一次大气污染物的大气环流输送规律分析与模拟

傅云燕 王金强 蒋翠花 袁志勇 王文清

摘要：以２００５年１月６日辽宁中部城市群出现的区域污染事件为例，利用ＮＣＥＰ／ＮＣＡＲ全球再分析资料对２００５年冬季影响我国北部的大尺度环流系统进行了客观分析，同时采用中尺度数值模式ＭＭ５对不同尺度大气边界层进行数值模拟研究。结果表明，此次污染过程中地形影响形成的气流输送汇是造成区域污染的关键原因，而较强的逆温、逆湿等典型的稳定边界层的特征则加重了局地污染。

关键词：大气环流；冬季；污染物输送；数值模拟

中图分类号：Ｘ５１；Ｐ４３４＋．５；Ｐ４３７文献标识码：Ａ 文章编号：0439－８114（２０12）06－1119-04

Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ａ Ｃａｓｅ ｏｆ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｐｏｌｌｕｔａｎｔｓ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ

ＦＵ Ｙｕｎ－ｙａｎ１，２，ＷＡＮＧ Ｊｉｎ－ｑｉａｎｇ２，ＪＩＡＮＧ Ｃｕｉ－ｈｕａ２，ＹＵＡＮ Ｚｈｉ－ｙｏｎｇ２，ＷＡＮＧ Ｗｅｎ－ｑｉｎｇ２

（１． Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９３，Ｃｈｉｎａ；

２． Ｓｕｑｉａｎ Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ Ｂｕｒｅａｕ，Ｓｕｑｉａｎ ２２３８００，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｏ ｅｘｐｌｏｒｅ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｐｏｌｌｕｔａｎｔｓ ｉｎ Ｌｉａｏｎｉｎｇ， Ｃｈｉｎａ， ｉｎ Ｊａｎｕａｒｙ ６， ２００５， ｔｈｅ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ－ｓｃａｌｅ of North China in the winter of 2005 ｗａｓ ａｎａｌｙzed ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＮＣＥＰ／ＮＣＡＲ Ｒｅａｎａｌｙｓｉｓ Ｄａｔａ． Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ on ｔｈｅ dｉｆｆｅｒｅｎｔ－sｃａｌｅ ｏｆ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｌａｙｅｒ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ Ｍｅｓｏｓｃａｌｅ Ｍｏｄｅｌ ＭＭ５ ｗａｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗed ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｒｅａｓｏｎ ｏｆ ｔｈｉｓ ｒｅｇｉｏｎａｌ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｗａｓ ｔｈｅ ａｉｒｓｔｒｅａｍ ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｂｙ ｔｅｒｒａｉｎ， ａｎｄ ｔｈｅ ｔｙｐｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｌａｙｅｒ of ａ ｓｔｒｏｎｇ tｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ iｎｖｅｒｓｉｏｎ ａｎｄ iｎｖｅｒｓｅ hｕｍｉｄｉｔｙ ａｇｇｒａｖａｔｅｄ ｔｈｅ ｌｏｃａｌ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ； ｗｉｎｔｅｒ； ｐｏｌｌｕｔａｎｔ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ； ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

大氣环流是不同尺度天气系统发生、发展和演变的背景条件［１］。位于对流层最底部的大气边界层受大尺度、中小尺度天气系统以及局地系统的直接影响，生产活动产生的污染物在大气边界层中排放和输送，必然受到不同尺度大气环流特征的影响。近年来，大气污染物输送过程受到国内外科学工作者的广泛关注。任阵海等［２］利用观测数据研究了北京的一次重污染过程中不同尺度大气系统对该过程边界层的影响，分析了边界层内粒子浓度输送的动态变化，提出北京地区重污染的形成原因。江燕如等［３］用６年时间收集到的气象资料进行多层次的大气污染物输送场的研究，初步得到我国大气污染物输送场的时空分布特征。蔡旭晖等［４］采用拉格朗日随机粒子扩散模式模拟分析了珠江三角洲东部地区低层大气流动和气载污染物的中尺度扩散情况。吴涧等［５］运用三维非静力Ｅ－ε闭合模式模拟了山谷地形下的流场，发现在近地面源条件下，稳定层间如果出现小风会造成一定范围的严重污染。Ｔｅｒｍｏｎｉａ等［６］提出一个表征水平和垂直输送距离的指数来预报不利于污染物扩散时的气象条件，研究表明在小风和大气输送很弱的稳定条件下，该指数可以准确预报由持续热源所造成的极端污染事件。Ｅｇａｎ等［７］利用一个水平对流扩散的空气污染物输送模式，发现垂直风与水平风对污染物扩散的共同作用要比单纯的垂直扩散大得多。

