北京大氣熱力和動(dòng)力結(jié)構(gòu)對(duì)污染物輸送和擴(kuò)散條件的影響

孫兆彬,李梓銘,廖曉農(nóng),唐宜西,趙秀娟(.中國(guó)氣象局北京城市氣象研究所,北京 00089；.京津冀環(huán)境氣象預(yù)報(bào)預(yù)警中心,北京 00089)

北京大氣熱力和動(dòng)力結(jié)構(gòu)對(duì)污染物輸送和擴(kuò)散條件的影響

孫兆彬1,2*,李梓銘2,廖曉農(nóng)2,唐宜西2,趙秀娟1(1.中國(guó)氣象局北京城市氣象研究所,北京 100089；2.京津冀環(huán)境氣象預(yù)報(bào)預(yù)警中心,北京 100089)

利用北京、天津、河北地區(qū)常規(guī)氣象數(shù)據(jù)、PM2.5濃度、激光雷達(dá)數(shù)據(jù),鐵塔數(shù)據(jù),結(jié)合風(fēng)廓線數(shù)據(jù)對(duì)2015年10月13～17日發(fā)生在北京的空氣重污染過(guò)程中大氣熱力和動(dòng)力結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析.結(jié)果表明,白天熱力條件轉(zhuǎn)好后,邊界層低層垂直方向氣流由上-下運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閮A斜運(yùn)動(dòng),同時(shí)水平方向偏南風(fēng)增大,高濃度氣團(tuán)向北京移動(dòng),污染物輸送增強(qiáng),造成這種空間結(jié)構(gòu)的原因主要是熱力條件加強(qiáng)后等溫面由準(zhǔn)東-西向轉(zhuǎn)變?yōu)槲鞅?東南向,由于山地加熱激發(fā)的重力波振幅在白天增強(qiáng),高空水平方向輸送至北京的污染物在垂直方向出現(xiàn)向上和向下的傳輸.16日白天地面PM2.5濃度的快速升高,這是在PM2.5存在一定垂直交換的情況下,近地面偏南風(fēng)輸送的作用所致,以上出現(xiàn)的大氣污染物輸送和擴(kuò)散機(jī)制可以在一定程度上解釋區(qū)域重污染背景下,白天混合層高度升高而近地層PM2.5濃度卻隨之升高的現(xiàn)象.

熱力和動(dòng)力結(jié)構(gòu)；污染物輸送和擴(kuò)散；PM2.5；激光雷達(dá)；重力波

近些年北京地區(qū)空氣重污染事件頻發(fā),給居民身體健康帶來(lái)極大危害,因此研究重污染天氣形成機(jī)制對(duì)于預(yù)報(bào)、預(yù)警的及時(shí)發(fā)布具有重要意義.大氣混合層是人類生活和生產(chǎn)的主要空間,許多重要天氣和重污染事件均發(fā)生在這一空間中[1-8],因此混合層中大氣動(dòng)力和熱力過(guò)程對(duì)污染物濃度具有重要影響.此外北京地區(qū)三面環(huán)山,大氣的結(jié)構(gòu)除受天氣尺度系統(tǒng)影響外,還受局地山谷風(fēng)影響,天氣尺度系統(tǒng)與山谷風(fēng)耦合在一起所形成的三維大氣熱力和動(dòng)力結(jié)構(gòu)在很大程度上決定著污染物的輸送和擴(kuò)散.

諸多研究結(jié)果表明,對(duì)混合層高度估算的方法較多,例如利用觀測(cè)到的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行估算、基于數(shù)值模式預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行估算、利用激光雷達(dá)和微波輻射計(jì)的監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行估算[9-14].對(duì)于混合層高度與污染物之間關(guān)系的研究已有很多[15-19],研究表明較高的最大混合層高度出現(xiàn)頻率較大的月,空氣質(zhì)量為優(yōu)-良出現(xiàn)的頻率較高,即混合層高度高,大氣環(huán)境容量加大,利于污染物的擴(kuò)散,污染物濃度低,反之混合層高度降低,大氣環(huán)境容量減小,污染物堆積壓縮不易擴(kuò)散,污染物濃度升高.總結(jié)起來(lái),混合層高度與大氣污染物濃度整體呈負(fù)相關(guān),這一結(jié)論已經(jīng)長(zhǎng)期指導(dǎo)我國(guó)環(huán)境氣象及空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)業(yè)務(wù).本文的研究在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算后發(fā)現(xiàn)這一結(jié)論仍然成立,但是在對(duì)北京地區(qū)PM2.5濃度數(shù)據(jù)和混合層數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn),在區(qū)域空氣重污染背景下的某些時(shí)段(例如白天,以小時(shí)為時(shí)間分辨率),隨著混合層升高,逆溫減弱,客觀上大氣對(duì)污染物局地容納能力和擴(kuò)散條件好轉(zhuǎn),而監(jiān)測(cè)到的污染物濃度卻呈現(xiàn)升高的趨勢(shì).因此本研究選擇 2015年 10月13～17日北京地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)了空氣重污染的時(shí)段開(kāi)展研究,希望在一定程度上揭示混合層高度升高而PM2.5濃度也隨之升高的大氣動(dòng)力和熱力機(jī)制.

