基于改進(jìn)GSI系統(tǒng)的氣溶膠變分同化對(duì)WRF-Chem PM2.5分析和預(yù)報(bào)的影響評(píng)估

《大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報(bào)》 2020年第五期封面文章

Chen Jie, Li Zhengqiang, Chang Wenyuan, et al. Impact Evaluation of Aerosol Variational Assimilation Based on Improved GSI System on WRF-Chem PM2.5 Analysis and Forecast [J]. Journal of Atmospheric and Environmental Optics. 2020, 15(05): 321-333.

陳杰，李正強(qiáng)，常文淵，等. 基于改進(jìn)GSI系統(tǒng)的氣溶膠變分同化對(duì)WRF-Chem PM2.5分析和預(yù)報(bào)的影響評(píng)估[J]. 大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報(bào)，2020, 15(05): 321-333.

氣溶膠同化技術(shù)通過(guò)對(duì)氣溶膠觀測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行綜合客觀分析，將氣溶膠觀測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果有機(jī)結(jié)合。利用同化獲取的再分析格點(diǎn)數(shù)據(jù)具有高分辨率、高精度的特點(diǎn)，可為模式模擬提供更為準(zhǔn)確的初始場(chǎng)信息，改進(jìn)模式預(yù)報(bào)效果。同化過(guò)程中，不同的同化數(shù)據(jù)選擇對(duì)于同化系統(tǒng)的設(shè)置以及最終同化結(jié)果都有重要影響。

中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院李正強(qiáng)研究員團(tuán)隊(duì)利用環(huán)境監(jiān)測(cè)臺(tái)站的PM_2.5濃度觀測(cè)數(shù)據(jù)和MODIS衛(wèi)星反演的AOD產(chǎn)品進(jìn)行了星地氣溶膠數(shù)據(jù)的協(xié)同同化，并將星地協(xié)同同化結(jié)果與各數(shù)據(jù)單獨(dú)同化結(jié)果相對(duì)比。從理論研究與實(shí)際應(yīng)用兩方面，介紹了星地氣溶膠數(shù)據(jù)協(xié)同同化相較于單一來(lái)源數(shù)據(jù)的同化在分析場(chǎng)精度和PM_2.5預(yù)報(bào)效果方面的優(yōu)勢(shì)。分析結(jié)果表明，星地氣溶膠數(shù)據(jù)的協(xié)同同化在空氣質(zhì)量趨勢(shì)分析、環(huán)境健康效應(yīng)評(píng)估以及灰霾精確預(yù)報(bào)等方面有廣闊的應(yīng)用前景。

一、同化試驗(yàn)設(shè)置

本研究中采用了面向MOSAIC氣溶膠方案的三維變分同化方法，對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)臺(tái)站的PM_2.5濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與MODIS衛(wèi)星的AOD產(chǎn)品進(jìn)行了同化。文中對(duì)研究區(qū)域及數(shù)據(jù)、同化系統(tǒng)設(shè)置、數(shù)值試驗(yàn)設(shè)置進(jìn)行了介紹。

（1）研究區(qū)域及數(shù)據(jù)

本文選取了2018年11月25 - 30日，我國(guó)中東部出現(xiàn)的一次灰霾天氣作為案例，研究區(qū)域?yàn)闁|經(jīng)112°E至124°E，北緯29.5°N至42.2°N，包含京津冀與長(zhǎng)三角兩大城市群，同化數(shù)據(jù)包括了環(huán)保監(jiān)測(cè)站點(diǎn)PM_2.5數(shù)據(jù)和MODIS獲取的AOD產(chǎn)品（圖1）。

圖1 研究區(qū)域及同化數(shù)據(jù)空間分布，（a）環(huán)境監(jiān)測(cè)站點(diǎn)PM_2.5濃度數(shù)據(jù) （b）MODIS傳感器AOD產(chǎn)品

