大气污染数值预报基础和模式

课程编码：070602M05004H 英文名称：Physical, Chemical, Biological Processes and Mathematical Model on Air Pollution 课时：30 学分：2.00 课程属性：专业普及课 主讲教师：张美根等

介绍大气污染数值预报模式的理论基础、控制方程、框架结构与模块功能，帮助学生了解模式的基本特征、应用基础和使用性能，用以阐述大气污染的时空变化特征、形成机理与关键控制因素，掌握数值模式的开发原理与实用技巧。

大气化学、大气边界层物理

雷孝恩、张美根、韩志伟等，大气污染数值预报基础和模式，气象出版社，1998.。

第一章 概论（3学时）
教学重点：大气污染数值预报是涉及到多介质、多界面、多物质之间相互作用和耦合的多学科问题。本章重点介绍大气污染预报问题的主要特征，数值预报的基本理论与模式系统，大气边界层结构和湍流统计量的分布特征。
第1至3学时：
1．1大气污染预报问题的特点和预报方法概述
介绍大气污染预报问题的特点、大气污染预报的主要方法、大气污染数值预报理论体系与模式系统。
1.2平均风与温度随高度和大气稳定度的变化特征
介绍平均边界层特征，讲解天气过程和非均匀下垫面对风温场结构的影响。
1.3大气湍流统计量的分布特征
介绍大气湍流的基本理论，湍流动能、稳定度与湍流统计量的参数化方法。

第二章 中尺度气象预报模式（4学时）
教学重点：用于大气污染数值预报的中尺度气象预报模式的特点，其基本控制方程简化和近似与次网格参数化。
第4学时：
2.1中尺度气象预报模式之构成
简介区域大气动力学模式系统RAMS（Regional Atmospheric Modeling System）的来源与特点，框架结构与模块，模式安装与运行等。
第5学时：
2.2中尺度气象预报模式之输入资料与初边条件
介绍模式运行所需输入资料、资料的来源与处理，模式参数化方案（如边界层、对流、云和辐射）的选取与初边条件设置。
第6至7学时：
2.3中尺度气象预报模式之应用与性能评价
结合中尺度气象预报模式的应用个例，讲解地形产生的地方性风及其相关的热力和动力过程对气象要素的影响，以及中尺度气象预报模式的评价标准与方法
2.3.1海陆风与山谷风环流个例模拟分析
2.3.2城市热岛与热岛环流个例模拟分析。

第三章 区域大气污染数值预报模式（21学时）
教学重点：讲解大气污染物的分布、来源与形成机理，大气污染数值预报模式的基本框架与基本过程。让学生们通过数值敏感性试验、过程分析等手段，分析污染物的形成机理与关键影响因子，了解大气污染数值预报模式的功能与应用技巧，也是本课程教学难点。
第8学时：
3.1大气污染物分布特征与源汇
介绍大气污染物的种类、分布特征和来源，重点是二次污染物的形成机制
第9-17学时：
3.2区域大气污染数值预报模式之构成
3.2.1介绍多尺度空气质量模式CMAQ（Community Multi-scale Air Quality modeling system）的来源与特点，框架结构与模块，模式安装与运行等。
3.2.2 介绍污染的干沉积过程与参数化方法
3.2.3 介绍气相化学反应机制
3.2.4介绍气溶胶模块，包括气溶胶理化特征、气溶胶热力学平衡、气溶胶动力学等处理方法
3.2.5 介绍气溶胶模块，包括气溶胶理化特征、气溶胶热力学平衡、气溶胶动力学等处理方法
3.2.6 介绍初始化模块和侧边界模块，讲解模拟区域选取与初边条件
3.2.7 介绍沙尘与海盐排放源模块
3.2.8介绍污染源模块，重点讲解污染源排放清单的整合
3.2.9 介绍污染源模块，重点讲解污染源排放清单的整合
第18至28学时：
3.3区域大气污染数值预报模式之应用与性能评价
结合区域大气污染数值预报模式的应用个例，讲解大气污染物的形成机理与关键影响因子，同时模式的功能与应用技巧。
3.3.1东亚地区沙尘个例模拟分析
3.3.2东亚地区对流层臭氧来源与分布个例模拟分析
3.3.3东亚地区二氧化硫的输送与转化个例模拟分析
3.3.4东亚地区氮氧化物的收支与循环个例模拟分析
3.3.5东亚地区酸雨和酸沉降个例模拟分析
3.3.6华北地区气溶胶来源与贡献个例模拟分析
3.3.7 华北地区气溶胶来源与贡献个例模拟分析
3.3.8华北地区气溶胶消光特性与灰霾成因个例模拟分析
3.3.9华北地区气溶胶消光特性与灰霾成因个例模拟分析
3.3.10华北地区污染源结构调控对污染物浓度贡献率的个例模拟分析
3.3.11华北地区污染源结构调控对污染物浓度贡献率的个例模拟分析

第四章 结语（2学时）
第29至30学时：
4.1区域大气污染数值预报模式的发展趋势，复习
4.2考试

黄美元、徐华英、王庚辰，大气环境学，气象出版社，2005.
王明星、郑循华等，大气化学概论，气象出版社，2005.
R. Pielke, Mesoscale Meteorological Modeling, Academic Press, 2002.
R. Stull, 边界层气象学导论，气象出版社，1991.

