地面PM_(2.5)和气溶胶激光雷达联合变分同化对天津冬季一次重污染过程数值模拟改进研究

摘要

针对输送型重污染过程,大气化学模式垂直模拟偏差较大,地面观测同化对污染垂直初始场改进不明显,高空输送模拟偏低的问题,以2023年1月5~6日天津地区一次重污染过程为例,通过PM_(2.5)地面观测和气溶胶激光雷达垂直观测联合应用,发展相应的气溶胶变分同化技术,改进大气化学模式污染垂直模拟效果,服务重污染天气预报预警和成因解析.研究表明:此次重污染过程由于大气化学模式垂直模拟能力不足,导致S1发展阶段地面PM_(2.5)增长速率和S2维持阶段的峰值浓度明显低估,垂直分布上污染层高度模拟偏低200~300m,白天输送阶段高空PM_(2.5)浓度高于地面、夜间稳定边界层以上污染高值特征均未能有效反映;通过同化地面PM_(2.5)观测有效实现PM_(2.5)空间分布模拟优化,过程期间上游城市石家庄和衡水的模拟误差分别下降35.3μg/m^(3)和77.3μg/m^(3),天津地面PM_(2.5)质量浓度模拟误差下降39.7μg/m^(3),但地面同化对垂直分布模拟改进有限,尤其是对于输送型污染过程中PM_(2.5)垂直分布的复杂变化,基本无法准确反映;通过增加气溶胶激光雷达PM_(2.5)垂直观测同化,模式PM_(2.5)垂直模拟效果进一步提升,450m左右均方根误差减小幅度最大,约19.8μg/m^(3).在同化时刻及临近2~3h正效果明显,后续时效中S2阶段表现更优,夜间稳定边界层以上污染高值得到有效模拟,污染层高度模拟差异减小至50~100m,低于未同化CTRL试验(200~300m)和地面同化DASFC试验(100~200m);S1阶段随着时效延长垂直模拟偏差明显增加,但同化的正作用依旧存在,污染层高度模拟误差比DASFC试验降低幅度不低于50m.