北京市2013年1月一次空氣重污染過程分析

程念亮，高尚銀，李云婷，程兵芬，苑魁魁

(1.北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測中心，北京 100048；2.北京清控人居環(huán)境研究院有限公司，北京 100083；3.山西省環(huán)境規(guī)劃院，山西 太原 030002)

2013年1月份我國中東部、西南10省區(qū)市約100 萬km2區(qū)域出現(xiàn)持續(xù)嚴(yán)重灰霾污染天氣，京津冀地區(qū)在1月份遭受了嚴(yán)重灰霾污染[1-2]。1月份北京發(fā)生4次連續(xù)重污染過程(AQI>200 連續(xù)2 d及以上)，其中以中旬初(9—15日)和月末(27—30日)的2次重污染過程最為嚴(yán)重。

數(shù)值模擬技術(shù)作為一種有效的手段被廣泛應(yīng)用到大氣邊界層和空氣污染輸送擴(kuò)散的研究中[3-4]，用于代替和更新現(xiàn)行的MM5模式的新一代中尺度數(shù)值模式，WRF(weather research and forecasting)目前在空氣污染數(shù)值模擬領(lǐng)域中已廣泛應(yīng)用[5-8]。現(xiàn)采用污染物監(jiān)測資料和地面、高空觀測氣象資料與WRF氣象模式數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分析北京市2013 年1月10—15日的一次典型空氣重污染過程，以揭示該次過程的污染特征及其成因。

1 資料來源

ρ(PM2.5)資料為北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測中心發(fā)布的逐時(shí)濃度數(shù)據(jù)；氣象資料為與污染資料相對應(yīng)的北京市觀象臺(tái)地面觀測資料、探空資料，天氣圖來源于中央氣象臺(tái)。

WRF模式初始及邊界資料為NCAR 和NCEP 的再分析逐日資料FNL，分辨率為1°×1°，時(shí)間分辨率是6 h(00:00、06:00、12:00、18:00)；地形和下墊面輸入資料分別來自USGS 30 s全球地形和MODIS下墊面分類資料。

2 WRF模式簡介及設(shè)置

WRF模式[12]是由美國美國大氣研究中心(NCAR)、美國環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)和奧克拉荷馬大學(xué)(University of Oklahoma)的風(fēng)暴分析預(yù)報(bào)中心聯(lián)合研發(fā)的新一代中尺度預(yù)報(bào)模式和同化系統(tǒng)。該模式是一個(gè)完全可壓縮的非靜力模式，對湍流交換、大氣輻射、積云降水、云微物理及陸面等多種物理過程均有不同的參數(shù)化方案。WRF模式主要由預(yù)處理系統(tǒng)WPS(數(shù)據(jù)插值和模式初始化、模式區(qū)域的和地圖投影方式定義等)、同化系統(tǒng)3Dvar、動(dòng)力內(nèi)核以及后處理工具4部分。

采用ARW-WRF3.2模擬氣象場，水平方向采用Arakawa C網(wǎng)格，垂直方向則采用地形跟隨質(zhì)量坐標(biāo)，模式采用Lambert 正形投影；模式的中心點(diǎn)坐標(biāo)為35 ° N、110 ° E，模式頂高約為15 km；設(shè)置雙層嵌套，水平分辨率分別為36 及12 km，第一層網(wǎng)格數(shù)為210×200個(gè)，模擬區(qū)域覆蓋東亞地區(qū)；第二層網(wǎng)格數(shù)130×112，覆蓋華北地區(qū)，采用第二層嵌套的模擬數(shù)據(jù)。垂直層次為35層，各層sigma值分別為：1.000,0.995,0.990,0.983,0.970,0.954,0.934,0.909,0.880,0.845,0.807,0.765,0.719,0.672,0.622,0.571,0.520,0.468,0.420,0.376,0.335,0.298,0.263,0.231,0.202,0.175,0.150,0.127,0.106,0.088,0.070,0.055,0.040,0.020,0;最下面8層分別約為0,75,150,255,450,690,990和1 365 m，代表邊界層的特征。WRF數(shù)值模式模擬所選用的參數(shù)化方案見表1。

