基于WRF模式的成都地區(qū)邊界層污染氣象特征研究

劉培川，羅 彬，張 巍，廖乾邑，曹 攀

(四川省環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，成都 610041)

1 前 言

目前，我國(guó)正處于經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展、城市化建設(shè)不斷加快的階段，隨之帶來(lái)的大氣污染對(duì)人們的正常生活已造成嚴(yán)重影響，引起人們的廣泛關(guān)注[1～4]。大量研究表明，大氣中的污染物濃度除了與污染源的排放量有關(guān)，還與其擴(kuò)散的快慢有關(guān)，這主要由邊界層內(nèi)的多種氣象條件決定，例如風(fēng)速、溫度、穩(wěn)定度、混合層高度等[5～7]。邊界層的污染氣象特征研究有利于了解污染物的擴(kuò)散規(guī)律，對(duì)大氣環(huán)境的治理具有重要意義。

近年來(lái)，我國(guó)學(xué)者先后對(duì)邊界層污染氣象特征進(jìn)行了大量研究。徐敏等[8]利用RBLM模式(區(qū)域邊界層模式，即Regional Boundary Layer Model)模擬北京地區(qū)的氣象環(huán)境，其模擬結(jié)果表明北京氣象環(huán)境很復(fù)雜，受晝夜循環(huán)的山谷風(fēng)氣流、城市熱島環(huán)流以及大尺度系統(tǒng)影響較大，各季節(jié)近地面風(fēng)速變化十分顯著。劉寧微等[9]通過(guò)第五代中尺度模式對(duì)遼寧中部城市群邊界層氣象場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，逆溫主要出現(xiàn)在冬季，同時(shí)流場(chǎng)的分布造成冬季污染物的滯留在近地層。段獻(xiàn)忠等[10]、黃義等[11]通過(guò)第五代中尺度模式對(duì)珠江三角洲城市群區(qū)域性重污染天氣過(guò)程氣象特征的模擬，討論了該地區(qū)的環(huán)流、風(fēng)、逆溫以及混合層厚度特征。王麗霞等[12]討論了WRF模式(天氣預(yù)報(bào)模式，即The Weather Research and Forecasting Model)中MYJ、YSU和ACM2三種不同的邊界層參數(shù)化方案對(duì)蘭州冬季邊界層高度的影響。已有的研究大多是單一的邊界層模擬，而關(guān)于污染天氣和清潔天氣邊界層的污染氣象特征模擬和系統(tǒng)分析較少。

成都市位于四川盆地西部，是“首批國(guó)家歷史文化名城”和“中國(guó)最佳旅游城市”，對(duì)該區(qū)域空氣污染的相關(guān)研究具有重要意義。WRF3.5.1模式是完全可壓縮，非靜力平衡的中尺度模式，修復(fù)并完善了舊版本，具有可移植性、高分辨率等優(yōu)點(diǎn)。因此，選取典型的2013年空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，利用WRF3.5.1模式分別從風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)、溫度場(chǎng)結(jié)構(gòu)、邊界層高度幾個(gè)方面對(duì)成都地區(qū)邊界層的污染氣象特征進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

2 資料處理

2.1 空氣質(zhì)量指數(shù)——AQI

AQI(空氣質(zhì)量指數(shù)，即Air Quality Index)是由美國(guó)環(huán)保署開(kāi)發(fā)的一種及時(shí)的、移動(dòng)的方法，它可為人們提供當(dāng)?shù)氐目諝赓|(zhì)量信息以及揭示其是否會(huì)對(duì)人們健康造成影響[13]。AQI資料來(lái)源于四川省環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，包括2013年1月、4月、7月、10月(分別代表冬季、春季、夏季和秋季)逐日的AQI指數(shù)資料。根據(jù)AQI值的大小將空氣質(zhì)量分為6個(gè)等級(jí)：≤50、51～100、101～150、151～200、201～300、>300，依次代表優(yōu)、良、輕度污染、中度污染、重度污染和嚴(yán)重污染，對(duì)成都地區(qū)的空氣質(zhì)量狀況進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

