京津冀地區(qū)重污染天氣過程的污染擴(kuò)散氣象條件探析

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京津冀地區(qū)重污染天氣過程的污染擴(kuò)散氣象條件探析本文從網(wǎng)絡(luò)收集而來，上傳到平臺為了幫到更多的人，如果您需要使用本文檔，請點(diǎn)擊下載按鈕下載本文檔（有償下載），另外祝您生活愉快，工作順利，萬事如意！1刖言近年來，我國東部地區(qū)出現(xiàn)大氣污染的天數(shù)迅速增加，主要污染物是人類排放的氣溶膠和氣態(tài)污染物通過光化學(xué)過程轉(zhuǎn)化形成的二次氣溶膠。污染形成的主要原因是污染物的大量排放，但受客觀氣象條件的影響，當(dāng)出現(xiàn)不利于污染物輸送擴(kuò)散的天氣時，易造成污染物的集聚、堆積。出現(xiàn)嚴(yán)重污染時空氣質(zhì)量極差，大氣能見度降低，給社會和人類帶來嚴(yán)重影響。京津冀地區(qū)人口密集，以汽車工業(yè)、電子工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、冶金工業(yè)為主，是全國主要的高新技術(shù)和重工業(yè)基地，造成了該地區(qū)大氣污染物排放量大，一旦出現(xiàn)不利于污染物擴(kuò)散的氣象條件，極易發(fā)生嚴(yán)重的大氣污染現(xiàn)象。穩(wěn)定的大氣環(huán)流形勢為大氣污染的發(fā)生和發(fā)展提供了有利的大氣環(huán)境場。有研究表明，很多大氣污染的發(fā)生與反氣旋的停滯密切相關(guān)。反氣旋在某地區(qū)長期滯留期間，地面風(fēng)速可以下降到很小，近地面環(huán)流減弱，因此不足以吹散積累起來的污染物，造成空氣質(zhì)量下降。WangandAngell（1999）定義了空氣滯留日，從天氣學(xué)角度描述這種有利于大氣污染發(fā)生的氣象環(huán)流背景條件。當(dāng)某地滿足海平面地轉(zhuǎn)風(fēng)小于8m/s，對流層中層（500hPa）水平風(fēng)速小于13m/s，并且沒有降水，則定義為一個空氣滯留日。其中，如果對流層中低層（850hPa至地面）出現(xiàn)逆溫，將海平面地轉(zhuǎn)風(fēng)適當(dāng)放寬10%（小于/s）。用海平面氣壓梯度表示近地面的平均流場特征比用近地面風(fēng)速更具有代表性，因為后者受到地表等復(fù)雜因素的影響，其本質(zhì)是由模式的邊界層參數(shù)化分析得來的。從天氣學(xué)意義來講，當(dāng)某地區(qū)發(fā)生滯留現(xiàn)象時，天氣系統(tǒng)長期維持或是緩慢地移動，地面風(fēng)速和500hPa風(fēng)速小，說明對流層中下層對流較弱，使得大氣水平擴(kuò)散能力小，污染物不易被輸送到其他地區(qū)而造成長期積累發(fā)生污染。另一方面，若850hPa以下有異常逆溫存在，更加穩(wěn)定的低層大氣使得空氣的垂直混合減弱，污染物的垂直輸送得到抑制。加上沒有降水的濕沉降作用，這些異常大氣環(huán)流背景條件都有利于污染天氣的維持和發(fā)展。吳兌等使用區(qū)域近地層風(fēng)矢量和算法定義氣流停滯區(qū)，分析了2013年1月典型霧霾個例氣流停滯區(qū)的形成過程，認(rèn)為氣流停滯區(qū)的形成反映了區(qū)域本文為網(wǎng)絡(luò)收集精選范文、公文、論文、和其他應(yīng)用文檔，如需本文，請下載本文為網(wǎng)絡(luò)收集精選范文、公文、論文、和其他應(yīng)用文檔，如需本文，請下載平流輸送條件，氣流停滯區(qū)造成污染物的停滯、積累，結(jié)果證明霾過程中，華北平原均出現(xiàn)明顯的氣流停滯區(qū)，區(qū)域矢量和很小，不利于空氣中污染物的水平擴(kuò)散。2研究方法污染氣象條件分析根據(jù)WangandAngell(1999)的研究，海平面地轉(zhuǎn)風(fēng)和500hPa風(fēng)速是表征空氣滯留的兩個重要天氣條件。當(dāng)海平面地轉(zhuǎn)風(fēng)和500hPa風(fēng)速都分別小于一定值時，說明天氣系統(tǒng)在某地區(qū)持續(xù)或緩慢地移動，對流層中低層水平風(fēng)速小，大氣水平輸送弱，就不利于污染物的擴(kuò)散，因此本文將通過分析污染過程中海平面地轉(zhuǎn)風(fēng)和500hPa風(fēng)速的特征了解污染過程中的天氣環(huán)流背景。中尺度數(shù)值模擬WRF(WeatherResearchandForecastModel)是由美國國家大氣研究中心(NCAR)和國家環(huán)境預(yù)測中心(NCEP)聯(lián)合開發(fā)的新一代中尺度數(shù)值天氣預(yù)報模式，在目前的天氣預(yù)報業(yè)務(wù)和大氣科學(xué)研究中都得到了廣泛應(yīng)用。