北京地區(qū)2013年1月霧霾天氣條件和邊界層氣象特征分析

北京地區(qū)2013年1月霧霾天氣條件和邊界層氣象特征分析

1灰病天氣概況近年來，我國工業(yè)化和城市化進(jìn)程不斷增強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長，但能源過度使用，環(huán)境保護(hù)意識薄弱。環(huán)境技術(shù)滯后，各種污染物繼續(xù)增加，污水處理不足。據(jù)統(tǒng)計(jì),2012年我國原煤產(chǎn)量36.5×108t,占一次能源消費(fèi)總量的70%,煤炭仍是我國的主體能源;此外,我國城市機(jī)動車也迅速增加,2012年,我國汽車保有量超過1億輛,汽車尾氣成為大氣污染的又一重要來源。燃油、燃煤的高消耗加上較低的能源利用率,產(chǎn)生了大量的大氣污染排放。2012年的中國環(huán)境狀況公報最新統(tǒng)計(jì)顯示,二氧化硫排放總量為2117.6×104t,氮氧化物排放總量2337.8×104t。這些排放到大氣中的氣態(tài)污染物可通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生二次氣溶膠,加上通過直接排放進(jìn)入大氣的一次氣溶膠、散射和吸收太陽輻射,使能見度降低,霧霾現(xiàn)象日趨嚴(yán)重,已經(jīng)成為一種新的災(zāi)害性天氣(吳兌等,2008)。中國氣象局行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《霾的觀測和預(yù)報等級》(QX/T113-2010,中國氣象局,2010)中,定義霾(haze)為大量極細(xì)微的干塵粒等均勻地浮游在空中,使水平能見度小于10.0km的空氣普遍渾濁的現(xiàn)象。霧霾天氣期間,能見度差,空氣質(zhì)量明顯下降,給人們的生產(chǎn)、生活及身體健康造成嚴(yán)重的不良影響。研究發(fā)現(xiàn),霧霾天氣中大量細(xì)微的粒子,可通過呼吸道進(jìn)入人體肺泡,對人群造成傷害。統(tǒng)計(jì)結(jié)果也表明,在高污染大城市中,如廣州,灰霾天氣增加與肺部疾病造成的死亡率增加有密切關(guān)系(Tieetal.,2009)。近年來國內(nèi)關(guān)于霧霾的研究較多。吳兌(2011)研究發(fā)現(xiàn),近年來灰霾的出現(xiàn)頻率越來越高,以我國東部城市區(qū)域?yàn)槔?灰霾天氣從1950~1970年的每年幾天增加到目前的每年100~200d以上。張小曳等(2013)通過分析霧霾與氣溶膠的聯(lián)系,指出我國現(xiàn)今霧霾天氣發(fā)生的主要原因是嚴(yán)重的氣溶膠污染。我國氣溶膠主要化學(xué)成分硫酸鹽、有機(jī)碳、硝酸鹽、銨和元素碳的質(zhì)量濃度遠(yuǎn)高于歐洲,這與經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展導(dǎo)致的人為污染高排放密切相關(guān)。彭應(yīng)登(2013)通過對北京2013年初霧霾天氣的細(xì)顆粒物(PM2.5)來源分析發(fā)現(xiàn),其外地傳輸?shù)呢暙I(xiàn)率為27.6%,本地污染源中機(jī)動車和燃煤的貢獻(xiàn)率分別為21.5%和18.7%。此外,閔敏等(2009)對河北香河縣2007年4月初的一次灰霾天氣過程中的氣溶膠特性進(jìn)行了遙感研究,發(fā)現(xiàn)灰霾爆發(fā)期間,氣溶膠光學(xué)厚度(AerosolOpticalDepth,AOD)在3個波段上都明顯增加,且局地氣溶膠散射能力增強(qiáng),吸收能力減弱。戴永立等(2013)通過分析2006~2009年我國超大城市霾天氣特征,指出PM10和相對濕度是影響能見度和霾天氣頻率關(guān)鍵因子,其中北京能見度變化對相對濕度比較敏感。