激光雷达区域组网数据的三维同化与综合分析方法研究

摘要

近年来，京津冀及周边区域大气重污染频繁发生，区域大气污染问题早已对城市可持续发展、生态环境和人类健康造成了严重的影响。区域污染的传输机制和地理气象条件对重污染形成的作用等关键科学问题尚不清楚、区域污染输送中对输送通量的评估不精确等一系列问题严重制约了对大气污染发展规律的认识。
　　激光雷达探测由早期的的单点数据分析，近些年逐渐发展为城市到区域的组网联防联控监测，可以提供各个城市或者关键传输通道上的廓线数据，进行输送通量的定性分析，但不能定量分析，这就限制了对任意路径上物理和化学性质的探测分析能力。另一方面，近十几年空气质量模式得到快速发展，但是由于污染物排放清单、气象场数据以及模式自身存在较多的假设性条件等因素，造成模式对于PM2.5模拟结果存在较大的不确定性。而随着同化技术的发展，可以提高模式模拟的精度，但是目前国内外主要集中在对地面观测(PM2.5)、卫星遥感资料(AOD)的同化，而对于激光雷达等立体探测垂直廓线数据的同化进展不多。因此本文主要研究基于激光雷达的立体同化。
　　本文为评估区域大气污染输送通量，揭示边界层气象和大气污染的时空变化规律，利用地基组网颗粒物激光雷达和车载走航激光雷达系统，构建多元数据质量控制体系，优化激光雷达反演结果;结合空气质量数值模式(WRF-Chem)，二次开发了仅用于地面PM2.5同化的开源同化系统(GSI)，形成稳定、可靠的激光雷达数据同化系统(GSI-Lidar)，实现PM2.5立体探测数据的数据同化，突破激光雷达从定性到定量的分析能力;给出经过激光雷达数据同化后的PM2.5三维场，获取京津冀及周边地区关键传输通道上的污染物特征，建立输送通量精确分析方法，开展区域污染输送定量化综合分析，复原区域重污染过程，研发三维可视化展示;
　　首先，将京津冀及周边地区部署的12台地基组网激光雷达数据和在北京六环上共轭观测的2台车载激光雷达数据进行同化，结果显示，相关性平均提高42.9％、均方根误差平均减少50.9％，验证了GSI-Lidar同化系统的可靠性和准确性。
　　其次，2017年秋冬季连续6个月的激光雷达观测数据和立体同化结果表明，京津冀及周边地区PM2.5主要的输送过程以太行山输送带为主，污染物沿邯郸、邢台、石家庄、保定传输至北京。其次为燕山输送通道（唐山），南部通道和东南通道污染输送事件和污染输送量均较小。
　　同时，北京地区除本地排放在区域逆温等不利扩散条件下的累积外，系统性的偏南风导致的外来污染输送也是污染形成的主要原因。污染物主要在太行山山前的城市带上形成堆积和输送，输送通道上各城市颗粒物污染发生有明显先后顺序，上风向城市污染状况对下风向城市空气质量有明显影响。
　　最后，与2016年同期相比，2017年污染输送总量和峰值有明显降低。2017年度秋冬季，污染形成初期，京津冀地区均主要以偏南风（西南风或南风）为主，风速较低，并且存在明显的边界层降低和逆温现象。从往北京方向输送量来看，太行山往北京方向平均减少了64.5％，而燕山往北京方向平均减少了63.3％;从北京向外输送量来看，北京对太行山、燕山方向分别减少了59.6％、78.2％。表明2017年冬季的联防联控取到明显的效果。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．2．1 PM2．5的观测技术

1．2．2 PM2．5的数值模拟技术

1．2．3 PM2．5的数据同化技术

1．3 国内外研究现状

1．3．1 颗粒物激光雷达技术发展现状

1．3．2 空气质量模式发展现状

1．3．3 数据同化技术发展现状

1．4 本文研究内容

1．4．1 本文关注的主要问题

1．4．2 本文的主要内容及目录结构

第二章 激光雷达／数值模式／数据同化

2．1 激光雷达系统

2．1．1 系统结构

2．1．2 反演算法

2．2 WRF-CHEM模式

2．2．1 基本原理

2．2．2 模式运行

2．2．3 化学参数方案

2．3 GSI同化系统

2．3．1 算法原理

2．3．2 目标函数

2．3．3 代价函数

2．3．4 BUFR／PrepBUFR数据接口

2．4 本章小结

第三章 激光雷达数据质量控制方法研究

3．1 激光雷达多元数据质量控制方法

3．2 光机结构评估

3．3 电子学评估

3．3．1 背景基线判定准则

3．3．2 采集累加次数标准

3．4 数据反演结果的一致性标准

3．4．1 反演算法要求

3．4．2 单台标定

3．4．3 多台一致性

3．5 颗粒物质量浓度转换模型

3．6 通量与总量研究

3．7 本章小结

第四章 激光雷达立体数据同化系统研究

4．1 数据同化概述

4．1．1 数据同化的必要性

4．1．2 数据同化存在的问题

4．1．3 激光雷达同化处理的难点

4．1．4 激光雷达同化参数的选择

4．2 技术方案

4．3 运行流程

4．4 3D-Var算法流程

4．5 PM2．5地面二维到立体三维二次开发

4．5．1 输入模块

4．5．2 处理模块

4．5．3 输出模块

4．6 激光雷达影响半径研究

4．7 模型设置

4．8 排放源清单处理

4．9 观测资料的数据质控

4．10 GSI-Lidar系统验证

4．10．1 气象场模拟精度分析

4．10．2 同化系统单点测试验证

4．10．3 PM2．5同化与未同化对比分析

4．11 三维可视化研究

4．11．1 整体功能需求

4．11．2 三维地形显示功能要求

4．11．3 激光雷达组网同化系统三维数据展示平台

4．11．4 激光雷达组网立体综合分析平台

4．12 本章小结

第五章 基于激光雷达网的数据同化与综合分析

5．1 地基激光雷达组网数据同化分析

5．1．1 污染过程概述

5．1．2 天气形势分析

5．1．3 地面AQI分析

5．1．4 激光雷达网观测结果分析

5．1．5 消光系数拟合PM2．5

5．1．6 PM2．5三维场

5．1．7 PM2．5垂直剖面特征

5．1．8 PM2．5输送通量垂直特征

5．2 车载走航激光雷达数据同化分析

5．2．1 北京六环共轭走航观测

5．2．2 气象分析

5．2．3 车载观测结果

5．2．4 PM2．5剖面图

5．2．5 PM2．5输送通量

5．2．6 PM2．5输送总量

5．3 2016冬季与2017年冬季输送总量对比分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 主要创新点

6．3 存在的问题及下一步展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果