基于WRF/CALMET的關(guān)中盆地中部典型風(fēng)場(chǎng)模擬

張 俠，程 路，王 琦，吳 瓊

(1.陜西省氣候中心，西安 710014；2.旬陽(yáng)縣氣象局，安康旬陽(yáng) 725700)

改革開(kāi)放40周年來(lái)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市進(jìn)程的不斷加快，使我國(guó)各地區(qū)大氣環(huán)境問(wèn)題頻發(fā)。學(xué)者們對(duì)我國(guó)大氣環(huán)境問(wèn)題開(kāi)展了許多研究，其中通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)分析大氣污染過(guò)程已成為研究大氣污染機(jī)理的有效手段之一。大氣污染物的對(duì)流擴(kuò)散作用主要是靠風(fēng)的作用來(lái)完成的，風(fēng)場(chǎng)在對(duì)流擴(kuò)散求解中是一個(gè)非常重要的輸入量，對(duì)風(fēng)場(chǎng)模擬的準(zhǔn)確度是污染物擴(kuò)散計(jì)算中至關(guān)重要的[1]。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用數(shù)值模式對(duì)風(fēng)場(chǎng)的模擬研究越來(lái)越多。姜金華等采用中尺度大氣動(dòng)力模式RAMS與大氣擴(kuò)散模式HYPACT相結(jié)合的方法，對(duì)蘭州市復(fù)雜地形條件下冬季大氣污染過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，分析了模擬風(fēng)場(chǎng)與污染物濃度分布的關(guān)系[2]。蔣寧潔等采用MM5中尺度氣象模式和CALMET氣象診斷模型模擬了武漢市邊界層氣象要素場(chǎng)，并對(duì)大氣污染物的擴(kuò)散進(jìn)行了模擬分析[3]。張弛等利用WRF中尺度動(dòng)力模式和CALMET診斷模型對(duì)瓊州海峽的兩次冷空氣過(guò)程的近地層風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了模擬和診斷[4]。王文勇等利用WRF/CALMET耦合模式對(duì)某山谷工業(yè)園區(qū)的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明模擬值與實(shí)測(cè)值比較接近，模擬結(jié)果比較符合實(shí)際[5]。

以西安為中心的陜西關(guān)中盆地，持續(xù)性霾天氣多發(fā)重發(fā)，并和京津冀共發(fā)。由陜西關(guān)中、晉西南和豫西北地區(qū)組成的汾渭平原在2018年2月全國(guó)環(huán)境保護(hù)工作會(huì)議上已被列為國(guó)家大氣污染防治重點(diǎn)區(qū)域。不少學(xué)者對(duì)關(guān)中地區(qū)霾天氣特征及形成機(jī)制開(kāi)展了一些研究，周輝等利用霾天氣現(xiàn)象數(shù)據(jù)對(duì)關(guān)中地區(qū)1983—2012年霾天氣時(shí)空分布特征進(jìn)行了分析[6]，劉瑞芳等利用高空探測(cè)、自動(dòng)站觀測(cè)、激光雷達(dá)等對(duì)2013年12月17—25日關(guān)中地區(qū)持續(xù)性霾天氣的氣象條件進(jìn)行了診斷分析[7]，而對(duì)霾天氣過(guò)程發(fā)生時(shí)近地面風(fēng)場(chǎng)的數(shù)值模擬研究相對(duì)較少。本文通過(guò)對(duì)關(guān)中盆地典型風(fēng)場(chǎng)的模擬研究，為進(jìn)一步開(kāi)展大氣污染研究工作提供可靠的氣象背景場(chǎng)，從而為政府大力實(shí)施“鐵腕治霾、科學(xué)治霾”提供科學(xué)依據(jù)。

1 模擬方案設(shè)計(jì)

1.1 模式設(shè)計(jì)

