京津冀地區(qū)秋季一次大氣污染過程的模擬研究

1、京津冀地區(qū)秋季一次大氣污染過程的模擬研究1 引言最近，中國政府提出了京津冀一體化的概念和設(shè)想，希望通過加強環(huán)渤海及京津冀地區(qū)經(jīng)濟協(xié)作，使京津冀地區(qū)成為繼長江三角洲和珠江三角洲之后的另一個中國經(jīng)濟快速開展的推動引擎。京津冀地區(qū)位于我國華北平原，面積約為 216,000 平方公里，有超過 1 億的常住人口。要實現(xiàn)京津冀一體化，不僅要實現(xiàn)京津冀地區(qū)經(jīng)濟和產(chǎn)業(yè)的一體化，更要建立健全京津冀聯(lián)防聯(lián)控協(xié)作機制，著力改善京津冀空氣質(zhì)量。近 30 年來，京津冀地區(qū)工業(yè)化和城市化開展迅速，隨之而來的環(huán)境問題也日趨嚴重；大氣污染已經(jīng)成為京津冀地區(qū)亟待解決的一個重大問題，頻繁出現(xiàn)且長時間持續(xù)的大氣污染過程會對城市居民

2、的身體安康造成重大的威脅。因此，對京津冀地區(qū)的大氣污染的一些個例進展研究和分析，嘗試找出這些污染過程的形成原因，對于科學(xué)治理該地區(qū)的大氣污染具有重要的意義。整個京津冀地區(qū)東臨渤海灣，北面和西面背靠燕山山脈和太行山脈；復(fù)雜的地形和下墊面情況使得京津冀地區(qū)的低層受到了海陸風(fēng)、山谷風(fēng)和城市熱島環(huán)流的共同影響；這些局地大氣邊界層環(huán)流能對京津冀地區(qū)的大氣邊界層構(gòu)造和大氣環(huán)境都產(chǎn)生了很大的影響。然而，目前絕大多數(shù)的關(guān)于京津冀大氣污染的研究都是在關(guān)注大氣中的污染化學(xué)過程，很少有學(xué)者關(guān)注局地大氣邊界層環(huán)流與大氣污染之間的互相關(guān)系。2021 年 9 月 20 日至 27 日，在北京出現(xiàn)了一次重污染天氣過程；大氣

3、污染物 PM2.5、NO、 NO2、 SO2、 O3和 CO 的濃度均超過了國家規(guī)定的重污染的標準。在整個污染過程中，京津冀地區(qū)都是在弱天氣系統(tǒng)的控制下，這種弱天氣背景條件很有利于局地大氣邊界層環(huán)流的出現(xiàn)和開展。本研究中，我們將利用先進的大氣數(shù)值形式探究局地大氣邊界層環(huán)流海陸風(fēng)環(huán)流、山谷風(fēng)環(huán)流和城市熱島環(huán)流和大氣邊界層構(gòu)造對此次大氣污染過程的影響。本文將在第 2 部分對數(shù)值模擬試驗的設(shè)計進展介紹，第 3 部分將會對模擬得到的結(jié)果進展討論和分析。最后，會在第 4 部分對全文進展總結(jié)。2 數(shù)值模擬試驗設(shè)計在本研究中，我們首先使用北京市地面觀測站的觀測資料對 WRFWeather Research

4、andForecasting model形式的模擬結(jié)果進展檢驗；然后，利用大氣擴散模對京津冀地區(qū)的大氣污染擴散過程的模擬，以提醒該地區(qū)大氣污染物的輸送和擴散途徑。2.1 WRF 形式本文所使用的是 WRF 形式的 3.5.1 版本，并設(shè)計了三層雙向嵌套的計算網(wǎng)格來模擬京津冀地區(qū)的大氣邊界層環(huán)流如圖 1 和表 1 所示，三層網(wǎng)格的程度分辨率分別為 27 km、9km 和 3 km。在垂直方向上，從地面到 50-hPa 的高空共設(shè)置了 55 層，最底下一層間隔 地面的高度約為 10 m。表 1 給出了 WRF 模擬所采用的物理過程參數(shù)化方案。另外，為了更真實地模擬出城市下墊面的對局地大氣邊界層環(huán)流

