京津冀地区重污染天气过程的污染扩散气象条件探析

　　1 前言
　　近年来，我国东部地区出现大气污染的天数迅速增加，主要污染物是人类排放的气溶胶和气态污染物通过光化学过程转化形成的二次气溶胶。污染形成的主要原因是污染物的大量排放，但受客观气象条件的影响，当出现不利于污染物输送扩散的天气时，易造成污染物的集聚、堆积。出现严重污染时空气质量极差，大气能见度降低，给社会和人类带来严重影响。京津冀地区人口密集，以汽车工业、电子工业、机械工业、冶金工业为主，是全国主要的高新技术和重工业基地，造成了该地区大气污染物排放量大，一旦出现不利于污染物扩散的气象条件，极易发生严重的大气污染现象。
　　稳定的大气环流形势为大气污染的发生和发展提供了有利的大气环境场。有研究表明，很多大气污染的发生与反气旋的停滞密切相关。反气旋在某地区长期滞留期间，地面风速可以下降到很小，近地面环流减弱，因此不足以吹散积累起来的污染物，造成空气质量下降。Wang and Angell(1999)定义了空气滞留日，从天气学角度描述这种有利于大气污染发生的气象环流背景条件。当某地满足海平面地转风小于 8m/s，对流层中层（500hPa）水平风速小于 13m/s，并且没有降水，则定义为一个空气滞留日。其中，如果对流层中低层（850hPa至地面）出现逆温，将海平面地转风适当放宽 10%（小于 8.8m/s）。用海平面气压梯度表示近地面的平均流场特征比用近地面风速更具有代表性，因为后者受到地表等复杂因素的影响，其本质是由模式的边界层参数化分析得来的。从天气学意义来讲，当某地区发生滞留现象时，天气系统长期维持或是缓慢地移动，地面风速和 500hPa 风速小，说明对流层中下层对流较弱，使得大气水平扩散能力小，污染物不易被输送到其他地区而造成长期积累发生污染。另一方面，若 850hPa 以下有异常逆温存在，更加稳定的低层大气使得空气的垂直混合减弱，污染物的垂直输送得到抑制。加上没有降水的湿沉降作用，这些异常大气环流背景条件都有利于污染天气的维持和发展。吴兑等使用区域近地层风矢量和算法定义气流停滞区，分析了 2013 年 1 月典型雾霾个例气流停滞区的形成过程，认为气流停滞区的形成反映了区域平流输送条件，气流停滞区造成污染物的停滞、积累，结果证明霾过程中，华北平原均出现明显的气流停滞区，区域矢量和很小，不利于空气中污染物的水平扩散。
　　2 研究方法
　　2.1 污染气象条件分析
　　根据 Wang and Angell(1999)的研究，海平面地转风和 500hPa 风速是表征空气滞留的两个重要天气条件。当海平面地转风和 500hPa 风速都分别小于一定值时，说明天气系统在某地区持续或缓慢地移动，对流层中低层水平风速小，大气水平输送弱，就不利于污染物的扩散，因此本文将通过分析污染过程中海平面地转风和 500hPa 风速的特征了解污染过程中的天气环流背景。
　　2.2 中尺度数值模拟
　　WRF（Weather Research and Forecast Model）是由美国国家大气研究中心（NCAR）和国家环境预测中心（NCEP）联合开发的新一代中尺度数值天气预报模式，在目前的天气预报业务和大气科学研究中都得到了广泛应用。随着 WRF 中边界层参数化的不断改进，WRF 对大气边界层模拟能越来越准确地描述真实大气的边界层特征。本文 WRF 模拟使用 NCEP 11分辨率的 FNL 资料提供初始场和边界条件，设置 3 层嵌套的模拟区域，网格分辨率分别为45、15、5 公里。如图 5.1 所示，第一层区域覆盖东亚大陆和周围海域；第二层区域覆盖了整个中国；最内层区域包括了京津冀、山西省以及山东北部地区。垂直方向分 36 层，模式顶高在 50hPa，采用上疏下密分层以更精确地模拟大气边界层的结构，其中前 6 层所在高度大约分别为： 8,29,53,82,115 和 152 米。第一、二层嵌套选用 Kain-Fritsch 积云对流参数化方案（Kain,2004），最里层 5 公里水平分辨率能够解析积云对流方程，因此不需要使用参数化。第一层选用 Thompson 微物理过程（Thompson，Field，Rasmussen and Hall，1989），第二、三重采用 WSM6 微物理过程（Hong and Lin,2006）。近地面层方案需要和边界层方案配合使用，第一层区域近地面和边界层方案分别采用 Eta 方案和 MYJ 方案（Janjic,2002），其他两层都分别采用 MM5 方案（Beljaars,1995）和 ACM2 方案（Pleim,2007）。其他物理过程参数化方案设置如下：长波辐射采用 RRTM 方案（Mlawer et al.,1997）；短波辐射采用Dudhia 方案（Dudhia,1989），每 30 分钟调用一次辐射方案；陆面过程使用 Noah 方案（Chenand Dudhia,2001）。通过在 45km 的粗网格中运用张弛逼近（Nudging）技术，对 2013 年 12月 1-9 日和 2014 年 2 月 19-26 日两个重污染过程分别进行了连续的数值模拟。WRF 分别从2013-11-30 0800 LST 和 2014-02-18 0800 LST 开始积分，其中前 16 小时作为模式启动的调整时间，第一层网格 6h 输出一次结果，第二、三层每 1h 输出一次结果。
