高分辨率中尺度模式在樂(lè)平工業(yè)園區(qū)的污染預(yù)報(bào)試驗(yàn)

陳鮑發(fā)，詹思玙

(1. 江西景德鎮(zhèn)市氣象局，333000，江西，景德鎮(zhèn)； 2. 中科院大氣物理研究所，100029，北京)

0 引言

大氣污染通常是指由于人類活動(dòng)或自然過(guò)程引起某些物質(zhì)進(jìn)入大氣達(dá)到足夠的濃度， 并對(duì)人類生活環(huán)境、生產(chǎn)和身體健康等方面產(chǎn)生危害的現(xiàn)象[1]。大氣污染會(huì)影響植物生理機(jī)能，造成植被產(chǎn)量下降，品質(zhì)變壞，甚至枯萎，還會(huì)降低能見(jiàn)度，破壞大氣臭氧層，減少太陽(yáng)輻射，加速全球變暖，形成酸雨，從而腐蝕物體等。最重要的是，大氣污染嚴(yán)重威脅人體健康，它會(huì)刺激皮膚和眼睛，引起呼吸道疾病與生理機(jī)能障礙(例如哮喘)，濃度高時(shí)會(huì)造成急性污染中毒，或使病情惡化。因此，防治大氣污染是目前主要科學(xué)問(wèn)題之一。

工業(yè)作為最重要的大氣污染源之一，其污染防治效率直接關(guān)系到大氣污染物的去除和大氣環(huán)境質(zhì)量[2]。數(shù)值模式預(yù)報(bào)具有科學(xué)性強(qiáng)、信息豐富等優(yōu)點(diǎn)，是大氣污染預(yù)報(bào)的發(fā)展方向[3]。發(fā)展大氣污染的數(shù)值預(yù)報(bào)模式，是有效預(yù)防污染產(chǎn)生，預(yù)報(bào)污染產(chǎn)生方向，及時(shí)治理大氣污染的必然趨勢(shì)[4-9]。因此，把高分辨率中尺度模式應(yīng)用于樂(lè)平市工業(yè)園區(qū)污染氣象保障中，完全符合時(shí)下對(duì)環(huán)境污染治理的要求和目標(biāo)。

高時(shí)空分辨率的中尺度天氣模式WRF已經(jīng)被國(guó)內(nèi)外廣泛地應(yīng)用于城市污染氣象的預(yù)報(bào)工作中。因此，試驗(yàn)在借鑒這些工作的基礎(chǔ)上，采用WRF模式對(duì)樂(lè)平工業(yè)園及周邊地區(qū)進(jìn)行污染氣象的預(yù)報(bào)服務(wù)?？紤]到景德鎮(zhèn)面積約為5 270 km2，樂(lè)平市約為1 973 km2，而樂(lè)平工業(yè)園的面積約為30 km2，試驗(yàn)使用最高分辨率為600 m的三重嵌套網(wǎng)格，其中第3重嵌套網(wǎng)格的分辨率為600 m，其范圍涵蓋了整個(gè)景德鎮(zhèn)市以及南昌的東部地區(qū)。為了有效地預(yù)報(bào)邊界層的風(fēng)場(chǎng)和湍流活動(dòng)，模式的垂直層在邊界層內(nèi)進(jìn)行加密。此外，考慮到WRF模式系統(tǒng)自帶的地形數(shù)據(jù)和土地利用數(shù)據(jù)跟樂(lè)平工業(yè)園及其周邊地區(qū)的真實(shí)情況有著特別顯著的差異，不能真實(shí)地給出下墊面的狀況，且影響到邊界層各種通量的預(yù)報(bào)，利用最新的GIS(Geographic Information System)資料修正預(yù)報(bào)區(qū)域內(nèi)的這部分特征，從而更加有效地實(shí)現(xiàn)高分辨和高精度地預(yù)報(bào)氣象場(chǎng)預(yù)報(bào)。