（2）同化系統(tǒng)設(shè)置

三維變分同化基本思想是將求解同化變量的客觀分析問(wèn)題轉(zhuǎn)化為求解泛函最小值的問(wèn)題。研究中采用MOSAIC氣溶膠方案中4個(gè)粒徑段氣溶膠的數(shù)濃度作為控制變量，通過(guò)WRF-Chem進(jìn)行模擬獲取背景場(chǎng)，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)背景誤差協(xié)方差進(jìn)行估計(jì)，通過(guò)求解關(guān)于模式背景場(chǎng)和觀測(cè)場(chǎng)的代價(jià)函數(shù)最小值來(lái)獲得對(duì)背景場(chǎng)和分析場(chǎng)均達(dá)到最佳擬合狀態(tài)的分析場(chǎng)。

（3）數(shù)值試驗(yàn)設(shè)置

本文實(shí)施了四組試驗(yàn)。第一組試驗(yàn)不進(jìn)行任何數(shù)據(jù)的同化，第二組和第三組試驗(yàn)分別為地面PM_2.5濃度觀測(cè)和衛(wèi)星AOD產(chǎn)品的單獨(dú)同化，第四組試驗(yàn)則地面PM_2.5觀測(cè)數(shù)據(jù)與MODIS整層AOD數(shù)據(jù)的星地協(xié)同同化試驗(yàn)，通過(guò)四組試驗(yàn)的對(duì)比，定量分析不同的同化數(shù)據(jù)選擇對(duì)于同化結(jié)果的影響。

二、試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果表明，單一來(lái)源數(shù)據(jù)同化時(shí)，由于數(shù)據(jù)本身的局限性，同化后分析場(chǎng)并不能獲取最佳的光學(xué)-物理特性模擬。如單獨(dú)同化整層AOD數(shù)據(jù)時(shí)，AOD分析場(chǎng)改進(jìn)明顯，但地面PM_2.5濃度分析場(chǎng)出現(xiàn)顯著高估。而進(jìn)行星地?cái)?shù)據(jù)協(xié)同同化時(shí)，由于多源數(shù)據(jù)的共同作用，PM_2.5和AOD分析場(chǎng)的總相對(duì)誤差最小，實(shí)現(xiàn)了最佳的光學(xué)-物理特性模擬（圖2）。

圖2 同化前后模擬近地面PM_2.5濃度和整層AOD的變化

對(duì)于同化對(duì)預(yù)報(bào)改進(jìn)效果的分析表明，無(wú)論是單獨(dú)同化PM_2.5、AOD還是兩者同時(shí)同化都能有效降低漏報(bào)率，改善預(yù)報(bào)效果。在輕度污染和中度污染的預(yù)報(bào)中，三次同化試驗(yàn)的效果差異并不明顯，然而，在對(duì)重度污染的預(yù)報(bào)中，采用了星地協(xié)同同化的模式預(yù)報(bào)結(jié)果ETS評(píng)分較高，能獲得較好的綜合預(yù)報(bào)效果。

課題組介紹

中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院李正強(qiáng)研究員團(tuán)隊(duì)，長(zhǎng)期從事環(huán)境遙感研究，在大氣探測(cè)、氣溶膠等方面開(kāi)展了系統(tǒng)的研究，在偏振大氣遙感方面獲得了國(guó)內(nèi)外認(rèn)可的研究成果，創(chuàng)建了太陽(yáng)-天空偏振輻射計(jì)觀測(cè)網(wǎng)（SONET: http://www.sonet.ac.cn），發(fā)展的氣溶膠參數(shù)偏振反演算法是目前國(guó)際上可業(yè)務(wù)運(yùn)行的三個(gè)地基反演算法之一，推動(dòng)了我國(guó)首個(gè)多角度偏振衛(wèi)星載荷（DPC/高分五號(hào)衛(wèi)星）在細(xì)顆粒物監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用，通過(guò)遙感反演手段繪制中國(guó)區(qū)域PM2.5的濃度變化。近年來(lái)，基于課題組長(zhǎng)期積累的數(shù)據(jù)處理和分析經(jīng)驗(yàn)，依托相關(guān)項(xiàng)目開(kāi)展了氣溶膠數(shù)值預(yù)報(bào)和同化的相關(guān)研究。