利用全球再分析资料对２００５年冬季影响我国北部的大尺度环流系统进行客观分析，再利用中尺度数值模式ＭＭ５对发生在辽宁的一次污染过程进行大气边界层不同尺度的数值模拟研究，克服了再分析资料在时间、空间上精度较差的缺点，以期进一步认识辽宁地区污染物的大气环流驱动机制。

１资料及计算方案

２００５年１月６日，辽宁出现了一次比较严重的的污染过程，全省各城市污染物浓度都比较高，其中沈阳的ＳＯ２、ＮＯ２和ＰＭ１０日均浓度分别为０．２４、０．１０和０．３７ ｍｇ／ｍ３，ＳＯ２和ＰＭ１０指数分别为１１３和２３４，空气质量达到轻度污染级别。当天辽宁地区受蒙古高压控制，天气晴朗，近地面气压梯度小，大气层结稳定。一股来自贝加尔湖的气流在内蒙古地区开始辐合并继续向东南方向传播，在辽宁边界转向东北方向，与同样来自西北方向的气流交汇形成一条较强的辐合带，覆盖辽宁大部分地区。为了解冬季污染的形成原因，首先利用每日１次、２．５°×２．５°的ＮＣＥＰ／ＮＣＡＲ全球再分析资料作为大尺度实况场，然后采用中尺度数值模式ＭＭ５反映辽宁区域气象场分布，此次采用的是其最新的Ｖ ３．７；采用每日４次、１°×１°的ＮＣＥＰ／ＮＣＡＲ全球再分析资料作为模式初始场。区域中心点为４３°Ｎ、１２０°Ｅ，设置３重模拟区域，格距从外至内分别为２７、９、３ ｋｍ（图１）。各重模拟区域选取一致的参数化方案：Ｇｒｅｌｌ积云参数化方案、Ｍｉｘｅｄ－Ｐｈａｓｅ显式降水方案、高分辨率的行星边界层方案。以２００５年１月作为冬季试验月进行大尺度环流的客观分析，选择发生在辽宁地区的典型污染个例进行数值模拟研究。

２我国北部冬季环流概况

由再分析资料得到２００５年１月影响我国北部的大气环流形势（图２）。整个中国大陆冬季都在西风环流控制之下，我国上空基本气流是西北风；地面上，蒙古的冷高压强度达全年最高值，中心位于贝加尔湖以西３００ ｋｍ附近，高达１ ０３８ hＰａ。冷高压的范围覆盖了整个东亚地区，相当稳定，观察逐日场发现，即使它在短时间内受到破坏，也会迎来新一次的强冷高压入侵。因此，这个季节里冷高压的气流（冬季风）也十分稳定，我国北部盛行西北－北气流。另外，在东亚大槽东边的阿留申群岛有一个强大的低压，其中心位于１７０°—１８０°Ｅ，４５°—５５°Ｎ，低压值达９９５ hＰａ。由于能够得到能量和涡度不断地补充，这个大低压在整个冬季基本维持稳定不变，它与蒙古冷高压共同影响着我国北部乃至整个亚洲的天气形势。

３模式检验

选取最外重网格的计算结果，与再分析资料的８５０ hＰａ 1月份平均高度场的比较可以发现，由于地形的影响，模拟的等值线不平滑，且出现了若干个小的高、低值中心。总体来说，模拟得到的高度等值线的数值和分布与实况非常相近（图３），模式模拟性能较好，具有一定的可信度。

４污染实例的模拟分析

下面结合污染实例，具体分析２００５年１月６日影响辽宁地区的环流形势和天气系统。

４．１大尺度环流特征

图４ａ为外网格区域2005年１月６日０５∶００的地面流场，同时刻对应的海平面气压场分布（图４ｂ）为西高东低，辽宁处于蒙古高压前缘大范围的均压带控制区域，等压线稀疏，风速较小；内蒙古、河北境内等压线密集，气压较高。受高层西风带的影响，形成了输入辽宁的西北气流，而气流在辽宁西北角转向东北方向则是地形影响造成的。

