北京市秋冬季環(huán)流型下的細(xì)顆粒物傳輸

林廷坤,屈 坤,嚴(yán) 宇,王雪松*,趙 寧 (.北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,環(huán)境模擬與污染控制國家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,北京 0087；.南方電網(wǎng)電力科技股份有限公司,廣東 廣州 50080)

大氣環(huán)流型是連接氣候與局地氣象的天氣系統(tǒng)分類方法,常用于分析區(qū)域或局地的空氣污染特征[1-5].而在不同大氣環(huán)流型控制下污染物的跨界傳輸也存在明顯的差異[6-8],研究不同環(huán)流型下污染物的傳輸規(guī)律,能夠更好地理解天氣系統(tǒng)和污染物傳輸?shù)年P(guān)系,從而針對(duì)不同的環(huán)流型,提出相應(yīng)的空氣污染防治措施.

空氣質(zhì)量模式常用于研究污染物的傳輸規(guī)律,例如Models-3/CMAQ 模式.基于模式系統(tǒng)開發(fā)了強(qiáng)力擾動(dòng)法[9],去耦合直接法[10],標(biāo)記示蹤法[11],響應(yīng)曲面模型[12]和跨界傳輸通量[13]等分析方法.其中跨界傳輸通量能夠簡單、直接地表達(dá)傳輸過程,被廣泛應(yīng)用于區(qū)域性的污染傳輸研究中[13-17].王威等[13]采用NAQPMS 模式對(duì)北京奧運(yùn)期間的PM10傳輸通量來向和大小進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)污染主要來自于南部邊界,且主要集中于邊界層的中下部.Jiang 等[14]采用GRAPES-CUACE 模式對(duì)北京2013 年冬季重霧霾過程進(jìn)行污染傳輸研究,發(fā)現(xiàn)低層大氣的南向傳輸是顆粒物傳輸?shù)闹饕ǖ?Zhang 等[15]采用CAMx模式研究北京地區(qū)2016 年10 月份一個(gè)污染過程,發(fā)現(xiàn)在重污染階段垂直高度0.6～1km,PM2.5的輸入通量明顯升高. Chang 等[16]采用CMAQ 模式對(duì)北京2012 年冬、夏兩季的PM2.5跨界傳輸通量進(jìn)行計(jì)算,發(fā)現(xiàn)冬季北京地區(qū)的PM2.5的主要輸入方向是西北和西南向,夏季北京地區(qū)的PM2.5的主要輸入方向是東南和西南向.

綜上所述,北京地區(qū)的污染物傳輸在不同的氣象條件,不同的方向和不同的垂直高度上都存在著明顯的差異.而當(dāng)前的研究工作往往只對(duì)短暫的污染時(shí)段進(jìn)行分析總結(jié),缺乏從氣象條件、傳輸方向和傳輸高度等角度對(duì)北京的污染傳輸規(guī)律進(jìn)行長時(shí)間、系統(tǒng)性的總結(jié).基于此,本文運(yùn)用CMAQ 模式對(duì)2013～2018年北京秋冬季的空氣質(zhì)量進(jìn)行模擬,并計(jì)算不同高度上的傳輸通量,結(jié)合氣象和污染特征,分析北京地區(qū)在不同環(huán)流型下的污染傳輸規(guī)律,從而理清北京地區(qū)在不同天氣系統(tǒng)控制下的傳輸特點(diǎn),增進(jìn)氣象對(duì)污染傳輸影響的認(rèn)識(shí),加強(qiáng)對(duì)北京秋冬季大氣污染成因的理解.

