用一年生植物研究大气△~(14)C分布与化石源CO_2排放

利用加速器质谱(AMS)技术,通过测量北京地区一年生植物放射性碳同位素(14C),系统分析了2009年5～9月北京地区大气△14C水平和化石源CO2浓度分布.研究结果表明,北京地区大气△14C最高值为29.6‰±2.2‰,最低值为-28.2‰±2.5‰,表现出远郊-近郊-市区依次递减趋势,这与由人类活动(人口密度、交通流量等)引起的化石源CO2排放增加呈相反的变化趋势,即人类活动频繁地区大气△14C值较低.2009年5～9月北京地区大气化石源CO2浓度变化范围为(3.9±1.0)～(25.4±1.0)ppm,每排放1ppm化石源CO2可使大气△14C水平下降～2.70‰.用AMS测量一年生植物14C这一方法,为快速示踪大气化石源CO2浓度提供了有效手段.     

北京城市冬季大气污染动力: 化学过程区域性三维结构特征

北京城区1~3月4个试验观测点所获得的资料分析结果发现, 城市采暖期排放源影响总体效应明显, 采暖期、非采暖期城市不同区域测点污染气体浓度排放源阶段性影响特征显著; 城市建筑群上边界大气污染物NO_x, SO₂和CO具有大范围同位相演变特征, O₃浓度亦在不同测点变化趋势一致, 但与以上污染物呈“反位相”变化. 城市重污染过程采暖与非采暖期空气污染浓度城区范围亦有同步变化趋势. BECAPEX的综合探测表明, 北京地区污染气体及其气溶胶垂直分布廓线与城市边界层内大范围逆温层垂直结构存在显著相关. 此类点-面结合综合探测技术途径亦描述了城市局地污染过程与周边地区相互关联的区域性三维结构特征.     

自旋电磁场和偶极子: 一种局域化和量子化的场

自旋电磁场是一种与传统电磁场形式不同的电磁场模式, 具有波粒二象性. 自旋电磁场 是自旋方程在自由空间的本征模式解, 而自旋方程可以通过麦克斯韦方程得到. 本文把具有分 布特性的源函数作为自旋模式的一个组成部分, 从而由自旋方程导出齐次的本征方程. 自旋电 磁场有两个基本特性: 绕轴自转和存在于有限空间内. 本文详细讨论了所得到的本征电模和磁 模的源和电磁场结构. 从源的层面上, 我们可以通过积分得到自旋模的电和磁偶极矩. 自旋电 磁场的分布电荷与电流源可以看成是电和磁偶极子的电磁结构. 自旋模的电磁场结构同时具 有波和粒子的基本特征量, 包括用传播常数、角频率或特征转速表示的波动参量, 以及用本征 半径、能量和角动量表示的量子性参量. 前者体现了电磁谐振模的特点, 而后者体现了自旋粒 子的力学特性. 自旋电模有两种不同的电磁场结构, 除了用电荷对描述外, 论文导出了它的磁 流源表示. 这两种模式有相同的电偶极矩, 但由于它们的源不同, 分别具有有散和无散的特性.     

中国地区陆地植被甲烷排放及其对对流层低层甲烷浓度的影响

甲烷(CH₄)既是重要的温室气体也是重要的化学活性气体. 有氧环境中陆地植被CH₄排放是CH₄源排放研究中的新发现, 对其进行研究有助于完善中国大气CH₄排放清单. 基于Keppler等的研究, 建立了适用于中国地区的陆地植被CH₄排放模式, 并且利用NOAA气象卫星AVHRR归一化差异植被指数(NDVI)计算得到的中国植被净第一性生产力(NPP), 对中国地区植被CH₄排放总量和空间分布进行了定量估计. 结果显示中国地区植被CH₄排放总量为11.83 Tg/a, 约占全部CH₄排放的24%; 其中森林是最主要的植被源, 约占总排放的43%. 进一步利用三维大气化学模式系统(MM5-CALGRID)探讨对中国地区对流层低层CH₄浓度的影响. 结果显示考虑陆地植被排放后, CH₄平均地面浓度增加了29.9%, 在云南南部变化高达69.68 μg/m³. 因此, 开展陆地植被CH₄排放研究对于正确估计中国CH₄排放对全球的贡献, 以及科学评估CH₄对全球及区域大气环境和气候变化的影响具有重要意义.     

