度之间存在复杂的非线性关系,难以直接进行同化。本项目将基于WRF-Chem模式中MOSAIC气溶胶方案的多物种和多粒径段变量,研究卫星AOD的直接同化方法;根据气溶胶光学特性、水平和垂直相关特征对气溶胶变量进行优化组合,设计区分物种及粒径大小的背景误差协方差,基于米散射理论构建复杂的AOD观测算子及其伴随算子;建立一个准确、高效的卫星AOD资料直接同化系统,并通过数值试验验证同化系统的合理性和可靠性,为提高气溶胶模拟和预报水平提供理论和技术支撑。

结项摘要

基于新一代大气化学耦合模式WRF-Chem中MOSAIC气溶胶方案的多物种和多粒径段变量,设计区分物种及粒径大小的背景误差协方差,基于米散射理论构建复杂的AOD观测算子及其伴随算子,建立了区分物种和粒径段的气溶胶卫星资料三维变分同化方法,并通过数值试验验证同化系统的合理性和可靠性。.利用超大城市试验激光雷达组网观测获取的高时间分辨率气溶胶垂直廓线数据,结合地面逐时观测的PM10、PM2.5质量浓度等数据,提出了基于快速辐射传输模式的激光雷达资料三维变分同化方法,并通过数值试验验证同化系统的合理性和可靠性。针对我国华北地区重污染和轻污染过程,开展了云-气溶胶星载激光雷达(CALIPSO)消光系数资料和地面颗粒物同化和预报试验研究,发现气溶胶卫星资料的同化对于地面气溶胶的改进有限,但对于气溶胶垂直分布有明显的改进作。.此外,为了评估我国未来气溶胶激光雷达观测网分布对改善空气质量预报的潜在影响,首次开展了针对中国地区观测布网的观测系统模拟试验(OSSE)研究。结果表明:在模式中同化气溶胶三维廓线信息后,能够更精确地模拟气溶胶的三维结构。激光雷达数据的同化对气溶胶预报改进效果随着激光雷达数量的增加而增加。然而,到达一定数量后,同化对预报改进作用逐渐减少。通过本项目的研究,在国内外权威期刊上发表论文9篇,包括SCI期刊8篇。

项目成果

期刊论文数量(9)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
气溶胶和气态污染物三维变分协同同化
  • DOI:
    10.1360/sste-2019-0182
  • 发表时间:
    2020-04
  • 期刊:
    中国科学:地球科学
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    汪代春;尤伟;臧增亮;潘晓滨;何宏让;梁延飞
  • 通讯作者:
    梁延飞
Sensitivity of Gravity-Wave Momentum Flux to Moisture in the Mei-Yu Front Systems
梅雨锋系统重力波动量通量对湿度的敏感性
  • DOI:
    10.1029/2019gl083333
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Geophysical Research Letters
  • 影响因子:
    5.2
  • 作者:
    Wang Yuan;Zhang Lifeng;Zhang Yun;Peng Jun;Yu Shiwang
  • 通讯作者:
    Yu Shiwang
A three-dimensional variational data assimilation system for aerosol optical properties based on WRF-Chem: design, development, and application of assimilating Himawari-8 aerosol observations
基于WRF-Chem的气溶胶光学特性三维变分数据同化系统:同化Himawari-8气溶胶观测的设计、开发和应用
  • DOI:
    10.5194/gmd-2021-215
  • 发表时间:
    2021-09
  • 期刊:
    Geoscitific Model Development
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Wang D.;You W.;Zang Z.;Pan X.;Hu Y.;Liang Y.
  • 通讯作者:
    Liang Y.
Development of a three-dimensional variational assimilation system for lidar profile data based on a size-resolved aerosol model in WRF-Chem model v3.9.1 and its application in PM2.5 forecasts across China
基于WRF-Chem模型v3.9.1中尺寸分辨气溶胶模型的激光雷达剖面数据三维变分同化系统的开发及其在中国PM2.5预报中的应用
  • DOI:
    10.5194/gmd-13-6285-2020
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Geoscientific Model Development
  • 影响因子:
    5.1
  • 作者:
    Liang Yanfei;Zang Zengliang;Liu Dong;Yan Peng;Hu Yiwen;Zhou Yan;You Wei
  • 通讯作者:
    You Wei
A three-dimensional variational data assimilation system for a size-resolved aerosol model: Implementation and application for particulate matter and gaseous pollutant forecasts across China
尺寸分辨气溶胶模型三维变分数据同化系统:中国颗粒物和气态污染物预报的实施与应用
  • DOI:
    10.1007/s11430-019-9601-4
  • 发表时间:
    2020-04
  • 期刊:
    Science China Earth Sciences
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Wang Daichun;You Wei;Zang Zengliang;Pan Xiaobin;He Hongrang;Liang Yanfei
  • 通讯作者:
    Liang Yanfei
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其他文献

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  • DOI:
    10.13382/j.jemi.b1902826
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    电子测量与仪器学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    谢佳琪;尤伟;沈长青;朱忠奎
  • 通讯作者:
    朱忠奎
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  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2006
  • 期刊:
    核技术
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    李公平;尤伟;张利民;张宇;张小东;刘正民;林德旭
  • 通讯作者:
    林德旭
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  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    光学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    赵春晖;尤伟;齐滨;王佳
  • 通讯作者:
    王佳
回转对称非球面光学零件磁流变成
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    国防科技大学学报.26(3).89-92,2004年6月
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    彭小强*;戴一帆;李圣怡;尤伟
  • 通讯作者:
    尤伟
应用于超宽输入范围的变拓扑LLC电路
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    浙江大学学报(工学版)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    张雪;尤伟;姚玮;吕征宇
  • 通讯作者:
    吕征宇
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