重庆市不同天气背景下边界层高度和风场对PM10浓度影响数值模拟研究

周国兵

(重庆市气象局，重庆 401147)



重庆市不同天气背景下边界层高度和风场对PM10浓度影响数值模拟研究

周国兵

(重庆市气象局，重庆 401147)

该文选取重庆市典型污染天气个例，利用WRF模式开展大气边界层数值模拟，分析了边界层高度(PBLH)和风场对PM10浓度的影响。结果表明：夜间由于大气边界层比较稳定，PBLH对PM10浓度的影响不大；白天，在有雾或阴天背景下，PBLH升高后2～3 h PM10浓度才明显下降，而在晴天PBLH升高后1～2 h PM10浓度就会明显下降；边界层风场的变化会直接影响PM10浓度的变化，夜间重庆主城区主要受下沉气流影响，污染物向上的垂直扩散弱；当上午出现下沉气流时，PM10向上的垂直扩散弱，PM10浓度增加速度快；相反当出现上升气流时，PM10向上的垂直扩散作用强，PM10浓度增加速度慢，尤其是在高空风速大时，强烈的抽吸作用使大气垂直扩散能力得到显著增强，能较好地抑制地表PM10浓度的增长趋势；下午由于太阳辐射强，边界层湍流强度增加，大气边界层垂直扩散能力强，因而PM10浓度呈现明显下降趋势。

大气边界层；PM10；WRF模式；数值模拟

1 引言

重庆市主城区地处丘陵低山地带，城区东有铜锣山，南有真武山，西有中梁山，长江、嘉陵江穿城而过，形成独特的小盆地，城区平均相对湿度大，平均风速小，静风频率高，混合层较低，逆温频率高，这些特殊的地形和气象条件不利于大气污染物的扩散，从而形成雾和霾天气。因此，重庆成为我国空气污染较为严重、雾和霾天气日数较多的城市之一，严重的空气污染不仅给当地居民的健康带来众多不利影响，也影响了重庆市的城市投资环境和竞争力。

针对重庆空气污染与气象条件的关系，科研工作者开展了许多统计分析研究。周国兵[1-2]统计表明重庆污染天气主要出现在秋末到初春，首要污染物是PM10。叶堤[3-4]分析表明重庆主城区持续污染过程的气象条件往往有着共同的特点，即平均风速小，无降水或降水稀少，大气层结稳定，混合层高度较低，月平均混合层厚度和月平均API呈显著负相关，大气混合层厚度是影响城市空气质量的重要因素。蒋昌潭等[5]给出重庆主城区主要污染物PM10具有独特的“双峰双谷”日变化特征。利用数值模拟方法开展复杂地形下大气污染研究也有很多成果[6-11]，但针对重庆主城区污染研究较少。因此，为了更深入分析重庆市不同天气背景下气象条件对污染的影响，选取典型个例，采用WRF中尺度数值模式来模拟大气边界层气象条件，分析边界层气象条件对重庆主城区首要污染物PM10的影响机制。

2 资料与方法

本文所用资料为2009年11月8日00时—10日23时重庆主城区地面国家基本气象观测站(57156)逐时观测资料和同时段主城区10个污染监测站PM10逐时浓度资料。

数值模拟采用数值天气预报模式为WRFV3.1.1，模拟中心点取为(106.5°E，29.5°N)，模式采用四重嵌套，水平分辨率分别为27 km，9 km，3 km和1 km。为提高模式对边界层过程的描述能力，加密了边界层垂直层数，设为40层。模式参数化方案中表面层为Unified Noah land-surface model，长波为RRTM方案，短波为Dudhia方案，微物理为WSM 3-class simple ice scheme方案，积云对流为Kain-Fritsh方案。为降低边界层参数化差异对模拟结果的影响，我们采用了3种不同边界层参数化方案进行模拟，分别是YSU、MYJ和ACM2方案。当采用MYJ方案时，表面层方案为Janjic Eta Monin-Obukhov方案；当使用YSU方案和ACM2方案时，表面层方案为Monin-Obukhov方案。模式使用NCEP FNL再分析资料作为初始和侧边界条件。模式每天北京时20时启动一次，每次积分37 h。