試驗(yàn)的預(yù)報(bào)基于NCEP(National Centers for Environmental Prediction)預(yù)報(bào)產(chǎn)品作為背景場(chǎng)開(kāi)展預(yù)報(bào)，使用WRF的3DVAR變分同化系統(tǒng)同化進(jìn)我國(guó)的探空觀測(cè)資料，常規(guī)和加密的地面站點(diǎn)觀測(cè)資料，以及樂(lè)平工業(yè)園的氣象觀測(cè)塔資料，用于改善預(yù)報(bào)。在基于對(duì)大量歷史個(gè)例回報(bào)試驗(yàn)以及評(píng)估的條件下，設(shè)計(jì)出模式最優(yōu)的參數(shù)化方案(微物理方案、邊界層方案、輻射方案等)配置，用于實(shí)時(shí)的高分辨率高精度預(yù)報(bào)。由于中小尺度天氣系統(tǒng)的可預(yù)報(bào)時(shí)效較短，所以試驗(yàn)的600 m網(wǎng)格的預(yù)報(bào)時(shí)效為3 d左右。但模式的第2重和第1重網(wǎng)格對(duì)于天氣形勢(shì)場(chǎng)的預(yù)報(bào)，時(shí)效可以達(dá)到5 d左右。得到高分辨率的WRF預(yù)報(bào)結(jié)果后，結(jié)合CALPUFF污染物輸送模式對(duì)預(yù)報(bào)區(qū)域內(nèi)的污染物輸送、擴(kuò)散、濃度分布和沉降進(jìn)行預(yù)報(bào)，從而得到高精度的樂(lè)平工業(yè)園及其周邊地區(qū)的污染物預(yù)報(bào)。

1 WRF-CALPUFF污染預(yù)報(bào)模型模式介紹

1.1 RAPS系統(tǒng)介紹

RAPS是基于美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)的業(yè)務(wù)快速同化循環(huán)更新預(yù)報(bào)系統(tǒng)(Rapid Refresh，簡(jiǎn)稱RAP)以及業(yè)務(wù)高分辨率快速同化循環(huán)更新預(yù)報(bào)系統(tǒng) (High-Resolution Rapid Refresh，簡(jiǎn)稱HRRR)，水平分辨率為13 km，是一個(gè)循環(huán)同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)，每個(gè)時(shí)刻首先以上一個(gè)時(shí)次的預(yù)報(bào)場(chǎng)為背景場(chǎng)，同化(GSI HYbrid)最近1 h窗口內(nèi)的所有觀測(cè)資料(PrepBUFR格式)，包括地面、探空、飛機(jī)、船舶等；HRRR的水平分辨率為3 km，可向內(nèi)嵌套分辨率更精細(xì)的指定區(qū)域以獲得更高精度的預(yù)報(bào)結(jié)果。

1.2 三重嵌套設(shè)計(jì)及方案配置

步驟1：近幾十年來(lái)，東亞區(qū)域的土地利用發(fā)生了很大的變化，因此，在模擬的時(shí)候有必要選擇對(duì)應(yīng)時(shí)段的土地利用數(shù)據(jù)，減小由于靜態(tài)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確所帶來(lái)的不確定性。利用MODIS提供的1 km分辨率的逐年土地利用數(shù)據(jù)替換WRF模式默認(rèn)的2001年的土地利用數(shù)據(jù)，生成新的Geog地形文件。

步驟2：選擇模擬區(qū)域。使用RAPS模式進(jìn)行三重嵌套的天氣預(yù)報(bào)試驗(yàn)。其中RAP的13 km分辨率覆蓋以我國(guó)為中心的東亞區(qū)域和西太平洋部分海域(圖1)，為第1重區(qū)域。HRRR的3 km分辨率覆蓋了我國(guó)東部以及渤海、黃海、東海和南海的部分海域(圖2)，為第2重區(qū)域。向下嵌套一個(gè)600 m分辨率的區(qū)域，覆蓋了景德鎮(zhèn)市和南昌市(圖3)。