卫星遥感观测中国1996～2010年氮氧化物排放变化

利用卫星遥感观测的NO2浓度作为化石能源消耗和污染物排放的示踪,基于GOME和SCIAMACHY的NO2对流层柱浓度数据对1996～2010年间中国氮氧化物排放的时空格局变化进行了分析.结果表明,我国氮氧化物排放的区域性特征日益显著,呈明显的空间扩张态势,原有排放高值区的范围不断扩大,新的高值区不断出现,受人为源排放影响的范围在从东部向中西部扩张.1996～2010年间,华东、华北地区的人为源氮氧化物排放量增加了133%,而同期卫星观测到NO2浓度增长了184%.最近几年特大城市的氮氧化物排放增速在减缓,而中型城市的排放增速在加快,显示我国亟需对燃煤氮氧化物排放进行控制.     

GRAPES物理过程的优化试验及程序结构设计

新一代全球/区域多尺度通用数值分析同化与预报系统(GRAPES)按照模块化、标准化的程序结构, 开发建立了插拔式可移植的区域中尺度和全球中期物理过程软件包, 物理过程的完整性与国外先进的模式相当. GRAPES设计了物理过程与模式框架连接的3层结构程序界面, 为物理过程的插拔使用提供了一个友好界面. 通过个例数值试验, 对格点暴雨现象进行了分析, 改进了垂直速度计算方案, 通过调整GRAPES物理过程方案的相关参数, 对降水方案进行了优化; 结果表明, 物理过程降水方案经过改进后, 基本消除了虚假的格点暴雨现象, 提高了降水预报的准确率.     

不可压湍流燃烧大涡模拟的分步投影方法

通过对Ma<<1的湍流燃烧过程物理现象的分析, 从数学和物理上讨论了低Ma数湍流燃烧的“不可压”性质, 在此基础上采用改进的不可压湍流燃烧数值模拟的分步投影方法对甲烷-空气平面射流扩散火焰进行了大涡模拟. 该方法不需对密度进行预估而是直接显式求得, 仅需对动量方程进行一次投影即可实现对N-S方程的显式求解, 计算量小, 求解效率高, 在Ma<<1的变密度有反应或无反应湍流流动的细观数值模拟中具有明显优势. 甲烷-空气的化学反应采用简化的四步反应机理模拟, 应用动态亚格子模式及动态相似模式分别模拟湍流流动的亚格子项及化学反应速率的亚格子项. 计算结果得到了射流扩散火焰中瞬态发展变化的涡运动以及涡-火焰相互作用的细节结构.     

北京市碳黑气溶胶排放清单估算及预测

碳黑气溶胶是含碳燃料不完全燃烧的产物, 能够改变大气辐射性质, 并能危害人体健康. 北京是以煤炭为主要能源的特大城市, 目前正在调整能源结构、减少污染排放以达到绿色奥运的目标. 使用2000年的北京市能源统计数据, 结合碳黑排放因子, 计算北京市的碳黑气溶胶排放清单, 排放总量估算为7.77 Gg. 焦炭、原煤、非商品能源秸秆是北京碳黑排放清单中最重要的排放源. 根据北京奥运能源规划, 预计2008年北京排放碳黑气溶胶2.97 Gg(不包括非商品能源). 如果2008年农村非商品能源的碳黑排放量保持2004年水平不变, 农村非商品能源将是2008年北京碳黑的最大排放源.     

