黃山地區(qū)復雜地形下污染氣體輸送過程的數(shù)值模擬

金祺，銀燕，譚穩(wěn)

(南京信息工程大學中國氣象局大氣物理與大氣環(huán)境重點開放實驗室，江蘇南京210044)

黃山地區(qū)復雜地形下污染氣體輸送過程的數(shù)值模擬

金祺，銀燕，譚穩(wěn)

(南京信息工程大學中國氣象局大氣物理與大氣環(huán)境重點開放實驗室，江蘇南京210044)

使用新一代大氣化學傳輸模式WRF-Chem，模擬了黃山地區(qū)2008年4月26日和5月2日不同天氣背景下污染氣體的輸送過程。結(jié)果表明:晴天條件下，污染氣體的垂直輸送主要是通過山谷風環(huán)流，將山底污染物垂直向山頂輸送，黃山周邊地區(qū)輸送對光明頂污染物體積分數(shù)影響較小，氣溶膠粒子的主要來源是新粒子生成;云霧天氣下，污染物的垂直輸送主要是通過邊界層內(nèi)的湍流擴散，夜間近距離輸送對光明頂污染物體積分數(shù)貢獻較大，氣溶膠粒子的主要來源是地面輸送。

復雜地形;污染氣體;輸送過程;數(shù)值模擬

0 引言

人為大氣污染影響人體健康乃至全球氣候，已成為全社會關(guān)注的熱點。高體積分數(shù)的污染氣體主要歸因于局地排放，同時也會受到周邊地區(qū)或者遠距離輸送的影響。通常在高壓控制和大氣層結(jié)較穩(wěn)定條件下污染物不易擴散，局地排放對污染物的累積貢獻較大(Donnell et al.，2001)。局地排放的污染氣體通常會受邊界層的抑制不易進入自由大氣，因此需要較強的對流過程將污染氣體垂直輸送到邊界層以上。一般而言，污染氣體的垂直輸送有三種機制:深對流輸送(Dickerson et al.，1987;Pickering and Dickerson，1989)、鋒面輸送(Donnell et al.，2001)、山谷風輸送(Rong and Turco，1995;Chen etal.，2009)。污染氣體進入自由大氣后，停留時間更長，可以進行近距離或者遠距離輸送。若有大尺度的天氣過程，如鋒面系統(tǒng)(Mari et al.，2004)或大范圍的氣旋、反氣旋系統(tǒng)(Kiley et al.，2003)等，可對污染氣體進行遠距離輸送。

國內(nèi)在蘭州地區(qū)進行大量復雜地形下污染物傳輸?shù)难芯?姜金華和彭新東，2002;安興琴等，2005a，2005b;鄭飛等，2007)，取得了一些成果。但是這些研究很少對復雜地形下污染物輸送機制進行深入探討，也沒有考慮不同的天氣形勢對污染物輸送的影響，而且上述研究主要集中在西北地區(qū)，缺少對我國東部地區(qū)復雜地形下污染物輸送特征的研究。本文將使用中尺度大氣化學傳輸模式WRF-Chem模擬復雜地形下的污染物輸送過程，對研究局地污染物如何影響全球污染物分布有重要意義。

黃山是我國的著名風景區(qū)之一，位于安徽省南部(30°18'E，118°14'N)。2008年4—7月，在黃山光明頂(海拔約1 840 m)開展了對大氣氣溶膠和云/霧微觀特性的連續(xù)觀測試驗。林振毅(2010)發(fā)現(xiàn)，4月24—28日的晴天時段和4月29日—5月4日的云霧天時段氣溶膠呈現(xiàn)出兩種不同的日變化特征，即晴天時段氣溶膠數(shù)濃度從早上開始升高，中午達到峰值，之后迅速回落，并且數(shù)濃度的升高主要因細粒子增加所致，而云霧天時段氣溶膠粒子在00時到12時數(shù)濃度較低，12時到24時表現(xiàn)出波動狀態(tài)，總體數(shù)濃度低于晴天條件下的數(shù)濃度。本文試圖通過對黃山地區(qū)污染物輸送的模擬來解釋上述變化規(guī)律的可能機理。