2.2 探空資料

選取成都市溫江站2013年1月和7月逐日兩次的Micaps溫度探空資料(觀測(cè)時(shí)間分別為北京時(shí)間08∶00、20∶00)以及2013年1月和7月逐時(shí)的地面溫度資料，以便與模式模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

2.3 模式初始資料和邊界條件

模式初始資料來(lái)自NCEP(美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心，即National Centers for Environmental Prediction)提供的每日6h一次的FNL再分析資料(全球分析資料，即Final Operational Global Analysis)，水平分辨率為1°×1°，邊界條件采用的是美國(guó)地理調(diào)查局(USGS)的地形高度資料。

2.4 模式區(qū)域及參數(shù)化方案設(shè)計(jì)

模式模擬區(qū)域的中心為(103°50′E，30°42′N)，格距為9km × 3km。模式采用雙重嵌套，第一重模擬范圍為：97.04E～110.70E，26.05N～35.32N，格點(diǎn)數(shù)為150×120；第二重模擬范圍為：102.07 E～106.02 E，29.29N～31.95N，格點(diǎn)數(shù)為136×106。大氣頂層氣壓為50hPa，垂直方向?qū)ⅵ且陨厦堋惺琛旅艿姆绞焦卜譃?0層(其中為了能夠更好地反映邊界層內(nèi)的污染氣象特征，邊界層內(nèi)設(shè)置了15層)：

1.000，0.994，0.987，0.979，0.97，0.96， 0.949，0.937，0.924，0.909，0.892， 0.873，0.851，0.826，0.798，0.768，0.736，0.702，0.666，0.629，0.591 5，0.553 6，0.515 3，0.477 3，0.44，0.404，0.369 5，0.337 5，0.308 5，0.284 5，0.264 5，0.246 5，0.230 5，0.216 5，0.203 5，0.191 5，0.179 2，0.166 7，0.153 9，0.140 7，0.127 2，0.113 4，0.099 5，0.085 5，0.071 3，0.057 1，0.042 9，0.028 7，0.014 5，0.00 0。

由于第二重格距小于5km，故第二重?zé)o積云化參數(shù)方案，其主要的物理參數(shù)化方案[14-15]見(jiàn)表1。

表1 WRF模式的主要參數(shù)化方案Tab.1 The main parameterization scheme of WRF model

3 結(jié)果分析

3.1 空氣質(zhì)量狀況分析

由表2可知，成都地區(qū)冬季空氣質(zhì)量最差，春季和秋季居中，夏季空氣質(zhì)量最好。春季成都地區(qū)的空氣質(zhì)量等級(jí)以輕度污染為主，比例為50.0%，優(yōu)和良共占23.3%，中度污染占13.4%，重度污染和嚴(yán)重污染共占13.3%。夏季成都地區(qū)的空氣質(zhì)量較好，空氣質(zhì)量等級(jí)以良為主，優(yōu)和良共占54.8%，輕度污染和中度污染共占45.2%，重度污染和嚴(yán)重污染均未出現(xiàn)。秋季成都地區(qū)的空氣質(zhì)量等級(jí)以輕度污染為主，比例為45.1%，優(yōu)和良共占25.8%，中度污染占19.4%，重度污染和嚴(yán)重污染出現(xiàn)頻率為9.7%。冬季成都地區(qū)空氣質(zhì)量等級(jí)以重度污染和嚴(yán)重污染為主，出現(xiàn)頻率高達(dá)67.8%，輕度污染和中度污染共占29.0%，良僅為3.2%，優(yōu)未出現(xiàn)?？傮w來(lái)看，成都地區(qū)冬季空氣污染較重，夏季污染較輕，春季和秋季介于兩者之間。

表2 2013年成都地區(qū)各季節(jié)不同空氣質(zhì)量等級(jí)出現(xiàn)天數(shù)和頻率Tab.2 The number and frequency of different air quality level of each season in Chengdu area in 2013 (%)

