黄山地区复杂地形下污染气体输送过程的数值模拟

金祺，银燕，谭稳

(南京信息工程大学中国气象局大气物理与大气环境重点开放实验室，江苏南京210044)

黄山地区复杂地形下污染气体输送过程的数值模拟

金祺，银燕，谭稳

(南京信息工程大学中国气象局大气物理与大气环境重点开放实验室，江苏南京210044)

使用新一代大气化学传输模式WRF-Chem，模拟了黄山地区2008年4月26日和5月2日不同天气背景下污染气体的输送过程。结果表明:晴天条件下，污染气体的垂直输送主要是通过山谷风环流，将山底污染物垂直向山顶输送，黄山周边地区输送对光明顶污染物体积分数影响较小，气溶胶粒子的主要来源是新粒子生成;云雾天气下，污染物的垂直输送主要是通过边界层内的湍流扩散，夜间近距离输送对光明顶污染物体积分数贡献较大，气溶胶粒子的主要来源是地面输送。

复杂地形;污染气体;输送过程;数值模拟

0 引言

人为大气污染影响人体健康乃至全球气候，已成为全社会关注的热点。高体积分数的污染气体主要归因于局地排放，同时也会受到周边地区或者远距离输送的影响。通常在高压控制和大气层结较稳定条件下污染物不易扩散，局地排放对污染物的累积贡献较大(Donnell et al.，2001)。局地排放的污染气体通常会受边界层的抑制不易进入自由大气，因此需要较强的对流过程将污染气体垂直输送到边界层以上。一般而言，污染气体的垂直输送有三种机制:深对流输送(Dickerson et al.，1987;Pickering and Dickerson，1989)、锋面输送(Donnell et al.，2001)、山谷风输送(Rong and Turco，1995;Chen etal.，2009)。污染气体进入自由大气后，停留时间更长，可以进行近距离或者远距离输送。若有大尺度的天气过程，如锋面系统(Mari et al.，2004)或大范围的气旋、反气旋系统(Kiley et al.，2003)等，可对污染气体进行远距离输送。

国内在兰州地区进行大量复杂地形下污染物传输的研究(姜金华和彭新东，2002;安兴琴等，2005a，2005b;郑飞等，2007)，取得了一些成果。但是这些研究很少对复杂地形下污染物输送机制进行深入探讨，也没有考虑不同的天气形势对污染物输送的影响，而且上述研究主要集中在西北地区，缺少对我国东部地区复杂地形下污染物输送特征的研究。本文将使用中尺度大气化学传输模式WRF-Chem模拟复杂地形下的污染物输送过程，对研究局地污染物如何影响全球污染物分布有重要意义。

黄山是我国的著名风景区之一，位于安徽省南部(30°18'E，118°14'N)。2008年4—7月，在黄山光明顶(海拔约1 840 m)开展了对大气气溶胶和云/雾微观特性的连续观测试验。林振毅(2010)发现，4月24—28日的晴天时段和4月29日—5月4日的云雾天时段气溶胶呈现出两种不同的日变化特征，即晴天时段气溶胶数浓度从早上开始升高，中午达到峰值，之后迅速回落，并且数浓度的升高主要因细粒子增加所致，而云雾天时段气溶胶粒子在00时到12时数浓度较低，12时到24时表现出波动状态，总体数浓度低于晴天条件下的数浓度。本文试图通过对黄山地区污染物输送的模拟来解释上述变化规律的可能机理。

1 模式介绍和模拟方案设计

1.1 模式介绍

WRF/Chem模式是美国最新发展的区域大气动力—化学耦合模式。该模式除了可以计算各种动力参数和微物理变量(如:风、温度、边界层、云雨过程等)外，在其化学部分还包括了完整的传输(平流、对流和扩散)、干沉降、辐射、气相化学和光化学等过程。模式最大的优点是气象模块与化学传输模块在时间和空间分辨率上完全耦合，实现了真正的在线传输(Grell et al.，2005)。

