一次大氣污染物的大氣環(huán)流輸送規(guī)律分析與模擬

傅云燕 王金強(qiáng) 蔣翠花 袁志勇 王文清

摘要：以２００５年１月６日遼寧中部城市群出現(xiàn)的區(qū)域污染事件為例，利用ＮＣＥＰ／ＮＣＡＲ全球再分析資料對(duì)２００５年冬季影響我國(guó)北部的大尺度環(huán)流系統(tǒng)進(jìn)行了客觀分析，同時(shí)采用中尺度數(shù)值模式ＭＭ５對(duì)不同尺度大氣邊界層進(jìn)行數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明，此次污染過程中地形影響形成的氣流輸送匯是造成區(qū)域污染的關(guān)鍵原因，而較強(qiáng)的逆溫、逆濕等典型的穩(wěn)定邊界層的特征則加重了局地污染。

關(guān)鍵詞：大氣環(huán)流；冬季；污染物輸送；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：Ｘ５１；Ｐ４３４＋．５；Ｐ４３７文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ａ 文章編號(hào)：0439－８114（２０12）06－1119-04

Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ａ Ｃａｓｅ ｏｆ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｐｏｌｌｕｔａｎｔｓ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ

ＦＵ Ｙｕｎ－ｙａｎ１，２，ＷＡＮＧ Ｊｉｎ－ｑｉａｎｇ２，ＪＩＡＮＧ Ｃｕｉ－ｈｕａ２，ＹＵＡＮ Ｚｈｉ－ｙｏｎｇ２，ＷＡＮＧ Ｗｅｎ－ｑｉｎｇ２

（１． Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９３，Ｃｈｉｎａ；

２． Ｓｕｑｉａｎ Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ Ｂｕｒｅａｕ，Ｓｕｑｉａｎ ２２３８００，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｏ ｅｘｐｌｏｒｅ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｐｏｌｌｕｔａｎｔｓ ｉｎ Ｌｉａｏｎｉｎｇ， Ｃｈｉｎａ， ｉｎ Ｊａｎｕａｒｙ ６， ２００５， ｔｈｅ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ－ｓｃａｌｅ of North China in the winter of 2005 ｗａｓ ａｎａｌｙzed ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＮＣＥＰ／ＮＣＡＲ Ｒｅａｎａｌｙｓｉｓ Ｄａｔａ． Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ on ｔｈｅ dｉｆｆｅｒｅｎｔ－sｃａｌｅ ｏｆ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｌａｙｅｒ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ Ｍｅｓｏｓｃａｌｅ Ｍｏｄｅｌ ＭＭ５ ｗａｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗed ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｒｅａｓｏｎ ｏｆ ｔｈｉｓ ｒｅｇｉｏｎａｌ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｗａｓ ｔｈｅ ａｉｒｓｔｒｅａｍ ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｂｙ ｔｅｒｒａｉｎ， ａｎｄ ｔｈｅ ｔｙｐｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｌａｙｅｒ of ａ ｓｔｒｏｎｇ tｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ iｎｖｅｒｓｉｏｎ ａｎｄ iｎｖｅｒｓｅ hｕｍｉｄｉｔｙ ａｇｇｒａｖａｔｅｄ ｔｈｅ ｌｏｃａｌ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ； ｗｉｎｔｅｒ； ｐｏｌｌｕｔａｎｔ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ； ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

大氣環(huán)流是不同尺度天氣系統(tǒng)發(fā)生、發(fā)展和演變的背景條件［１］。位于對(duì)流層最底部的大氣邊界層受大尺度、中小尺度天氣系統(tǒng)以及局地系統(tǒng)的直接影響，生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生的污染物在大氣邊界層中排放和輸送，必然受到不同尺度大氣環(huán)流特征的影響。近年來，大氣污染物輸送過程受到國(guó)內(nèi)外科學(xué)工作者的廣泛關(guān)注。任陣海等［２］利用觀測(cè)數(shù)據(jù)研究了北京的一次重污染過程中不同尺度大氣系統(tǒng)對(duì)該過程邊界層的影響，分析了邊界層內(nèi)粒子濃度輸送的動(dòng)態(tài)變化，提出北京地區(qū)重污染的形成原因。江燕如等［３］用６年時(shí)間收集到的氣象資料進(jìn)行多層次的大氣污染物輸送場(chǎng)的研究，初步得到我國(guó)大氣污染物輸送場(chǎng)的時(shí)空分布特征。蔡旭暉等［４］采用拉格朗日隨機(jī)粒子擴(kuò)散模式模擬分析了珠江三角洲東部地區(qū)低層大氣流動(dòng)和氣載污染物的中尺度擴(kuò)散情況。吳澗等［５］運(yùn)用三維非靜力Ｅ－ε閉合模式模擬了山谷地形下的流場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)在近地面源條件下，穩(wěn)定層間如果出現(xiàn)小風(fēng)會(huì)造成一定范圍的嚴(yán)重污染。Ｔｅｒｍｏｎｉａ等［６］提出一個(gè)表征水平和垂直輸送距離的指數(shù)來預(yù)報(bào)不利于污染物擴(kuò)散時(shí)的氣象條件，研究表明在小風(fēng)和大氣輸送很弱的穩(wěn)定條件下，該指數(shù)可以準(zhǔn)確預(yù)報(bào)由持續(xù)熱源所造成的極端污染事件。Ｅｇａｎ等［７］利用一個(gè)水平對(duì)流擴(kuò)散的空氣污染物輸送模式，發(fā)現(xiàn)垂直風(fēng)與水平風(fēng)對(duì)污染物擴(kuò)散的共同作用要比單純的垂直擴(kuò)散大得多。