张美根，1964年2月生，博士，中国科学院大气物理研究所研究员，博士生导师。1986年7月毕业于南京大学气象系学，获理学学士学位；1995年12月在俄罗斯科学院大气物理研究所获数理学博士学位。主要从事大气边界层物理和大气化学模式的开发与应用研究，先后开发了大气边界层模式、Monte-Carlo大气扩散模式、城市空气质量模式和多尺度空气质量模式系统RAMS-CMAQ。主持并完成了多项国家和省部级科研项目或课题，研发的RAMS-CMAQ比较全面地体现了当今大气边界层物理和大气环境领域的最新研究成果，能够比较完善地模拟大气复合污染的产生与演变过程，且在气溶胶的产生机理、混合状态与消光特性的表征方面有独到之处。增加了RAMS-CMAQ模拟大气温室气体(CO2、CH4和N2O)的能力，并耦合了陆地生态系统光合与呼吸模型（以反映CO2地表交换过程）和集合卡尔曼滤波同化模块（以同化地基监测的CO2数据和卫星遥感反演的CO2柱浓度）。发表期刊论文160余篇（SCI论文80余篇），合作出版专著3部，获国家科技进步二等奖一项、军队科技进步一等奖一项、环境保护科学技术奖二项和能源软科学研究优秀成果奖二等奖一项。
韩志伟，男，1967年5月生，研究员，博士生导师。1990年获南京大学大气物理专业学士学位，并到中国科学院大气物理研究所工作。2001年在大气所获大气物理与大气环境学博士学位。先后从事大气边界层物理、中尺度气象、大气扩散、大气污染预测等理论和模式方面的研究工作。2003年1月至2007年3月在日本京都大学、日本酸沉降和氧化剂研究中心任高级访问学者，主要从事东亚地区臭氧和氧化剂、大气气溶胶、酸沉降的机理和大气化学输送模式的研究工作，合作研发了区域空气质量模式系统RAQMS，并应用于东亚地区大气环境研究。近年来主要研究领域为大气化学理论，大气气溶胶理化特性、产生机制和演变规律，气溶胶辐射和气候效应，气溶胶-辐射-云-天气相互作用，大气化学-气候耦合模式等，主持研发了区域大气化学/气溶胶-气候耦合模式RIEMS-Chem，曾获得重庆市科技进步二等奖，国防科学技术一等奖，环境保护科技进步三等奖等奖励，已发表论文100余篇，其中在SCI期刊发表论文80多篇，被SCI论文引用2000余次。
韩霄，男，博士，1982年生，中科院大气物理研究所副研究员。2004年于兰州大学大气科学系或本科学位，2008年10月至2009年8月在美国能源部西北太平洋国家实验室客座访问，2010年7月获中科院大气物理研究所大气物理与大气环境学博士学位。主要从事区域尺度大气化学模式的研究工作，研究方向包括大气气溶胶的区域环境和气候效应的模拟、气溶胶理化机制的探讨性研究等，开发了先进的气溶胶微物理特性光学及辐射效应模拟模块。担任中国颗粒学会青年理事。参与的科研项目包括：国家自然科学基金青年项目一项（主持人）、国家自然科学基金面上项目一项（主持人）、中科院战略先导科技专项一项（子课题负责人），以及作为研究骨干人员参与国家973项目、环保部公益性行业专项、自然科学基金重点项目等多项科研项目。发表学术论文十余篇。
高怡，女，理学博士，1986年生，中国科学院大气物理研究所助理研究员。2007年6月获南京大学大气科学系学士学位，2012年6月获中国科学院大气物理研究所博士学位。2010年4月至2011年5月在美国能源部西北太平洋国家实验室客座访问。主要从事区域尺度大气化学模式的研究工作，研究方向包括区域大气污染演变机理，区域大气气溶胶辐射效应、环境效应和气候效应。曾主持和参与国家自然科学基金、中科院战略先导科技专项等项目的相关研究工作，发表学术论文十余篇。