1 材料與方法

1.1 PM2.5數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和激光雷達(dá)數(shù)據(jù)

PM2.5數(shù)據(jù)來(lái)自北京市環(huán)保局(http://www. bjmemc.com.cn/g68.aspx)、河北省環(huán)保廳(http://121. 28.49.85:8080/)、天津市環(huán)保局(http://air.tjemc.org. cn/)所公布的數(shù)據(jù).氣象資料來(lái)自北京市氣象局,鐵塔資料來(lái)自于中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所.激光雷達(dá)數(shù)據(jù)為北京地區(qū)EV-LINAR型微脈沖激光雷達(dá)在垂直方向的觀測(cè)數(shù)據(jù).

1.2 混合層高度的計(jì)算方法

可用地面常規(guī)氣象參數(shù)來(lái)估算平均混合層高度,本文根據(jù)羅氏法計(jì)算混合層厚度[13-14],計(jì)算公式如下:

式中: T為地面氣溫,℃;Td為地面露點(diǎn)溫度,℃;uz為z高度處的平均風(fēng)速,m/s;z0為地面粗糙度,m;f為柯氏參數(shù),f= 2?sinΦ,? 為地轉(zhuǎn)角速度,Φ 為地理緯度;P為帕斯圭爾穩(wěn)定度級(jí)別(大氣穩(wěn)定度級(jí)別為A～F時(shí),P值依次為1～6).

風(fēng)廓線數(shù)據(jù)目前常被用來(lái)研究混合層內(nèi)各種天氣現(xiàn)象發(fā)生的規(guī)律,在混合層內(nèi)常有較強(qiáng)的湍流,而混合層外湍流較弱,會(huì)在混合層頂形成湍流的極大值,本文依據(jù)風(fēng)廓線雷達(dá)重要湍流參數(shù)-折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)(CN2)來(lái)計(jì)算混合層高度,CN2(zi)為 zi高度處的折射率結(jié)構(gòu)常數(shù),湍流能量法的計(jì)算公式如下:

2 污染物時(shí)空分布特征

2.1 氣象要素時(shí)間序列變化

10月13～17日,北京地區(qū)近地面受偏南風(fēng)和偏東風(fēng)影響.偏南風(fēng)主要出現(xiàn)在每日的午后至傍晚,將河北中南部污染物向北京、天津、河北東北部一帶輸送,導(dǎo)致污染物大量積累;其他時(shí)段為偏東風(fēng)影響,對(duì)北京來(lái)說(shuō),偏東風(fēng)主要來(lái)向?yàn)槲廴疚镆呀?jīng)大量積累的天津、河北東北部地區(qū),因此偏南風(fēng)、偏東風(fēng)兩只氣流交替將污染物向北京輸送,導(dǎo)致北京平原地區(qū)污染物快速積累和維持.垂直方向上,北京中高空為弱的下沉氣流,將偏南風(fēng)壓制在較低層次,使其所輸送的污染物無(wú)法翻越太行山、燕山山脈,只能在山前積累,同時(shí)在高濕的條件下,顆粒物吸濕增長(zhǎng),導(dǎo)致能見(jiàn)度降低(圖1).

圖1 2015年10月13～17日北京逐小時(shí)風(fēng)向、風(fēng)速、相對(duì)濕度Fig.1 Beijing hourly wind direction, wind speed, relative humidity October 2015 13～17

2.2 PM2.5濃度時(shí)間序列變化

如圖2所示,13～17日京津冀地區(qū)出現(xiàn)一次空氣污染事件.能見(jiàn)度從13日下午的30km下降到14日的 5km, PM2.5的濃度逐漸上升,14日 20:00達(dá)到150μg/m3左右.14日夜間至 15日受弱冷空氣影響,PM2.5濃度有所下降,能見(jiàn)度略有好轉(zhuǎn).16日白天空氣質(zhì)量急劇惡化,其中北京地區(qū) PM2.5濃度連續(xù)24h超過(guò)250μg/m3,17日下午超過(guò)300μg/m3,能見(jiàn)度一直維持在2km以下,局地小于1km,17日后半夜冷空氣南下,此次污染過(guò)程自北向南逐漸結(jié)束.