為了對(duì)比污染天氣和清潔天氣背景下成都地區(qū)的邊界層污染氣象特征，本文選取2013年1月、7月分別代表冬季(或污染天氣)和夏季(或清潔天氣)，利用WRF3.5.1模式來(lái)對(duì)成都地區(qū)冬季和夏季邊界層的各氣象因子進(jìn)行模擬研究。

3.2 WRF模式結(jié)果驗(yàn)證

如圖1(a)、(b)所示，以成都單站(103°50′E，30°42′N)2013年1月1日～4日、7月1日～4日08∶00的模擬結(jié)果為例，兩個(gè)時(shí)間段模擬的溫度隨高度的變化與實(shí)際觀測(cè)的溫度隨高度的變化基本一致，表明該模式對(duì)垂直方向上的模擬具有較高的準(zhǔn)確性以及適用性。

從圖2中可以看到，模式模擬的成都單站(103°50′E，30°42′N)1月、7月地面逐時(shí)的溫度與實(shí)際觀測(cè)的地面溫度之間的相關(guān)性非常顯著，擬合效果較好(1月和7月R2分別為0.730 7、0.740 1，P<0.01)。說(shuō)明該模式對(duì)邊界層模擬結(jié)果的精度也較高，本文模擬成都地區(qū)的邊界層污染氣象特征所選用的WRF模式參數(shù)化方案較為合理的。

圖1 2013年1月1～4日、7月1-4日成都單站(103°50′E，30°42′N)模擬與觀測(cè)的溫度隨高度的變化Fig.1 The simulated and observed change of temperature with height of single station in Chengdu during Jan.1st to 4th, Jul.1st to 4th, 2013

圖2 2013年1月、7月成都單站(103°50′E，30°42′N)模擬與觀測(cè)的地面溫度之間的相關(guān)性Fig.2 The correlation between simulated and observed of ground temperature of single station in Chengdu during Jan and Jul 2013

3.3 WRF模擬結(jié)果分析

3.3.1 風(fēng)場(chǎng)特征分析

3.3.1.1 地面風(fēng)場(chǎng)特征分析

由圖3可知，無(wú)論是冬季還是夏季，成都地區(qū)的平均地面風(fēng)向均以偏北風(fēng)為主，且夏季風(fēng)速明顯大于冬季。冬、夏兩季氣流的走向差異不大，均以偏北風(fēng)為主，但冬季平均風(fēng)速明顯較夏季小，冬季介于1.5～2.0m/s之間，夏季介于2.0～3.5m/s之間。成都西部接龍門(mén)山脈和邛崍山，東部有龍泉山脈，山脈的阻擋作用導(dǎo)致氣流主要由北、東北方向入侵，故成都地區(qū)主要以偏北風(fēng)為主。

風(fēng)向決定了污染物被輸送的方向，成都地區(qū)的風(fēng)向較為集中，又處于盆地內(nèi)，故非常不利于該地區(qū)的污染物向四周擴(kuò)散。在一定范圍內(nèi)，風(fēng)速的大小決定了污染物稀釋和擴(kuò)散的快慢，成都地區(qū)冬季風(fēng)速小，靜風(fēng)和小風(fēng)出現(xiàn)頻率高，這也是成都地區(qū)冬季空氣污染較重的原因之一。

圖3 成都地區(qū)冬、夏季10m高度上風(fēng)場(chǎng)的分布圖Fig.3 The distribution of the wind field at 10m height in winter and summer in Chengdu area