1.2 模拟方案设计

本文选取2008年4月26日和5月2日两个个例分别代表晴天和云雾天两种不同天气过程。模拟时间分别为4月25日14时(北京时)至27日02时、5月1日14时至3日02时，目的在于比较两种天气背景下污染气体输送过程的差异及机理。模式版本为3.1.1。模式的初始气象场和边界场资料由NCEP 1°×1°再分析资料提供。模拟采用二重嵌套，模拟区域中心位于118.14°E、30.18°N(图1)，外层和内层嵌套网格数分别为120×100、69×69，对应的网格分辨率分别为3 km和1 km，时间步长为18 s。垂直方向采用地形跟随δ坐标系，分为40层。模式层顶气压为50 hPa。各参数化方案的选择为:Lin微物理方案、RRTM长波辐射方案、Dudhia短波辐射参数化方案、Monin-Obukhov近地面层参数化方案、MYJ边界层参数化方案、Kain-Fritsch积云参数化方案。

图1 模拟区域(阴影为地形高度，单位:m;虚线框表示排放源释放区域)a.外层嵌套;b.内层嵌套Fig.1 Simulation region(the shading represents the height of terrain with the unit of m，and the dash line frame does the sources region of the pollutants)a.the outer layer of nested;b.the inner layer of nested

本文使用理想的排放源，排放源的设计参考了Chen et al.(2009)。本研究的主要目的是考察污染气体输送对黄山光明顶大气成分的影响，因此在光明顶的上风方向设置排放源。考虑到模拟期间黄山地区主要以东南风为主(图2)，排放源设置在光明顶东南方向，面积为27 km×27 km，排放高度在地面附近，代表近距离源;从模式内层区域可以看到，在光明顶一定距离范围内有城镇存在，人为活动排放的大量污染物在适当环流条件下有可能传输到光明顶，因此围绕黄山光明顶附近加入了一个环山的排放源，代表局地源(图1中虚线框)。使用NO为示踪气体。排放源排放强度为100 mol/(km2·h)。在模拟中关闭了气相化学、气溶胶化学、光化学过程以及干沉降和湿沉降，以突出气体传输过程。

2 天气形势分析

图2为950 hPa风场和位势高度场。4月26日08时，东北低涡位于朝鲜半岛，华北地区有一弱低压，我国中、东部地区受一弱高压控制，水平风速较小，天气以晴天为主，有利于山谷风的形成。5月2日08时，东北低涡移至我国内蒙古一带，华北、东北地区受低压控制，华东地区位于高压西部，受东南气流影响，东南气流将沿海湿润的空气带到黄山地区，受地形抬升影响形成地形云，导致黄山地区为云雾天气。

3 模拟结果分析

3.1 风场模拟结果分析

由于内层嵌套只有光明顶站有较为完整的气象观测资料，因此风场的比较选取了光明顶站。图3为模拟和观测的风速风向。4月26日，模拟的风速和风向与实况相比都较为一致。风速在0～12 m/s之间变化，白天风向为偏西风，20时之后转为偏南风。5月2日，模拟的风速和风向与观测值也有相似的趋势，但在数值上有一定差异，可能与初始场的分辨率不够精细有关(Chen et al.，2008)。

3.2 近距离输送对光明顶污染物的影响

4月26日，日间由于局地小尺度湍流较强，大尺度风场作用不明显，污染气体只在排放源附近有一定扩散。随着夜间地面东南气流的逐渐加强，污染气体开始向光明顶方向传输，并在27日00时左右到达黄山，由于夜间边界层的抑制并且水平风较弱，污染气体不能沿山坡输送到光明顶(图4b)。5月2日，日间由于同样的原因污染气体只在排放源附近有一定扩散。夜间污染气体在较强的东南气流作用下，20时左右已到达黄山，并且较强的水平风遇山体阻挡开始爬坡，携带污染气体向上输送，将部分污染气体输送到光明顶(图4d)。

图5是污染物的垂直剖面。可以看到，4月26日污染物只能输送到光明顶附近，对光明顶污染物体积分数的影响较小;5月2日部分污染物能够被输送到光明顶。

3.3 局地排放对光明顶污染的影响

图2 950hPa风场(m/s)和位势高度场(gpm)a.4月26日08时;b.5月2日08时Fig.2 The 950 hPa wind(m/s)and geopotential height(gpm)fields at(a)08:00 BST 26 April and(b)08:00 BST 2 May