圖2 2015年10月13～17日京津冀地區(qū)PM2.5濃度(a)和能見(jiàn)度(b)時(shí)間演變特征Fig.2 Beijing, Tianjin and Hebei PM2.5concentration (a) and visibility (b) variation during October 2015 13～17

2.3 京津冀地區(qū)地面風(fēng)場(chǎng)和PM2.5空間分布

由圖3可見(jiàn)16日08:00～10:00時(shí),北京東南部、河北廊坊、天津3地交界處有一個(gè)PM2.5濃度為300～500μg/m3的高濃度氣團(tuán),空間尺度較小(約為幾十km),午后伴隨著近地層偏南風(fēng)明顯增大,此高濃度氣團(tuán)向北移動(dòng),于13:00前后到達(dá)北京城區(qū),這一時(shí)間節(jié)點(diǎn)與圖2中PM2.5濃度明顯升高的時(shí)間相一致,受排放源分布及偏南風(fēng)等不利于污染物擴(kuò)散條件的影響,京津冀平原沿山地區(qū)形成了常見(jiàn)的 “廠”字形污染帶.

圖3 2015年10月16日京津冀地區(qū)08:00～19:00的地面自動(dòng)站10m風(fēng)場(chǎng)和PM2.5濃度(μg/m3)Fig.3 10m wind field and PM2.5concentration distribution in Beijing Tianjin and Hebei region (08:00～19:00) (μg/m3)

2.4 近地面 PM2.5濃度急劇升高時(shí)段北京上空的消光系數(shù)

為了研究偏南風(fēng)下污染物水平和垂直擴(kuò)散條件,本研究選取PM2.5濃度急劇增長(zhǎng)的16日白天,分析激光雷達(dá)消光系數(shù)的時(shí)空演變趨勢(shì).1km以上北京上空無(wú)明顯的消光系數(shù)增大現(xiàn)象,由北京地區(qū) 1km 內(nèi)的消光系數(shù)演變(圖 4)可見(jiàn), 13:00～15:00出現(xiàn)了3個(gè)消光系數(shù)較高的層次,這3個(gè)層次分別處于200～600m、100m左右、近地層,消光系數(shù)數(shù)值最大區(qū)位于 200～600m,大值中心的出現(xiàn)時(shí)間為13:00前后,這與圖3中PM2.5高濃度氣團(tuán)到達(dá)北京城區(qū)的時(shí)間相一致,說(shuō)明16日白天外源輸送很可能是導(dǎo)致北京地區(qū)PM2.5濃度快速上升的主要原因,而且由于高層和低層消光系數(shù)大值中心同時(shí)出現(xiàn),所以外源輸送很可能在高層和低層同時(shí)進(jìn)行.15:00左右原本位于 200～600m的消光系數(shù)大值區(qū)強(qiáng)度減弱,而且有向上移動(dòng)的趨勢(shì),消光系數(shù)大值區(qū)與高層大氣最大梯度由600m上移至900m,整層大氣消光系數(shù)有趨于均一的趨勢(shì),伴隨著局地?zé)崃l件好轉(zhuǎn),1000m大氣混合作用增強(qiáng),15:00 ～16:00整層大氣消光系數(shù)達(dá)到了 16日白天最為均一的狀態(tài),16:00～17:00在800m左右的高度再次出現(xiàn)消光系數(shù)大值中心,而且 17:00～19:00近地層的消光系數(shù)在明顯增大,更為重要的是消光系數(shù)大值區(qū)隨著時(shí)間出現(xiàn)了高值區(qū)向下伸展的現(xiàn)象,由 800m向下伸展至 200m,甚至更低的高度,對(duì)于這一現(xiàn)象出現(xiàn)的原因?qū)⒃诒疚?.2章節(jié)進(jìn)行分析.