3 污染过程天气形势

模拟选取的天气个例为2009年11月8—10日一次连续污染天气过程，首要污染物为PM10，其中8日为雾天，雾出现于08时00分，消散于12时21分，最小能见度300 m，9日为晴天，10日为阴天。

从8—10日08时高空500 hPa形势演变图(图略)可以看出，在高纬地区由于贝加尔湖低槽东移，乌拉尔山高压脊逐步建立和增强，乌拉尔山高压脊前巴尔喀什湖附近低槽逐渐加深；在地面气压图上，北方冷空气在蒙古国一带大量聚集，这是一种典型的强冷空南下前天气形势。9日开始，随着贝加尔湖低槽的不断东移，引导冷空气逐渐南下。在重庆地区，8日08时高空主要受西南气流影响，空气湿度较大，为雾的形成创造了条件；9日主要受槽后西北气流影响，天气转晴；10日随着北方冷空气大规模南下，影响中国东部地区，由于受秦岭和大巴山的阻挡作用，一般强度的冷空气是很难直接翻越秦岭和大巴山直接进入四川盆地的，重庆通常受东部冷空气回流逐步影响。因此，在8—10日，重庆地区正处于受冷空气影响前低气压控制阶段，天气也正是以阴晴天气为主，具有重庆冬季污染典型气候特征。

4 模拟结果分析

4.1 模拟结果检验

为了检验不同边界层参数化方案对重庆主城区大气边界层气象场的模拟效果，更好地反映复杂下垫面不同天气背景下边界层气象要素特征，将不同边界层参数化方案模拟结果进行了对比分析，以检验WRF模式中YSU、MYJ和ACM2这3种不同边界层参数化方案的模拟效果，从而选取对本次天气过程最优方案模拟结果分析边界层气象要素对污染的影响机制。

4.1.1 温度场检验 从表1统计检验结果看，在不同的天气背景下3种边界层方案对地面温度的模拟效果存在差别。在雾天背景下，3种方案模拟结果相关系数较高，但是标准差结果偏大，模拟温度总体偏高。从图1也可以看出，在白天时间段YSU和MYJ方案模拟温度与实况温度偏差较大，相比之下ACM2方案模拟温度明显优于YSU和MYJ方案；在晴天背景下，3种方案模拟效果要好于雾天背景下，且标准差值也明显较小，其中ACM2方案模拟的温度优于YSU和MYJ方案；在阴天背景下，综合相关系数和标准差值，MYJ方案模拟温度优于YSU和ACM2方案。由图1也可以看出，虽然3种方案均基本模拟出了温度的日变化特征，但地面温度的模拟对边界层参数化方案较为敏感。3种边界层参数化方案模拟的夜间地面温度与观测值比较接近，白天则普遍偏高，尤其在13—17时的高温时段。

表1 不同天气背景下3种边界层参数化方案模拟地面温度检验

图1 2009年11月8—10日3种边界层方案(MYJ、YSU和ACM2)模拟与观测地面温度(2 m)日变化对比(单位：℃)Fig.1 The average diurnal variation of the temperature (2m) observed and simulated by using three PBL Schemes (MYJ,YSU and MYJ)on 8—10 Nov. 2009

4.1.2 风场检验 由于探空资料只有08时和20时两个时次观测资料，为此选取了8—10日08时和20时共6个时次模拟结果与实况对比。从风速时间剖面(图2)可以看出，3种边界层方案均能模拟出边界层高低空风场的变化趋势。3种方案模拟8日08时的风速在400 m以下偏大，而400 m以上接近观测。对于8日20时的风速，MYJ和YSU方案模拟结果与实况比较接近，而ACM2方案模拟结果明显偏大。MYJ和YSU方案模拟的9日08时和20时风速接近实况，而ACM2方案模拟风速明显偏大。总体而言，3种方案均能模拟出10日08时和20时高空800 m以上8～13 m/s的大风速中心，其中YSU方案对400 m以下低空风速模拟明显偏大。综合3种方案对3 d的模拟结果，MYJ方案对边界层风场模拟效果优于YSU方案和ACM2方案，模拟结果与实况更接近一些，因此下面主要选取MYJ方案模拟结果来分析边界层高度和风场对污染的影响。