图3 模拟和观测的光明顶风速、风向a.4月26日风速;b.4月26日风向;c.5月2日风速;d.5月2日风向Fig.3 Simulated and observed wind speed and wind direction at Guangmingdinga.wind speed on 26 A-pril;b.wind direction on 26 April;c.wind speed on 2 May;d.wind direction on 2 May

图4 模式第3层污染物体积分数分布(10－6)和风场(m/s)(等值线表示地形高度，阴影表示NO体积分数，红点表示光明顶)a.4月26日20时;b.4月27日00时;c.5月2日20时;d.5月3日00时Fig.4 Volume fraction of pollutants(10－6)and wind field(m/s)at the third layer of the model(the isoline stands for the height of terrain，the shading is the volume fraction of NO，and the red dot represents the Guangmingding)a.20:00 BST 26 April;b.00:00 BST 27 April;c.20:00 BST 2 May;d.00:00 BST 3 May

局地排放可以通过山谷风或者边界层高度的日变化对污染物体积分数分布产生影响(Tie et al.，2007)。为研究局地排放源对光明顶空气质量的影响，在黄山光明顶附近加入了一个环山排放源。4月26日02时(图6a)，光明顶附近气流向外辐散，表现出明显的山风。下山气流将山顶的污染物输送到山下，导致山顶污染物出现低值。由于夜间边界层降低，污染物被限制在地面附近，无法向上传输，且在地形作用下污染物在山谷地区不断积聚。08时，由于污染物的持续排放，且边界层高度还未升高，地面污染物体积分数达到当日的最高值。白天，由于地面受热不均产生谷风。图6c表明，12时，光明顶附近气流向山顶辐合，将地面的污染物带向山顶，导致山顶污染物体积分数升高。

5月2日，光明顶附近受偏南气流控制(图6d)，地面附近污染气体随气流向北扩散。气流在经过黄山附近产生绕山气流，山体南侧的污染气体被输送到山体北侧，导致5月2日08时光明顶北侧山谷处污染物体积分数高于4月26日08时的污染物体积分数。12时，地面的南风气流继续绕山并在山体北侧汇合。图6f表明，气流在山体北侧汇合，产生了一股上山气流，将少量污染气体输送到光明顶附近。

图7是沿图1中CD线的风场和温度场的垂直剖面。可见，4月26日，山坡附近的温度明显高于远离山坡一侧的温度，受热不均形成谷风环流;5月2日，山坡和山谷区域没有明显的热力差异，导致谷风不明显。

图8是沿图1中CD线的污染物体积分数和风场的垂直剖面。4月26日02时，光明顶南北两侧都有明显的山风。光明顶南侧，由于低层的偏南气流和下山气流汇合形成一个弱的辐合，并产生弱上升气流，污染气体被抬升到900 m高度。光明顶北侧，离山较远的一边对应于山体附近的下沉气流产生一股上升补偿气流，从而形成一个典型的夜间山风环流。14时谷风最为强盛，边界层高度在1 000 m左右(图9)，可以看到污染物在谷风的作用下被输送到边界层以上，并且在高层北风和谷风环流的共同作用下，污染物向南扩散，在边界层以上形成了一个污染层。光明顶北侧虽然形成了下沉补偿气流并有一个小的环流结构，但由于高层较强的北风导致污染物无法向北回流形成抬升的污染层。18时，谷风基本消散，山体南侧抬升污染层内的污染气体在高层北风的作用下继续向南输送。山体北侧的污染气体在一股偏南气流的作用下向北有一定的扩散，在边界层顶形成了一个稀薄的污染带。由于地面的污染气体已经不再向上输送，18时之后边界层以上的污染气体开始消散，部分污染气体在山风的作用下又被输送到地面。20时左右污染气体又积聚在地面附近，重复前一天晚上的过程。

图5 污染物体积分数(等值线)和风场(箭矢)的垂直剖(沿图1中AB线)a.4月26日20时;b.4月27日00时;c.5月2日20时;d.5月3日00时Fig.5 Vertical cross-sections of pollutant volume fraction(isoline)and wind field(arrow)along the AB in Fig.1 a.02:00 BST 26 April;b.00:00 BST 27 April;c.20:00 BST 2 May;d.02:00 BST 2 May