1 模式介紹和模擬方案設(shè)計

1.1 模式介紹

WRF/Chem模式是美國最新發(fā)展的區(qū)域大氣動力—化學耦合模式。該模式除了可以計算各種動力參數(shù)和微物理變量(如:風、溫度、邊界層、云雨過程等)外，在其化學部分還包括了完整的傳輸(平流、對流和擴散)、干沉降、輻射、氣相化學和光化學等過程。模式最大的優(yōu)點是氣象模塊與化學傳輸模塊在時間和空間分辨率上完全耦合，實現(xiàn)了真正的在線傳輸(Grell et al.，2005)。

1.2 模擬方案設(shè)計

本文選取2008年4月26日和5月2日兩個個例分別代表晴天和云霧天兩種不同天氣過程。模擬時間分別為4月25日14時(北京時)至27日02時、5月1日14時至3日02時，目的在于比較兩種天氣背景下污染氣體輸送過程的差異及機理。模式版本為3.1.1。模式的初始氣象場和邊界場資料由NCEP 1°×1°再分析資料提供。模擬采用二重嵌套，模擬區(qū)域中心位于118.14°E、30.18°N(圖1)，外層和內(nèi)層嵌套網(wǎng)格數(shù)分別為120×100、69×69，對應的網(wǎng)格分辨率分別為3 km和1 km，時間步長為18 s。垂直方向采用地形跟隨δ坐標系，分為40層。模式層頂氣壓為50 hPa。各參數(shù)化方案的選擇為:Lin微物理方案、RRTM長波輻射方案、Dudhia短波輻射參數(shù)化方案、Monin-Obukhov近地面層參數(shù)化方案、MYJ邊界層參數(shù)化方案、Kain-Fritsch積云參數(shù)化方案。

圖1 模擬區(qū)域(陰影為地形高度，單位:m;虛線框表示排放源釋放區(qū)域)a.外層嵌套;b.內(nèi)層嵌套Fig.1 Simulation region(the shading represents the height of terrain with the unit of m，and the dash line frame does the sources region of the pollutants)a.the outer layer of nested;b.the inner layer of nested

本文使用理想的排放源，排放源的設(shè)計參考了Chen et al.(2009)。本研究的主要目的是考察污染氣體輸送對黃山光明頂大氣成分的影響，因此在光明頂?shù)纳巷L方向設(shè)置排放源?？紤]到模擬期間黃山地區(qū)主要以東南風為主(圖2)，排放源設(shè)置在光明頂東南方向，面積為27 km×27 km，排放高度在地面附近，代表近距離源;從模式內(nèi)層區(qū)域可以看到，在光明頂一定距離范圍內(nèi)有城鎮(zhèn)存在，人為活動排放的大量污染物在適當環(huán)流條件下有可能傳輸?shù)焦饷黜?，因此圍繞黃山光明頂附近加入了一個環(huán)山的排放源，代表局地源(圖1中虛線框)。使用NO為示蹤氣體。排放源排放強度為100 mol/(km2·h)。在模擬中關(guān)閉了氣相化學、氣溶膠化學、光化學過程以及干沉降和濕沉降，以突出氣體傳輸過程。

2 天氣形勢分析

圖2為950 hPa風場和位勢高度場。4月26日08時，東北低渦位于朝鮮半島，華北地區(qū)有一弱低壓，我國中、東部地區(qū)受一弱高壓控制，水平風速較小，天氣以晴天為主，有利于山谷風的形成。5月2日08時，東北低渦移至我國內(nèi)蒙古一帶，華北、東北地區(qū)受低壓控制，華東地區(qū)位于高壓西部，受東南氣流影響，東南氣流將沿海濕潤的空氣帶到黃山地區(qū)，受地形抬升影響形成地形云，導致黃山地區(qū)為云霧天氣。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 風場模擬結(jié)果分析