圖1 RAP(13 km分辨率)覆蓋區(qū)域

圖中的方框?yàn)?00 m分辨率的預(yù)報(bào)區(qū)域

圖3 HRRR(600m分辨率)覆蓋區(qū)域

步驟3：以全球數(shù)值預(yù)報(bào)模式(NCEP)預(yù)報(bào)結(jié)果作為RAP的驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)，并通過(guò)GSI模式將2170加密觀測(cè)資料、國(guó)際非交換站資料和探空資料同化進(jìn)RAP模式，生成72 h預(yù)報(bào)結(jié)果。以RAP的預(yù)報(bào)結(jié)果作為HRRR的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)，生成初邊界條件，同化上述觀測(cè)資料，驅(qū)動(dòng)模式進(jìn)行預(yù)報(bào)，最終得到水平分辨率為600 m，預(yù)報(bào)時(shí)效為72 h的景德鎮(zhèn)及南昌地區(qū)的預(yù)報(bào)結(jié)果。

1.3 CALPUFF污染模式簡(jiǎn)介

大氣擴(kuò)散模型CALPUFF是由西格瑪研究公司(Sigma Research Corporation)開(kāi)發(fā)，是美國(guó)環(huán)保局(USEPA)支持開(kāi)發(fā)的法規(guī)模型，也是我國(guó)環(huán)境保護(hù)部頒布的《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 大氣導(dǎo)則》推薦的模式之一。CALPUFF模型主要由氣象模塊CALMET、煙團(tuán)擴(kuò)散模塊CALPUFF和后處理模塊CALPOST組成，具體流程見(jiàn)圖4，各模塊具體功能如下。

圖4 CALPUFF模型計(jì)算流程

CALMET：用于網(wǎng)格的三維氣象場(chǎng)模擬，以中尺度氣象模型WRF計(jì)算得到的氣象診斷數(shù)據(jù)作為初始猜想場(chǎng)，考慮地形和土地利用類型分布特點(diǎn)的影響，在計(jì)算區(qū)域生成逐時(shí)的風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)，作為CALPUFF模塊的輸入條件。

CALPUFF：用于模擬污染物擴(kuò)散，將CALMET模塊生成的逐時(shí)風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)作為輸入條件，根據(jù)區(qū)域內(nèi)污染源(點(diǎn)源、面源、線源和體源等各種源)的排放情況，確定環(huán)境保護(hù)目標(biāo)和區(qū)域網(wǎng)格受體，模擬污染物煙團(tuán)在區(qū)域內(nèi)的擴(kuò)散、輸送和轉(zhuǎn)化過(guò)程。

CALPOST：用于數(shù)據(jù)的后處理，CALPUFF模塊的輸出文件經(jīng)其計(jì)算和處理，得到所需的濃度和干濕沉降通量等結(jié)果。

然后基于Linux系統(tǒng)，移植了WRF模式結(jié)果向CALMET輸入結(jié)果轉(zhuǎn)換的工具CALWRF。該工具可以實(shí)現(xiàn)WRF結(jié)果向CALMET所需輸入氣象數(shù)據(jù)格式的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了預(yù)報(bào)時(shí)效為72 h的景德鎮(zhèn)及南昌地區(qū)的高分辨率數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)與CALPUFF模式預(yù)報(bào)系統(tǒng)的無(wú)縫銜接。

1.4 污染模式排放源設(shè)置

為了方便模擬效果的對(duì)比驗(yàn)證，以污染來(lái)源較為單一大氣污染物SO2為例，以區(qū)域內(nèi)典型排放行業(yè)(藥廠)的實(shí)際空間分布、排氣筒高度、口徑、煙氣量、煙氣溫度、年排放小時(shí)數(shù)及SO2排放強(qiáng)度等排放源資料作為污染來(lái)源，研究污染過(guò)程預(yù)報(bào)情況。為了更好檢驗(yàn)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的模擬效果，選取SO2污染過(guò)程轉(zhuǎn)折特征較為顯著的時(shí)段(2019年4月15日00:00—4月18日00:00)進(jìn)行分析(圖5)，開(kāi)展模擬預(yù)報(bào)研究。預(yù)報(bào)模式中共納入排放源個(gè)數(shù)總計(jì)35個(gè)(如圖6中圓圈所示)。模式中輸入的排放源具體參數(shù)由各個(gè)藥廠提供，具體信息參見(jiàn)表1。