图2 2009年11月8—10日3种边界层方案(MYJ(a)、YSU(b)和ACM2(c))模拟与探空实况(d)风速时间剖面对比(单位：m/s)Fig.2 The time profile comparison of wind speed observed by radiosonde (d) and simulated by using threePBL Schemes (MYJ(a),YSU(b) and MYJ(c))on 8—10 November 2009

4.2 不同天气背景下边界层高度对污染影响分析

边界层高度(PBLH)是分析边界层结构的重要物理量[12]，它决定了可供污染物扩散稀释的潜在空气体积。PBLH高时污染物可以在更大的空间内扩散稀释，从而降低浓度，因此，PBLH也是影响空气质量的重要指标。

许多研究都表明，在水平扩散能力较差的情况下，边界层高度对污染物浓度有着明显的影响，通常是边界层高度越高，污染物垂直扩散能力越强，污染物浓度越低。从模拟逐时边界层高度变化与PM10浓度变化(图3)看，边界层高度与PM10浓度并不存在直接的相关，而是存在延时效应。由于夜间大气边界层比较稳定，PBLH也比较低，与污染物浓度相关性不大，通过计算白天08—17时PBLH与PM10的相关系数发现(表2)，PBLH与1～3 h后PM10浓度负相关较好，因而PBLH对PM10浓度的影响具有1～3 h延时作用。

图3 逐时边界层高度与PM10浓度Fig.3 Hourly change of PBLH and PM10 concentration

相关系数8日9日10日同时刻0.560.450.57后1h0.00-0.120.16后2h-0.53#-0.55#-0.38后3h-0.83*-0.85*-0.62**

*、**和#分别表示通过α=0.01、0.05和0.1显著性水平检验

在8日夜间由于出现晴空，辐射降温强，在00—09时PBLH平均为193 m，PBLH对PM10浓度的影响并不明显；然而PM10在此时间段内降低速度比较快，其主要原因是起雾前近地层水汽逐渐增加，相对湿度在93%～99%之间，水汽凝结形成雾必须有凝结核的帮助，此时的PM10就正好起到了凝结核作用，PM10被大量水汽吸附和自然沉降，浓度逐渐降低。08时以后随着人类活动的不断增加，污染物排放明显增加，虽然09时以后边界层高度逐渐升高，由于受雾的影响PBLH升高速度较慢，11时PBLH超过500 m，污染扩散能力才明显增强，但是由于PBLH对PM10浓度影响具有滞后效应，污染扩散速度明显低于排放增加速度，因而监测到PM10的浓度仍然呈升高趋势。随着雾的逐渐消散PBLH升高较快，在13时前后PBLH超过900 m，大气边界层垂直扩散作用也是明显增强，污染扩散速度超过排放速度，PM10浓度达到最大值，之后随着PBLH的继续升高，扩散能力进一步增强，PM10浓度呈现明显下降趋势。18时以后PBLH降到300 m以下，按照前面计算雾天PBLH对PM10浓度影响滞后2～3 h，与PM10浓度在21时前后降到低值0.222 mg/m3相吻合，之后夜间PBLH对PM10浓度影响就不明显了。

9日夜间与8日夜间天气状况差不多，为晴空，辐射降温强，在00—09时PBLH平均为106 m，PBLH对PM10浓度的影响并不明显。9日夜间相对湿度在84%～95%之间，不具备起雾的条件，所以PM10被水汽吸附作用明显不及有雾的情况，因而在此时间段内PM10浓度的平均自然降低速度相比雾天较慢。08时以后随着人类活动的不断增加，污染物排放明显增加。虽然09时以后边界层高度逐渐升高，但是，由于有云的影响，PBLH升高速度较慢，11时PBLH才435 m。12时，观测日照为0.4 h，此时PBLH迅速升到640 m，之后污染扩散能力也随之增强。由于晴天PBLH对PM10浓度影响具有滞后1～2 h，PM10浓度在13时前后达到最高值，之后随着日照增强PBLH继续升高，14—17时PBLH超过了1 000 m，PM10浓度呈现大幅度下降。由于17时以后就没有观测到日照时数，PBLH开始迅速下降，18时以后PBLH降到330 m以下，相应PM10浓度也降到低值，之后随着大气的扩散作用明显减弱，污染排放并未相应明显降低，PM10浓度又开始出现增加趋势。