5、的影響，在本次研究中，我們利用了歐洲航天局發(fā)布的最新的GlobCover 2021地表利用類型數(shù)據(jù)更新了WRF形式中原有的城市地表利用類型的分布。2.2 FLEXPART 形式本文所使用的大氣擴散形式為 FLEXPARTThe FLEXible-PARTicle dispersion model形式，是一個拉格朗日大氣擴散模型Lagrangian Particle Dispersion Model, LPDM。FLEXPART 形式在垂直方向上，使用的是追隨地形的笛卡爾垂直坐標系；該形式不僅可以利用全球的氣象資料進展驅(qū)動計算，還可以利用一些中尺度大氣形式如 WRF 和 MM5的模擬結(jié)果進展驅(qū)動

6、。更多有關(guān) FLEXPART 形式的詳細信息，可以通過訪問以下網(wǎng)站來獲得： :/ flexpart.eu.為了理解 2021 年 9 月 23 日至 27 日大氣污染過程中，京津冀地區(qū)局地大氣邊界層環(huán)流對污染物擴散過程的影響，我們利用 WRF 模擬得到的高分辨率三維大氣場3 km 程度分辨率設(shè)計了一個 48 小時的數(shù)值擴散試驗從 9 月 23 日 00 時開始模擬，積分至 9 月 25日 00 時。FLEXPART 模擬的程度網(wǎng)格與 WRF 最內(nèi)層的網(wǎng)格完全一樣，在垂直方向上設(shè)置了 38 層，分別為 5、15、25、35、50、70、90、125、175、225、275、325、375、425

7、、475、525、575、625、675、725、775、900、1100、1350、1750、2250、2750、3250、3750、4250、4750、5250、5750、6500、7500、9000、12500 和 17500 m。如圖 2a 所示，我們在京津冀地區(qū)的主要城市區(qū)域設(shè)置了一系列持續(xù)排放的污染源面源，排放源強為 2.2 10-6g m-2h-1。另外，本研究主要關(guān)注的是此次污染天氣過程中的物理環(huán)流輸送過程，因此在模擬中設(shè)置的污染物為一種與干空氣密度一樣的示蹤劑Air Tracer，不會參與大氣中的化學(xué)反響過程。3 模擬結(jié)果分析與討論3.1 WRF 模擬結(jié)果的驗證分別給出了模擬

8、和觀測得到的不同站點的 2 m 溫度、10 m 風(fēng)速和 10 m 風(fēng)速的時間序列圖。通過比照 2 m 溫度的觀測值和模擬值，可以發(fā)現(xiàn) WRF 形式可以很好地模擬出地表溫度的日變化過程，只有海淀和豐臺站點在夜間的模擬值略高于模擬值圖 3b 和圖 3f。在整個模擬研究時段內(nèi)，由于京津冀地區(qū)處于弱天氣系統(tǒng)的控制下，近地面的風(fēng)速都比較小，絕大多數(shù)時刻的 10 m 風(fēng)速都小于 4 m s-1。比較模擬值和觀測值，可以發(fā)現(xiàn)風(fēng)速的模擬值在海淀和豐臺站會略高于實測值，除此之外，WRF 形式可以很好地模擬出風(fēng)速的整體變化趨勢。通過 10 m 風(fēng)向的時間序列圖，可以發(fā)現(xiàn)北京地區(qū)存在明顯的山谷風(fēng)環(huán)流。在清晨，在山區(qū)

9、還沒有被太陽輻射加熱之前，北京地區(qū)是由山風(fēng)由山頂吹向平原控制著；隨后，隨著山區(qū)被太陽輻射加熱，北京地區(qū)逐漸被谷風(fēng)由平原向山頂吹控制；夜間，由于地表的輻射冷卻作用，北京地區(qū)的谷風(fēng)環(huán)流逐漸減弱并轉(zhuǎn)變?yōu)樯斤L(fēng)環(huán)流。北京地區(qū)山谷風(fēng)環(huán)流的演變過程不僅可以從氣象站的觀測中發(fā)現(xiàn)，也可以很好地被 WRF 形式模擬出來。3.2 局地大氣邊界層環(huán)流的影響如上文所述，在本文研究的大氣污染天氣過程中，京津冀地區(qū)都是處在弱天氣系統(tǒng)的控制下，很有利于局地大氣邊界層環(huán)流的開展。 給出了 10 m 高度上的程度風(fēng)矢量場的分布圖，可以很清楚地看到山谷風(fēng)環(huán)流的演變過程。日出前圖 8a 和 8d，山區(qū)是處在山風(fēng)的控制下；日出后，由于

