基于拉格朗日扩散模式的大气扩散集合预报技术研究

In recent years, the frequency of atmospheric environment disasters has been increasing and Atmospheric Environmental Emergency Response Services (AEERS) is facing unprecedented challenges and opportunities. The key to improve AEERS is to develop atmospheric dispersion forecasting capabilities. This project is going to enhance the capability by introducing the numerical ensemble forecasting into the current atmospheric dispersion model. The research on the ensemble forecasting technology will diversify the products and increase the accuracy of the forecast. International research indicates that the atmospheric dispersion ensemble forecasting techniques can significantly improve the forecasting skills and levels. Domesticaly, the research on this area is still at the preliminary stage. This project is focusing on the initial-stage study of the ensemble forecasting techniques on the source term and advection term method, and the study of atmospherice ensemble dispersion techniques based on the T639 global ensemble forecasting system.In addition, a case study on Fukushima Di-ichi Nuclear Plant Accident will be conducted. Observation data from CTBTO and IAEA emergency responses, and simulation results from atmospheric dispersion ensemble models will be analyzed to further enhance the ensemble techniques. In this case, a deeply assessment of the impact of Fukushima Nuclear Plant Accident on global environment will be made.

近年来大气环境突发事件频发,大气环境应急响应面临前所未有的挑战和机遇，而提高大气扩散预报能力是提高大气环境应急响应水平的关键。本项目拟将数值集合预报的概念引入到大气扩散模式中，紧紧围绕提高扩散预报水平、准确度和产品多样化，开展有关大气扩散集合预报的研究。目前，国际上已有大气扩散集合预报研究结果表明大气扩散的集合预报技术能显著提高其预报技巧和水平；国内目前这方面的研究还不多见。本项目拟初步开发大气扩散源项和平流项扰动的集合预报技术；开展基于T639全球集合预报系统的大气扩散集合预报方法。并针对日本福岛核事故进行个例模拟，利用从IAEA和CTBTO获得的大量日本福岛核事故监测资料，对大气扩散集合预报模拟结果进行检验和诊断分析，进一步改进大气扩散集合预报技术，深入评估日本福岛核事故对全球环境的影响。

为提高环境应急响应服务能力，项目将数值天气集合预报的概念引入到拉格朗日型大气扩散的模拟当中，开发了基于HYSPLIT的三种大气扩散集合预报技术：基于大气扩散物理过程扰动的集合预报技术、基于气象场扰动的大气扩散集合预报技术和源项蒙特卡洛扰动技术。扩散物理过程扰动技术主要通过在扩散方程中引入扰动因子来获取不同的集合成员；气象场扰动集合预报技术分别采用T639和GRAPES_MESO集合预报系统的15个集合成员，采用不同成员气象场来驱动大气扩散模式以构建不同集合预报成员；源项蒙特卡洛扰动技术通过对排放源位置和高度进行随机扰动，获得不同的集合成员。分别将这几种集合预报技术应用到日本福岛核事故和天津8.12特大火灾个例试验模拟当中，并对其结果进行了对比分析。三种集合预报技术的试验结果表明：相比确定性预报，集合预报技术的集合平均预报效果优于或与确定性预报相当。同时通过对比研究发现：气象场集合预报具有更大的离散度，这意味着基于气象场扰动的集合预报具有更好的预报技巧。大气扩散集合预报技术的开发，不仅提高了大气扩散模式的预报水平，而且由于新增了多种包括概率预报在内的多种集合预报新产品，提高了环境应急响应服务的服务能力，能为决策部门提供更加全面的预报信息。