隨著WRF中邊界層參數(shù)化的不斷改進(jìn)，WRF對大氣邊界層模擬能越來越準(zhǔn)確地描述真實大氣的邊界層特征。本文WRF模擬使用NCEP 本文為網(wǎng)絡(luò)收集精選范文、公文、論文、和其他應(yīng)用文檔，如需本文，請下載 本文為網(wǎng)絡(luò)收集精選范文、公文、論文、和其他應(yīng)用文檔，如需本文，請下載 本文為網(wǎng)絡(luò)收集精選范文、公文、論文、和其他應(yīng)用文檔，如需本文，請下載 本文為網(wǎng)絡(luò)收集精選范文、公文、論文、和其他應(yīng)用文檔，如需本文，請下載本文為網(wǎng)絡(luò)收集精選范文、公文、論文、和其他應(yīng)用文檔，如需本文，請下載本文為網(wǎng)絡(luò)收集精選范文、公文、論文、和其他應(yīng)用文檔，如需本文，請下載本文為網(wǎng)絡(luò)收集精選范文、公文、論文、和其他應(yīng)用文檔，如需本文，請下載 本文為網(wǎng)絡(luò)收集精選范文、公文、論文、和其他應(yīng)用文檔，如需本文，請下載 本文為網(wǎng)絡(luò)收集精選范文、公文、論文、和其他應(yīng)用文檔，如需本文，請下載 1°*1°分辨率的FNL資料提供初始場和邊界條件，設(shè)置3層嵌套的模擬區(qū)域，網(wǎng)格分辨率分別為45、15、5公里。如圖所示，第一層區(qū)域覆蓋東亞大陸和周圍海域；第二層區(qū)域覆蓋了整個中國；最內(nèi)層區(qū)域包括了京津冀、山西省以及山東北部地區(qū)。垂直方向分36層，模式頂高在50hPa，采用上疏下密分層以更精確地模擬大氣邊界層的結(jié)構(gòu)，其中前6層所在高度大約分別為：8,29,53,82,115和152米。第一、二層嵌套選用Kain-Fritsch積云對流參數(shù)化方案(Kain,2004)，最里層5公里水平分辨率能夠解析積云對流方程，因此不需要使用參數(shù)化。第一層選用Thompson微物理過程(Thompson，F(xiàn)ield，RasmussenandHall，1989)，第二、三重采用WSM6微物理過程(HongandLn2006 )。近地面層方案需要和邊界層方案配合使用，第一層區(qū)域近地面和邊界層方案分別采用Eta方案和MYJ方案(Janjic,2002)，其他兩層都分別采用MM5方案(Beljaars,1995)和ACM2方案(Pleim,2007)。其他物理過程參數(shù)化方案設(shè)置如下:長波輻射采用RRTM方案(Mlaweretal.,1997)；短波輻射采用Dudhia方案(Dudhia,1989)，每30分鐘調(diào)用一次輻射方案；陸面過程使用Noah方案(ChenandDudhia,2001)。通過在45km的粗網(wǎng)格中運(yùn)用張弛逼近（Nudging）技術(shù)，對2013年12月1-9日和2014年2月19-26日兩個重污染過程分別進(jìn)行了連續(xù)的數(shù)值模擬。WRF分別從2013-11-300800LST和2014-02-180800LST開始積分，其中前16小時作為模式啟動的調(diào)整時間，第一層網(wǎng)格6h輸出一次結(jié)果，第二、三層每1h輸出一次結(jié)果。本文所做的研究中用到的資料有：（1）NCEP/NCAR日平均再分析資料（Kalnay等，1996），時間范圍是2003-2012年每年的2月和12月，以及2013年的12月和2014年的2月，水平分辨率為°x。，垂直分辨率為17層，本文分析中用到了500hPa的風(fēng)分量資料和海平面氣壓資料；（2）NCEPFNL分析資料（finalanalysesdata），時間范圍為北京時間2013年11月30日08時到2013年12月10日08時和2014年2月18日08時到2014年2月27日08時，水平分辨率為1。*1。，時間分辨率為每日4次（02、08、14、20時）。（3）中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的2013年12月和2014年2月各城市空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）數(shù)據(jù)。3結(jié)果分析通風(fēng)量WRF數(shù)值模式是高分辨率的動力降尺度模式。本文為網(wǎng)絡(luò)收集精選范文、公文、論文、和其他應(yīng)用文檔，如需本文，請下載本文為網(wǎng)絡(luò)收集精選范文、公文、論文、和其他應(yīng)用文檔，如需本文，請下載通過WRF的第三層嵌套5km分辨率模擬的氣象要素場結(jié)果，運(yùn)用（4）式計算這次污染過程平均大氣邊界層通風(fēng)量分布（圖）。