基于伴随方法的大气污染溯源

大气污染防治的核心是找准污染源头,厘清污染成因,实现靶向治理,提高控制效率.本文建立了全国空气质量高分辨率预报与污染控制决策支持系统(NARS,呐思系统),实现了气象与大气化学的监测、同化、预报、溯源、排放源反演和动态优化控制等大气污染闭环防控,可为大气污染防控提供一整套解决方案,其中所建立的CAMx伴随溯源模式,实现了排放源动态反演和网格化定量溯源,可快速定量追溯导致目标区域未来7天大气污染的排放源及其贡献率时空分布.针对2016年9月~2017年3月北京主城区PM_(2.5)集中污染时间段进行了排放源反演、气象场预报、空气质量预报和网格化溯源.与京津冀地区国控点监测结果进行了对比分析,结果表明污染过程、污染等级和污染物浓度预报的准确率分别为100%、88.8%和84.7%,预报值和监测值之间的相关系数为0.81.网格化溯源结果表明导致北京主城区PM_(2.5)污染的排放源基本来自于北京西南方向这一条大气污染物传输通道,北京本地、河北、天津及周边地区排放源对北京主城区PM_(2.5)浓度分别贡献了66%、29%、5%.就重污染过程而言,京津冀排放总量的19%导致了北京主城区80%的PM_(2.5)重度及以上污染,其中北京本地占京津冀排放总量的9%贡献63%、河北占京津冀排放总量的10%贡献17%.就整体污染天气而言,京津冀排放的26%导致了北京主城区80%的PM_(2.5)轻度以上污染,其中北京本地占京津冀排放总量的9%贡献61%、河北占排放总量的15%贡献18%,天津占排放总量的2%贡献1%.导致北京主城区PM_(2.5)污染的排放源主要分布在北京城区和南部区域、保定和石家庄所辖的部分区县,贡献排名前6位的区县均为北京辖区,贡献率合计为48%,前20个区县的总体贡献为73%.将动态反演排放源方法与调查排放清单相结合,应用伴随溯源模式对预报结果进行同步大气污染溯源,可为大气重污染应急控制找准控制对象,并进行损益评估,运用自然控制论,实现大气污染应急优化控制.     

利用气候模式能够预测西北太平洋台风活动的气候背景吗?

首先利用1948~2004年观测和再分析资料分析了西北太平洋(WNP)台风频次与夏季平均纬向风垂直风切变、外逸长波辐射以及对流层高、低空散度场之间的相关关系, 表明台风发生频次与三者在台风发生源区都存在密切关系, 因而对西北太平洋台风活动异常具有显著的预测意义. 然后, 利用中国科学院大气物理研究所的9层全球大气环流格点模式(IAP9L-AGCM)进行了34 a (1970~2003年)集合回报试验, 考察了该模式对台风源区纬向风垂直切变以及对流层低层散度场的预测能力. 结果表明, 前者回报结果与实测间的时间相关系数可达0.70, 后者回报结果与实测间的空间相关系数达0.62, 这说明模式对WNP台风活动中主要相关大尺度环境场具有较大的气候预测潜力, 从而有能力在一定程度上实现西北太平洋台风活动异常的实时气候预测.     

氯化镁矿化利用低浓度烟气CO_2联产碳酸镁

CO2矿化利用是一种新的CO2减排方式,主要原理是利用天然矿物或工业废料与CO2反应,将CO2矿化为碳酸钙或碳酸镁等固体碳酸盐,同时联产高附加值的化工产品.本文提出采用低能耗的电解工艺利用氯化镁溶液矿化利用低浓度烟气CO2的新方法,该方法将氯化镁转化为活性较高的氢氧化镁,与不同浓度的CO2反应从而矿化CO2.该方法可以直接矿化浓度仅为20%的低浓度CO2,这使得直接矿化利用工业烟气CO2成为可能,避免了较高能耗的CO2捕捉提纯过程.另外,该方法可在较低的能耗下减排大量CO2,同时获取高附加值的碱式碳酸镁或三水合碳酸镁.由于氯化镁自然储量非常丰富,氯化镁矿化利用CO2具有大规模减排的潜力.     