　　本文所做的研究中用到的资料有：（1）NCEP/NCAR 日平均再分析资料（Kalnay 等，1996），时间范围是 2003-2012 年每年的 2 月和 12 月，以及 2013 年的 12 月和 2014 年的 2 月，水平分辨率为 2.52.5，垂直分辨率为 17 层，本文分析中用到了 500hPa 的风分量资料和海平面气压资料；（2）NCEP FNL 分析资料（final analyses data），时间范围为北京时间2013 年 11 月 30 日 08 时到 2013 年 12 月 10 日 08 时和 2014 年 2 月 18 日 08 时到 2014 年 2月 27 日 08 时，水平分辨率为 11，时间分辨率为每日 4 次（02、08、14、20 时）。（3）中华人民共和国环境保护部发布的 2013 年 12 月和 2014 年 2 月各城市空气质量指数（AQI）数据。
　　3 结果分析
　　3.1 通风量
　　WRF 数值模式是高分辨率的动力降尺度模式。通过 WRF 的第三层嵌套 5km 分辨率模拟的气象要素场结果，运用（4）式计算这次污染过程平均大气边界层通风量分布（图 4.1.2）。由图可见，太行山以东的京津冀地区，通风量为明显低值分布，石家庄、保定、衡水等地的通风量均不足 1000 m2/s。通风量体现了边界层高度和边界层内风速对污染扩散的综合作用，混合层高度的日变化特征显示，混合层高度在白天 14 时左右达到日最大值。根据数值模拟结果，对 2013 年 12 月 1-9 日重污染天气过程中石家庄、邢台、北京和天津等城市 14 时平均通风量气象条件的分析结果显示，京津冀地区各城市日最大混合层高度平均值在448m-649m 之间，区域平均值约 539m；各城市日最大通风量平均值在 1211m2/s-3360m2/s 之间，区域平均值约 2543m2/s。
　　3.2 2014 年 2 月 19-26 日重污染天气过程分析
　　3.2.1 空气滞留气象条件
　　京津冀地区2014年2月19-25日严重污染过程中500hPa风速和海平面地转风距平分布（图 4.2.1）也表现出明显低于 10 年气候平均值的异常特征。500hPa 风速的低值区分布在京津冀地区以及辽东半岛，比 10 年气候平均值低 12m/s 以上，与此次污染过程中石家庄、邢台、保定、北京等城市的重污染较为一致。通过对这次污染过程中京津冀地区各城市空气滞留气象条件统计分析得知，2014 年 2 月 19-26 日京津冀地区严重污染天气发生期间，500hpa 平均风速较近 10 年同期下降了约 49-59%，平均下降 55.1%，平均海平面地转风下降约 6-42%，平均下降 22.9%。六级污染天数达到 5 天及以上的石家庄、邢台和北京的 500hPa平均风速和海平面地转风分别降低 51.3-56.6%和 8.7-36.2%。
　　3.3 地形对河北南部城市大气污染的作用
　　石家庄、邢台、衡水等京津冀南部城市位于太行山脉的东侧，为了分析山脉阻挡对污染的作用，利用模式垂直分层加密对流层低层的优点，设置模式第三层嵌套的垂直分层为 36层，其中第 5、8、11 和 17 层所在高度大约为 100m、250m、500m 和 1000m，得到 2013 年 12月 1-9 日污染过程中每日 08 时（北京时间）的各高度层水平风速分布。图 4.3 为 2013 年12 月 2 日、5 和 8 日的各层水平风速图，其他图略。通过水平风速和空气质量指数对比发现，二者之间有着直接的关系。2 日京津冀南部各城市均出现五级污染，08 时的水平风速图在太行山以东为明显的风速低值区，平均风速约 3m/s，称之为风影区。太行山脉大部分海拔在 1200m 以上，因此在约 1000m 高度上仍然可看到有风影区的存在。持续到 5 日 08 时，之前的风影区变为明显相反的风速大值区，累积的污染物得到部分扩散、稀释，5 日京津冀的污染明显得到缓解。6 日到 8 日，风影区又逐渐显现出，从 8 日 08 时的风速图可看出明显的风影区，污染程度也随之加剧，8 日达到此次污染过程的 AQI 峰值，以后随着气象条件逐渐变好，堆积的污染物不断被输送和沉降，空气质量变好，能见度提高。由此可见，太行山对西风气流的阻挡是造成河北南部城市大气污染的重要原因。
　　4 结论
　　本文通过再分析全球大气环流模式格点资料和 WRF 中尺度数值模拟，从天气学和大气边界层两个角度分析了 2013 年 12 月和 2014 年 2 月我国两次严重大气污染过程中空气停滞气象条件和通风量的特征及其作用，得到研究结论如下：
　　a. 两次严重大气污染天气发生期间，500hPa 等压面上的平均风速和平均海平面地转风表现为明显的气候异常特征，500hpa平均风速较近10年同期分别下降了约30.6%和 55.1%，平均海平面地转风均下降约 23%。
　　b. 京津冀地区在两次严重污染天气过程中，区域平均日最大混合层高度分别为 539m和 618m，区域平均日最大通风量分别为 2543m2/s 和 2212m2/s。
　　c. 太行山对西风气流的阻挡是造成河北南部城市大气污染的重要原因。
　　本文仅仅分析了城市大气污染发生时的污染扩散天气条件，没有考虑降水带来的污染物湿清楚过程，以及温度、湿度、辐射等对二次光化学污染形成的影响，这些重要的污染气象条件还有待进一步研究。