由圖可見，太行山以東的京津冀地區(qū)，通風(fēng)量為明顯低值分布，石家莊、保定、衡水等地的通風(fēng)量均不足1000m2/s。通風(fēng)量體現(xiàn)了邊界層高度和邊界層內(nèi)風(fēng)速對污染擴(kuò)散的綜合作用，混合層高度的日變化特征顯示，混合層高度在白天14時左右達(dá)到日最大值。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，對2013年12月1-9日重污染天氣過程中石家莊、邢臺、北京和天津等城市14時平均通風(fēng)量氣象條件的分析結(jié)果顯示，京津冀地區(qū)各城市日最大混合層高度平均值在448m-649m之間，區(qū)域平均值約539m；各城市日最大通風(fēng)量平均值在12nm2/s-3360m2/s之間，區(qū)域平均值約2543m2/s。2014年2月19-26日重污染天氣過程分析空氣滯留氣象條件京津冀地區(qū)2014年2月19-25日嚴(yán)重污染過程中500hPa風(fēng)速和海平面地轉(zhuǎn)風(fēng)距平分布（圖）也表現(xiàn)出明顯低于10年氣候平均值的異常特征。500hPa風(fēng)速的低值區(qū)分布在京津冀地區(qū)以及遼東半島，比10年氣候平均值低12m/s以上，與此次污染過程中石家莊、邢臺、保定、北京等城市的重污染較為一致。通 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過對這次污染過程中京津冀地區(qū)各城市空氣滯留氣象條件統(tǒng)計分析得知，2014年2月19-26日京津冀地區(qū)嚴(yán)重污染天氣發(fā)生期間，500hpa平均風(fēng)速較近10年同期下降了約49-59%，平均下降％，平均海平面地轉(zhuǎn)風(fēng)下降約6-42%，平均下降％。六級污染天數(shù)達(dá)到5天及以上的石家莊、邢臺和北京的500hPa平均風(fēng)速和海平面地轉(zhuǎn)風(fēng)分別降低％和％。地形對河北南部城市大氣污染的作用石家莊、邢臺、衡水等京津冀南部城市位于太行山脈的東側(cè)，為了分析山脈阻擋對污染的作用，利用模式垂直分層加密對流層低層的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)置模式第三層嵌套的垂直分層為36層，其中第5、8、11和17層所在高度大約為100m、250m、500m和1000m，得到2013年12月1-9日污染過程中每日08時（北京時間）的各高度層水平風(fēng)速分布。圖為2013年12月2日、5和8日的各層水平風(fēng)速圖，其他圖略。通過水平風(fēng)速和空氣質(zhì)量指數(shù)對比發(fā)現(xiàn)，二者之間有著直接的關(guān)系。2日京津冀南部各城市均出現(xiàn)五級污染，08時的水平風(fēng)速圖在太行山以東為明顯的風(fēng)速低值區(qū)，平均風(fēng)速約3m/s，稱之為“風(fēng)影區(qū)”。太行山脈大部分海拔在1200m以上，因此在約1000m高度上仍然可看到有“風(fēng)影區(qū)”的存在。持續(xù)到5日08時，之前的“風(fēng)影區(qū)”變?yōu)槊黠@相反的風(fēng)速大值區(qū)，累積的污染物得到部分?jǐn)U散、稀釋，5日京津冀的污染明顯得到緩解。6日到8日，“風(fēng)影區(qū)”又逐漸顯現(xiàn)出，從8日08時的風(fēng)速圖可看出明顯的“風(fēng)影區(qū)”，污染程度也隨之加劇，8日達(dá)到此次污染過程的AQI峰值，以后隨著氣象條件逐漸變好，堆積的污染物不斷被輸送和沉降，空氣質(zhì)量變好，能見度提高。由此可見，太行山對西風(fēng)氣流的阻擋是造成河北南部城市大氣污染的重要原因。4結(jié)論本文通過再分析全球大氣環(huán)流模式格點(diǎn)資料和WRF中尺度數(shù)值模擬，從天氣學(xué)和大氣邊界層兩個角度分析了2013年12月和2014年2月我國兩次嚴(yán)重大氣污染過程中空氣停滯氣象條件和通風(fēng)量的特征及其作用，得到研究結(jié)論如下：a.兩次嚴(yán)重大氣污染天氣發(fā)生期間，500hPa等壓面上的平均風(fēng)速和平均海平面地轉(zhuǎn)風(fēng)表現(xiàn)為明顯的氣候異常特征，500hpa平均風(fēng)速較近10年同期分別下降了約％和％，平均海平面地轉(zhuǎn)風(fēng)均下降約23%。b.京津冀地區(qū)在兩次嚴(yán)重污染天氣過程中，區(qū)域平均日最大混合層高度分別為539m和618m，區(qū)域平均日最大通風(fēng)量分別為2543m2/s和2212m2/s。本文為網(wǎng)絡(luò)收集精選范文、公文、論文、和其他應(yīng)用文檔，如需本文，請