卫星观测的单角度偏振反射率敏感性分析

<正>大气中的二氧化碳(CO2)是受人类活动影响最多的温室气体,CO2浓度的增加被认为是全球变暖的主要原因.为了监测大气中CO2浓度的全球分布,分析全球CO2源汇特征,中国即将发射一颗碳卫星(TanSat),搭载的高光谱传感器用于监测CO2浓度.由于大气气溶胶对CO2浓度的反演具有显著的影响,TanSat另外搭载了用于反演大     

中国大气本底站2000～2009年CO2浓度变化模拟:Carbon Tracker模式应用

CO2作为产生温室效应最主要的温室气体,所带来的全球变暖问题正日益受到人们的关注.但由于我国区域本底站稀少,观测时间较短,因此目前的分析只能局限于表观,尚无法完整描述我国温室气体浓度变化状况及地区间的差异,也难以测算不同地区温室气体排放源和吸收汇的动态变     

中国区域主要颗粒物及污染气体的排放源清单

利用政府部门公布的最新数据, 包括社会-经济数据、化石燃料和生物质燃料消耗数据等,同时采用一些新的、中国特有的排放因子, 计算了中国大陆2007 年高时空分辨率的颗粒物及污染气体的排放源清单. 计算的年排放量分别是: PM_2.5 1321.2 万吨, BC 139.9 万吨, OC 294.6 万吨,SO₂ 3158.4 万吨, NO_x 2324.8 万吨, NH₃ 1601.7.0 万吨, CO 16485.6 万吨, VOCs 3546.4 万吨. 计算出的全国和各地区的排放量采用0.5°×0.5°的网格来图示, 表明沿海地区及部分中部地区的排放强度明显高于西部地区; 部分污染物的排放具有较强的季节性, 主要是由于自然因素及居民采暖、农业秸秆的露天焚烧的季节性等所致. 分析对比表明, 本文计算的排放结果与其他清单基本相当, 但在不同污染物分类别的排放量上则不尽相同; 估算误差相对以往清单小.     

青藏高原东北部土壤冻融过程的数值模拟

利用青海省苏里站2009 年2 月1 日~12 月31 日的气象观测资料作为模式强迫场, 使用陆面过程模式CLM3.0(Community Land Model), 对青藏高原东北部季节性冻土区域进行模拟.结果表明, 模式能够较好地模拟出各层土壤的冻融变化趋势, 但在融化阶段, 模拟的土壤温度高于观测, 融化结束时间早于观测; 冻结阶段, 模拟的土壤温度略低于观测, 深层土壤冻结时间早于观测; 整体看来, 模式对冻结过程的模拟好于对融化过程的模拟, 对靠近表层的土壤模拟好于深层. CLM3.0 模式中认为冻土在土壤温度高于0℃时发生融化, 本文根据热力学平衡方程得到土壤发生冻融的临界温度, 进而对冻土的融化条件进行调整, 融化条件的调整减缓了冻土的融化速率, 使得土壤温度模拟降低, 同时, 调整后的模式模拟结果反映了冻土融化过程中伴随有冻结过程的发生, 与真实的冻土融化过程更为接近. 此外, 通过敏感性试验发现, 融化过程和冻结过程中土壤水的冻结速率是不同的, 表明模式中用于计算土壤发生相变后温度的方案还有待进一步改进.     

技术进步对中国CO_2减排的影响

通过引进、消化、吸收、检验和验证国外比较成熟的一个动态的气候变化综合评估模式(RICE),在对其技术进步参数进行敏感性分析的基础上,结合我国节能减排的约束目标,设定了我国2000～2050年的技术进步方案,并开展了该系列方案下的气候经济学评估.结果表明,改进技术进步,可以使我国的CO2排放量减少,气候损失值减少,大气CO2浓度和大气温度的增加幅度降低,保护全球的气候安全.与缓慢的技术进步情景相比,如果我国在2010年的CO2排放强度比2005年降低20%,2050年的CO2排放量将控制在2000年的2倍左右,2000～2050年的累计CO2排放量将减少12.4GtC;2050年的大气CO2浓度和大气温度将分别下降35GtC和0.04℃;2000～2050年的累计气候损失值将减少46亿美元,所获得的收益仅占全球总收益的6%,而给发达国家带来的收益却是我国的10倍;合作政策和非合作政策下的CO2排放控制率分别降低了4.6%和1%,减轻了我国对CO2排放总量的控制力度,有利于我国参与国际合作减排.     