利用全球再分析資料對(duì)２００５年冬季影響我國(guó)北部的大尺度環(huán)流系統(tǒng)進(jìn)行客觀分析，再利用中尺度數(shù)值模式ＭＭ５對(duì)發(fā)生在遼寧的一次污染過程進(jìn)行大氣邊界層不同尺度的數(shù)值模擬研究，克服了再分析資料在時(shí)間、空間上精度較差的缺點(diǎn)，以期進(jìn)一步認(rèn)識(shí)遼寧地區(qū)污染物的大氣環(huán)流驅(qū)動(dòng)機(jī)制。

１資料及計(jì)算方案

２００５年１月６日，遼寧出現(xiàn)了一次比較嚴(yán)重的的污染過程，全省各城市污染物濃度都比較高，其中沈陽的ＳＯ２、ＮＯ２和ＰＭ１０日均濃度分別為０．２４、０．１０和０．３７ ｍｇ／ｍ３，ＳＯ２和ＰＭ１０指數(shù)分別為１１３和２３４，空氣質(zhì)量達(dá)到輕度污染級(jí)別。當(dāng)天遼寧地區(qū)受蒙古高壓控制，天氣晴朗，近地面氣壓梯度小，大氣層結(jié)穩(wěn)定。一股來自貝加爾湖的氣流在內(nèi)蒙古地區(qū)開始輻合并繼續(xù)向東南方向傳播，在遼寧邊界轉(zhuǎn)向東北方向，與同樣來自西北方向的氣流交匯形成一條較強(qiáng)的輻合帶，覆蓋遼寧大部分地區(qū)。為了解冬季污染的形成原因，首先利用每日１次、２．５°×２．５°的ＮＣＥＰ／ＮＣＡＲ全球再分析資料作為大尺度實(shí)況場(chǎng)，然后采用中尺度數(shù)值模式ＭＭ５反映遼寧區(qū)域氣象場(chǎng)分布，此次采用的是其最新的Ｖ ３．７；采用每日４次、１°×１°的ＮＣＥＰ／ＮＣＡＲ全球再分析資料作為模式初始場(chǎng)。區(qū)域中心點(diǎn)為４３°Ｎ、１２０°Ｅ，設(shè)置３重模擬區(qū)域，格距從外至內(nèi)分別為２７、９、３ ｋｍ（圖１）。各重模擬區(qū)域選取一致的參數(shù)化方案：Ｇｒｅｌｌ積云參數(shù)化方案、Ｍｉｘｅｄ－Ｐｈａｓｅ顯式降水方案、高分辨率的行星邊界層方案。以２００５年１月作為冬季試驗(yàn)月進(jìn)行大尺度環(huán)流的客觀分析，選擇發(fā)生在遼寧地區(qū)的典型污染個(gè)例進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

２我國(guó)北部冬季環(huán)流概況

由再分析資料得到２００５年１月影響我國(guó)北部的大氣環(huán)流形勢(shì)（圖２）。整個(gè)中國(guó)大陸冬季都在西風(fēng)環(huán)流控制之下，我國(guó)上空基本氣流是西北風(fēng)；地面上，蒙古的冷高壓強(qiáng)度達(dá)全年最高值，中心位于貝加爾湖以西３００ ｋｍ附近，高達(dá)１ ０３８ hＰａ。冷高壓的范圍覆蓋了整個(gè)東亞地區(qū)，相當(dāng)穩(wěn)定，觀察逐日?qǐng)霭l(fā)現(xiàn)，即使它在短時(shí)間內(nèi)受到破壞，也會(huì)迎來新一次的強(qiáng)冷高壓入侵。因此，這個(gè)季節(jié)里冷高壓的氣流（冬季風(fēng)）也十分穩(wěn)定，我國(guó)北部盛行西北－北氣流。另外，在東亞大槽東邊的阿留申群島有一個(gè)強(qiáng)大的低壓，其中心位于１７０°—１８０°Ｅ，４５°—５５°Ｎ，低壓值達(dá)９９５ hＰａ。由于能夠得到能量和渦度不斷地補(bǔ)充，這個(gè)大低壓在整個(gè)冬季基本維持穩(wěn)定不變，它與蒙古冷高壓共同影響著我國(guó)北部乃至整個(gè)亞洲的天氣形勢(shì)。

３模式檢驗(yàn)

