基于WRF模型下的太原市一次霧霾過程分析

申 麗 霞

(長治市屯留縣環(huán)境保護局，山西 長治 046100)

1 概述

隨著城鎮(zhèn)化、工業(yè)化的迅速發(fā)展，機動車數(shù)量的激增，導(dǎo)致大氣污染物的排放量越來越多，尤其，山西省煤炭資源豐富，每年向大氣中排放大量的污染物，加上環(huán)保綠化意識薄弱，森林植被減少，土地裸露，從而引發(fā)霧霾天氣，使得大氣能見度下降[1,2]。霧霾是由數(shù)百種大氣化學(xué)顆粒物質(zhì)組成，其中直徑小于10 μm的氣溶膠粒子易引起急性鼻炎和急性支氣管炎等疾病，由于能見度降低還會直接危害公路、鐵路、航空、航運等交通安全，因此，近幾年科學(xué)家花費大量的時間和精力來研究山西省持續(xù)性霧霾的時空分布及發(fā)展走向，并從氣象學(xué)角度，針對山西省幾個污染較為嚴重的霧霾城市，利用持續(xù)性霧霾期間的大氣環(huán)流及氣象預(yù)報系統(tǒng)，探索霧霾從初期形成、發(fā)展到持續(xù)存在的原因，這些研究為實現(xiàn)霧霾天氣預(yù)報預(yù)警提供了大量的指導(dǎo)性依據(jù)。例如，劉佳(2016)通過對山西省2000年—2016年的霧霾時空分布特征進行分析發(fā)現(xiàn)，山西省在西北部地區(qū)的霧霾天氣相對較少，部分地區(qū)不足5 d；但中部(太谷)、南部(侯馬、洪洞)卻是霧霾的多發(fā)地區(qū)，年平均霧霾天數(shù)高達90 d之多[3]，這有可能與山西中部、南部地區(qū)的廠礦及燃煤的使用有著密不可分的關(guān)系。因此，山西省的霧霾時空分布以太原、大同、臨汾為頻發(fā)地區(qū)，空氣污染較為嚴重。從山西省環(huán)保廳召開的新聞發(fā)布會上獲悉，2017年，全省PM2.5平均濃度為59 μg/m3，較2013年下降23.4%，較2016年下降1.7%。盡管如此，太原市仍出現(xiàn)幾次大的霧霾天氣。

因此，本文利用太原及周邊地區(qū)2017年地面觀測站的氣象資料，結(jié)合中尺度數(shù)值天氣模式WRF(Weather Research and Forecasting Model)[4]，根據(jù)霧、霾的判別方法分別對太原地區(qū)的霧日、霾日進行統(tǒng)計，并給出了隨時間變化特征的分析。依據(jù)2012年我國頒布的GB 3095—2012環(huán)境空氣質(zhì)量標準中對SO2，NO2，PM10，PM2.5，O3和CO六種污染物濃度的限制規(guī)定，找出了太原地區(qū)霧霾形成與維持的天氣系統(tǒng)分型，揭示出一定范圍內(nèi)持續(xù)性霧霾形成與演變的物理機制，表明了持續(xù)性霧霾過程中不同風(fēng)向條件下太原市及其周邊地區(qū)之間細粒子的輸送、相互影響及濃度的局地特征。

2 WRF數(shù)值模擬方案

WRF-NMM V2.2支持固定的單向(Gopalakrishnan et al. 2006)和雙向的嵌套，此次方案設(shè)置多層雙向二維嵌套網(wǎng)格，區(qū)域范圍大致為111°13′7.607 4E ～113° 50′28.392″E,36°48′37.079 4″N～38°54′52.847 4″N，覆蓋太原及其周邊等霧霾發(fā)生地區(qū)，區(qū)域范圍設(shè)置和通用模式參數(shù)設(shè)置見表1。利用觀測的氣象要素和細顆粒物濃度資料，結(jié)合WRF模式進行模擬的結(jié)果，對2017年12月13日～2017年12月15日太原地區(qū)的霧霾天氣的形成過程和氣象背景進行了分析，此分析結(jié)果將對認識我省太原市霧霾天氣多發(fā)的成因提供一些參考。

表1 區(qū)域范圍設(shè)置和通用模式參數(shù)