由于內(nèi)層嵌套只有光明頂站有較為完整的氣象觀測資料，因此風場的比較選取了光明頂站。圖3為模擬和觀測的風速風向。4月26日，模擬的風速和風向與實況相比都較為一致。風速在0～12 m/s之間變化，白天風向為偏西風，20時之后轉(zhuǎn)為偏南風。5月2日，模擬的風速和風向與觀測值也有相似的趨勢，但在數(shù)值上有一定差異，可能與初始場的分辨率不夠精細有關(guān)(Chen et al.，2008)。

3.2 近距離輸送對光明頂污染物的影響

4月26日，日間由于局地小尺度湍流較強，大尺度風場作用不明顯，污染氣體只在排放源附近有一定擴散。隨著夜間地面東南氣流的逐漸加強，污染氣體開始向光明頂方向傳輸，并在27日00時左右到達黃山，由于夜間邊界層的抑制并且水平風較弱，污染氣體不能沿山坡輸送到光明頂(圖4b)。5月2日，日間由于同樣的原因污染氣體只在排放源附近有一定擴散。夜間污染氣體在較強的東南氣流作用下，20時左右已到達黃山，并且較強的水平風遇山體阻擋開始爬坡，攜帶污染氣體向上輸送，將部分污染氣體輸送到光明頂(圖4d)。

圖5是污染物的垂直剖面?？梢钥吹剑?月26日污染物只能輸送到光明頂附近，對光明頂污染物體積分數(shù)的影響較小;5月2日部分污染物能夠被輸送到光明頂。

3.3 局地排放對光明頂污染的影響

圖2 950hPa風場(m/s)和位勢高度場(gpm)a.4月26日08時;b.5月2日08時Fig.2 The 950 hPa wind(m/s)and geopotential height(gpm)fields at(a)08:00 BST 26 April and(b)08:00 BST 2 May

圖3 模擬和觀測的光明頂風速、風向a.4月26日風速;b.4月26日風向;c.5月2日風速;d.5月2日風向Fig.3 Simulated and observed wind speed and wind direction at Guangmingdinga.wind speed on 26 A-pril;b.wind direction on 26 April;c.wind speed on 2 May;d.wind direction on 2 May

圖4 模式第3層污染物體積分數(shù)分布(10－6)和風場(m/s)(等值線表示地形高度，陰影表示NO體積分數(shù)，紅點表示光明頂)a.4月26日20時;b.4月27日00時;c.5月2日20時;d.5月3日00時Fig.4 Volume fraction of pollutants(10－6)and wind field(m/s)at the third layer of the model(the isoline stands for the height of terrain，the shading is the volume fraction of NO，and the red dot represents the Guangmingding)a.20:00 BST 26 April;b.00:00 BST 27 April;c.20:00 BST 2 May;d.00:00 BST 3 May

局地排放可以通過山谷風或者邊界層高度的日變化對污染物體積分數(shù)分布產(chǎn)生影響(Tie et al.，2007)。為研究局地排放源對光明頂空氣質(zhì)量的影響，在黃山光明頂附近加入了一個環(huán)山排放源。4月26日02時(圖6a)，光明頂附近氣流向外輻散，表現(xiàn)出明顯的山風。下山氣流將山頂?shù)奈廴疚镙斔偷缴较?，導致山頂污染物出現(xiàn)低值。由于夜間邊界層降低，污染物被限制在地面附近，無法向上傳輸，且在地形作用下污染物在山谷地區(qū)不斷積聚。08時，由于污染物的持續(xù)排放，且邊界層高度還未升高，地面污染物體積分數(shù)達到當日的最高值。白天，由于地面受熱不均產(chǎn)生谷風。圖6c表明，12時，光明頂附近氣流向山頂輻合，將地面的污染物帶向山頂，導致山頂污染物體積分數(shù)升高。

5月2日，光明頂附近受偏南氣流控制(圖6d)，地面附近污染氣體隨氣流向北擴散。氣流在經(jīng)過黃山附近產(chǎn)生繞山氣流，山體南側(cè)的污染氣體被輸送到山體北側(cè)，導致5月2日08時光明頂北側(cè)山谷處污染物體積分數(shù)高于4月26日08時的污染物體積分數(shù)。12時，地面的南風氣流繼續(xù)繞山并在山體北側(cè)匯合。圖6f表明，氣流在山體北側(cè)匯合，產(chǎn)生了一股上山氣流，將少量污染氣體輸送到光明頂附近。