10日夜间为阴天，辐射降温弱，温度变化不明显，温度相对晴空高。在00—06时PBLH平均为180 m，平均相对湿度为86%～91%，PBLH对PM10浓度的影响并不明显，PM10浓度变化也不大。由于阴天基础温度高，PBLH上升时间早于晴天。07时PBLH就达到了495 m，之后开始逐渐升高，12时PBLH达到859 m。在07—12时内平均PBLH为593 m，比8日(373 m)和9日(315 m)同时段PBLH高，大气扩散条件明显好于8日和9日同时段，因而较好抑制了污染物浓度的增加，PM10浓度在12时前后就达到最高值。由于PM10浓度增加的时间比在雾天和晴天少1 h，PM10最大浓度值(0.268 mg/m3)也比雾天(0.3 mg/m3)和晴天(0.315 mg/m3)低。因此，可以认为在污染物排放增加的时间段内，边界层高度增加越快，越有利于抑制污染物浓度的增加。午后，随着边界高度的继续升高，PM10浓度也迅速下降，18时前后降到低值；此后随着大气的扩散作用减弱，污染排放并未相应明显降低，PM10浓度又开始增加。

4.3 不同天气背景下边界层风场对PM10浓度影响分析

4.3.1 雾天边界层风场对污染浓度影响机制 从11月8日边界层流场时间剖面图可以看出(图4)，在00—08时内1 000 m以下边界层内都是受下沉气流控制，且从风速时间剖面图上看风速比较小(图略)，基本维持在2～4 m/s，尤其在03—08时近地层风速小于2 m/s。由于夜间为晴空，出现较强的辐射降温，200 m以下形成稳定的逆温层(图5)，近地层水汽逐渐增加(图6)，最大相对湿度增到99%，为雾的形成创造了良好的气象条件。这种稳定的大气边界层，对污染物的扩散作用非常弱，但是PM10被大量水汽吸附和自然沉降，在雾天PM10浓度下降速度明显比在晴天和阴天快(图7)。观测资料显示07—09时相对湿度达到99%，此时段应该是雾最浓时段(最小能见度300 m)模拟结果显示09—12时在200～1 500 m的高空出现6～8 m/s的较大风速(也可能是模式在有热力驱动时出现的不稳定，有待深入研究)，地面观测09时风速为1.9 m/s，明显高于其它时间段，加上10时以后相对湿度下降较快，可以判断10时左右开始雾逐渐消散。 09—12时整个边界层为下沉气流，抵制污染物向上垂直扩散。所以，随着污染排放的增加，PM10浓度呈现较快上升趋势，并在12时前后达到最大值。12时以后随着雾的全部消散，太阳辐射作用明显增强，大气边界层由下沉气流转为上升气流，污染物向上垂直扩散能力明显增强，PM10浓度呈现明显下降趋势。从边界层模拟风场也可以看出，在14时和16时风速较小，PM10浓度在15时和16时变化不明显。17时以后随着边界层风速的再次增大，PM10浓度下降到最低值。21时以后随着边界层风速的明显减弱，大气边界层又回到稳定状态，PM10浓度开始缓慢上升。

图4 11月8日边界层流场时间剖面Fig.4 The time profile of boundary layer flow field on Nov. 8

图5 11月8—10日08时探空曲线Fig.5 Soundingcurve at 8∶00 on 8 to 10 November

图6 11月8—10日相对湿度时间变化Fig.6 The hourly change of relative humidityon 8 to 10 November

图7 11月8—10日PM10浓度时间变化Fig.7 The hourly change of PM10 concentrationson 8 to 10 November