3.3.1.2 風(fēng)速隨高度的分布特征

由圖4可以知，成都地區(qū)冬季和夏季邊界層內(nèi)風(fēng)速隨高度的分布具有明顯的差異，總體來(lái)看，冬季風(fēng)速隨高度的增加整體呈增大趨勢(shì)，夏季風(fēng)速隨高度的增加先增大后減小。冬季成都地區(qū)近地面平均風(fēng)速約為3m/s，從地面到200m高度上，風(fēng)速隨高度的增加而逐漸增大， 200～500m高度之間，風(fēng)速略有減小，500m高度以上風(fēng)速隨高度的增加而明顯增大，但1 000m以下風(fēng)速均小于4m/s。夏季成都地區(qū)從地面到400m高度上風(fēng)速大幅度增加，由4.5m/s增加到7.5m/s，400m以上隨高度的增加而逐漸減小，但2 000m高度以下的風(fēng)速均在4.5m/s以上。成都地區(qū)冬季邊界層內(nèi)不同高度上的風(fēng)速明顯小于夏季，且1 000m高度以下的風(fēng)速變化幅度較小，這也是該地區(qū)冬季空氣污染較重的一個(gè)重要因素。

圖4 成都地區(qū)冬季和夏季風(fēng)速隨高度的變化圖 Fig.4 The variation of wind speed with height in winter and summer in Chengdu area

3.3.1.3 垂直速度場(chǎng)特征分析

圖5為模擬的成都地區(qū)冬季和夏季經(jīng)過(guò)(103°50′E，30°42′N)沿30°42′N線的東西向垂直速度場(chǎng)的剖面圖。由圖可知，受龍泉山脈和邛崍山脈的影響，無(wú)論冬季還是夏季，成都地區(qū)103.4E以西的氣流均以下沉運(yùn)動(dòng)為主，冬季103.4E以東的垂直速度非常小，氣流的垂直運(yùn)動(dòng)非常弱，夏季垂直速度主要在0～0.04m/s之間，氣流以上述運(yùn)動(dòng)為主。冬季成都地區(qū)的垂直速度幾乎為0，大氣層結(jié)穩(wěn)定，污染物不能隨氣流向上運(yùn)動(dòng)得到輸送，使其長(zhǎng)時(shí)間停留在近地面，從而導(dǎo)致近地面的污染物濃度較高。夏季成都地區(qū)除了近地面有弱的下沉氣流外，基本為上升氣流，這將有利于污染物在垂直方向上的稀釋和擴(kuò)散，故夏季空氣質(zhì)量較好。

圖5 成都地區(qū)冬季和夏季垂直風(fēng)速的東西剖面圖Fig.5 The east-west profile of the vertical wind speed in winter and summer in Chengdu area

3.3.2 溫度場(chǎng)特征分析

3.3.2.1 地面溫度場(chǎng)特征分析

圖6為成都地區(qū)冬季和夏季地面平均溫度的分布圖，從圖中可以看到，無(wú)論冬季還是夏季，西北部氣溫低，東南部氣溫高高，且在成都市區(qū)(104.1E，30.7N附近)均有一個(gè)高值中心，夏季氣溫顯著高于冬季。由于成都西北部的海拔較高，東南部海拔較低，故西北部的氣溫較低，東南部的氣溫較高。冬季成都地區(qū)的地面氣溫較低，主要介于4℃～6℃之間，夏季地面氣溫較高，主要介于26℃～28℃之間。無(wú)論冬季還是夏季，成都市區(qū)均有一個(gè)高值中心，這主要是市區(qū)人口密集，建筑物多，植物少，吸收太陽(yáng)輻射強(qiáng)，故氣溫高。成都位于四川盆地西部，冬季日照時(shí)間少，地面氣溫低，通常大氣層結(jié)較穩(wěn)定，對(duì)流活動(dòng)弱，不利于污染物擴(kuò)散，污染物長(zhǎng)時(shí)間停留在近地面，并與大氣中的其他物質(zhì)發(fā)生物理或化學(xué)作用，使得污染物的成分更加復(fù)雜多變，加重空氣污染。而夏季日照時(shí)間多，地面氣溫高，大氣層結(jié)不穩(wěn)定，對(duì)流活動(dòng)強(qiáng)，有利于污染物擴(kuò)散，使得近地面污染物的濃度較低，空氣質(zhì)量較好。

圖6 成都地區(qū)冬季和夏季地面平均溫度的分布圖Fig.6 The distribution of average ground temperature of Chengdu area in winter and summer

