面向MOSAIC气溶胶机制的GSI同化系统开发及对2015-2017年冬季京津冀地区污染变化特征的研究

The winter-time aerosol pollution in Beijing-Tianjin-Hebei Region fluctuate during 2015-2017. Simulations by traditional 3-D regional air quality models have large uncertainties for that region. 3DVAR data assimilation combining the observational data and regional models, can correct concentration fields and also generate reanalysis fields, thus improve model performances. NCAR group developed the GSI-WRF/Chem data assimilation system for the GOCART dust aerosol scheme. However this scheme is not appropriate for the aerosol characteristics in the heavy polluted regions in China. In this proposal, we will build the GSI-WRF/Chem system for the MOSAIC aerosol scheme and apply the system to Beijing-Tianjin-Hebei Region. The development includes three parts: (1) the framework of the DA system and the control variable interface, (2) Observation operator and observation error modules to use the MEP PM2.5 observation network, (3) Background error covariance module for the MOSAIC scheme. By using the new DA system, we will also generate 2015/2016/2017 winter-time PM2.5 reanalysis fields and investigate the winter-pollutions in Beijing-Tianjin-Hebei region, focusing on the temporal/spatial changes, annual changes and driving factors.

传统三维大气模式在京津冀的模拟存在较大不确定性。结合观测的三维变分资料同化方法，通过纳入观测修正模拟，同时产生三维再分析场，有效提高气溶胶模拟能力。NCAR团队曾基于GSI-WRF/Chem系统，开发了面向GOCART沙尘气溶胶的同化系统；但是该机制并不适宜表达中国重污染地区气溶胶组分特点。本研究拟基于GSI-WRF/Chem同化系统，建立面向MOSAIC多物种多粒径段气溶胶方案的同化模块，并将该系统应用于京津冀地区。主要研究工作包括：（1）建立面向MOSAIC方案的分析变量系统和同化框架；（2）重建观测算子，构建针对环保部国控网的PM2.5观测误差模块；（3）建立面向MOSAIC方案的背景误差协方差模块。拟利用该系统构建纳入观测的2015-2017冬季逐小时PM2.5三维再分析场，分析京津冀地区冬季污染变化特征（时空变化、年际变化及驱动要素等），揭示该区域气溶胶污染的气象和化学机制。

传统三维大气模式在京津冀的模拟存在较大不确定性。结合观测的三维变分资料同化方法，通过纳入观测修正模拟，同时产生三维再分析场，有效提高气溶胶模拟能力。NCAR团队曾基于GSI-WRF/Chem系统，开发了面向GOCART沙尘气溶胶的同化系统；但是该机制并不适宜表达中国重污染地区气溶胶组分特点。本项目针对中国重污染地区气溶胶特点，开展了GSI-WRF/Chem面向MOSAIC多物种多粒径段的气溶胶资料同化系统的研发及应用工作。.同化技术研发上，我们采用“直接法”对同化中多物种多粒径段的气溶胶组分进行了显式表达，以适应从GOCART沙尘气溶胶到MOSAIC人为源相关组分，并更新拓展了分析变量、观测算子和背景误差协方差。不同粒径段不同物种的背景误差标准方差差异非常明显地反映了京津冀重污染地区以无机盐气溶胶为主要成分的特点；单点试验也显示了同化前后PM2.5总质量、无机盐组分绝对浓度和占比都发生了很大的变化，证明了同化系统的可靠性。.同化效果验证上，我们以2015/2016/2017三年冬季（1月）为例，利用该同化系统开展了1小时循环同化试验，输入1500余个国控站点逐小时PM2.5观测，构建了逐小时三维PM2.5再分析场。与观测比对显示同化对全国大范围的浓度高估，以及新疆、汾渭平原等地区的低估有非常明显的模拟改善，PM2.5平均偏差下降至±5 µg m−3 ；全域时序变化和单个站点上的逐小时统计都显示了同化在全局和单独站点上起到了重要作用。.同化系统应用上，具体将全国分成8个区域，结合2015-2016-2017年1月的PM2.5再分析数据和敏感性模拟分析，利用差减法对气象和排放的贡献进行了初步分离。通过上述方法揭示，2016和2017年的气象条件在北部地区有很大的差异，特别是2017年冬季，虽然相比2016年全国大部呈上升趋势，但气象有很大的不利因素，而排放削减仍然在持续执行中。.我们所研发的同化系统对于适用于中国重污染地区纳入观测的再分析数据构建具有重要的意义；对于未来的精准减排评估需求，以及减排带来的健康效应评估，特别是污染峰值相关短期暴露带来的死亡等，将提供更为精准的信息。