1 材料與方法

1.1 環(huán)流型計(jì)算方法

本文分析時(shí)段2013 年11 月～2018 年2 月,選取每年的1、2、11、12 月份進(jìn)行分析.采用Lamb-Jenkension 法[18-19]計(jì)算北京地區(qū)的地轉(zhuǎn)氣流參數(shù),并根據(jù)得到的地轉(zhuǎn)氣流強(qiáng)度、渦度和方向進(jìn)行大氣環(huán)流型分類,具體的參數(shù)計(jì)算方法和環(huán)流型分類標(biāo)準(zhǔn)參見已發(fā)表的相關(guān)研究報(bào)道[1].該方法將北京地區(qū)一天的大氣環(huán)流分為了北向(N,117d)、西北向(NW,48d)、東北向(NE,57d)、東向(E,42d)、東南向(SE,23d)、西向(W,22d)、西南向(SW,25d)、南向(S,18d)、氣旋(C,10d)、反氣旋(A,162d)和均壓(UM,77d)總共11 種環(huán)流型.

1.2 模式系統(tǒng)及設(shè)置

本文采用中尺度數(shù)值氣象模式WRF[20]模擬氣象場(chǎng),源排放處理模型SMOKE[21]生成逐時(shí)的源排放輸入數(shù)據(jù),空氣質(zhì)量模式CMAQv5.0.2[22]模擬出大氣中各污染物濃度的三維時(shí)空變化情況.模擬區(qū)域采用Lambert投影下的雙重嵌套網(wǎng)格,網(wǎng)格分辨率為36和12km,第二重網(wǎng)格區(qū)域包括京津冀及周邊地區(qū)(見圖1),垂直方向分為13 層.CMAQ 模式采用SAPRC07 氣相化學(xué)機(jī)理和AERO6 氣溶膠機(jī)理.模擬采用的人為源排放數(shù)據(jù),中國部分采用清華大學(xué)研制的中國多尺度排放清單(MEIC, www.eicmodel.org),中國以外地區(qū)采用INTEX-B 項(xiàng)目編制的東亞排放清單[23].另外,天然源排放數(shù)據(jù)由SMOKE 中的BEIS3(天然源排放清單系統(tǒng))模型根據(jù)植被分布數(shù)據(jù)和同期的溫度、輻射等氣象模擬數(shù)據(jù)計(jì)算得到[24].

圖1 雙重嵌套網(wǎng)格模擬區(qū)域Fig.1 Two domains for the simulation

1.3 傳輸通量計(jì)算方法

圖2 傳輸通量的截面空間位置Fig.2 Cross-section spatial position of transport flux

細(xì)顆粒物(PM2.5)傳輸通量指一段時(shí)間內(nèi)水平通過某一垂直截面的PM2.5質(zhì)量.本研究以北京平原地區(qū)為主要研究區(qū)域,在4 個(gè)方向設(shè)置截面,分別為南部平原,東部平原,北部山地和西部山地截面(見圖2).

通過模式提供的三維風(fēng)場(chǎng)和PM2.5濃度場(chǎng)計(jì)算各截面垂直方向13 層的PM2.5傳輸通量,計(jì)算公式如下:

式中:i 是垂直上第i 層,k 是截面所在的第k 個(gè)模擬網(wǎng)格,Flux 是傳輸通量,L 是截面在網(wǎng)格中的長度,H是每層的高度,C 是網(wǎng)格PM2.5濃度, V 是經(jīng)向風(fēng)速,U是緯向風(fēng)速,θ 表示的是截面法向量和經(jīng)線的夾角(見圖2).各截面的參數(shù)詳見表1.

表1 各截面主要參數(shù)Table 1 Key parameters of each section

由于模型垂直每層的高度不一致,為了方便比較和分析水平傳輸通量在垂直高度上的變化,將不等高度的傳輸通量轉(zhuǎn)換為等高度的傳輸通量,做法是將分配因子矩陣乘以原來不等高的通量向量得到等高度的通量向量,計(jì)算公式如下:

式中:Fluxj是等高度第j 層通量,地面高度從0～2km每隔200m 計(jì)算一次通量,總共10 層;aj,i是第i 層不等高通量分配給第j層等高通量的比例.Fluxi是不等高度第i 層通量.