圖中為樂(lè)平市國(guó)土局觀測(cè)站觀測(cè)到的SO2/μg·m-3

圖6 CALPUFF污染模式的預(yù)報(bào)范圍(方框)及其中心點(diǎn)10 km半徑范圍(圓圈)

2 WRF-CALPUFF污染預(yù)報(bào)模型的實(shí)際應(yīng)用

由圖5所示，2019年4月15日00:00—2019年4月18日00:00樂(lè)平市國(guó)土局觀測(cè)站觀測(cè)到了一次嚴(yán)重的污染事件，大約1 d的時(shí)間內(nèi)污染物由谷底迅速攀升至峰值，SO2是主要的污染物之一。根據(jù)對(duì)樂(lè)平藥廠周邊環(huán)境觀測(cè)站的觀測(cè)結(jié)果以及對(duì)藥廠主要污染物的分析結(jié)果，SO2是本地區(qū)最主要的污染物之一，因此將以之為代表進(jìn)行72 h的逐小時(shí)預(yù)報(bào)試驗(yàn)。從2019年4月15日00:00起報(bào)的72 h SO2污染物逐小時(shí)分布及地面風(fēng)場(chǎng)(圖7)可知，本試驗(yàn)所建立的WRF-CALPUFF污染預(yù)報(bào)模型對(duì)污染物(以SO2為例)的預(yù)報(bào)結(jié)果符合污染物常規(guī)的傳輸與擴(kuò)散規(guī)律。其中，排放源附近，SO2的濃度達(dá)到極值，地面盛行風(fēng)向是污染物傳輸?shù)闹饕较?，沿著地面主?dǎo)風(fēng)向，污染物存在側(cè)向的擴(kuò)散，但其傳輸速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于沿主導(dǎo)風(fēng)向的傳輸速度。此外，預(yù)報(bào)結(jié)果顯示，20 h由于風(fēng)向的轉(zhuǎn)變，污染影響范圍開(kāi)始由中心點(diǎn)西側(cè)轉(zhuǎn)為東南側(cè)，25 h開(kāi)始轉(zhuǎn)為南部，緊接著在28 h又轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)向的影響?？梢?jiàn)，模式能較好地反映氣象條件的影響，模擬的污染物影響較顯著的范圍并不是對(duì)藥廠的周邊地區(qū)全部覆蓋，主要位于藥廠與盛行風(fēng)向的下游，這與樂(lè)平地區(qū)污染檢測(cè)資料所體現(xiàn)的規(guī)律是一致的。因此設(shè)計(jì)的天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)下的空氣污染預(yù)報(bào)，對(duì)于精細(xì)化捕捉典型污染過(guò)程中污染物的顯著影響區(qū)域及最大地面濃度所在位置具有重要意義。

以管委會(huì)所在地的SO2實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)(圖8中深色實(shí)線)，本試驗(yàn)所建立的WRF-CALPUFF污染預(yù)報(bào)模型能夠有效地抓住本次污染事件的主要特征，包括SO2濃度的峰值大小、峰值時(shí)間、發(fā)展過(guò)程、持續(xù)過(guò)程、轉(zhuǎn)折時(shí)刻等。然而，對(duì)比部分的峰值也存在高估(如第34 h附近的預(yù)報(bào)結(jié)果)或低估(如第61 h和71 h附近的預(yù)報(bào)結(jié)果)的情況。根據(jù)相關(guān)系數(shù)的計(jì)算結(jié)果，預(yù)報(bào)結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果的相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.8以上，且超過(guò)95%的信度，平均濃度預(yù)報(bào)偏差低于10 μg/m3。因此，本試驗(yàn)所建立的WRF-CALPUFF污染預(yù)報(bào)模型具有較優(yōu)的預(yù)報(bào)性能，可以用于實(shí)際的污染物預(yù)報(bào)。

表1 輸入模式的排放源參數(shù)

t=1-9 h、20 h、25 h、28 h；陰影是SO2的小時(shí)平均地面濃度(單位：μg/m3)，箭頭代表地面風(fēng)場(chǎng)

