GPS整层累积可降水量资料同化对大气气溶胶数值模拟影响的研究

Hygroscopic aerosol is one importance component of atmospheric aerosol. The concentration, chemistry composition, and optical properties of atmospheric aerosol are affected by relative humidity through a series of physical and chemical processes. The bias of relative humidity simulation and the uncertainty of processes related to relative humidity in numerical models are the main causes for the inaccuracy during second aerosol prediction.This application plans to improve the relative humidity simulation through different schemes of data assimilation of the near real-time and high resolution global positioning system integrated precipitable water (GPS-IPW) data. And the affection of GPS-IPW data assimilation on aerosol concentration, chemical composition, extinction properties, and chemical processes related to humidity will be evaluated using the coupled meteorology-chemistry model Weather Research Forecast- Community Multi-scale Air Quality (WRF-CMAQ). Relative humidity sensitivity tests will be conducted and the variation of different aerosol species and chemical reaction processes related to humidity will be analyzed combining with CMAQ process analysis. The role of humidity during aerosol liquid/heterogeneous reaction and haze/fog process will be revealed. This study is expected to benefit for the aerosol forecast technology and the research of smog formation.

吸湿性气溶胶是大气气溶胶的重要组分之一，相对湿度通过一系列物理化学过程影响大气气溶胶的浓度、化学组成和光学特性。相对湿度模拟的偏差及模式中湿度相关过程的不确定性，是造成二次气溶胶模拟不准确的原因之一。本研究拟利用准实时、高分辨率的GPS整层累积可降水量（IPW）资料，设计不同同化方案提供初始气象场，改善气象模式对湿度的模拟，并驱动区域天气-多尺度区域空气质量模型（WRF-CMAQ）开展数值模拟和观测资料验证，评估水汽资料同化对大气气溶胶浓度、化学组分、消光特性以及湿度相关化学转化过程的影响。在同化试验的基础上开展相对湿度敏感试验，结合CMAQ过程分析技术，针对不同气溶胶物种和湿度相关化学反应过程进行分析，研究湿度对气溶胶液相和非均相反应过程的影响，揭示相对湿度在雾霾形成过程中的作用。本研究的开展有望为气溶胶预报技术改善和雾霾天气成因研究提供支持。

本研究采用两层嵌套网格，选取华北地区冬季的气溶胶污染过程为研究目标，研究GPS水汽资料同化对气溶胶模拟和预报的影响。同化前，首先逐站点进行偏差订正，以去除观测和模式系统之间存在的系统性偏差，才可取得一定的预报正效果。采用气象观测、气溶胶质量浓度和能见度观测资料对WRFDA同化结果和WRF-CMAQ预报结果进行检验评估。同化试验结果表明：GPS-ZTD资料同化可在一定程度上改善湿度、气温和风场的分布，同时改变了边界层高度。在常规资料同化基础上，进一步同化GPS-ZTD资料后，地面湿度低估现象得到进一步的改善（例如，水汽混合比偏差由-0.008 g/kg下降为-0.002 g/kg）；垂直方向上，水汽资料同化使得湿度上升，改善了近地层探空湿度偏干的现象；预报时长方面，GPS-ZTD资料同化对相对湿度预报的影响可持续18小时。GPS-ZTD资料同化，改善了PM2.5的峰值高估，改善量级可达几到几十微克/立方米，这对雾霾预报预警有重要意义，同时系统性改善了PM2.5谷值低估（几微克/立方米左右）。GPS-ZTD资料同化后，模拟区域内92%的站点PM2.5观测模式偏差下降，81%的站点观测模式均方根误差下降。与控制试验相比，GPS水汽资料同化造成的PM2.5的变化量为1.5%，其中一次气溶胶的变化量在1%左右，二次气溶胶的变化量在2%左右。湿度条件不同，GPS水汽资料同化对不同二次气溶胶物种的影响不同。气象条件变化对气溶胶理化过程产生影响，导致气溶胶粒径和数目的改变，而气溶胶粒径的改变则可能进一步影响气溶胶的沉降等物理过程。