圖4 北京地區(qū)2015年10月16日11:00～20:00激光雷達(dá)消光系數(shù)Fig.4 Beijing area lidar extinction coefficient from 11:00～20:00 on the 16th

3 大氣動(dòng)力過(guò)程影響

3.1 混合層高度變化

混合層高度的計(jì)算具有很大不確定性,因此本文采用羅氏法和湍流能量法計(jì)算了混合層高度.如圖5(a)和(b)所示,混合層高度均具有明顯的日變化特征,其中在14～16日空氣重污染期間,兩種算法的混合層高度均在2000m以下波動(dòng),其中15日受弱冷空氣影響,混合層高度最高,16日夜間至白天混合層高度均呈升高趨勢(shì).在14～16日的空氣重污染期間,兩種算法的混合層高度均在2000m以下波動(dòng),兩者的區(qū)別是羅氏法的計(jì)算結(jié)果對(duì)于近地層大氣的動(dòng)力、熱力條件及大氣穩(wěn)定度更加敏感,湍流能量法對(duì)于低層大氣垂直方向大氣動(dòng)力結(jié)構(gòu)的改變更加敏感,兩種算法顯示16日夜間至白天混合層高度均呈升高趨勢(shì).

圖5 北京地區(qū)混合層高度Fig.5 Mixed layer height

3.2 區(qū)域風(fēng)場(chǎng)日變化分析

圖6 2015年10月16日京津冀地區(qū)10m風(fēng)場(chǎng)分布Fig.6 10m wind field distribution in Beijing Tianjin Hebei region in October 16, 2015

BJ-RUC v2.0系統(tǒng)的空間區(qū)域共有2個(gè),分辨率為9km(D1區(qū)域)和3km(D2區(qū)域),水平網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)分別為400×649和424×550,垂直方向分為38層,BJ-RUC v2.0系統(tǒng)主要物理過(guò)程具體如下:WSM6顯式微物理方案;Kain-Fritsch對(duì)流參數(shù)化方案(3km區(qū)域無(wú)對(duì)流參數(shù)化方案);YSU邊界層方案;RRTM長(zhǎng)波輻射方案;Goddard短波輻射方案;輻射方案每15min計(jì)算一次;Noah LSM陸面模式.

圖6(a)～ (f)反映了北京及周邊地區(qū)10月16日地面風(fēng)場(chǎng)變化,通過(guò)數(shù)值模式的預(yù)報(bào)結(jié)果能夠看到近地層風(fēng)場(chǎng)精細(xì)特征,經(jīng)過(guò)綜合分析我們可以得到如下規(guī)律:

(1)京津冀地區(qū)夜間近地層受輻射冷卻效應(yīng)影響,冷空氣下泄,平原沿山地區(qū)夜間多為山風(fēng)控制,但風(fēng)速較小,在北京東北部的密云區(qū)、平谷區(qū)由于均三面環(huán)山,在其平原地區(qū)山風(fēng)對(duì)應(yīng)的冷空氣明顯下泄,山風(fēng)風(fēng)速較大,常形成異于北京平原地區(qū)的氣象條件.

(2)早晨日照輻射作用加強(qiáng)后,近地層熱條件轉(zhuǎn)好,谷風(fēng)率先出現(xiàn)山區(qū)(圖6b),北京平原地區(qū)風(fēng)場(chǎng)由山風(fēng)控制轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)固定的風(fēng)場(chǎng),京津冀沿山地區(qū)為風(fēng)速較小的弱谷風(fēng)控制,而此弱谷風(fēng)控制區(qū)的東側(cè)則為較明顯的偏南風(fēng)影響,自沿山地區(qū)向東偏南風(fēng)的分量逐漸增大,會(huì)促進(jìn)京津冀平原地區(qū)正渦度的形成,有利于沿山地區(qū)動(dòng)力輻合作用的增強(qiáng),這是京津冀沿山地區(qū)大氣熱力作用先變化,而后促使動(dòng)力條件發(fā)生改變,從而有利于沿山地區(qū)污染物積累的有力證據(jù).

(3)午后京津冀沿山地區(qū)受山地和平原上空空氣熱力梯度加強(qiáng)的影響,平原沿山地區(qū)的山風(fēng)明顯加強(qiáng)為較強(qiáng)的偏南風(fēng),在熱力和動(dòng)力條件雙重加強(qiáng)的條件下,平原沿山地區(qū)混合層高度也隨之升高(圖5),大氣對(duì)污染物的輸送作用加強(qiáng).