深色實(shí)線，淺色實(shí)線(單位：μg/m3)

逐小時(shí)平均濃度填色圖表征的是隨著氣象條件的變化，35家企業(yè)排放源對(duì)地表SO2濃度值的實(shí)時(shí)影響情況，所反映的是35家企業(yè)對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量的實(shí)時(shí)影響狀況。由72 h實(shí)時(shí)回報(bào)結(jié)果(圖7)可見(jiàn)，精細(xì)化的氣象場(chǎng)模擬資料所驅(qū)動(dòng)的大氣擴(kuò)散模式模擬結(jié)果，能實(shí)時(shí)給出污染物的主要影響范圍、最大影響濃度所在位置以及發(fā)生時(shí)間等信息，對(duì)于評(píng)估企業(yè)大氣污染物排放的實(shí)時(shí)環(huán)境影響具有重要意義，可為大氣污染防治提供有效預(yù)報(bào)參考。

進(jìn)一步，通過(guò)對(duì)72 h回報(bào)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)(圖8)，35家企業(yè)在這3 d(2019年4月15—17日)內(nèi)對(duì)地面濃度的最大貢獻(xiàn)值約為7.8 μg/m3，根據(jù)樂(lè)平市2個(gè)監(jiān)測(cè)站(老環(huán)保局站和國(guó)土局站)的平均監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，3 d平均的SO2日均濃度值約為12.3 μg/m3(圖9)，因此，35家企業(yè)地面SO2日均濃度對(duì)本地的最大貢獻(xiàn)率約為63.4%，因而35家企業(yè)的SO2污染防控不容忽視。但從影響范圍來(lái)看，最大濃度貢獻(xiàn)點(diǎn)位于企業(yè)聚集區(qū)內(nèi)，即處于可控范圍內(nèi)。

圖9 2019年4月15日00:00—4月18日00:00平均的SO2最大24 h平均地面濃度空間分布/μg·m-3

3 結(jié)論

本文介紹了高分辨率中尺度模式在樂(lè)平工業(yè)園區(qū)污染氣象保障中預(yù)報(bào)試驗(yàn)，主要結(jié)論如下。

1)試驗(yàn)采用高時(shí)空分辨率的中尺度天氣模式WRF，最新的GIS(Geographic Information System)資料及3DVAR變分同化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高分辨率和高精度地氣象要素預(yù)報(bào)場(chǎng)。結(jié)合CALPUFF污染物輸送模式，得到高精度的樂(lè)平工業(yè)園及其周邊地區(qū)的污染物預(yù)報(bào)。

2)選取SO2污染過(guò)程轉(zhuǎn)折特征較為顯著的時(shí)段開(kāi)展模擬預(yù)報(bào)研究，結(jié)果符合污染物常規(guī)的傳輸與擴(kuò)散規(guī)律：排放源附近，SO2的濃度達(dá)到極值，地面盛行風(fēng)向是污染物傳輸?shù)闹饕较?，沿著地面主?dǎo)風(fēng)向，污染物存在側(cè)向的擴(kuò)散，污染物影響較顯著的范圍主要位于藥廠與盛行風(fēng)向的下游，與樂(lè)平地區(qū)污染檢測(cè)資料所體現(xiàn)的規(guī)律是一致的。

3)精細(xì)化的氣象場(chǎng)模擬資料所驅(qū)動(dòng)的大氣擴(kuò)散模式模擬結(jié)果，能實(shí)時(shí)給出污染物的主要影響范圍、最大影響濃度所在位置以及發(fā)生時(shí)間等信息，對(duì)于評(píng)估企業(yè)大氣污染物排放的實(shí)時(shí)環(huán)境影響具有重要意義。預(yù)報(bào)結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果的相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.8以上，且超過(guò)95%的信度，平均濃度預(yù)報(bào)偏差低于10 μg/m3，35家企業(yè)地面SO2日均濃度對(duì)本地的最大貢獻(xiàn)率約為63.4%，但從影響范圍來(lái)看，最大濃度貢獻(xiàn)點(diǎn)位于企業(yè)聚集區(qū)內(nèi)，即處于可控范圍內(nèi)。