高岑等(2012)通過對2009年10月14~27日,南京地區(qū)發(fā)生的一次持續(xù)性灰霾天氣過程中天氣形勢和氣象要素特征的分析發(fā)現(xiàn),南京地區(qū)天氣形勢穩(wěn)定,溫度持續(xù)偏高、干燥無雨,有利于灰霾天氣的發(fā)生,其來源主要是上游鄉(xiāng)村地區(qū)秸稈焚燒產(chǎn)生的污染物的長距離輸送。陳訓(xùn)來等(2008)利用空氣質(zhì)量模式系統(tǒng)Models-3(MM5/SMOKE/CMAQ)對珠江三角洲地區(qū)大氣灰霾進(jìn)行研究,結(jié)果表明離岸背景風(fēng)和海陸風(fēng)的相互作用對灰霾天氣的生成與分布有重大影響。潘本鋒等(2013)對北京市2011年霧霾天氣發(fā)生時大氣相對濕度、風(fēng)速、氣溫等氣象要素以及細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度等環(huán)境要素變化特征進(jìn)行了分析,指出霧霾天氣是由氣象要素和環(huán)境要素共同作用形成的。2013年1月,霧霾天氣籠罩我國中東部大部分地區(qū),多地空氣質(zhì)量嚴(yán)重惡化,北京共出現(xiàn)4次嚴(yán)重霧霾天氣,南郊觀象臺測得的霧霾天數(shù)為1954年以來同期最多。此次長時間、大范圍的霧霾天氣引起了社會各界的高度關(guān)注。本文利用觀測的氣象要素和細(xì)顆粒物濃度資料,結(jié)合中尺度天氣研究與預(yù)報模式WRF的模擬結(jié)果,對2013年1月北京地區(qū)霧霾污染過程及其天氣背景和邊界層氣象特征進(jìn)行了分析,研究結(jié)果將對認(rèn)識我國北方霧霾天氣的成因提供一些參考。2研究數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)來源本研究中,2013年1月地面氣象觀測數(shù)據(jù)來源于中國氣象局的中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集(/home.do[2013-12-17]),包括日均氣壓、溫度、風(fēng)速和相對濕度。共選取8個觀測站點(diǎn)(位置如圖1所示),序號1~8分別代表北京站、寶坻站、唐山站、塘沽站、天津站、霸州站、保定站和饒陽站。北京站(編號54511)的探空數(shù)據(jù)來源于美國懷俄明州大學(xué)(/upperair/sounding.html[2013-12-17]),研究時次分別為2013年1月12日、29日的08:00(北京時間,下同)和20:00。本研究中的空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI:定量描述空氣質(zhì)量狀況的無量綱指數(shù))來自于北京市環(huán)境保護(hù)局網(wǎng)站(/air2008/Air1.aspx[2013-12-17])所提供北京市35個監(jiān)測子站的逐日數(shù)據(jù)。按照中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部(2012)發(fā)布的《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ633-2012),將各子站空氣質(zhì)量指數(shù)轉(zhuǎn)化為細(xì)顆粒物的質(zhì)量濃度,文中使用的北京細(xì)顆粒物逐日濃度值為北京市35個監(jiān)測子站的平均值。3模擬過程及邊界條件本文使用的模式是NCAR等聯(lián)合開發(fā)的中尺度天氣研究與預(yù)報模式WeatherResearchandForecastingModel。此次模擬研究采用2層網(wǎng)格嵌套,第一層以(35°N,115°E)為中心,東西方向160個格點(diǎn),南北方向140個格點(diǎn),水平分辨率為27km,覆蓋了中國大部分地區(qū);第二層嵌套范圍是北京-天津-河北地區(qū),東西方向76格點(diǎn),南北方向91格點(diǎn),區(qū)域水平分辨率為9km。