圖7是沿圖1中CD線的風場和溫度場的垂直剖面?？梢姡?月26日，山坡附近的溫度明顯高于遠離山坡一側(cè)的溫度，受熱不均形成谷風環(huán)流;5月2日，山坡和山谷區(qū)域沒有明顯的熱力差異，導致谷風不明顯。

圖8是沿圖1中CD線的污染物體積分數(shù)和風場的垂直剖面。4月26日02時，光明頂南北兩側(cè)都有明顯的山風。光明頂南側(cè)，由于低層的偏南氣流和下山氣流匯合形成一個弱的輻合，并產(chǎn)生弱上升氣流，污染氣體被抬升到900 m高度。光明頂北側(cè)，離山較遠的一邊對應于山體附近的下沉氣流產(chǎn)生一股上升補償氣流，從而形成一個典型的夜間山風環(huán)流。14時谷風最為強盛，邊界層高度在1 000 m左右(圖9)，可以看到污染物在谷風的作用下被輸送到邊界層以上，并且在高層北風和谷風環(huán)流的共同作用下，污染物向南擴散，在邊界層以上形成了一個污染層。光明頂北側(cè)雖然形成了下沉補償氣流并有一個小的環(huán)流結(jié)構(gòu)，但由于高層較強的北風導致污染物無法向北回流形成抬升的污染層。18時，谷風基本消散，山體南側(cè)抬升污染層內(nèi)的污染氣體在高層北風的作用下繼續(xù)向南輸送。山體北側(cè)的污染氣體在一股偏南氣流的作用下向北有一定的擴散，在邊界層頂形成了一個稀薄的污染帶。由于地面的污染氣體已經(jīng)不再向上輸送，18時之后邊界層以上的污染氣體開始消散，部分污染氣體在山風的作用下又被輸送到地面。20時左右污染氣體又積聚在地面附近，重復前一天晚上的過程。

圖5 污染物體積分數(shù)(等值線)和風場(箭矢)的垂直剖(沿圖1中AB線)a.4月26日20時;b.4月27日00時;c.5月2日20時;d.5月3日00時Fig.5 Vertical cross-sections of pollutant volume fraction(isoline)and wind field(arrow)along the AB in Fig.1 a.02:00 BST 26 April;b.00:00 BST 27 April;c.20:00 BST 2 May;d.02:00 BST 2 May

5月2日，黃山地區(qū)為云霧天氣。由于山谷風的作用不明顯，邊界層的日變化對污染物的垂直輸送起主要作用。圖9為邊界層高度的日變化。可見，白天邊界層高度高于夜間，晴天和云霧天邊界層高度差別不大，云霧天邊界層高度略高。02時，光明頂附近邊界層高度在地面以上300 m左右，污染氣體受邊界層阻擋積聚在地面附近(圖8d)。08時，邊界層開始抬升，污染氣體通過湍流向上輸送到邊界層頂，但只有少量能突破邊界層頂進入自由大氣(圖8e)。18時之后污染物隨著邊界層的下降回到地面附近，重復前一天晚上的過程。

圖6 地面污染物體積分數(shù)分布(10－6)和風場(m/s)(等值線表示地形高度，陰影表示NO體積分數(shù)，紅點表示光明頂)a.4月26日02時;b.4月26日08時;c.4月26日12時;d.5月2日02時;e.5月2日08時;f.5月2日12時Fig.6 Volume fraction of pollutants(10－6)and wind field(m/s)on the ground(the isoline stands for the height of terrain，the shading is the volume fraction of NO，and the red dot represents the Guangmingding)a.02:00 BST 26 April;b.08:00 BST 26 April;c.12:00 BST 26 April;d.02:00 BST 2 May;e.08:00 BST 2 May;f.12:00 BST 2 May

圖7 風場(箭矢)和溫度(等值線)的垂直剖面(沿圖1中CD線)a.4月26日14時;b.5月2日14時Fig.7 Vertical cross-sections of wind filed(arrow)and temperature field(isoline)along the CD in Fig.1 a.14:00 BST 26 April;b.14:00 BST 2 May