４．２天气尺度大气输送特征

辽宁省地势从东北向西南倾斜，东、西两侧是丘陵，中部是长方形辽河平原，呈马蹄形向渤海倾斜。辽宁西北角地形平均高度超过６００ ｍ，与其相邻的河北东部及内蒙古东北部地势高度为８００～１ ４００ ｍ，是典型的山地、丘陵地形（图５ａ）。在这个过程中，由于夜间河北境内的山坡辐射冷却，其降温速度比同高度的空气要快，冷气流沿地势高的位置流向地势较低的辽西山区，进而继续流向东部地势更低的平原地区，这一现象正是由于热力原因引起的山风环流。来自西北方向的另一股气流从辽宁正北方输入，与前者汇聚成辐合带，即输送汇（图４ａ）。输送汇的形成常常伴随有较低的大气压［２］，这在图５ｂ中有所体现，图中虚线所包括的范围是１ ０２１ ｈＰａ的低压带，也正对应着此次过程的输送汇。

４．３局地性风场特征及其对边界层的影响

由最内重网格的计算结果得到２００５－０１－０６T０５：００输送汇中包含辽宁中部城市群在内的一部分區域的风场形势（图６）。由图６可知，风矢量在沈阳发生气旋性切变，输送到抚顺并继续向东北方向传播，沈阳、抚顺风速不超过３ ｍ／ｓ。由于风速较小，污染物不易疏散而产生堆积造成局地污染。此时大气层结稳定，边界层中各种特征量都有典型的分布。沿４１．５°Ｎ作覆盖辽宁中部城市群的垂直剖面，输出同一时刻的物理量（图７）。边界层内存在较强的逆温和逆湿梯度，稳定边界层厚度可达到１ ０００ ｍ以上，２００ ｍ高度以内几个主要城市逆温强度为１．２５ ℃／（１００ ｍ），逆湿强度达５×１０－３ｇ／（１０ｍ·ｋｇ）。而水平风速随高度分布最明显的特征是边界层顶附近出现风速最大值（１５ ｍ／ｓ），即形成了低空急流。

５结论

结合客观场分析资料研究发现，冬季蒙古冷高压和阿留申低压共同影响着我国北部乃至整个亚洲的天气形势，强度很大而且相当稳定，形成稳定的冬季风，我国北部盛行西北－北气流。由于再分析资料时间、空间上的精度都比较差，因此利用中尺度数值模式ＭＭ５对不同尺度大气边界层进行数值模拟。结果显示，ＭＭ５模式能够较好地再现冬季的气象场形势，模拟结果具有一定的说服力。实例分析发现，地形影响造成的气流输送汇是造成辽宁重污染过程的主要原因。辽宁中部城市群出现了较强的逆温、逆湿等典型的稳定边界层的特征，边界层顶附近出现了低空急流。

参考文献：

［１］ 朱乾根，林锦瑞，寿绍文，等． 天气学原理和方法［Ｍ］． 第二版.北京：气象出版社，１９９２.２０８－２８７．

［２］ 任阵海，万本太，虞统，等． 不同尺度大气系统对污染物边界层的影响及其水平流场输送［Ｊ］． 环境科学研究，２００４，１７（１）：７－１３．

［３］ 江燕如，梁汉明，高庆先，等． 我国大气污染物在排污层的输送特征［Ｊ］． 中国环境科学，１９９８，１８（６）：４８６－４８８．

［４］ 蔡旭晖，张祯玺，康凌，等． 珠江三角洲东部低层大气流动与中尺度扩散特性［Ｊ］． 热带气象学报，２００５，２１（５）：４９７－５０５．

［５］ 吴涧，蒋维楣，王卫国． 山谷地形流场和扩散的数值研究［Ｊ］． 高原气象，２００１，２０（２）：１４０－１４７．

［６］ ＴＥＲＭＯＮＩＡ Ｐ， ＱＵＩＮＥＴ Ａ． Ａ ｎｅｗ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｉｎｄｅｘ ｆｏｒ ｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇ ｅｐｉｓｏｄｅｓ ｏｆ ｅｘｔｒｅｍｅ ａｉｒ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｙ，２００４，４３（４）：６３１－６４０．

［７］ ＥＧＡＮ Ｂ Ａ， ＭＡＨＯＮＥＹ Ｊ Ｒ． Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ ａｄｖｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｏｆ ｕｒｂａｎ ａｒｅａ ｓｏｕｒｃｅ ｐｏｌｌｕｔａｎｔｓ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｙ，１９７２，１１（2）：312－322．