基于WRF模型下的太原市一次雾霾过程分析

申 丽 霞

(长治市屯留县环境保护局，山西 长治 046100)

1 概述

随着城镇化、工业化的迅速发展，机动车数量的激增，导致大气污染物的排放量越来越多，尤其，山西省煤炭资源丰富，每年向大气中排放大量的污染物，加上环保绿化意识薄弱，森林植被减少，土地裸露，从而引发雾霾天气，使得大气能见度下降[1,2]。雾霾是由数百种大气化学颗粒物质组成，其中直径小于10 μm的气溶胶粒子易引起急性鼻炎和急性支气管炎等疾病，由于能见度降低还会直接危害公路、铁路、航空、航运等交通安全，因此，近几年科学家花费大量的时间和精力来研究山西省持续性雾霾的时空分布及发展走向，并从气象学角度，针对山西省几个污染较为严重的雾霾城市，利用持续性雾霾期间的大气环流及气象预报系统，探索雾霾从初期形成、发展到持续存在的原因，这些研究为实现雾霾天气预报预警提供了大量的指导性依据。例如，刘佳(2016)通过对山西省2000年—2016年的雾霾时空分布特征进行分析发现，山西省在西北部地区的雾霾天气相对较少，部分地区不足5 d；但中部(太谷)、南部(侯马、洪洞)却是雾霾的多发地区，年平均雾霾天数高达90 d之多[3]，这有可能与山西中部、南部地区的厂矿及燃煤的使用有着密不可分的关系。因此，山西省的雾霾时空分布以太原、大同、临汾为频发地区，空气污染较为严重。从山西省环保厅召开的新闻发布会上获悉，2017年，全省PM2.5平均浓度为59 μg/m3，较2013年下降23.4%，较2016年下降1.7%。尽管如此，太原市仍出现几次大的雾霾天气。

因此，本文利用太原及周边地区2017年地面观测站的气象资料，结合中尺度数值天气模式WRF(Weather Research and Forecasting Model)[4]，根据雾、霾的判别方法分别对太原地区的雾日、霾日进行统计，并给出了随时间变化特征的分析。依据2012年我国颁布的GB 3095—2012环境空气质量标准中对SO2，NO2，PM10，PM2.5，O3和CO六种污染物浓度的限制规定，找出了太原地区雾霾形成与维持的天气系统分型，揭示出一定范围内持续性雾霾形成与演变的物理机制，表明了持续性雾霾过程中不同风向条件下太原市及其周边地区之间细粒子的输送、相互影响及浓度的局地特征。

2 WRF数值模拟方案

WRF-NMM V2.2支持固定的单向(Gopalakrishnan et al. 2006)和双向的嵌套，此次方案设置多层双向二维嵌套网格，区域范围大致为111°13′7.607 4E ～113° 50′28.392″E,36°48′37.079 4″N～38°54′52.847 4″N，覆盖太原及其周边等雾霾发生地区，区域范围设置和通用模式参数设置见表1。利用观测的气象要素和细颗粒物浓度资料，结合WRF模式进行模拟的结果，对2017年12月13日～2017年12月15日太原地区的雾霾天气的形成过程和气象背景进行了分析，此分析结果将对认识我省太原市雾霾天气多发的成因提供一些参考。

表1 区域范围设置和通用模式参数

从网站(https://rda.ucar.edu/)下载2017年12月Grib气象数据，包括地形、经纬、温度、湿度、压强、风向风速、主导风向等要素。为了准确反映雾霾期间各个气象要素的变化规律，提取每天0点、04点、08点、12点、16点、20点6个时间点的数据进行WRF模拟分析。WRF模拟的Grib数据均采用UTC时间，比北京时间提前8 h。

3 结果分析

3.1 地面观测站数据统计分析

2017年12月，太原地区共经历了两次雾霾污染过程，第一次高峰是12月13日～12月15日，另一个高峰则是22日～23日，此次分析的为第一次雾霾污染过程(13日～15日)。根据中国气象台发布的数据显示，太原在2017年12月3日和2017年12月6日出现了最高温度(7 ℃),而最低温度(-15 ℃)出现在2017年12月16日，其中，月平均最低温度为-8.71 ℃，平均最高温度为1.61 ℃，在13号～15号雾霾发生期间，最高气温要比历史平均最高温度低1 ℃左右，而最低气温要比历史平均最低气温高3 ℃左右。

3.2 WRF模拟结果分析

3.2.1WRF模拟气象要素分析

通过WRF模拟再现了2017年12月地面气压的变化(见图1a))，例如：12月7日的高压，12月13日～12月16日雾霾发生期间的低压和雾霾过后的气压回升；同时模拟反映出12月以来气温整体下降以及12日～14日气温略微回升的趋势；通过模拟结果，显示出风速变化与雾霾形成时间相吻合。此外，12月13日以后，在雾霾期间，模拟区域内风速保持较低水平，UTC时间13日12点(北京时间13日晚8点)最低风速低至0.11 m/s，往后风速一直保持在1.2 m/s左右，一直持续到14日15点(北京时间14日晚11点)。WRF模式模拟的相对湿度变化趋势显示出在12月14日0点(即北京时间12月14日8点)到12月15日3点(北京时间12月15日11点)，太原市近地面相对湿度一直在75%左右居高不下。

3.3.2WRF模拟风场分析

从图2可以看出，2017年12月15日WRF模拟区域随着南到西南风风速的增大，模拟区域逐步被西南风取代，汾河盆地由东北风变为西南风，忻定盆地转为南风。雾霾天气发生期间，太原区域上空由弱的东风到东南风控制，加上太原市地处太原盆地，全市北高南低，东西邻山，是典型的簸箕型地形，独特的地形特征导致来自南方的湿暖气流以及污染物受到阻挡在太原盆地堆积停滞，小静风条件下大气对污染物的扩散能力不足，此时太原市近地面的气溶胶浓度和相对湿度开始增加，对雾霾天的形成提供了客观条件。

4 结语

本文利用气象站下载的气象要素资料结合中尺度数值天气模式WRF的模拟，针对2017年12月太原市地区出现的一次大雾霾污染的气象要素进行对比分析，结果表明，WRF模拟能够较好地反映模拟区域垂直方向上的温度、湿度的分布情况，也合理地反映出太原市此次逆温层的生消，大致模拟出了此次雾霾发生的客观条件。发现，受冷锋过境前的影响，模拟区域风向转变、风速减小、相对湿度增加，周边地区的污染要素以及水汽输送增加了太原市地区污染物的浓度，最终形成此次大的雾霾天气。