模式層頂氣壓為50hPa,垂直分為30層。本文模擬試驗(yàn)中,云微物理過程采用Linetal.參數(shù)化方案(Linetal.,1983);長波輻射采用RRTM方案(Borgeetal.,2008);短波輻射采用Dudhia方案;每30min進(jìn)行一次輻射過程的計(jì)算;邊界層過程采用YonseiUniversityPBL方案(Huetal.,2010);積云對流過程采用Kain-Fritsch(newEta)(Kain,2004)方案;陸面過程采用耦合了城市冠層模式UCM(UrbanCanopyModel)(KusakaandKimura,2004)的NoahLSM陸面過程模式。第二層嵌套的模擬區(qū)域、下墊面類型如圖1所示。模式選用6h1次,1°(緯度)×1°(經(jīng)度)的NCEP再分析資料(FNL)為模式提供初始場和邊界條件。模擬時間為2012年12月27日至2013年1月31日,前5天為初始化時間。選擇距離觀測站點(diǎn)最近的模式格點(diǎn)結(jié)果與觀測進(jìn)行比較(董俊玲等,2011)。4結(jié)果分析4.1模擬與觀測土壤氣體指標(biāo)的比較4.1.1模式對8個網(wǎng)點(diǎn)濕度的相關(guān)系數(shù)。據(jù)測算,直接可從表1可以看出,模式可以較好地反映近地面氣溫的變化,總的相關(guān)系數(shù)為0.82,其中北京和天津相關(guān)系數(shù)接近0.9,但模式結(jié)果總體偏低約15%,其中天津偏低最多,而唐山模擬略有偏高。風(fēng)速模擬的相關(guān)系數(shù)比氣溫要低,總的相關(guān)系數(shù)為0.62,其中天津的相關(guān)系數(shù)最高(0.8)。風(fēng)速模擬總體偏高(9%),但天津和保定模擬偏低,其中唐山偏差最少(2%),保定偏低最多。相對濕度的相關(guān)系數(shù)總體為0.76,其中北京、寶坻的相關(guān)系數(shù)最高(約為0.9),模式對8個站點(diǎn)相對濕度模擬均偏小,總體偏低約20%,其中天津偏差最小(2%)?？傊?WRF可以較好地反映北京—天津—河北地區(qū)地面主要?dú)庀笠氐臅r空分布特征。4.1.2地面氣溫、風(fēng)速的變化模式很好地再現(xiàn)了1月地面氣壓的變化(圖2a),如:1月3日、17日的高壓,1月12日、23日和28日的低壓。模式較好地反映出地面氣溫逐漸增加的趨勢,但總體上模擬比觀測偏低(0.9°C),特別是1月上旬。模擬的風(fēng)速比觀測略高,但模式比較合理地反映了風(fēng)速的變化,如1月1日、8日、24日的大風(fēng)和7日、12日、28日的小風(fēng)。模式模擬的相對濕度比觀測整體偏低約22%,但是與觀測的變化趨勢基本一致,能反映出濕度較高的時段(如1月12日、23日、29日)以及研究時段內(nèi)濕度逐漸增加的趨勢。4.2根據(jù)霧污染的氣象特征分析4.2.1月細(xì)顆粒物日濃度2013年1月,北京-天津-河北地區(qū)共發(fā)生4次霧霾污染過程,第一次高峰是1月10~14日;另一個高峰則是從27日一直延續(xù)到31日。圖3顯示的是地面觀測的北京市1月細(xì)顆粒物日均濃度變化,可以看到,10~14日、27~31日北京市經(jīng)歷了2次重度污染事件,在12日和29日,細(xì)顆粒物日均濃度分別達(dá)到403.8μg/m3和343.6μg/m3。圖4a顯示華北地區(qū)上空維持穩(wěn)定的西風(fēng)氣流,無強(qiáng)冷空氣活動,低空溫度較高;圖4b顯示,北京市地面處于弱的氣壓場,為弱的偏南風(fēng)控制,由于北京三面環(huán)山的獨(dú)特地形,來自南方的暖濕氣流和污染物受到阻擋會停滯或堆積,近地面氣溶膠濃度和相對濕度增加,有利于霧霾天氣的形成。4.2.2個重污染時段的風(fēng)速分布通過對北京近地面氣象要素和細(xì)顆粒物濃度變化(圖2和圖3)的對比分析發(fā)現(xiàn),霧霾污染的發(fā)生與氣象條件有密切的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)12~13日、28~30日平均相對濕度都大于75%,29日高達(dá)89%;重污染期間氣壓值均較低,28日僅為1017.8hPa;風(fēng)速也均低于1.7m/s。