選取最外重網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果，與再分析資料的８５０ hＰａ 1月份平均高度場(chǎng)的比較可以發(fā)現(xiàn)，由于地形的影響，模擬的等值線不平滑，且出現(xiàn)了若干個(gè)小的高、低值中心。總體來說，模擬得到的高度等值線的數(shù)值和分布與實(shí)況非常相近（圖３），模式模擬性能較好，具有一定的可信度。

４污染實(shí)例的模擬分析

下面結(jié)合污染實(shí)例，具體分析２００５年１月６日影響遼寧地區(qū)的環(huán)流形勢(shì)和天氣系統(tǒng)。

４．１大尺度環(huán)流特征

圖４ａ為外網(wǎng)格區(qū)域2005年１月６日０５∶００的地面流場(chǎng)，同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的海平面氣壓場(chǎng)分布（圖４ｂ）為西高東低，遼寧處于蒙古高壓前緣大范圍的均壓帶控制區(qū)域，等壓線稀疏，風(fēng)速較??；內(nèi)蒙古、河北境內(nèi)等壓線密集，氣壓較高。受高層西風(fēng)帶的影響，形成了輸入遼寧的西北氣流，而氣流在遼寧西北角轉(zhuǎn)向東北方向則是地形影響造成的。

４．２天氣尺度大氣輸送特征

遼寧省地勢(shì)從東北向西南傾斜，東、西兩側(cè)是丘陵，中部是長(zhǎng)方形遼河平原，呈馬蹄形向渤海傾斜。遼寧西北角地形平均高度超過６００ ｍ，與其相鄰的河北東部及內(nèi)蒙古東北部地勢(shì)高度為８００～１ ４００ ｍ，是典型的山地、丘陵地形（圖５ａ）。在這個(gè)過程中，由于夜間河北境內(nèi)的山坡輻射冷卻，其降溫速度比同高度的空氣要快，冷氣流沿地勢(shì)高的位置流向地勢(shì)較低的遼西山區(qū)，進(jìn)而繼續(xù)流向東部地勢(shì)更低的平原地區(qū)，這一現(xiàn)象正是由于熱力原因引起的山風(fēng)環(huán)流。來自西北方向的另一股氣流從遼寧正北方輸入，與前者匯聚成輻合帶，即輸送匯（圖４ａ）。輸送匯的形成常常伴隨有較低的大氣壓［２］，這在圖５ｂ中有所體現(xiàn)，圖中虛線所包括的范圍是１ ０２１ ｈＰａ的低壓帶，也正對(duì)應(yīng)著此次過程的輸送匯。

４．３局地性風(fēng)場(chǎng)特征及其對(duì)邊界層的影響

由最內(nèi)重網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果得到２００５－０１－０６T０５：００輸送匯中包含遼寧中部城市群在內(nèi)的一部分區(qū)域的風(fēng)場(chǎng)形勢(shì)（圖６）。由圖６可知，風(fēng)矢量在沈陽發(fā)生氣旋性切變，輸送到撫順并繼續(xù)向東北方向傳播，沈陽、撫順風(fēng)速不超過３ ｍ／ｓ。由于風(fēng)速較小，污染物不易疏散而產(chǎn)生堆積造成局地污染。此時(shí)大氣層結(jié)穩(wěn)定，邊界層中各種特征量都有典型的分布。沿４１．５°Ｎ作覆蓋遼寧中部城市群的垂直剖面，輸出同一時(shí)刻的物理量（圖７）。邊界層內(nèi)存在較強(qiáng)的逆溫和逆濕梯度，穩(wěn)定邊界層厚度可達(dá)到１ ０００ ｍ以上，２００ ｍ高度以內(nèi)幾個(gè)主要城市逆溫強(qiáng)度為１．２５ ℃／（１００ ｍ），逆濕強(qiáng)度達(dá)５×１０－３ｇ／（１０ｍ·ｋｇ）。而水平風(fēng)速隨高度分布最明顯的特征是邊界層頂附近出現(xiàn)風(fēng)速最大值（１５ ｍ／ｓ），即形成了低空急流。

５結(jié)論

結(jié)合客觀場(chǎng)分析資料研究發(fā)現(xiàn)，冬季蒙古冷高壓和阿留申低壓共同影響著我國(guó)北部乃至整個(gè)亞洲的天氣形勢(shì)，強(qiáng)度很大而且相當(dāng)穩(wěn)定，形成穩(wěn)定的冬季風(fēng)，我國(guó)北部盛行西北－北氣流。由于再分析資料時(shí)間、空間上的精度都比較差，因此利用中尺度數(shù)值模式ＭＭ５對(duì)不同尺度大氣邊界層進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果顯示，ＭＭ５模式能夠較好地再現(xiàn)冬季的氣象場(chǎng)形勢(shì)，模擬結(jié)果具有一定的說服力。實(shí)例分析發(fā)現(xiàn)，地形影響造成的氣流輸送匯是造成遼寧重污染過程的主要原因。遼寧中部城市群出現(xiàn)了較強(qiáng)的逆溫、逆濕等典型的穩(wěn)定邊界層的特征，邊界層頂附近出現(xiàn)了低空急流。

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