3.3 風(fēng)廓線數(shù)據(jù)資料

如圖 7(a)所示,0～2000m 高度上 16日10:00～20:00為一致的偏南風(fēng),高層風(fēng)速較大,低層風(fēng)速較小,大于 12m/s的低空急流在 16日04:00～10:00出現(xiàn)在 1000m 以上的高空,在10:00～11:00、13:00前后、16:00～17:00急流的強(qiáng)度減弱,急流在時(shí)間序列演變中發(fā)生了斷裂現(xiàn)象,這段時(shí)間也正是北京本地?zé)崃l件逐漸轉(zhuǎn)好的時(shí)段.16日00:00～06:00北京近地層為一致的上升氣流,高層為下沉氣流,而在 06:00-10:00熱力條件開(kāi)始轉(zhuǎn)好的時(shí)段,2000m以下的大氣出現(xiàn)了明顯的垂直上升和下沉的氣流,但在 10:00～17:00熱力條件繼續(xù)加強(qiáng)的階段,垂直氣流開(kāi)始向遠(yuǎn)離山地的一側(cè)傾斜,出現(xiàn)了垂直方向的斜升氣流,總體看來(lái)上升運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度在2000m內(nèi)最大可大于 0.75m/s,下沉運(yùn)動(dòng)則可大于 0.45m/s,上升運(yùn)動(dòng)主要為熱力強(qiáng)迫引起,而下沉運(yùn)動(dòng)更多為動(dòng)力強(qiáng)迫造成,所以其強(qiáng)度小于上升運(yùn)動(dòng),上升和下沉運(yùn)動(dòng)影響著北京地區(qū)污染物擴(kuò)散和輸送條件.

圖7 16日00:00～20:00的北京風(fēng)廓線Fig.7 Beijing wind profile from 00:00～20:00 on the 16th

4 大氣熱力過(guò)程影響

4.1 大氣所320m鐵塔數(shù)據(jù)分析

由圖8可見(jiàn),早晨08:00 250～320m高度間仍然存在逆溫,至10:00受熱力條件轉(zhuǎn)好影響,逆溫層頂向上抬升至320m以上的高度,320m以下仍存在較弱的逆溫,14:00～16:00期間北京上空320m內(nèi)逆溫基本消失,由圖4可見(jiàn)消光系數(shù)大值區(qū)出現(xiàn)也正好是320m內(nèi)逆溫逐漸減弱消失的時(shí)段.伴隨著午后熱力條件顯著轉(zhuǎn)好(圖 9c),相對(duì)濕度的降低(圖 9d),偏南風(fēng)明顯增大(圖 9a和 9b),高層的偏南風(fēng)在 13:00～14:00明顯增大,與消光系數(shù)(圖4)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,再次從風(fēng)場(chǎng)角度印證了偏南風(fēng)對(duì)污染物有明顯的輸送作用.

圖8 320m鐵塔16日溫度廓線Fig.8 320m tower temperature profile on the 16th

圖9 320m鐵塔16日11:00～20:00氣象條件變化過(guò)程Fig.9 320m tower meteorological conditions from 11:00to 20:00 on the 16th

4.2 垂直運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閮A斜運(yùn)動(dòng)的機(jī)制以及對(duì)污染物輸送和擴(kuò)散的影響

由圖10所示16日08:00北京上空有逆溫存在,平原上空等溫面呈準(zhǔn)東-西向分布,16日 10:00逆溫層頂抬高,逆溫的強(qiáng)度減弱,北京西部地區(qū)率先增溫,西部地區(qū)等溫面呈西北-東南向傾斜,這說(shuō)明山區(qū)在無(wú)明顯天氣系統(tǒng)影響時(shí),日出以后太陽(yáng)輻射加熱使山谷壁附近的空氣變暖,其變暖速度要快于相同海拔高度上平原地區(qū)上空的空氣,16日12:00和14:00北京上空的逆溫已經(jīng)消失,溫度場(chǎng)受西部、北部山區(qū)熱力加熱的作用變?yōu)橐恢碌奈鞅?東南向.結(jié)合圖10及圖11,當(dāng)北京上空存在逆溫期間(08:00～10:00)垂直方向的運(yùn)動(dòng)方向以上-下為主,當(dāng)逆溫消失期間(11:00～17:00),伴隨著等溫面由準(zhǔn)東西向轉(zhuǎn)變?yōu)槲鞅?東南向,垂直方向的運(yùn)動(dòng)向東傾斜.即垂直運(yùn)動(dòng)的方向總是傾向于盡可能與等溫面正交的方向,這種垂直運(yùn)動(dòng)的機(jī)制,保證了近地層被加熱的空氣以最大的效率穿過(guò)等溫面,在分析天氣尺度系統(tǒng)對(duì)擴(kuò)散條件影響時(shí),垂直運(yùn)動(dòng)影響比水平運(yùn)動(dòng)相對(duì)較弱,可以忽略不計(jì),但是在本研究中空間尺度相當(dāng)于中尺度運(yùn)動(dòng)的情況來(lái)說(shuō),垂直運(yùn)動(dòng)對(duì)擴(kuò)散條件的影響則更為重要.