1.4 垂直剖面分析

以39.95°N,116.31°E 為中心(見圖2 中三角形位置),分析該點(diǎn)在經(jīng)緯向垂直剖面上的流場(chǎng)和PM2.5濃度場(chǎng),用于進(jìn)一步說明北京地區(qū)在不同高度上的傳輸特點(diǎn).

2 結(jié)果與討論

2.1 模擬效果評(píng)估

觀測(cè)數(shù)據(jù)來自國家環(huán)境監(jiān)測(cè)總站提供的國控站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)(http://106.37.208.233:20035/),采用順義 新 城(40.14°N,116.72°E)、奧 體 中 心(40.00°N,16.40°E)、懷 柔 鎮(zhèn)(40.39°N,116.64°E)、昌 平 鎮(zhèn)(40.2°N,116.23°E)、海淀區(qū)萬柳(39.99°N,116.32°E)、東四(39.95°N, 116.43°E)、官園(39.94°N,116.36°E)、農(nóng) 展 館(39.97°N, 116.47°E) 、 古 城(39.93°N,16.23°E)、天壇(39.87°N,116.43°E)、定陵(40.29°N,16.17°E)、萬壽西宮(39.87°N,116.37°E)共12 個(gè)國控站的PM2.5平均值作為北京地區(qū)的PM2.5濃度觀測(cè)值,與CMAQ 模式同網(wǎng)格內(nèi)的模擬平均值進(jìn)行對(duì)比.通過相關(guān)系數(shù)(COR)、標(biāo)準(zhǔn)化平均偏差(NMB)和標(biāo)準(zhǔn)化平均誤差(NME),評(píng)估模擬值偏離觀測(cè)值的程度和兩者的相關(guān)性,并與其他文獻(xiàn)進(jìn)行對(duì)比.

表2 北京市PM2.5 小時(shí)濃度模擬值與觀測(cè)值的對(duì)比評(píng)估及與文獻(xiàn)比較Table 2 Comparison of PM2.5 simulation performance between this study and previous studies

PM2.5小時(shí)濃度觀測(cè)值與模擬值的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)如表2所示,與其他文獻(xiàn)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),統(tǒng)計(jì)指標(biāo)結(jié)果相近,在合理范圍內(nèi).而從不同時(shí)段PM2.5觀測(cè)值和模擬值的時(shí)間序列可以看到(圖3),各時(shí)段PM2.5的峰值基本能夠模擬出來,而對(duì)某些重污染過程的濃度峰值模擬偏差有所增大,這可能與氣象模式對(duì)極端不利氣象條件下的低風(fēng)速和低邊界層高度的準(zhǔn)確模擬存在困難、以及空氣質(zhì)量模式對(duì)重污染期間細(xì)粒子二次組分生成機(jī)制的描述不完善有關(guān).另外相關(guān)系數(shù)都在0.7 以上,表明模擬值的變化趨勢(shì)和觀測(cè)值較為吻合.

圖3 2013～2018 年秋冬季北京市國控站點(diǎn)PM2.5 觀測(cè)值和模擬值對(duì)比的時(shí)間序列Fig.3 Comparison between simulated and observed PM2.5 concentrations in the autumn and winter of 2013～2018 at Beijing sites

2.2 各環(huán)流型的PM2.5 傳輸通量

根據(jù)此前的研究報(bào)道[1],秋冬季北京在W、SW、C 、S 和UM 環(huán)流型控制下PM2.5濃度最高,是北京秋冬季污染的主要環(huán)流型;E 和SE 環(huán)流型控制下PM2.5濃度中等,是北京秋冬季污染的次要環(huán)流型;N、NE、NW 和A 環(huán)流型控制下PM2.5濃度最低,是北京秋冬季污染最輕的環(huán)流型.本文從PM2.5傳輸通量的角度入手,分析不同環(huán)流型控制下的PM2.5傳輸規(guī)律,定量傳輸對(duì)北京地區(qū)污染發(fā)生的影響程度.