表1 WRF模式所選用的參數(shù)化方案

3 結(jié)果與分析

3. 1 重污染過程分析

北京市2013 年1月9—15日的一次典型大氣重污染過程逐日AQI與天氣狀況變化見表2。

表2 北京市2013年1月9—15日AQI與逐日天氣狀況

由表2可見，空氣質(zhì)量從9日的二級跳至10日五級重度污染，11—13日空氣質(zhì)量連續(xù)3 d嚴(yán)重污染，14日降為重度污染，15日轉(zhuǎn)為輕度污染，至此重污染過程結(jié)束。此次重污染過程ρ(PM2.5)為323 μg/m3， 11—13日空氣污染最為嚴(yán)重，12日ρ(PM2.5)達(dá)到了459 μg/m3。這3 d風(fēng)速較低、相對濕度較高，而低風(fēng)速不利于污染物擴(kuò)散，高相對濕度有利于氣態(tài)污染物向顆粒物的二次轉(zhuǎn)化，污染會(huì)進(jìn)一步加重[1,9]。期間500 hPa高度場3次淺槽過境，高空以偏南、偏西氣流為主，地面天氣形勢以均壓、低壓、高壓底部為主，少云無明顯降水，高空云量較少，這種不利于污染物擴(kuò)散的高低空天氣形勢的配合會(huì)導(dǎo)致區(qū)域性連續(xù)靜穩(wěn)天氣出現(xiàn)，抑制了污染物的快速消散，從而為大氣污染的形成及維持提供了穩(wěn)定的大氣環(huán)境背景[2，10]。

3.2 氣象要素與污染物濃度變化分析

10—15日北京市ρ(PM2.5)及相應(yīng)時(shí)間段的氣象要素的日變化見圖1(a)(b)。

圖1 實(shí)測污染物濃度與氣象條件的變化

由圖1可見，10—14日ρ(PM2.5)在150 μg/m3以上，12日夜間至13日凌晨最高，最高值約600 μg/m3；ρ(PM2.5)高值正好發(fā)生在風(fēng)向轉(zhuǎn)換的時(shí)候，在污染物濃度的上升階段，均出現(xiàn)了風(fēng)向的“南轉(zhuǎn)東北”及“西南轉(zhuǎn)東北”的現(xiàn)象，與其他研究成果一致[1、10]；經(jīng)計(jì)算重污染過程期間平均風(fēng)速為1.47 m/s，相對濕度較大，平均為73.6%；地面大氣壓變化較為平穩(wěn)，平均為1 021.5 hPa，24 h平均變壓為-3.65～2.63 hPa，平均為-0.71 hPa；地面溫度平均溫度為-4.88℃，24 h變溫基本為-2.72～2.68℃，平均為0.15℃。

期間以偏南風(fēng)和偏東風(fēng)為主，2者風(fēng)頻之和約占80%，ρ(PM2.5)在偏東風(fēng)時(shí)較高，原因可能為西南風(fēng)引起的周邊高濃度污染物傳輸?shù)奖本┥峡蘸?，北面山脈阻擋，使得氣團(tuán)在城市上空移速減慢，一段時(shí)間后風(fēng)向突然間轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，污染物回流，加重了空氣污染；相對濕度與污染物呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，相對濕度與ρ(PM2.5)正相關(guān)系數(shù)最大，為0.4；地面氣壓與ρ(PM2.5)負(fù)相關(guān)系數(shù)最小，為-0.55，負(fù)變壓導(dǎo)致周邊污染物的匯聚；溫度與ρ(PM2.5)沒有明顯的相關(guān)關(guān)系，但溫度呈現(xiàn)明顯的日變化，白天溫度較高，夜間地表輻射冷卻，這樣的溫度日變化有利于維持邊界層穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)[11]；24 h變溫平均為0.15℃，為弱正變溫；這些氣象要素的變化特征與其他關(guān)于重污染的研究結(jié)果一致[12-13]。

3.3 大氣溫度層結(jié)時(shí)空變化特征

圖2為實(shí)測10—14日探空觀測的北京市觀象臺(tái)20:00溫廓線圖。

圖2 10—14日20：00觀象臺(tái)實(shí)測溫度廓線

由圖2可見，此次空氣重污染期間出現(xiàn)了明顯的逆溫現(xiàn)象，11日20:00為貼地逆溫，逆溫強(qiáng)度2.8 ℃/100 m，其他4 d 20:00均為高空逆溫，平均逆溫強(qiáng)度0.89 ℃/100 m；1 000 m以下，12日20:00逆溫強(qiáng)度最大，大氣層結(jié)較穩(wěn)定，逆溫厚度將近800 m，結(jié)合圖1，該時(shí)間段正好對應(yīng)的ρ(PM2.5)。1月14日，近地層逆溫逐漸減弱，高空逆溫仍然存在，污染物濃度下降緩慢。15日受冷空氣過境影響，逆溫類型可能為鋒面逆溫。

一般來說北京山區(qū)山體海拔高度多在800 m左右，當(dāng)夜間平原發(fā)生逆溫時(shí)，其逆溫層的頂部往往和山高處在同一高度，由于逆溫污染作用使逆溫層底部升溫較慢，而白天山體加熱使逆溫層頂?shù)臏囟冗M(jìn)一步升高，這樣出現(xiàn)高空氣溫比低空氣溫更高，白天逆溫層不僅不易破壞還有可能加強(qiáng)。持續(xù)逆溫引起的上暖下冷的溫度層結(jié)不利于污染物的垂直擴(kuò)散，從而使水汽和污染物在低層堆積[2]。文獻(xiàn)[13-16]表明，近地層出現(xiàn)逆溫有利于灰霾的形成，而逆溫層的持續(xù)存在是重污染維持的主要因素。