圖10 BJ-RUC數(shù)值模式16日08:00～14:00溫度場(chǎng)Fig.10 Temperature field of BJ-ruc numerical simulation from 08:00to 14:00 on the 16th

在15日夜間至16日08:00北京處于穩(wěn)定層結(jié)的影響,由于多層逆溫(圖 10中 08:00)的存在且風(fēng)速較小,大氣對(duì)污染物的輸送較弱,隨著上文提到的等溫面向東側(cè)傾斜,以及垂直方向斜升氣流的出現(xiàn),水平方面上谷風(fēng)加強(qiáng).嚴(yán)格來(lái)講,該谷風(fēng)是中尺度系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的風(fēng),與天氣尺度高空槽前對(duì)應(yīng)的偏南風(fēng)疊加后,就是本研究在鐵塔和風(fēng)廓線數(shù)據(jù)所觀測(cè)的偏南風(fēng).由圖9及圖11中的V風(fēng)分量可見(jiàn),11:00～17:00 2000m 內(nèi)偏南風(fēng)增大,這也正是激光雷達(dá)顯示的高消光系數(shù)所出現(xiàn)的時(shí)間,伴隨著偏南風(fēng)的增大,垂直運(yùn)動(dòng)的振幅也隨之增大(圖 12),污染物由河北中南部輸送至北京地區(qū),水平方向出現(xiàn)消光系數(shù)大值區(qū),而且消光系數(shù)大梯度區(qū)向高空和近地層伸展,說(shuō)明這種垂直運(yùn)動(dòng)振幅隨著熱力條件逐漸增大,而且垂直方向傾斜運(yùn)動(dòng)的氣流會(huì)促進(jìn)來(lái)自水平方向高濃度氣團(tuán)向高空和近地層擴(kuò)散,近地層監(jiān)測(cè)站所觀測(cè)到的濃度也正是在這種極為復(fù)雜多尺度系統(tǒng)、多維度的運(yùn)動(dòng)的結(jié)果.

圖11 BJ-ruc數(shù)值模式15日20:00～16日20:00U風(fēng)(上)和V風(fēng)(下)Fig.11 Wind field of BJ-ruc numerical simulation from 20:00 on the 15th to 20:00 on the 16th

圖12 BJ-ruc數(shù)值模式16日垂直速度Fig.12 Vertical Speed of BJ-ruc on the 16th

圖 13為本個(gè)例中北京地區(qū)在無(wú)明顯天氣系統(tǒng)影響下垂直運(yùn)動(dòng)的概念模型,夜間北京大氣層結(jié)穩(wěn)定,有逆溫存在,早晨太陽(yáng)輻射加熱近地層及山區(qū),但熱力條件仍較弱,相同海拔高度下,山區(qū)表面空氣的加熱速度快于同海拔高度的平原地區(qū),上升運(yùn)動(dòng)首先在山區(qū)及沿山地區(qū)出現(xiàn),上升運(yùn)動(dòng)則會(huì)將近地層較為溫暖的空氣和污染物向高空輸送,直到遇到逆溫層,此時(shí)被地面帶入高空氣塊的溫度小于上層的逆溫層溫度,因此受到負(fù)浮力的作用,此氣塊向下運(yùn)動(dòng),被帶入高層的污染物則在逆溫層以下均勻混合,而此氣塊向下運(yùn)動(dòng)的同時(shí)也將溫度較高逆溫層中的暖空氣向下夾卷,逆溫層以下大氣受到地表加熱及高層夾卷共同作用,溫度上升,逆溫的強(qiáng)度隨之減弱,隨著太陽(yáng)輻射作用的加強(qiáng),北京地區(qū)由于地形的作用,等溫面準(zhǔn)東西向轉(zhuǎn)變?yōu)槲鞅?東南向,并且垂直氣流的振幅增大(圖 12),逆溫強(qiáng)度減弱,逆溫層以下大氣污染物混合更加充分和均勻,垂直方向氣流由上-下運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橄驏|側(cè)傾斜的斜升和斜降運(yùn)動(dòng),以使高低層大氣之間的熱交換效率達(dá)到最大.對(duì)于污染物的輸送,在夜間穩(wěn)定層結(jié)下,逆溫層以下水平風(fēng)速較小,對(duì)污染物的輸送能力較弱,即便逆溫層以上由于夜間地表對(duì)動(dòng)量消耗減少而形成的低空急流,其能否明顯將河北中南部沿山地區(qū)的污染物輸送至北京仍存在著極大的不確定性,以往鮮有研究,即便果真出現(xiàn)此夜間的低空急流對(duì)污染物的輸送,由于逆溫層的阻隔,逆溫層以上低空急流所帶來(lái)的污染物較難向底層輸送,但是早晨 08:00～10:00北京上空逆溫在減弱的同時(shí),逆溫層以下的偏南風(fēng)都在增大,逆溫的存在雖然會(huì)阻隔高低空污染物的混合和交換,但是依然不會(huì)明顯影響水平方向污染物的傳輸,這就是 16日白天無(wú)論逆溫強(qiáng)弱和有無(wú),近地面監(jiān)測(cè)站污染物濃度一直持續(xù)上升的原因,當(dāng)然這其中仍然存在熱力條件激發(fā)的振幅不斷放大的重力波在逆溫消失前后所進(jìn)行垂直方向大氣污染物濃度混合的作用.

