哈尔滨市严重雾霾期大气污染数值模拟研究

杨　莹，王　琨，崔　晨，黄丽坤，姜珺秋

(1. 哈尔滨工业大学 市政环境工程学院，哈尔滨 150090；2. 城市科学规划设计研究院，北京100831； 3. 哈尔滨商业大学 食品学院，哈尔滨 150076)



哈尔滨市严重雾霾期大气污染数值模拟研究

杨莹1，王琨1，崔晨2，黄丽坤3，姜珺秋1

(1. 哈尔滨工业大学 市政环境工程学院，哈尔滨 150090；2. 城市科学规划设计研究院，北京100831； 3. 哈尔滨商业大学 食品学院，哈尔滨 150076)

采用WRF/CALPUFF耦合模型，对哈尔滨市2013年10月15日～10月24日一次严重雾霾污染天气进行模拟，得到此次雾霾污染PM2.5质量浓度分布特征.模拟结果表明，由于“热岛效应”的存在发生严重污染的区域主要集中于哈尔滨市辖区内，周边区县存在不同程度的污染.气象条件也对本次雾霾现象产生重要影响，10月20日及21日两天，气温偏高(最高18 ℃，最低5 ℃)、相对湿度较大(98%)、夜间混合层高度小于100 m，伴随静风天气导致雾霾现象极其严重，空气质量等级为六级，市辖区内PM2.5质量浓度最大值超过1 000 μg/m3.

数值模拟；PM2.5；质量浓度分布；雾霾期

大气是人类赖以生存的最基本的环境，随着工业化和城市化的快速发展，大气污染已经成为全球性的社会公害[1].大气污染已不仅仅是某一城市的局部问题，大气污染是区域性的，并且可以通过气流输送影响其他地区造成区域性污染.哈尔滨作为东北地区代表性城市，四季分明，冬季寒冷且漫长，采暖期(10月15日～次年4月15日)持续时间长.在城市燃煤、秸秆燃烧及汽车尾气等因素的共同作用下，哈尔滨市大气污染严重影响到人们的生活和健康.根据哈尔滨市环保局统计数据，2013全年超过三分之一天数空气质量超标，其中中度以上污染天数达78 d，且主要集中在采暖期[2].目前各种空气质量模型被广泛应用于大气污染防治及预测领域，已经成功模拟了二氧化硫SO2、氮氧化合物NOx、一氧化碳CO、二氧化碳CO2、颗粒物及光化学现象等污染现象，并成为大气污染防治的重要手段[3-5].因此利用空气质量模型模拟哈尔滨市采暖期内一次严重雾霾污染现象并分析气象因素对污染物扩散的影响，对探究哈尔滨市大气污染分布情况有重要意义.

1　选用模型

数值模拟是指利用空气质量模型模拟污染物在大气中的扩散情况.空气质量数值模式从第一代到第三代已经有几十年的发展历史并且在模拟大气污染方面取得了一定成果[6-9]，然而国内相对于国外起步较晚，尤其是针对哈尔滨这种冬季采暖期污染严重的寒冷城市，采用数值模拟研究对大气污染及污染特征较少.本研究选用WRF模式模拟气象场，采用数值模拟中空气质量模型CALPUFF模拟污染物分布情况，本研究所使用软件均为美国正版软件.

1.1WRF模式

WRF(Weather Research and Forecast Model)是新一代高分辨率中尺度(几十到几百千米)天气预报模式，由美国环境预测中心和美国大气研究中心共同开发.WRF模式系统由三部分组成：前处理WPS模块、WRF-ARW/WRF-NMM模块及后处理WPP模块.WPS模块为模式输入模拟准备气象场文件，确定模拟区域，将土地利用类型、地表粗糙程度、土壤类别等数值插值到模拟区域，并将气象要素按网格化进行插值.WRF-ARW/WRF-NMM模块是WRF模式中最核心的部分，对大气运动的方程组求解后得到模拟结果.在运行之前需要被自带real程序将由WPS输出的数据进行处理，生成模式需要的边界层文件并进行初始化，随后启动模式.WPP模块是WRF模式进行诊断及对预报结果进行可视化处理的模块，可以输出风场、温度场、大气稳定度等气象数据.

模拟区域以哈尔滨市中心(128°E，45.5°N)为原点，由两个相互嵌套的网格组成.其中外层模拟区域包括黑龙江省全部，模拟范围621 km×621 km，分辨率为9 km×9 km，为内层的区域提供边界条件；内层模拟区域包含整个哈尔滨市全部，模拟范围360 km×414 km，分辨率为3 km×3 km.气原始气象数据背景场资料来自美国国家环境预报中心提供的1°×1°fnl格式的全球再分析资料.