各環(huán)流型下PM2.5日均輸入、輸出、凈通量見圖4.污染最重的W、SW、C、S 和UM 環(huán)流型輸入和輸出通量較大,在3000t/d 以上,具有明顯的輸入輸出現(xiàn)象.但W、SW 和S 環(huán)流型輸入通量明顯大于輸出通量,所有截面的凈輸入通量在200t/d以上.從圖5可見,這3 類環(huán)流型凈輸入通量和本地排放量相當(dāng),說明這3 類環(huán)流型下北京地區(qū)受PM2.5傳輸影響較大,并有非常強(qiáng)的傳輸累積作用,輸入的主要方向是南部平原.而C 和UM 環(huán)流型下輸入通量基本等于輸出通量,所有截面的凈通量較小,在40t/d 以下,遠(yuǎn)小于本地排放,說明這兩類環(huán)流型下北京地區(qū)無明顯的傳輸累積作用.對(duì)于污染程度中等的E 和SE 環(huán)流型,輸出通量大于輸入通量,具有一定的傳輸消散作用.對(duì)于污染最輕的N、NE、NW 和A 環(huán)流型,輸入和輸出通量都較小,但N、NE 和NW 環(huán)流型輸出通量明顯大于輸入通量,所有截面的凈輸出通量在200t/d 以上.從圖5 可見,這3 類環(huán)流型凈輸出通量和本地排放量相當(dāng),NE 型的凈輸出通量甚至遠(yuǎn)高于本地排放量(73:27),說明這3 類環(huán)流型下,北京地區(qū)對(duì)周邊城市有較大的PM2.5輸出作用,對(duì)北京的污染具有非常強(qiáng)的傳輸消散作用,輸出的主要方向是東部和南部平原.對(duì)于A 環(huán)流型下凈通量較小,無明顯的輸入輸出現(xiàn)象.

為了加深理解不同高度上的PM2.5傳輸規(guī)律,對(duì)不同高度上的傳輸通量進(jìn)行分析,見圖6.對(duì)于污染最重的W、SW 和S 環(huán)流型,輸入和輸出通量的峰值在1km 左右,輸入輸出通量能夠達(dá)到400t/d 以上,這與相關(guān)文獻(xiàn)的研究結(jié)果一致[15-16].而從凈通量上看,W 和SW 環(huán)流型在垂直高度0.6km 以下有較大的凈輸入通量,說明這兩類環(huán)流型下北京地區(qū)0.6km以下會(huì)有明顯的PM2.5傳輸累積作用,以南部和東部平原輸入為主.而S環(huán)流型控制下1.6km以下都有較大的凈輸入通量,凈輸入通量的垂直分布范圍在所有環(huán)流型中是最大的,其中在0.6km 以下東部平原 輸入主導(dǎo),在0.6km 以上轉(zhuǎn)為南部平原輸入為主.

圖4 2013～2018 年秋冬季各環(huán)流型2km 內(nèi)的 PM2.5 日均傳輸通量Fig.4 Daily PM2.5 transport flux within 2km of each circulation pattern in the autumn and winter of 2013～2018

圖5 2013～2018 年秋冬季各環(huán)流型下本地排放和凈通量對(duì)比Fig.5 Comparison of local emissions and net flux for each circulation type in the autumn and winter of 2013～2018

對(duì)于污染同樣嚴(yán)重的UM 和C 環(huán)流型,輸入輸出通量的峰值在1～1.2km 左右.從凈通量上看,UM型在0.4km 以下有較小的凈輸入通量,C 型垂直各層基本沒有凈通量.說明這兩類環(huán)流型控制下北京地區(qū)垂直各層無明顯的PM2.5傳輸累積作用.

對(duì)于E 和SE 環(huán)流型,輸入和輸出通量的峰值都在近地層(0.2km 以下).從凈通量上看,這兩類環(huán)流型在近地層有較大的凈輸出通量.說明這兩類環(huán)流型下北京近地層內(nèi)會(huì)有較明顯的跨界輸出作用,能夠降低北京地區(qū)的污染水平,以南部平原和西部山地輸出為主.