圖8 污染物體積分數(shù)(等值線)和風場(箭矢)的垂直剖面(沿圖1中CD線)a.4月26日02時;b.4月26日14時;c.4月26日18時;d.5月2日02時;e.5月2日14時;f.5月2日18時Fig.8 Vertical cross-sections of pollutant volume fraction(isoline)and wind field(arrow)along the CD in Fig.1 a.02:00 BST 26 April;b.14:00 BST 26 April;c.18:00 BST 26 April;d.02:00 BST 2 May;e.14:00 BST 2 May;f.18:00 BST 2 May

圖9 模擬的內(nèi)層嵌套格點平均的邊界層高度(單位:m)Fig.9 Simulated average height of boundary layer in the inner nest(units:m)

4 分析與討論

圖10是模擬的光明頂污染物體積分數(shù)日變化和觀測的氣溶膠數(shù)濃度日變化。4月26日08時，通過山谷風的垂直輸送，光明頂由局地排放產(chǎn)生的污染物體積分數(shù)從08時開始升高，11時左右達到第一個峰值，之后污染物體積分數(shù)迅速回落，17時達到谷值，18時左右達到第二個峰值。氣溶膠數(shù)濃度同樣從08時開始升高，13時達到第一個峰值，之后氣溶膠數(shù)濃度下降，18時達到谷值，19時左右達到第二個峰值。4月26日近距離排放對光明頂污染物的貢獻可以忽略不計。

圖10 光明頂?shù)哪M污染物體積分數(shù)和觀測氣溶膠數(shù)濃度的日變化a.4月26日;b.5月2日Fig.10 Diurnal variations of simulated pollutant volume fraction and observed aerosol number concentration at Guangmingding on(a)26 April，and(b)2 May

氣溶膠數(shù)濃度峰值和模擬的NO體積分數(shù)峰值并不在同一時間，說明山頂?shù)臍馊苣z并不是由局地源直接輸送產(chǎn)生。NO體積分數(shù)日變化推遲2 h與氣溶膠數(shù)濃度日變化的相關(guān)系數(shù)為0.6(圖10)，二者相關(guān)性較好，說明山谷風輸送為山頂提供了大量的氣體前體物，在充足的光照條件下，污染氣體氣粒轉(zhuǎn)化形成了大量的新粒子。NO體積分數(shù)和氣溶膠數(shù)濃度在傍晚出現(xiàn)的峰值可能與邊界層的變化有關(guān)。由于本次外場試驗并未進行有關(guān)邊界層的觀測，該觀點無法得到證實。

5月2日，光明頂由局地排放產(chǎn)生的污染物體積分數(shù)從08時開始升高，14時達到峰值，之后一直下降，直到當天結(jié)束。日間，光明頂由近距離源產(chǎn)生的污染物體積分數(shù)較低，20時之后開始升高。說明在排放源強度相同的情況下，日間局地排放是光明頂污染物的主要來源，夜間近距離輸送是光明頂污染物的主要來源。氣溶膠數(shù)濃度從12時開始增加，之后呈波動上升狀態(tài)，一直持續(xù)到當天結(jié)束。中午局地源在光明頂產(chǎn)生的NO體積分數(shù)出現(xiàn)峰值，但是光明頂氣溶膠數(shù)濃度沒有明顯的增加，原因是云霧天光照條件不足，雖然有新粒子生成的前體物，但不易生成新粒子。黃山本地的氣溶膠數(shù)濃度較低，雖然有垂直輸送，但不能引起光明頂氣溶膠數(shù)濃度的升高。夜間近距離源導致光明頂NO體積分數(shù)升高，說明風場可以將黃山東南方向污染物輸送到光明頂。黃山周邊地區(qū)氣溶膠數(shù)濃度較高，在合適的風場條件下被輸送到光明頂，導致光明頂氣溶膠數(shù)濃度升高。