3.4 近地面風(fēng)場、溫度場及邊界層模擬分析

圖3(a)(b)(c)(d)(e)(f)為WRF模式模擬的北京市11—13日20:00 近地面風(fēng)場-垂直速度場-海平面氣壓場圖及地面溫度場-PBL圖。

圖3 11—13日20：00北京市近地面風(fēng)場-氣壓場-垂直速度場、溫度場-邊界層高度圖

由圖3可見，11—13日北京地區(qū)垂直速度以弱正值(也就是下沉運(yùn)動(dòng))為主，其中模擬的邊界層高度均在300 m以下，較低的邊界層高度限制了污染物的有效擴(kuò)散，使污染加劇。

邊界層高度逐日變化不明顯，大氣層結(jié)較穩(wěn)定，污染物易在邊界層內(nèi)匯聚。北京地面11日20:00以偏南氣流為主，12日20:00以偏東氣流為主，13日20:00以偏南氣流為主，與實(shí)測風(fēng)速風(fēng)向一致；11日夜間的偏南氣流帶來了周邊高濃度的污染物，污染物濃度整體呈現(xiàn)上升趨勢，12日夜間偏東氣流導(dǎo)致污染回流，濃度逐漸到達(dá)高值，持續(xù)的弱東北氣流導(dǎo)致污染濃度逐漸下降，污染狀況得到緩解。西南氣流一方面增加了市區(qū)上空的污染物濃度，另一方面又將西南暖而濕的空氣帶入北京上空，與低空相對冷氣團(tuán)形成平流逆溫，大氣層結(jié)穩(wěn)定，極大的抑制了污染物的擴(kuò)散。

太行山西側(cè)垂直速度為負(fù)，說明氣流爬山上升，東側(cè)基本為正，存在下沉運(yùn)動(dòng)；水平風(fēng)場在山的側(cè)存在輻合線，輻合線兩側(cè)風(fēng)向差別較大，地面的弱輻合不利于污染物水平擴(kuò)散；12日20:00偏東氣流在山脈的阻擋下在山前匯聚，導(dǎo)致了大氣污染物被阻滯在低空和近地面，從而形成持續(xù)的霧霾天氣。

3.5 高空氣象要素模擬分析

圖4(a)(b)(c)(d)為模擬的北京市觀象臺(tái)垂直方向上風(fēng)場、溫度場及相對濕度的垂直分布。

圖4 13—14日北京市觀象臺(tái)風(fēng)場、溫度場、及相對濕度分布

由圖4可見，在12日夜間到13日白天地面以弱偏南風(fēng)為主，900 hPa以上高度的風(fēng)向?yàn)槿跗鞅憋L(fēng)轉(zhuǎn)弱偏南風(fēng)，在950～900 hPa 附近形成一個(gè)較弱暖中心；該時(shí)間段內(nèi)逆溫主要表現(xiàn)為高空逆溫并且暖中心相對濕度較低，在40%以下，而與暖中心位置相對應(yīng)的地面濕度較大，在80%以上，這樣形成中層干暖低層濕冷的干暖蓋結(jié)構(gòu)，這是重污染日形成的典型大氣垂直結(jié)構(gòu)[17-20]，這樣的大氣垂直結(jié)構(gòu)使得地面細(xì)顆粒物濃度從12日夜間開始急劇上升，升至13日凌晨500 μg/m3以上(結(jié)合圖1)。

4 結(jié)論

(1)此次重污染過程空氣質(zhì)量從9日的二級跳至10日五級重度污染，11—13日空氣質(zhì)量維持連續(xù)3 d嚴(yán)重污染，14日降為重度污染，15日轉(zhuǎn)為輕度污染。10—14日PM2.5平均值為323 μg/m3，平均風(fēng)速為1.47 m/s，平均相對濕度為73.6%； 24 h變溫基本為-2.72～2.68℃，24 h平均變壓為-3.65～2.63 hPa；

(2) 此次空氣重污染過程與當(dāng)?shù)貧庀髼l件密切相關(guān)，穩(wěn)定的大氣環(huán)流形勢為污染提供了持續(xù)穩(wěn)定的大氣環(huán)境背景，風(fēng)速較小、濕度較大、邊界層較低、持續(xù)逆溫是造成重污染的主要原因，地面風(fēng)場輻合，邊界層下沉運(yùn)動(dòng)及大氣干暖蓋是造成重污染的重要原因。

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