WRF模式是美國(guó)多所科研機(jī)構(gòu)的科學(xué)家們共同研發(fā)的業(yè)務(wù)與研究共用的新一代高分辨率中尺度預(yù)報(bào)模式，本研究中使用的是當(dāng)前較新且比較穩(wěn)定的3.6版本。CALMET模式是美國(guó)環(huán)保局推薦的空氣質(zhì)量擴(kuò)散模式CALPUFF中的氣象診斷模型，是一個(gè)網(wǎng)格化氣象風(fēng)場(chǎng)模式，利用質(zhì)量守恒原理對(duì)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行診斷。為得到高空間分辨率模擬結(jié)果，采用多重嵌套耦合降尺度方法，WRF模式利用NCEP的1°×1°的FNL再分析資料，采用2重區(qū)域嵌套，再耦合CALMET模式降尺度到1 km×1 km空間分辨率。為了充分保證模式初始條件和側(cè)邊界條件更為客觀化，WRF模式的第一層包含青藏高原及沿海等影響天氣系統(tǒng)的地理區(qū)域，模式的第二層覆蓋了整個(gè)陜西省。CALMET模式的覆蓋區(qū)域?yàn)殛兾麝P(guān)中盆地120 km×120 km范圍。模式中引入關(guān)中地區(qū)13個(gè)氣象臺(tái)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)客觀分析過(guò)程，得到最終的氣象場(chǎng)。

1.2 典型天氣過(guò)程選取

由于關(guān)中地區(qū)一年四季中冬季霾天氣頻次最多[8]，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)且影響范圍較大，為進(jìn)行針對(duì)性的模擬，選擇關(guān)中地區(qū)2016年12月—2017年2月進(jìn)行逐小時(shí)地面風(fēng)場(chǎng)的數(shù)值模擬。再以地面氣象臺(tái)站觀測(cè)的風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫和空氣質(zhì)量指數(shù)資料為選擇依據(jù)，選取2017年1月20—28日大氣擴(kuò)散條件由好轉(zhuǎn)差的典型天氣過(guò)程進(jìn)行近地面風(fēng)場(chǎng)分析。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 實(shí)測(cè)模擬對(duì)比

研究模擬了關(guān)中盆地中部2016年12月—2017年2月每日逐時(shí)的風(fēng)場(chǎng)，為了了解WRF/CALMET模擬風(fēng)場(chǎng)與實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)的相關(guān)性，提取涇河氣象站點(diǎn)位置的模擬值，與涇河站同期觀測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析。2016年12月—2017年2月模擬風(fēng)速平均值為2.8 m/s，觀測(cè)風(fēng)速平均值為2.1 m/s，模擬值比觀測(cè)值略大。圖1為逐日模擬風(fēng)速與觀測(cè)值對(duì)比，可見(jiàn)模擬值與觀測(cè)值較為一致。圖2為模擬與實(shí)測(cè)風(fēng)向頻率圖。由圖1可見(jiàn)：模擬值出現(xiàn)頻率較多的三種風(fēng)向是NE、ENE和SW，風(fēng)向頻率分別為17.9%、17.7%和9.1%；實(shí)測(cè)值出現(xiàn)頻率較多的三種風(fēng)向是ENE、NE和SW，風(fēng)向頻率分別為16.9%、15.3%和10.8%。對(duì)比可見(jiàn)，模擬值與觀測(cè)值風(fēng)向分布基本一致。經(jīng)過(guò)風(fēng)速與風(fēng)向的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用WRF/CALMET耦合模式進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)模擬，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)風(fēng)場(chǎng)比較接近，模擬結(jié)果可以代表關(guān)中地區(qū)的真實(shí)風(fēng)場(chǎng)。