5月2日，黄山地区为云雾天气。由于山谷风的作用不明显，边界层的日变化对污染物的垂直输送起主要作用。图9为边界层高度的日变化。可见，白天边界层高度高于夜间，晴天和云雾天边界层高度差别不大，云雾天边界层高度略高。02时，光明顶附近边界层高度在地面以上300 m左右，污染气体受边界层阻挡积聚在地面附近(图8d)。08时，边界层开始抬升，污染气体通过湍流向上输送到边界层顶，但只有少量能突破边界层顶进入自由大气(图8e)。18时之后污染物随着边界层的下降回到地面附近，重复前一天晚上的过程。

图6 地面污染物体积分数分布(10－6)和风场(m/s)(等值线表示地形高度，阴影表示NO体积分数，红点表示光明顶)a.4月26日02时;b.4月26日08时;c.4月26日12时;d.5月2日02时;e.5月2日08时;f.5月2日12时Fig.6 Volume fraction of pollutants(10－6)and wind field(m/s)on the ground(the isoline stands for the height of terrain，the shading is the volume fraction of NO，and the red dot represents the Guangmingding)a.02:00 BST 26 April;b.08:00 BST 26 April;c.12:00 BST 26 April;d.02:00 BST 2 May;e.08:00 BST 2 May;f.12:00 BST 2 May

图7 风场(箭矢)和温度(等值线)的垂直剖面(沿图1中CD线)a.4月26日14时;b.5月2日14时Fig.7 Vertical cross-sections of wind filed(arrow)and temperature field(isoline)along the CD in Fig.1 a.14:00 BST 26 April;b.14:00 BST 2 May

图8 污染物体积分数(等值线)和风场(箭矢)的垂直剖面(沿图1中CD线)a.4月26日02时;b.4月26日14时;c.4月26日18时;d.5月2日02时;e.5月2日14时;f.5月2日18时Fig.8 Vertical cross-sections of pollutant volume fraction(isoline)and wind field(arrow)along the CD in Fig.1 a.02:00 BST 26 April;b.14:00 BST 26 April;c.18:00 BST 26 April;d.02:00 BST 2 May;e.14:00 BST 2 May;f.18:00 BST 2 May

图9 模拟的内层嵌套格点平均的边界层高度(单位:m)Fig.9 Simulated average height of boundary layer in the inner nest(units:m)

4 分析与讨论

图10是模拟的光明顶污染物体积分数日变化和观测的气溶胶数浓度日变化。4月26日08时，通过山谷风的垂直输送，光明顶由局地排放产生的污染物体积分数从08时开始升高，11时左右达到第一个峰值，之后污染物体积分数迅速回落，17时达到谷值，18时左右达到第二个峰值。气溶胶数浓度同样从08时开始升高，13时达到第一个峰值，之后气溶胶数浓度下降，18时达到谷值，19时左右达到第二个峰值。4月26日近距离排放对光明顶污染物的贡献可以忽略不计。

图10 光明顶的模拟污染物体积分数和观测气溶胶数浓度的日变化a.4月26日;b.5月2日Fig.10 Diurnal variations of simulated pollutant volume fraction and observed aerosol number concentration at Guangmingding on(a)26 April，and(b)2 May

气溶胶数浓度峰值和模拟的NO体积分数峰值并不在同一时间，说明山顶的气溶胶并不是由局地源直接输送产生。NO体积分数日变化推迟2 h与气溶胶数浓度日变化的相关系数为0.6(图10)，二者相关性较好，说明山谷风输送为山顶提供了大量的气体前体物，在充足的光照条件下，污染气体气粒转化形成了大量的新粒子。NO体积分数和气溶胶数浓度在傍晚出现的峰值可能与边界层的变化有关。由于本次外场试验并未进行有关边界层的观测，该观点无法得到证实。

5月2日，光明顶由局地排放产生的污染物体积分数从08时开始升高，14时达到峰值，之后一直下降，直到当天结束。日间，光明顶由近距离源产生的污染物体积分数较低，20时之后开始升高。说明在排放源强度相同的情况下，日间局地排放是光明顶污染物的主要来源，夜间近距离输送是光明顶污染物的主要来源。气溶胶数浓度从12时开始增加，之后呈波动上升状态，一直持续到当天结束。中午局地源在光明顶产生的NO体积分数出现峰值，但是光明顶气溶胶数浓度没有明显的增加，原因是云雾天光照条件不足，虽然有新粒子生成的前体物，但不易生成新粒子。黄山本地的气溶胶数浓度较低，虽然有垂直输送，但不能引起光明顶气溶胶数浓度的升高。夜间近距离源导致光明顶NO体积分数升高，说明风场可以将黄山东南方向污染物输送到光明顶。黄山周边地区气溶胶数浓度较高，在合适的风场条件下被输送到光明顶，导致光明顶气溶胶数浓度升高。