4.3.2 晴天边界层风场对污染浓度的影响机制 从11月9日边界层流场时间剖面图可以看出(图8)，在00—08时1 000 m以下边界层内受下沉气流控制，风速较小，基本维持在2～5 m/s，不利于污染物的扩散。08时以后，之前的下沉气流转为上升气流，污染物向上垂直扩散能力明显增强。08时以后人类活动污染排放增加，PM10浓度相应明显增加，边界层为上升气流有助于抑制PM10浓度的迅速增加。与8日相比可以发现，在09—10时同样是边界层风速较大的情况下，8日为下沉气流，9日为上升气流。如果这两日污染排放源相同，9日PM10浓度增加值要比8日PM10浓度增加值小0.02 mg/m3(以10时PM10浓度值比较)。因此，可以认为较强的上升气流有利于污染物的垂直扩散。12—13时边界层平均风速降到2 m/s左右，在13时甚至出现下沉气流，不利于污染物的垂直扩散，所以PM10浓度呈现快速增加趋势，并在13时前后达到浓度最高值。14—15时边界层风速迅速增大达到5～8 m/s，且为上升气流，从日照时数也表明此时日照也最强，各项气象要素都反映出此时段内大气扩散条件达到最佳，PM10浓度从13时的0.315 mg/m3迅速降到16时的 0.216 mg/m3，下降率达到31.4%。16时以后，边界层风场上升气流减弱，PM10浓度的下降率也相应减小，在18时前后降到最低值。边界层风场在此之后由上升气流逐渐转为下沉气流，污染物又呈现上升趋势。

图8 11月9日边界层流场时间剖面Fig.8 The time profile of boundary layer flow field on 9 November

4.3.3 阴天边界层风场对污染浓度的影响机制 从11月10日边界层流场时间剖面图可以看出(图9)，在00—07时400 m以下边界层内主要为下沉气流，400 m以上为上升气流，风速较小(图10)，基本维持在2～4 m/s，PM10浓度变化趋势不大。08时以后，由于边界层风速逐渐增大，1 000 m以上风速在10时达到14～16 m/s，且为上升气流。这种强烈的抽吸作用使得大气垂直扩散能力得到显著增强，PM10浓度由0.262 mg/m3降到了0.247 mg/m3。11时出现短暂的下沉气流，加上排放的增加，污染物浓度得到回升。但在12时以后，边界层高层风速大且为上升气流，污染物的上升趋势较弱。PM10在12—13时达到峰值的浓度值明显比8日和9日低得多，仅为0.268 mg/m3。13—17时边界层高层风速大且为上升气流，大气边界层对污染物的垂直扩散作用很强，PM10浓度持续下降。18时以后，由于近地层垂直扩散能力明显减弱，主要转为水平扩散。但是，由于重庆主城区特殊的盆地地形特征，水平扩散很难将污染物向外输送。因此，在污染排放并未减少的情况下，PM10浓度在18—20时出现上升趋势。20时以后由于人为排放的明显减少，PM10浓度呈现下降趋势。

图9 11月10日边界层流场时间剖面Fig.9 The time profile of boundary layer flow field on 10 November

图10 11月10日边界层风速时间剖面Fig.10 The time profile of boundary layer wind speed on 10 November

5 结论

①WRF对重庆主城区大气边界层有较好的模拟效果，通过3种边界层方案的对比，ACM2方案模拟的地面温度均优于YSU和MYJ方案；MYJ方案对边界层风场模拟效果优于YSU方案和ACM2方案。但是，由于重庆主城区下垫面复杂，模拟温度存在偏高现象，尤其是白天。在重庆主城区多静风的情况下，模拟的风速在白天偏大。

②在夜间，由于大气边界层比较稳定， PBLH也比较低，基本维持在200 m以下，大气的垂直扩散能力很弱，PBLH对PM10浓度的影响不大，PM10主要受排放减少影响呈自然缓慢下降状态。在白天，随着太阳辐射的增强，PBLH会迅速增高，污染物的垂直扩散空间也明显增大，PBLH对PM10浓度的影响具有1～3 h滞后作用。在雾天和阴天，PBLH升高后2～3 h PM10浓度才有明显下降，而在晴天PBLH升高后1～2 h PM10浓度就下降明显。通过PBLH变化对PM10浓度变化的影响分析，能够较好的解释PM10的日变化特征，因此在业务中可以通过预报PBLH值大体计算PM10浓度的逐时变化态势。

③边界层风场对PM10浓度变化有很好的指示意义。在夜间，重庆主城区主要受下沉气流影响，对PM10的向上垂直扩散作用非常弱。在上午污染排放人为增加的情况下，当出现下沉气流时PM10的向上垂直扩散作用弱，导致PM10浓度会快速增加；相反，当出现上升气流时，PM10的向上垂直扩散能力强，PM10浓度的增加速度会减慢，尤其在高空风速大且为强上升气流时，此时，强烈的抽吸作用使得大气垂直扩散能力得到显著增强，能较好地抑制PM10浓度的增长态势。到午后，由于太阳辐射强烈，边界层内主要以较强的上升气流为主，大气边界层垂直扩散能力最强，因而PM10浓度呈现明显下降态势。