比較兩日的局地源在山頂產(chǎn)生的污染物體積分數(shù)可知，4月26日污染氣體體積分數(shù)從08時開始升高，11時達到峰值，峰值體積分數(shù)為11.04×10－6，污染物體積分數(shù)增長速度為3.59×10－6/h;5月2日同樣從08時開始升高，14時才達到峰值，峰值體積分數(shù)為5.89×10－6，污染物體積分數(shù)增長速度為0.95×10－6/h。晴天條件下污染物體積分數(shù)峰值及污染物體積分數(shù)增長速度都大于云霧天，原因是4月26日通過山谷風的垂直輸送，污染物輸送更快，輸送量更大，而5月2日通過邊界層內(nèi)的湍流擴散輸送，輸送較慢，輸送量也較小。

5 小結(jié)

使用新一代大氣化學傳輸模式WRF-Chem模擬了晴天和云霧天氣下污染氣體在黃山地區(qū)的輸送過程。模式模擬的晴天風場和觀測結(jié)果較為一致，但云霧天氣下模擬結(jié)果與觀測值有一定差異，可能與初始場的分辨率不夠精細有關(guān)。

晴天條件下，污染物能通過谷風輸送到邊界層以上，形成抬升的污染層;夜晚，部分污染物會被山風輸送回地面附近，在邊界層的作用下于地面附近積聚，在山谷處達到最高值。云霧天山谷風的作用不明顯，邊界層高度的日變化對污染物的垂直輸送高度起主要作用，夜晚邊界層下降，污染物的高值在地面附近，白天隨著邊界層的升高，污染氣體通過湍流擴散向上傳輸，地面污染物體積分數(shù)降低。

晴天條件下局地輸送是光明頂污染物的主要來源，近距離輸送可以忽略不計。云霧天氣下，日間邊界層的抬升能為光明頂輸送一定量的氣體污染物，但由于缺少光照，不易形成氣溶膠粒子，夜間近距離輸送對光明頂污染物體積分數(shù)貢獻較大。晴天光明頂污染物體積分數(shù)峰值高于云霧天，主要是因為山谷風的輸送強度大于湍流擴散的輸送強度。晴天條件下氣溶膠粒子的主要來源是新粒子生成，云霧天氣溶膠粒子的主要來源是地面輸送。

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Numerical simulation of transport process of pollution gases over the complex terrain of Mountain Huang region

JIN Qi，YIN Yan，TAN Wen

(Key Laboratory for Atmospheric Physics and Environment of China Meteorological Administration，NUIST，Nanjing 210044，China)

The transport process of pollution gases under different weather situation are simulated at Mountain Huang on 26 April and 2 May 2008 by using a new generation atmospheric chemistry transfer model WRF-Chem.Results show that，in sunny conditions，the pollution gases are transported vertically from downhill to uphill by mountain-valley breeze circulation，the transport of pollutants in the surrounding areas has less effect on the volume fraction of pollutants at Guangmingding，and new particle formation is the main source of atmospheric aerosols.However，in cloudy conditions，the pollution gases are transported vertically to the uphill by turbulent diffusion in boundary layer，the short range transport has much effect on the volume fraction of pollutants at Guangmingding in the nighttime，and the aerosol particles mainly come from the ground transport.

complex terrain;pollution gases;transport process;numerical simulation

P401

A

1674-7097(2012)06-0680-09

2012-03-12;改回日期:2012-05-10

國家自然科學基金資助項目(41030962);江蘇省“333人才工程”項目

金祺(1987—)，男，安徽安慶人，碩士，研究方向為大氣氣溶膠、云降水，sur123456@163.com;銀燕(通信作者)，教授，博士生導師，研究方向為云、降水、大氣氣溶膠，yinyan@nuist.edu.cn.

金祺，銀燕，譚穩(wěn).2012.黃山地區(qū)復雜地形下污染氣體輸送過程的數(shù)值模擬［J］.大氣科學學報，35(6):680-688.

Jin Qi，Yin Yan，Tan Wen.2012.Numerical simulation of transport process of pollution gases over the complex terrain of Mountain Huang region［J］.Trans Atmos Sci，35(6):680-688.(in Chinese)

(責任編輯:倪東鴻)