從網(wǎng)站(https://rda.ucar.edu/)下載2017年12月Grib氣象數(shù)據(jù)，包括地形、經(jīng)緯、溫度、濕度、壓強、風(fēng)向風(fēng)速、主導(dǎo)風(fēng)向等要素。為了準確反映霧霾期間各個氣象要素的變化規(guī)律，提取每天0點、04點、08點、12點、16點、20點6個時間點的數(shù)據(jù)進行WRF模擬分析。WRF模擬的Grib數(shù)據(jù)均采用UTC時間，比北京時間提前8 h。

3 結(jié)果分析

3.1 地面觀測站數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

2017年12月，太原地區(qū)共經(jīng)歷了兩次霧霾污染過程，第一次高峰是12月13日～12月15日，另一個高峰則是22日～23日，此次分析的為第一次霧霾污染過程(13日～15日)。根據(jù)中國氣象臺發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，太原在2017年12月3日和2017年12月6日出現(xiàn)了最高溫度(7 ℃),而最低溫度(-15 ℃)出現(xiàn)在2017年12月16日，其中，月平均最低溫度為-8.71 ℃，平均最高溫度為1.61 ℃，在13號～15號霧霾發(fā)生期間，最高氣溫要比歷史平均最高溫度低1 ℃左右，而最低氣溫要比歷史平均最低氣溫高3 ℃左右。

3.2 WRF模擬結(jié)果分析

3.2.1WRF模擬氣象要素分析

通過WRF模擬再現(xiàn)了2017年12月地面氣壓的變化(見圖1a))，例如：12月7日的高壓，12月13日～12月16日霧霾發(fā)生期間的低壓和霧霾過后的氣壓回升；同時模擬反映出12月以來氣溫整體下降以及12日～14日氣溫略微回升的趨勢；通過模擬結(jié)果，顯示出風(fēng)速變化與霧霾形成時間相吻合。此外，12月13日以后，在霧霾期間，模擬區(qū)域內(nèi)風(fēng)速保持較低水平，UTC時間13日12點(北京時間13日晚8點)最低風(fēng)速低至0.11 m/s，往后風(fēng)速一直保持在1.2 m/s左右，一直持續(xù)到14日15點(北京時間14日晚11點)。WRF模式模擬的相對濕度變化趨勢顯示出在12月14日0點(即北京時間12月14日8點)到12月15日3點(北京時間12月15日11點)，太原市近地面相對濕度一直在75%左右居高不下。

3.3.2WRF模擬風(fēng)場分析

從圖2可以看出，2017年12月15日WRF模擬區(qū)域隨著南到西南風(fēng)風(fēng)速的增大，模擬區(qū)域逐步被西南風(fēng)取代，汾河盆地由東北風(fēng)變?yōu)槲髂巷L(fēng)，忻定盆地轉(zhuǎn)為南風(fēng)。霧霾天氣發(fā)生期間，太原區(qū)域上空由弱的東風(fēng)到東南風(fēng)控制，加上太原市地處太原盆地，全市北高南低，東西鄰山，是典型的簸箕型地形，獨特的地形特征導(dǎo)致來自南方的濕暖氣流以及污染物受到阻擋在太原盆地堆積停滯，小靜風(fēng)條件下大氣對污染物的擴散能力不足，此時太原市近地面的氣溶膠濃度和相對濕度開始增加，對霧霾天的形成提供了客觀條件。

4 結(jié)語

本文利用氣象站下載的氣象要素資料結(jié)合中尺度數(shù)值天氣模式WRF的模擬，針對2017年12月太原市地區(qū)出現(xiàn)的一次大霧霾污染的氣象要素進行對比分析，結(jié)果表明，WRF模擬能夠較好地反映模擬區(qū)域垂直方向上的溫度、濕度的分布情況，也合理地反映出太原市此次逆溫層的生消，大致模擬出了此次霧霾發(fā)生的客觀條件。發(fā)現(xiàn)，受冷鋒過境前的影響，模擬區(qū)域風(fēng)向轉(zhuǎn)變、風(fēng)速減小、相對濕度增加，周邊地區(qū)的污染要素以及水汽輸送增加了太原市地區(qū)污染物的濃度，最終形成此次大的霧霾天氣。