本文通过数值模拟初步揭示了重庆主城区边界层气象条件对PM10浓度的影响机制，边界层气象条件与污染物浓度变化有一定的关系，但是气象条件对污染扩散的影响也是十分复杂的过程，尤其重庆主城区特殊地形背景下边界层湍流活动如何影响污染扩散有待进一步研究。

[1] Zhou Guobing，Wang Shigong. The Research of Urban Air Pollution Weather Characteristics Under the Special Terrain[C].2010 International Conference on Digital Manufacturing & Automation.

[2] 周国兵，王式功. 重庆市主城区空气污染天气特征研究[J].长江流域资源与环境，2010，19(11)：1 345-1 349

[3] 叶堤.重庆市空气污染持续过程特征及其气象成因分析[J].江苏环境科技，2007，20(4):57-60.

[4] 叶堤,王飞,陈德蓉.重庆市多年大气混合层厚度变化特征及其对空气质量的影响分析[J].气象与环境学报,2008,24(4):41-44.

[5] 蒋昌潭,张卫东.重庆市主城“蓝天行动”：典型山地城市大气污染控制实例[M].北京：中国环境科学出版社,2009.

[6] 佟华,桑建国.北京海淀地区大气边界层的数值模拟研究[J].应用气象学报,2002,13(1):51-60.

[7] 胡小明,刘树华.山丘地形的陆面过程及边界层特征的模拟[J].应用气象学报,2005,16(1):13-23.

[8] 胡隐樵,张强.兰州山谷大气污染的物理机制与防治对策[J].中国环境科学,1999,19(2):119-122.

[9] 张强,吕世华,张光庶.山谷城市大气边界层结构及输送能力[J],高原气象,2003, 22(4):346-353.

[10]姜金华,彭新东.复杂地形城市冬季大气污染的数值模拟研究[J].高原气象,2002,21:1-7.

[11]缪国军,张镭,舒红.利用WRF对兰州冬季大气边界层的数值模拟[J].气象科学,2007, 27(2):169-175.

[12]Roland B.Stull，杨长新译.边界层气象学导论[M].北京：气象出版社, 1991.

Numerical SimulationStudy of the Influence of PBLH and Wind Field on PM10Concentrations under Different Weather Backgrounds

ZHOU Guobing

(Chongqing Meteorological Administration, Chongqing 401147，China)

The typical pollution weather examples were selected by using WRF model simulation of atmospheric boundary layer.The results show that the height of boundary layer has effects significantly on PM10concentration. The negative correlation is better between the PBLH and PM10concentration after 1～3 hours. In foggy and cloudy days, PM10decreases evidently 2～3 hours after increasing of PBLH. However, PM10 decreases evidently 1～2 hours after increasing of PBLH in sunny days. It shows that the faster the change of the PBLH, the shorter the response time of pollutant dilution and diffusion.The wind field of the boundary layer also plays an important role in the change of PM10concentration. At night, the upward vertical diffusion of contaminants is very weak due to the influence of the sinking airflow. In the morning, due to the increase of pollutant emission, the vertical upward diffusion of pollutants is very weak when the temperature inversion or night sinking air flow is continuously controlled, and the concentration of pollutants near the surface will increase rapidly. On the contrary, when the sunrise after the boundary layer into the upward flow of pollutants upward vertical diffusion capacity will increase, the pollutant concentration increase rate will slow down. Especially when the wind speed is high and the airflow is strong, the strong vertical suction makes the vertical diffusion capacity of the atmosphere significantly enhanced, and can effectively inhibit the growth of pollutant concentration.

atmospheric boundary layer；PM10；WRF model；numerical simulation

1003-6598(2016)06-0005-08

2016-11-02

周国兵(1973—)，男，博士，副高，主要从事天气预报技术及空气污染预报技术研究，E-mail：zhou-gb@163.com。

重庆市应用开发计划项目(cstc2014yykfA20004)资助。

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