10、太陽輻射的加熱作用，山風(fēng)環(huán)流逐漸減弱，并被谷風(fēng)環(huán)流所替代；日落后，由于地表的輻射冷卻作用，谷風(fēng)又一次會被山風(fēng)所替代。除了山谷風(fēng)環(huán)流以外，海陸風(fēng)環(huán)流有可以在渤海灣附近出現(xiàn)。比照 9 月 23 日與 24 日的程度風(fēng)矢量場，可以發(fā)現(xiàn)海風(fēng)環(huán)流向內(nèi)陸推進的過程和強度對于天氣系統(tǒng)很敏感。如圖 7a所示，在 23 日的 05 時，京津冀地區(qū)是處在兩個海平面的高壓系統(tǒng)的控制下一個高壓系統(tǒng)處于北京的東面，另一個高壓系統(tǒng)處于北京的西南面；在這兩個高壓系統(tǒng)的影響下，渤海灣的陸風(fēng)環(huán)流由陸地吹向海面受到了抑制。相反的，在白天，這種天氣系統(tǒng)的配置，又會加強海風(fēng)向內(nèi)陸的推進圖 8b 和 8c；在 23 日的黃昏時分，海風(fēng)

11、鋒海風(fēng)在內(nèi)陸的最前沿，在大氣的低層會表現(xiàn)為程度輻合帶和垂直上升帶已推進到了北京的城區(qū)。為了更好地理解局地大氣邊界層環(huán)流對地表大氣污染物擴散過程的影響，圖 10 和圖 11給出了不同時刻從海面至山區(qū)圖 1c的垂直截面上的風(fēng)矢量和污染物濃度的分布圖。在 9月 24 日 16 時，陸地上的大氣邊界層高度都超過了 1 km，在垂直截面圖圖 10a上可以看到一個逆時針谷風(fēng)環(huán)流；谷風(fēng)從平原向山上吹，在山區(qū)可以被抬升到 2-3 km 的高度，同時山區(qū)高空會出現(xiàn)一支谷風(fēng)的補償氣流。補償氣流在高空從山區(qū)往平原吹，會在北京的郊區(qū)下沉，并補償?shù)降涂盏墓蕊L(fēng)中。如上文所述，夜間陸地上的大氣邊界層高度會迅速下降至幾百米圖

12、 10b，大氣的垂直輸送作用減弱，會使大量的污染物被控制在淺薄的夜間大氣邊界層內(nèi)圖 11b。此時，在山區(qū)上空，可以看到兩層高空污染層；這兩層高空污染層是由白天的谷風(fēng)環(huán)流沿山體向上輸送而形成的。當污染物被抬升至 2-2.5 km 高度時，高空的程度氣流，可以將污染物向下游地區(qū)輸送，進而減輕局地的大氣污染；而當污染物在山區(qū)僅僅能被抬升到 1 km 左右的高度時，這時形成的高空污染層有可能只是作為污染物一個臨時儲庫，可能會被谷風(fēng)環(huán)流的高空補償氣流帶回地面，也有可能會被晚些時候山風(fēng)環(huán)流帶回地面。由此可知，山谷風(fēng)環(huán)流開展的高度和強度會在很大程度上決定地表大氣污染的嚴重程度。4 總結(jié)為了理解京津冀地區(qū)的局

13、地大氣邊界層環(huán)流對區(qū)域大氣污染過程的影響，本文利用WRF 形式和 FLEXPART 形式模擬研究了京津冀地區(qū) 2021 年 9 月 23 日至 25 日的一次大氣污染過程。首先，通過利用北京市的氣象觀測數(shù)據(jù)驗證了 WRF 形式和本文所設(shè)計的數(shù)值試驗在京津冀地區(qū)的大氣邊界層環(huán)流模擬研究中的適用性。隨后，利用高分辨率的 WRF 模擬結(jié)果驅(qū)動 FLEXPART 大氣擴散形式進展了大氣污染過程的模擬，研究發(fā)現(xiàn)：1渤海灣附近的海陸風(fēng)環(huán)流的強度對于天氣系統(tǒng)很敏感;因此，即使關(guān)注的是弱天氣背景下的大氣污染過程，仍然不能忽略天氣背景強迫的作用。2大氣邊界層高度決定了污染物在垂直方向上的輸送和擴散。在程度方向上，污染物的空間分布那么直接由近地層的程度風(fēng)場決定；而近地層的程度風(fēng)場主要是由局地的熱力作用局地大氣邊界層環(huán)流和大氣尺度的天氣背景的強迫大尺度的天氣系統(tǒng)共同決定的。3海風(fēng)鋒對大氣邊界層高度的抬高作用有利于局地的大氣污染物的垂直輸送，會在一定程度上減輕地