此外還值注意的是,在等溫面由于山體加熱作用發(fā)生傾斜后,垂直方向氣流發(fā)生傾斜運(yùn)動(dòng),山體右側(cè)溫度梯度加大,水平方向南風(fēng)分量加大,總體的結(jié)果就是,在太行山沿山一帶排放源密、污染最為嚴(yán)重地區(qū)的近地層的高濃度氣團(tuán)被這種傾斜上升而且向北運(yùn)動(dòng)的力量驅(qū)使,流向北京.

圖14是Hooke[20]所提出的經(jīng)典的重力波能量和位相傳播的示意圖,t=t1時(shí)刻由于北京西部和北部山地受太陽(yáng)輻射熱力作用強(qiáng)迫,開(kāi)始激發(fā)重力波在波包中的波動(dòng)產(chǎn)生了切變,到達(dá)t2時(shí)刻(t2＞t1),波包背離原地向右上方移動(dòng).在 t3時(shí)刻(t3＞t2),波包繼續(xù)向右上方移動(dòng),波的能量繼續(xù)向這一方向傳播,而波的位相則向右下方傳播,在實(shí)際大氣中,重力波的位相和能量的傳播受諸多因素控制,如風(fēng)切變、溫度層結(jié)等因素,情況較為復(fù)雜.關(guān)于重力波的研究主要出現(xiàn)在對(duì)降水天氣的動(dòng)力學(xué)診斷和分析中,在大氣環(huán)境領(lǐng)域所引起的關(guān)注較少,可重力波又是對(duì)大氣污染物擴(kuò)散和傳輸具有重要影響的一類波動(dòng),應(yīng)當(dāng)引起重視.對(duì)于短周期波動(dòng)k12＜＜k22,k1為垂直方向的波數(shù),k2為水平方向的波數(shù),位相傳播接近于水平方向,量能傳播接近于垂直方向,若大氣不可壓,則質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)與波的移動(dòng)方向垂直,在本研究中由于地面可假設(shè)為剛體,所以波動(dòng)不可能向地下傳播,因此風(fēng)廓線觀測(cè)到的垂直方向的運(yùn)動(dòng)為上下或傾斜運(yùn)動(dòng),位相則為自西向東.

圖13 16日08:00～14:00北京地區(qū)邊界層垂直氣流結(jié)構(gòu)特征(+為上升運(yùn)動(dòng),-為下沉運(yùn)動(dòng))Fig.13 Boundary layer vertical airflow structure in Beijing Region (+: rising movement, -: sinking movement)

圖14 重力波能和位相的傳播Fig.14 Propagation of gravity wave energy and phase

5 不確定性討論

由于本研究主要研究區(qū)域?yàn)楸本┑貐^(qū),未詳細(xì)討論河北地區(qū)污染物的積累和傳輸,而北京地區(qū)污染物的外源性輸送主要來(lái)自于河北地區(qū),所以河北地區(qū)污染物如何從近地層被輸送至高空而向北京運(yùn)動(dòng)文中未詳細(xì)分析,對(duì)此展開(kāi)討論需要結(jié)合空氣質(zhì)量模式及多地的風(fēng)廓線、激光雷達(dá)等特種資料加以分析.