圖5給出了模式模擬的邊界層高度的時間變化,可以看到在污染最重的12日和29日,白天的混合層高度都在300m左右,是全月最低值,這與1月細(xì)顆粒物濃度最高的出現(xiàn)時間(12日、29日)有很好的對應(yīng)。上述分析說明2013年1月霧霾事件的發(fā)生與氣象條件的劇烈變化有密切的關(guān)系。在污染源排放變化較小的情況下,氣象條件成為決定污染物濃度和霧霾形成的關(guān)鍵因素。本文研究的2個重污染時段(12日和29日左右),地面弱低壓、小風(fēng)和穩(wěn)定的大氣結(jié)構(gòu)使大氣擴(kuò)散能力減弱,有利于污染物的累積;偏南氣流帶來水汽和周邊污染物,不僅加重污染,而且潮濕的環(huán)境有利于氣溶膠的吸濕增長,使消光增強(qiáng),進(jìn)而使能見度降低,發(fā)生霧霾。4.2.3干枝的基礎(chǔ)分布1月12日08:00,模擬和觀測都顯示近地面的逆溫層達(dá)800m和相對濕度高值(80%~90%,見圖6),20:00近地面逆溫層依然存在,但相對濕度有所減小(70%~80%),大氣穩(wěn)定和高濕條件有利于氣溶膠的積累和吸濕增長,促使霧霾發(fā)生;13日(圖略)08:00近地面為中性或弱不穩(wěn)定,20:00在近地面有一弱的逆溫層,與此對應(yīng)的是細(xì)顆粒物濃度的減小,而近地面相對濕度與12日基本相當(dāng)。29日08:00和20:00在近地面有較強(qiáng)的逆溫層,高度達(dá)到1400m,相對濕度在90%左右,無論是逆溫的強(qiáng)度還是相對濕度都略大于12日,另一個不同的特征是29日08:00在高空5km左右出現(xiàn)相對濕度的高值區(qū)(~60%),這種垂直方向水汽的多層分布增強(qiáng)了大氣穩(wěn)定性和氣溶膠吸濕增長,使霧霾加重并易于維持。模式準(zhǔn)確地模擬了氣溫的垂直分布,合理地反映了近地面逆溫層的生消,對相對濕度垂直分布和變化趨勢的模擬也基本合理,但絕對值的偏差相對較大。4.3北京地區(qū)和北京地區(qū)濕度比較由圖7可見,11日,北京地區(qū)為西北風(fēng)控制,風(fēng)速約為3m/s,相對濕度較低,大部分地區(qū)為40%~60%;而在天津南部有相對濕度高值區(qū)。到12日,北京南部風(fēng)向變?yōu)槟巷L(fēng),與西北風(fēng)在北京相遇,在市區(qū)附近形成≤2m/s的小風(fēng)或靜風(fēng)區(qū),風(fēng)速的減小使污染物擴(kuò)散能力明顯減弱,加上從河北和天津隨南風(fēng)輸送而來的污染物,使污染物增加并不斷積累,由于南風(fēng)的輸送,北京市東南部和城區(qū)的相對濕度也明顯增加至60%~80%,有利于氣溶膠的吸濕增長和消光增強(qiáng),進(jìn)而形成霧霾天氣。28日,北京地區(qū)為西北和東南風(fēng)交匯區(qū),風(fēng)速不大,約為1~2m/s,北京東部地區(qū)相對濕度為60%~90%,到29日,北京的南部變?yōu)槠珫|風(fēng),風(fēng)速變化不大,但相對濕度有所增加,在北京東南部相對濕度超過90%,對霧霾的形成非常有利。上述結(jié)果說明北京的霧霾事件發(fā)生與風(fēng)向風(fēng)速和擴(kuò)散能力的變化,以及周邊污染物和水汽輸送密切相關(guān),在污染源基本不變的情況下,氣象條件的急劇變化是霧霾形成的關(guān)鍵因素。霧霾天氣的形成,一方面是因?yàn)榇嬖诟邼舛鹊拇髿忸w粒物,另一方面是受到特殊的天氣和氣象條件影響,是人為和自然因素共同作用的結(jié)果。5模式與天氣結(jié)果分析本文利用觀測氣象要素和細(xì)顆粒物濃度資料,并結(jié)合新一代中尺度數(shù)值天氣模式WRF的模擬,對2013年1月北京地區(qū)霧霾污染的天