對(duì)于污染最輕的N、NE 和NW 環(huán)流型,輸入和輸出通量的峰值都在近地層(0.2km 以下),從凈通量上看,這3 類環(huán)流型在1km 以下有很大的凈輸出通量.說明這3 類環(huán)流型下北京地區(qū)1km 以下會(huì)有非常強(qiáng)的跨界輸出作用,能夠顯著降低北京地區(qū)的污染水平,輸出的主要方向是東部和南部平原.而對(duì)于污染同樣較輕的A 環(huán)流型,垂直各層的傳輸通量和凈通量都非常小,沒有明顯的PM2.5輸入輸出現(xiàn)象.

另外,對(duì)不同高度上的傳輸通量進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),所有的環(huán)流型在1km 以上,污染物緯向的傳輸都是西進(jìn)東出.特別地,對(duì)于SW、S、E 和SE,污染物傳輸隨著高度上升,污染傳輸由東進(jìn)西出轉(zhuǎn)為西進(jìn)東出.

圖6 2013～2018 年秋冬季各環(huán)流型下PM2.5 不同高度日均通量Fig.6 PM2.5 daily flux at different altitudes for each circulation type in the autumn and winter of 2013～2018

2.3 各環(huán)流型的PM2.5 傳輸特征

對(duì)近地面和垂直剖面的風(fēng)場(chǎng)和PM2.5濃度進(jìn)行分析,能夠直觀地展示流場(chǎng)、地形等因素對(duì)北京地區(qū)的污染傳輸影響,結(jié)合傳輸通量總結(jié)出各環(huán)流型下北京地區(qū)的PM2.5傳輸特征.

首先從近地面來看(圖7),W 和SW 環(huán)流型下,北京地區(qū)受很強(qiáng)的南向流場(chǎng)控制,沿著太行山脈風(fēng)速明顯減小,污染物存在明顯的山前匯聚作用.在S環(huán)流型下,北京地區(qū)以東風(fēng)為主,污染物同樣存在山前匯聚作用.而在C 和UM 環(huán)流型控制下,整個(gè)京津冀地區(qū)風(fēng)速非常小.其中UM 環(huán)流型下京津冀和山東西北部存在大范圍的PM2.5重污染帶.在偏東(E、SE)環(huán)流型控制下,北京地區(qū)以東北風(fēng)為主,北京地區(qū)向南部的保定等城市有較強(qiáng)的傳輸作用.在偏北(N、NE、NW)環(huán)流型控制下,北京地區(qū)以西北風(fēng)為主,北京地區(qū)向東南部的廊坊和保定等城市有很強(qiáng)的傳輸作用.在A 環(huán)流型控制下,北京地區(qū)風(fēng)速較小,污染較輕,沒有明顯的傳輸作用.

對(duì)不同高度上的污染傳輸進(jìn)一步分析,見圖8.W 和SW 環(huán)流型下,從徑向上看,北京地區(qū)垂直各層以強(qiáng)南風(fēng)為主,污染由南向北傳輸,北京北部0.6km以下由于山體阻隔,風(fēng)速很小,所以0.6km 以下存在較強(qiáng)的山前匯聚作用,在徑向上產(chǎn)生非常強(qiáng)的PM2.5凈輸入通量.而0.6km 以上沒有山體阻隔,不存在明顯的山前匯聚作用.所以對(duì)邊界層中下部的南向輸入控制將有效地降低污染程度.從緯向上看,由于地轉(zhuǎn)偏向力的作用,SW 環(huán)流型存在污染物輸入來向的切變,在0.6km 以下以東風(fēng)為主,在0.6km 以上以西風(fēng)為主,這將造成北京地區(qū)高低空污染來源地區(qū)的轉(zhuǎn)化.