圖1 涇河氣象站2016年12月—2017年2月模擬與實(shí)測(cè)風(fēng)速對(duì)比圖

圖2 涇河氣象站2016年12月—2017年2月模擬與實(shí)測(cè)風(fēng)向頻率(每圈間隔為5%)對(duì)比圖

2.2 分區(qū)域風(fēng)場(chǎng)分析

根據(jù)對(duì)關(guān)中地區(qū)2016年12月—2017年2月每日逐時(shí)風(fēng)場(chǎng)的模擬結(jié)果，提取模擬區(qū)域中部、東部、西部、南部和北部共5個(gè)代表點(diǎn)的模擬值進(jìn)行分析。經(jīng)計(jì)算，模擬區(qū)域中部、東部、西部、南部和北部冬季平均風(fēng)速分別為2.0 m/s、1.7 m/s、1.9 m/s、1.7 m/s和2.0 m/s。根據(jù)風(fēng)力等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，將風(fēng)速劃分為6個(gè)風(fēng)速區(qū)間(表1)。由表1可見(jiàn)，模擬區(qū)域除北部風(fēng)速主要分布在1.6～3.3 m/s風(fēng)速區(qū)間(出現(xiàn)頻率為53.3%)外，其余各地均主要分布在0.3～1.5 m/s風(fēng)速區(qū)間，出現(xiàn)頻率分別為48.4%、50.3%、47.9%和51.0%。模擬區(qū)域各地5.5 m/s風(fēng)速區(qū)間以上的風(fēng)均較少出現(xiàn)(頻率均小于3%)。分析可見(jiàn)，關(guān)中地區(qū)冬季風(fēng)速較小，主要為軟輕風(fēng)。

表1 關(guān)中盆地中部2016年12月—2017年2月模擬區(qū)域各風(fēng)速區(qū)間風(fēng)速出現(xiàn)頻率 %

風(fēng)速區(qū)間/(m/s)0～0.20.3～1.51.6～3.33.4～5.45.5～7.9≥8.0中部1.848.437.29.92.40.4東部2.050.341.16.30.20.0西部1.947.939.19.01.80.2南部3.051.039.75.80.40.0北部0.537.353.37.41.40.1

圖3為2016年12月—2017年2月模擬區(qū)域各地的風(fēng)向頻率分布圖。南部風(fēng)向主要分布在W—NW和S—SSE區(qū)間，風(fēng)向頻率分別為27.5%和21.4%；而中部和北部風(fēng)向主要分布在NNE—ENE區(qū)間，風(fēng)向頻率分別為45.9%和48.5%；東部西南風(fēng)增多，主要分布在NE—ENE和S—SSW區(qū)間，風(fēng)向頻率分別為20.4%和16.7%；西部西北風(fēng)增多，主要分布在ENE—E和W—WNW區(qū)間，風(fēng)向頻率分別為26.9%和18.7%。整體來(lái)看關(guān)中地區(qū)除南部由于受秦嶺地形的影響以南風(fēng)和西風(fēng)為主，其余地區(qū)均以東北風(fēng)為主。

風(fēng)向頻率每圈間隔為5%；Cf為靜風(fēng)頻率圖3 關(guān)中盆地中部2016年12月—2017年2月模擬區(qū)域風(fēng)向頻率/%分布圖

2.3 典型天氣過(guò)程分析

2017年1月關(guān)中地區(qū)大氣擴(kuò)散條件整體較差，其中1月20日大氣擴(kuò)散條件較好，日平均風(fēng)速較大，有利于大氣污染物擴(kuò)散，空氣質(zhì)量較好。圖4為2017年1月20日及22日的地面風(fēng)場(chǎng)模擬圖，圖中色斑表示風(fēng)速，矢量箭頭表示氣流方向。從圖4可以看出，20日關(guān)中地區(qū)整體風(fēng)速較大，基本在1.6～5.5 m/s之間，尤其09—15時(shí)關(guān)中地區(qū)中部風(fēng)速基本在3.4～5.5 m/s之間，對(duì)大氣污染物擴(kuò)散較為有利。除08—10時(shí)由于受秦嶺山區(qū)山風(fēng)的影響，關(guān)中南部平原與山區(qū)結(jié)合部有一條氣流輻合帶產(chǎn)生外，20日整體上關(guān)中地區(qū)風(fēng)場(chǎng)相對(duì)均一，不存在明顯的輻散、輻合過(guò)程，這些對(duì)關(guān)中地區(qū)1月20日的良好空氣質(zhì)量有較大貢獻(xiàn)。21日以后，關(guān)中地區(qū)的風(fēng)速逐漸減小，22日01時(shí)開(kāi)始，地面風(fēng)場(chǎng)的均一性受到破壞，關(guān)中地區(qū)中部出現(xiàn)輻合過(guò)程，且風(fēng)速變小，大氣擴(kuò)散條件變差，由此導(dǎo)致關(guān)中大部分城市中度污染天氣的出現(xiàn)。