3.3.2.2 溫度隨高度的分布特征

圖7 成都地區(qū)冬季和夏季平均溫度隨高度的變化圖Fig.7 The variation of temperature with height of Chengdu area in winter and summer

如圖7所示，成都地區(qū)冬季逆溫現(xiàn)象明顯，0～200m高度上溫度隨高度的增加而升高，200m高度以上溫度隨高度的增加而降低，夏季逆溫作用較弱，0～2 000m高度上的溫度隨高度的增加而整體降低。從冬、夏季一天當(dāng)中不同時(shí)次溫度隨高度的變化來(lái)看，均呈現(xiàn)出這樣的規(guī)律：20時(shí)逆溫開(kāi)始形成，02時(shí)逆溫進(jìn)一步增強(qiáng)，08時(shí)達(dá)到最強(qiáng)，14時(shí)已完全消失，這與逆溫的生消也十分吻合。當(dāng)存在逆溫時(shí)，嚴(yán)重阻礙了污染物在垂直方向上的輸送，使得污染物在近地面不斷累積，近地面的污染物濃度增大，這也是冬季空氣污染明顯較夏季的重要原因之一。

3.3.3 邊界層高度特征

如圖8所示，與溫度分布特征類似的，無(wú)論冬季還是夏季，成都地區(qū)邊界層高度在成都市區(qū)附近均有一個(gè)高值，西部明顯低于東部，且夏季顯著高于冬季。冬季成都地區(qū)的平均邊界層高度介于300～400m之間，這與朱育雷等[16]利用激光雷達(dá)探測(cè)成都市一次重污染過(guò)程的邊界層高度(119～535m)的結(jié)果較為一致。夏季成都地區(qū)平均邊界層高度基本在450m以上。邊界層高度越高，污染物擴(kuò)散的范圍就越大，濃度就越低，反之，污染物擴(kuò)散的范圍就越小，濃度就越高。冬季邊界層高度明顯低于夏季，這也可以作為成都地區(qū)冬季空氣質(zhì)量差、夏季質(zhì)量好的一個(gè)合理的解釋。

圖8 成都地區(qū)冬季和夏季平均邊界層高度的分布圖Fig.8 The distribution of average boundary height of Chengdu area in winter and summer

4 結(jié) 論

本文在對(duì)成都地區(qū)的空氣質(zhì)量狀況簡(jiǎn)要分析的基礎(chǔ)上，基于WRF模式，對(duì)該地區(qū)的邊界層進(jìn)行了模擬，對(duì)比分析了冬、夏季該地區(qū)的邊界層污染氣象條件的差異。主要結(jié)論如下：

4.1 成都地區(qū)冬季空氣質(zhì)量最差，春季和秋季次之，夏季最好。

4.2 模式模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果較為一致。1月和7月地面氣溫的模擬結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果之間的相關(guān)性較高(R2分別為0.730 7、0.740 1，P<0.01)，氣溫隨高度的增加變化趨勢(shì)也基本一致。

4.3 無(wú)論是冬季還是夏季，成都地區(qū)均以偏北風(fēng)為主，夏季風(fēng)速明顯大于冬季；隨高度的增加，冬季風(fēng)速整體呈增大趨勢(shì)，夏季風(fēng)速先增大后減小。冬季垂直風(fēng)速幾乎為0，氣流運(yùn)動(dòng)非常弱，夏季垂直風(fēng)速基本大于0，氣流以上升運(yùn)動(dòng)為主。

4.4 無(wú)論冬季還是夏季，西北部地面氣溫低，東南部地面氣溫高，且在成都市區(qū)附近均有一個(gè)高值中心；冬季氣溫明顯低于夏季，冬季介于4℃～6℃之間，夏季介于26℃～28℃之間。

4.5 在成都市區(qū)附近邊界層高度有一個(gè)高值中心，西部明顯低于東部。冬季平均邊界層高度明顯低于夏季，冬季介于300～400m之間，夏季基本在450m以上。

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