比较两日的局地源在山顶产生的污染物体积分数可知，4月26日污染气体体积分数从08时开始升高，11时达到峰值，峰值体积分数为11.04×10－6，污染物体积分数增长速度为3.59×10－6/h;5月2日同样从08时开始升高，14时才达到峰值，峰值体积分数为5.89×10－6，污染物体积分数增长速度为0.95×10－6/h。晴天条件下污染物体积分数峰值及污染物体积分数增长速度都大于云雾天，原因是4月26日通过山谷风的垂直输送，污染物输送更快，输送量更大，而5月2日通过边界层内的湍流扩散输送，输送较慢，输送量也较小。

5 小结

使用新一代大气化学传输模式WRF-Chem模拟了晴天和云雾天气下污染气体在黄山地区的输送过程。模式模拟的晴天风场和观测结果较为一致，但云雾天气下模拟结果与观测值有一定差异，可能与初始场的分辨率不够精细有关。

晴天条件下，污染物能通过谷风输送到边界层以上，形成抬升的污染层;夜晚，部分污染物会被山风输送回地面附近，在边界层的作用下于地面附近积聚，在山谷处达到最高值。云雾天山谷风的作用不明显，边界层高度的日变化对污染物的垂直输送高度起主要作用，夜晚边界层下降，污染物的高值在地面附近，白天随着边界层的升高，污染气体通过湍流扩散向上传输，地面污染物体积分数降低。

晴天条件下局地输送是光明顶污染物的主要来源，近距离输送可以忽略不计。云雾天气下，日间边界层的抬升能为光明顶输送一定量的气体污染物，但由于缺少光照，不易形成气溶胶粒子，夜间近距离输送对光明顶污染物体积分数贡献较大。晴天光明顶污染物体积分数峰值高于云雾天，主要是因为山谷风的输送强度大于湍流扩散的输送强度。晴天条件下气溶胶粒子的主要来源是新粒子生成，云雾天气溶胶粒子的主要来源是地面输送。

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Numerical simulation of transport process of pollution gases over the complex terrain of Mountain Huang region

JIN Qi，YIN Yan，TAN Wen

(Key Laboratory for Atmospheric Physics and Environment of China Meteorological Administration，NUIST，Nanjing 210044，China)

The transport process of pollution gases under different weather situation are simulated at Mountain Huang on 26 April and 2 May 2008 by using a new generation atmospheric chemistry transfer model WRF-Chem.Results show that，in sunny conditions，the pollution gases are transported vertically from downhill to uphill by mountain-valley breeze circulation，the transport of pollutants in the surrounding areas has less effect on the volume fraction of pollutants at Guangmingding，and new particle formation is the main source of atmospheric aerosols.However，in cloudy conditions，the pollution gases are transported vertically to the uphill by turbulent diffusion in boundary layer，the short range transport has much effect on the volume fraction of pollutants at Guangmingding in the nighttime，and the aerosol particles mainly come from the ground transport.

complex terrain;pollution gases;transport process;numerical simulation

P401

A

1674-7097(2012)06-0680-09

2012-03-12;改回日期:2012-05-10

国家自然科学基金资助项目(41030962);江苏省“333人才工程”项目

金祺(1987—)，男，安徽安庆人，硕士，研究方向为大气气溶胶、云降水，sur123456@163.com;银燕(通信作者)，教授，博士生导师，研究方向为云、降水、大气气溶胶，yinyan@nuist.edu.cn.

金祺，银燕，谭稳.2012.黄山地区复杂地形下污染气体输送过程的数值模拟［J］.大气科学学报，35(6):680-688.

Jin Qi，Yin Yan，Tan Wen.2012.Numerical simulation of transport process of pollution gases over the complex terrain of Mountain Huang region［J］.Trans Atmos Sci，35(6):680-688.(in Chinese)

(责任编辑:倪东鸿)