圖7 2013～2018 年北京秋冬季各環(huán)流型下近地面的風(fēng)場(chǎng)和PM2.5 濃度空間分布Fig.7 Spatial distribution of wind field and PM2.5 concentration near the ground for each circulation type in the autumn and winter of 2013～2018

圖8 2013～2018 年秋冬季各環(huán)流型下風(fēng)場(chǎng)和PM2.5 濃度垂直剖面疊加圖Fig.8 Vertical profile of wind field and PM2.5 for each circulation type in the autumn and winter of 2013～2018

S 環(huán)流型下, 0.6km 以下,從緯向上看,以東風(fēng)為主,污染由東向西傳輸,產(chǎn)生較強(qiáng)的PM2.5東部平原凈輸入通量.0.6km 以上,從徑向上看,以南風(fēng)為主,產(chǎn)生較強(qiáng)的PM2.5南部平原凈輸入通量.所以對(duì)邊界層中下部的東向輸入和邊界層上部的南向輸入控制將有效降低污染程度.

C和UM環(huán)流型下,北京地區(qū)垂直各層經(jīng)向和緯向流場(chǎng)較弱,特別是在邊界層以下,風(fēng)速小于1m/s,受傳輸影響較小.所以本地排放的削減對(duì)于污染的控制尤為重要.

E 和SE 環(huán)流型下,從經(jīng)向上看,北京地區(qū)邊界層內(nèi)以北風(fēng)為主,污染由北向南傳輸,北京地區(qū)對(duì)南部的城市產(chǎn)生較大的PM2.5凈輸出通量.從緯向上看,這兩類環(huán)流型存在污染物輸入來向的切變,在0.6km以下以東風(fēng)為主,在0.6km 以上以西風(fēng)為主.

N、NE 和NW 環(huán)流型下北京地區(qū)垂直各層以北風(fēng)和西風(fēng)為主,隨著高度升高,風(fēng)速增大,北京地區(qū)對(duì)東南部的城市產(chǎn)生較大的PM2.5凈輸出通量.表3 根據(jù)北京地區(qū)各環(huán)流型下大氣流場(chǎng)、PM2.5濃度和PM2.5傳輸通量的分析,總結(jié)出各環(huán)流型下PM2.5的傳輸特征.

表3 各環(huán)流型的PM2.5 傳輸特征Table 3 PM2.5 transport characteristics of each circulation type

3 結(jié)論

3.1 在污染嚴(yán)重的SW 和W 環(huán)流型下,來自南部平原的PM2.5輸入主要發(fā)生在垂直高度0.6km 以下的范圍內(nèi),對(duì)北京具有非常強(qiáng)的輸入累積作用,加重了北京地區(qū)PM2.5的污染程度.

3.2 在污染嚴(yán)重的S 環(huán)流型下,0.6km 以下東部平原的PM2.5輸入和0.6km 以上南部平原的PM2.5輸入都產(chǎn)生了較強(qiáng)的輸入累積作用,京津冀東部和南部地區(qū)的污染物對(duì)北京地區(qū)PM2.5污染的影響通過不同的高度范圍發(fā)生作用.

3.3 在污染嚴(yán)重的C 和UM 環(huán)流型下,各方向的傳輸均未產(chǎn)生明顯的輸入累積作用,所以本地排放的削減對(duì)于污染的控制尤為重要.

3.4 在污染中等的E和SE環(huán)流型下,北京地區(qū)主要在近地層(200m 以下)的高度范圍對(duì)保定等城市產(chǎn)生較強(qiáng)的輸出作用,同時(shí)對(duì)北京的污染起到較強(qiáng)的消散作用.

3.5 在污染輕的N、NE 和NW 環(huán)流型下,北京地區(qū)在1km 以下的高度范圍內(nèi)對(duì)廊坊、天津等城市有較強(qiáng)的輸出作用,同時(shí)對(duì)北京的污染具有非常強(qiáng)的輸出消散作用.

3.6 在污染輕的A 環(huán)流型下,北京地區(qū)沒有明顯的輸入輸出現(xiàn)象.