本研究雖討論了伴隨偏南風(fēng)增大,熱力擾動(dòng)所造成污染物垂直方向傳輸?shù)木唧w機(jī)制,但是其在垂直方向的傳輸數(shù)量仍然沒(méi)有量化的結(jié)果,這需要利用數(shù)值模式進(jìn)一步模擬驗(yàn)證.

目前對(duì)城市空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)主要集中于近地層,所監(jiān)測(cè)到的污染物濃度是水平和垂直傳輸?shù)墓餐Y(jié)果,針對(duì)這一方面開(kāi)展的詳細(xì)討論的研究成果極少,本研究也僅是利用各種常規(guī)和特種資料進(jìn)行了一次嘗試,仍然需要更多的資料和研究結(jié)果加以佐證.

6 結(jié)論

6.1 2015年10月13～17日北京地區(qū)出現(xiàn)了一次空氣重污染過(guò)程,重污染過(guò)程期間,北京地區(qū)白天熱力條件轉(zhuǎn)好后,逆溫減弱,垂直方向由上-下運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閮A斜運(yùn)動(dòng),同時(shí)偏南風(fēng)增大,污染物輸送增強(qiáng),造成這種動(dòng)力結(jié)構(gòu)的原因主要是熱力條件加強(qiáng)后等溫面由準(zhǔn)東-西向轉(zhuǎn)變?yōu)槲鞅?東南向,使氣流穿越等溫面對(duì)近地面熱量向上輸送效率最大造成的.

6.2 空氣重污染過(guò)程期間,由山地加熱激發(fā)的重力波振幅在白天增強(qiáng),造成高空輸送至北京的污染物在垂直方向出現(xiàn)向上和向下的傳輸, 16日白天地面 PM2.5濃度的快速升高,是在PM2.5存在一定垂直交換的情況下,近地面偏南風(fēng)輸送所形成的大氣污染物輸送和擴(kuò)散機(jī)制可以在一定程度上解釋區(qū)域重污染背景下,白天混合層高度升高,逆溫減弱而近地層 PM2.5濃度隨之升高的現(xiàn)象.

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致謝：本研究得到中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所鐵塔數(shù)據(jù)的支持,在此表示感謝！

Influence of Beijing atmospheric thermal and dynamics structure on pollutants transport and diffusion conditions.

SUN Zhao-bin1,2*, LI Zi-ming2, LIAO Xiao-nong2, TANG Yi-xi2, ZHAO Xiu-juan1(1.Institute of Urban Meteorology, Beijing, China Meteorological Administration, Beijing 100089, China；2.Environment Meteorology Forecast Center of Beijing-Tianjin-Hebei, China Meteorological Administration, Beijing 100089, China). China Environmental Science, 2017,37(5)：1693～1705

Based on the conventional meteorological data, PM2.5concentration, lidar data, tower data combined with wind profile data on 13～17 October 2015 in Beijing, Tianjin and Hebei, thermal and dynamic structure of heavy air pollution process have been researched. The results showed that the thermal conditions turn better during the day, vertical direction in the lower boundary layer changes from top-down motion into tilting motion, while southerly winds strengthened, pollution was transported enhanced, the main reasons for this spatial structure was that quasi east-west isotherm changed into the northwest-southeast direction after the thermal conditions strengthened and gravity wave caused by mountain heating excited amplitude increased during the day, resulted in air pollutants transmitted to Beijing at high-altitude appeared up and down transmission in the vertical direction, PM2.5concentration increased rapidly, there was vertical exchange under the condition of near ground southerly transports on November 16th, above transport and dispersion mechanism may explain the phenomenon, which mixing height increased with an increased PM2.5concentration in the daytime under the background of region heavy pollution.

thermal and dynamic structure；pollutant transport and dispersion；PM2.5；laser radar；gravity waves

X511

A

1000-6923(2017)05-1693-13

孫兆彬(1985-),男,黑龍江省黑河市人,碩士,工程師,主要從事空氣重污染形成機(jī)制和大氣污染對(duì)人體健康影響評(píng)估的研究.發(fā)表論文20余篇.

2016-10-06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41305130,41575010);國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014BAC23B03,2014BAC16B04);北京市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(8161004);北京市科技計(jì)劃課題(Z151100002115045)

* 責(zé)任作者, 工程師, szb850804@163.com