圖4 2017年1月20日及22日關(guān)中盆地中部地面風(fēng)場(chǎng)模擬結(jié)果(UTM坐標(biāo))

1月22—28日期間，關(guān)中地區(qū)基本處于風(fēng)速較小、大氣擴(kuò)散條件較差的天氣狀況中，空氣質(zhì)量持續(xù)較差，其中25日西安AQI指數(shù)高達(dá)420。圖5為2017年1月25日的地面風(fēng)場(chǎng)模擬圖。25日風(fēng)速整體較小，西安、咸陽(yáng)等關(guān)中中部地區(qū)全天基本在0.3～1.6 m/s之間，且不同時(shí)次均有局部地區(qū)出現(xiàn)靜風(fēng)。從流場(chǎng)上可以看出，04時(shí)在關(guān)中地區(qū)中南部有一較大范圍的氣流輻合區(qū)，25日全天除09—12時(shí)南部秦嶺山區(qū)為較弱的偏北風(fēng)向的谷風(fēng)外，其余時(shí)次均為偏南風(fēng)向的山風(fēng)，而關(guān)中平原地區(qū)全天基本風(fēng)向?yàn)槠珫|北風(fēng)及北風(fēng)，從而造成大氣污染物在關(guān)中地區(qū)的堆積，形成污染天氣。

3 結(jié)論

(1)采用WRF/CALMET耦合模式對(duì)關(guān)中盆地中部進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)模擬。以涇河站為代表站，分析發(fā)現(xiàn)：模擬時(shí)段風(fēng)速平均值和觀測(cè)風(fēng)速平均值分別為2.8 m/s和2.1 m/s，模擬值比觀測(cè)值略大；模擬風(fēng)向和觀測(cè)風(fēng)向出現(xiàn)頻率較多的三種風(fēng)向均為NE、ENE和SW，風(fēng)向分布基本一致。模擬值與實(shí)測(cè)值比較接近，說(shuō)明模擬風(fēng)場(chǎng)可代表關(guān)中地區(qū)的真實(shí)風(fēng)場(chǎng)。

圖5 2017-01-25關(guān)中盆地中部地面風(fēng)場(chǎng)模擬結(jié)果(UTM坐標(biāo))

(2)關(guān)中地區(qū)中部風(fēng)速主要分布在1.6～3.3 m/s和0.3～1.5 m/s風(fēng)速區(qū)間，5.5 m/s風(fēng)速區(qū)間以上的風(fēng)均較少出現(xiàn)；關(guān)中地區(qū)冬季風(fēng)速較小，主要為軟輕風(fēng)。關(guān)中地區(qū)除南部由于受秦嶺地形的影響以南風(fēng)和西風(fēng)為主，其余地區(qū)均以東北風(fēng)為主。

(3)根據(jù)典型天氣過(guò)程分析結(jié)果表明，當(dāng)風(fēng)速較小、天氣形勢(shì)較為穩(wěn)定時(shí)，容易在關(guān)中地區(qū)中南部出現(xiàn)氣流的輻合，不利于污染物的擴(kuò)散；當(dāng)風(fēng)速較大、風(fēng)場(chǎng)氣流較為平整時(shí)，擴(kuò)散條件較好，有利于污染物的擴(kuò)散。