碳循环对气候变化历史责任归因的影响

全球碳循环是气候变化的根本问题,其长期演变决定了人类导致的气候变化的速度和程度,也决定了稳定大气CO2浓度的减缓政策的制定和减排技术的施行.本研究利用2个参与了第5次耦合模式比较计划的耦合了碳循环过程的地球系统模式CESM和BNU-ESM,模拟研究了工业革命以来碳循环对气候变化历史责任归因的影响.模拟结果表明,以大气CO2浓度的升高为衡量指标,相比通常研究中以累积排放量为指标,发达国家碳排放的历史责任减小了6%~10%,发展中国家增大了6%~10%.这是由于历史时期(1850~2005年)发达国家占主导的工业碳排放对这一时期海洋和陆地固碳量的增加贡献了61%~68%和61%~64%,而发展中国家贡献了32%~39%和36%~39%.因此发达国家排放情景下,相对较大的全球碳汇固碳量减小了发达国家碳排放的历史责任,但也由于海洋吸收了更多的碳,使得发达国家对全球海洋的酸化负主要责任(68%).而且发达国家的高排放降低了全球碳汇的固碳效率,可能影响未来长期的固碳量,加剧全球增暖的程度.因此未来在制定减排方案时,需要进一步考虑到碳循环过程对减排方案的响应和影响.     

四川盆地降水过程中水气之间SO_2浓度关系

Drewes在SMICK模式中,已将大气化学动力学和大气输送扩散过程联合起来,提出了在降水过程中污染物液相和气相浓度的两类控制方程,在实际应用中获得了好的结果,并指出液相浓度受气体浓度的影响。Pena研究过降水中SO_2含量与大气中浓度之间关系,并分析了SO_2与降水中pH的关系。Hales利用SO_2液相和气相浓度平衡关系,由已知气体浓度计算水中SO_2含量,并和实际作了比较。     

二氧化碳的原位催化氢化反应

二氧化碳(CO2)的吸收和封存技术是规模化减缓CO2排放的手段之一,但其脱附、压缩、运输和储存过程中,不可避免地消耗能量.同时,CO2作为无毒无害、廉价易得的C1资源,可代替传统羰基化试剂合成高附加值的化工产品.因此,CO2"变废为宝,高值化利用"的研究,特别是将CO2还原为甲酸、甲醇等能源类产品,具有重要科学意义及应用价值.着眼于CO2吸收和资源化利用相结合的策略,将CO2的吸收产物进行原位催化反应,既可绕过脱附、压缩环节;又可消除高压反应的不足、减少设备投入及节能降耗;同时,吸收过程中CO2分子得到活化,有利于后续化学转化反应在低压温和条件下进行.催化氢化反应在多种CO2资源化利用途径中具有重要意义和应用前景,将CO2的吸收产物进行原位催化氢化反应能够成功获得甲酸、甲醇等重要的能源产品.本文概括介绍了CO2的捕集方法及其化学转化为衍生物的路径,总结了CO2氢化反应的催化体系和作用机制,在此基础上,重点讨论了CO2的原位催化氢化反应机理和最新进展.     

应用双重优化方法估计碳通量

<正>贝叶斯综合反演方法(BSIM)利用先验CO2通量和大气CO2浓度观测数据估计碳通量分布,其结果在很大程度依赖于先验碳通量的偏差.实际应用中,通常用生态碳通量模型计算先验通量,可是不恰当的短期生态过程的模拟将引起先验通量的刻度误差,从而导致BSIM估计结果的偏差.我们提出了一种双重优化算法,