1.2CALPUFF模型

CALPUFF是由美国环保局长期支持西格玛公司开发的多层、多种非定常的第二代中尺度空气质量模型，在国际上应用较多并已得到验证[10].此外，CALPUFF模式是《环境影响评价技术导则-大气环境》(HJ2.2-2008)推荐的大气环境评价模式[11].CALPUFF模式由风场诊断模块CALMET、高斯烟团扩散模块CALPUFF和后处理软件CALPOST三部分组成.由中尺度气象模式输出的气象场数据转换成CALMET可读格式后结合所需常规气象观测资料作为CALMET 模块输入数据，模块自动计算并生成逐时的风场、温度场、大气稳定度和混合层高度等三维气象场资料.将CALMET输出的气象场结合污染源数据输入CALPUFF高斯烟团扩散模块，考虑化学转化、干湿沉降、污染物清除等过程生成目标点的污染物质量浓度.最后进行CALPOST后处理，提取输出数据.

模拟区域以哈尔滨市中心(128°E，45.5°N)为原点，区域大小350 km×300 km，网格分辨率为5 km×5 km.所选区域内1 km土地利用类型等资料均来自美国USGS数据库，土地利用类型，海拔高度，表面粗糙度，植被区域分类等参数均根据格点插值，其他缺省值均由模式提供.

2　严重雾霾期模拟结果及分析

2.1模拟结果校验

为了校验CALPUFF模型模拟的准确性，将PM2.5质量浓度模拟值与监测值进行统计对比.选取哈尔滨市香坊红旗大街监测点位的监测数据，通过与实测质量浓度的时间序列进行对比，对模型模拟结果进行验证.结果见图1.

由图1得到，通过对香坊红旗大街监测点的PM2.5模拟质量浓度与监测值趋势进行对比，结果显示二者质量浓度变化趋势基本一致，因此模型对质量浓度的起伏变化有较好的模拟结果，这也说明模型基本可以反映出模拟区域内气象条件的影响.

2.2模拟结果分析

2013年10月20日集中供暖开始后，哈尔滨市燃煤量大幅增加及秸秆的焚烧导致污染物排放量急剧上升使得哈尔滨市出现雾霾天气.此外，不利的天气情况加剧了大气污染，哈尔滨市内能见度极低并伴随着呛鼻的气味，哈尔滨市各国控监测点PM2.5指数爆表.本研究利用WRF/CALPUFF耦合模型模拟了2013年10月15日～10月24日采暖初期十天内的一次严重雾霾污染情况，图2为哈尔滨严重雾霾期内PM2.5逐时质量浓度变化图.

图2　哈尔滨市严重雾霾期PM2.5质量浓度变化

通过质量浓度模拟得到，雾霾期内PM2.5质量浓度平均值为325.6 μg/m3，供暖前期10月15日哈尔滨市出现低质量浓度的大气污染现象，主要污染范围集中在市辖区，其中巴彦县北部及宾县西部有小范围污染；10月16日首次出现严重污染天气，市区内PM2.5质量浓度峰值达450 μg/m3，空气质量等级为五级，重度污染，且雾霾主要集中在南岗区、道里区、道外区及香坊区，五常市及尚志市等地也有不同程度的污染，其中宾县及木兰县部分区域污雾霾天气较为严重.10月17及18日，雾霾程度明显降低且主要集中在市辖区范围内，并未发生全市大范围雾霾天气；19日下午4时后，PM2.5质量浓度呈明显上升的趋势；10月20日，正式集中供热首日，哈尔滨市出现入秋以来最严重的雾霾天气，程度重且影响范围较广，市辖区内污染等级为六级严重污染.20日凌晨PM2.5质量浓度达到第一个高峰732 μg/m3，至12时PM2.5质量浓度呈下降趋势，16时以后雾霾污染加剧，PM2.5质量浓度急剧增加，而到达21日凌晨雾霾污染情况最为严重，PM2.5质量浓度最高值超过1 000 μg/m3.22日开始污染情况有所好转，污染范围逐渐缩小，周边县城基本不见雾霾天气.

哈尔滨市辖区内人口集中、城市建筑物多且密集、植被覆盖率较低，柏油路面比郊区的土壤、植被具有更大的吸热率和更小的比热容；此外，哈尔滨市辖机动车、工业生产以及居民生活，产生了大量的氮氧化物、二氧化碳和粉尘等排放物，这些大气污染物质量浓度大，气溶胶微粒多，会吸收下垫面热辐射，在一定程度上起了保温作用，导致市辖区内的温度普遍高于市周边区县，从而造成“热岛效应”.由于“热岛效应”的存在，暖空气在市辖区内上升，而边县地区相对冷的空气下沉，这样形成城郊环流，空气中各种污染物在局地环流的作用下聚集在市辖区上空无法消散，因此此次雾霾污染严重区域多集中在市辖区，污染呈现市中心向周边区县梯度减弱的变化，待雾霾结束时市辖与周边区县大气污染同时好转.

3　气象条件分析

10月北方进入采暖季节，燃煤量的增加及秸秆焚烧使得污染物排放量明显则多.大气污染一方面受污染物排放量的影响，另一方便则受气象因素的影响.气象因素主要是指风、降水、温度、大气稳定度及逆温现象等.本研究主要研究对大气污染影响较大的因素风、温度、湿度及混合层高度.

3.1风

在风的作用下，排放到大气中的各种污染物会被输送到其他区域，其中风向决定了污染物的扩散方向，风速决定了污染范围，混合层高度的大小直接决定了大气垂直方向上污染物扩散的能力.图3为严重雾霾期内哈尔滨市风速变化图.

图3　哈尔滨市严重雾霾期风速变化

由图3可知，10月16日、20日及21日为严重雾霾期内风速最小的三天，这种气象条件极其不利于污染物的扩散，使得污染物聚集在城市上方久久不能散去.结合风向条件，10月16日雾霾发生首日，当天主导风向为西北偏北风，伴随北风、东风及西南风，风向多变，因此造成大范围雾霾现象；10月20日及21日为雾霾污染最严重的两天，几乎是静风状态，近地面的水平风极弱，大气水平扩散能力极差.

3.2温度及相对湿度

图4反映了严重雾霾期内哈尔滨市最高、最低温度及相对湿度的变化情况，在暖空气影响下自10月18日开始升温，在20～21日雾霾污染最为严重的两天内，最高温度达18 ℃，最低温度为5 ℃，最高温度明显高于2012年同期最高温度，空气湿度极大达98%，城市温度及湿度偏高，气压低，同时结合静风天气导致污染物聚集在城市上空，促进了严重雾霾现象的发生.

图4　哈尔滨市严重雾霾期温度及相对湿度变化

3.3混合层高度

由于20、21日为静风天气，因此大气的垂直扩散能力成为了影响雾霾分布的主要因素.图5为21日混合层高度与大气稳定度逐时变化图，21日夜间平均混合层高度较低都在100 m以下，大气稳定度较好，垂直扩散能力较差，这直接导致聚集在低层大气的污染物很难向高空扩散，因此近地面产生严重的雾霾现象；太阳升起后地面温度开始增高，大气垂直湍流运动加快，混合层高度增加，到达14时混合层高度达到极大值250 m，空气对流能力较好，易于污染物扩散；14时之后混合层高度开始下降，日落后至次日日出这段时间内混合层高度最低，大气稳定度最强，污染物聚集.此外，采暖期由于长时间的地面辐射冷却，夜间出现上暖下冷的辐射逆温现象，空气的垂直运动能力较差，使得污染物聚集在低层大气，因此造成严重的污染天气；日出后，随着太阳辐射的逐渐增强，近地面气层开始增温，于是逆温便自下而上地消失，雾霾污染减轻.

图5　混合层高度与大气稳定度逐时变化图

4　结　论

1)WRF/CALPUFF耦合模型对哈尔滨市雾霾天气的模拟有较好的效果，为哈尔滨市大气污染防治提供了新的手段.

2)通过对哈尔滨市2013年10月15日～24日为期十天的严重雾霾天气进行模拟，得到此次雾霾污染天气的影响范围及污染程度，结果显示由于“热岛效应”的存在，市辖区雾霾污染严重并向周围区县呈梯度减轻的趋势.

3)在气象方面，污染程度最为严重的20日及21日，在暖空气的影响下(最高温度18 ℃、最低温度5 ℃)、空气湿度高达98%，城市处于低压状态，夜间大气混合层高度较低(小于100 m)并伴随静风现象，一系列不利的气象条件导致哈尔滨市此次雾霾天气程度重时间长.

[1]杨小南, 李宇斌. 辽宁省大气污染对人体健康的危害及研究展望[J]. 气象与环境学报, 2007, 23(1): 609-611.

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[11]环境影响评价技术导则-大气环境[S]. 国家环境保护局: HJ2.2-2008. 2008

Study on numerical simulation of serious smog pollution in Harbin

YANG Ying1, WANG Kun1, CUI Chen2, HUANG Li-kun3, JIANG Jun-qiu1

(1. School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institution of Technology, Harbin 150090, China;2. Chinese Institute of Urban Scientific Planning and Design, Beijing 100831, China;3. School of Food Engineering, Harbin University of Commerce, Harbin 150076, China)

Using the WRF/CALPUFF coupled air quality model simulates a serious haze pollution weather to show distribution of PM2.5 concentration in Harbin during October 15 to 24, 2013. It showed that area occurred serious pollutions was located in municipal districts. It has a different degree of pollution in other counties. Weather conditions have an important influence on the smog pollution. During October 20 to 21, 2013, with calm wind, high temperature (highest 18 ℃, lowest 5 ℃), 98% relative humidity, the mixing layer height was less than 100 m in the night. A series of bad weather conditions cause this serious smog pollution, with air quality level for level 6. The max concentration of PM2.5 was over 1 000 μg/m3in municipal districts.

numerical simulation; PM2.5; concentration distribution; haze period

2015-10-20.

国家自然科学基金项目(51408168)；哈尔滨市科技攻关项目( 2013AA4AS045)

杨莹(1992-)，女，硕士，研究方向：大气污染防治.

王琨(1964-)，女，教授，博士，研究方向：大气污染防治.

X51

A

1672-0946(2016)04-0440-04