深圳一次冷锋前高压脊影响下重度霾污染过程的数值模拟

张舒婷，王书欣，周佐欢，郑群峰，胡霄，罗欣，王明洁

（1.深圳市气象局，广东深圳 518040；2.深圳南方强天气研究重点实验室，广东深圳 518040；3.深圳市国家气候观象台，广东深圳 518040；4.深圳市气象服务中心，广东深圳 518040；5.深圳市突发事件预警信息发布中心，广东深圳 518040）

随着我国经济的高速发展，相继出现京津冀、长江三角洲和珠江三角洲等超大城市群，使得污染源分布格局发生显著变化，已经从20世纪80年代的点源污染发展到90年代的城市污染，21世纪演变为区域性、复合性大气污染，区域性霾污染成为我国最为突出的大气环境污染问题之一［1-3］。作为揭示大气污染的重要工具，空气质量数值模式已广泛应用在大气污染发生发展机理研究、输送等方面［4-7］。Wang T等［4］对上海地区典型霾个例的分析显示，模式能够通过准确计算SO2、NO2和PM10等空气污染物的质量浓度，实现城市空气质量的预报；Miao等［5］利用WRF-Chem模式探讨京津冀地区的大气环流和边界层结构季节特征对空气质量的影响，发现热力条件和天气型的季节变化直接影响边界层过程，且秋冬季节相对较低的边界层高度能使空气污染恶化；余纬等［6］以MM5／SMOKE／CMAQ模式对珠江三角州地区一次重空气污染过程的研究表明，前期高压脊带来的稳定层结和静小风条件是使得大气污染物逐日累积，难以扩散的原因之一。深圳地处珠江三角洲城市群，大气污染问题突显，已引起政府和社会各界的高度重视，开展针对性霾污染天气数值模拟研究十分必要。

本研究采用WRF-Chem空气质量数值模式，对2014年1月3—4日深圳市中重度霾过程进行数值模拟，分析冷锋前高压脊控制下，深圳中重度霾天气过程发生、发展及消散各个阶段温度场、风场、大气边界层以及各种污染物的三维结构特征，找出造成霾日低能见度以及中重度污染的主要影响因子，揭示中重度霾发生、发展及消散各个阶段的主要特征及机制，以期为霾天气预警预报提供参考。

1 资料和方法

1.1 资料说明

本研究所使用的气象资料来自深圳市气象局，为2014年1月1—4日深圳市国家基本气象站逐时能见度、气温、相对湿度、风向风速等气象资料，其中风向风速为10 min平均风向风速。空气质量监测资料由深圳市环境监测中心提供，包括2014年1月1—4日深圳市11个国控站的逐时、逐日空气质量监测数据，站点布设、监测设备、监测方法、数据有效性等方面均符合《环境空气质量监测点布设技术规范HJ 664—2013》、《环境空气质量监测规范（试行）》等有关要求。

1.2 数值模拟试验

1）WRF-Chem模式。

WRF-Chem（Weather Research Forecasting／Chemistry）模式是由美国国家海洋和大气管理局、美国国家大气中心等单位共同开发的新一代区域化学传输模式，已被广泛应用于大气污染的数值模拟研究。其化学模块主要包括气相化学机制、气溶胶模块、光化学模块、液相化学及干湿沉降等，可以模拟出包括痕量气体和气溶胶的排放、空间传输及化学反应。该模式的化学模块Chem和气象模块WRF的所有传输过程是完全在线耦合的，即气象模块和化学模块使用相同的垂直和水平坐标，次网格传输使用相同的物理参数化方案，使得计算结果更接近实际情况。

2）模式参数设置。

本研究采用WRF-Chem模式3.6版本，模式模拟采用3重嵌套网格如图1所示，水平格距分别是45、15和3 km，三重网格格点数分别为99×99、106×91和151×136，垂直方向设24层。第3重网格作为本研究分析的对象，其范围覆盖整个珠三角地区。

图1 WRF-Chem模式三重嵌套网格

模式的参数化方案设置见表1，其中化学方案上采用了CBMZ化学机制，MOSAIC气溶胶机制和Fast-J光分解方案，并设置了化学初始与边界条件，开启干湿沉降、海盐排放计算等方案。WRF-Chem模式中所用到的珠江三角洲人为排放源清单为清华大学分辨率为0.25°×0.25°的MIX排放源清单，气象初始条件和边界条件来自于1°×1°的NCEP再分析资料。

表1 WRF-Chem物理化学参数化方案设置1）

2 重度霾污染天气过程概况

受大陆高压脊控制，2014年1月3—4日深圳市最低能见度普遍在3 km以下，西部地区能见度普遍降至1 km以下，深圳市气象台于1月3日13：25（北京时，下同）至1月4日09：25在全市发布了灰霾预警信号。由2014年1月3—4日08：00地面天气图（图2）和深圳市石岩基地站能见度、相对湿度和PM2.5质量浓度变化曲线（图3）可知，1月1日地面冷高压东移入海，受变性高压脊影响，地面为弱北风控制，大气水平扩散能力转差，深圳石岩基地站能见度已呈现下降的趋势，同时伴随着PM2.5质量浓度上升，1日午后记录到能见度低于10 km的轻微霾，PM2.5质量浓度也达到100μg／m3；2日地面低槽发展，空气湿度加大，大气层结稳定，大气垂直扩散能力转差，2日能见度持续在6 km以下，18：00起出现能见度＜3 km的中度灰霾，PM2.5质量浓度上升至136.7μg／m3，之后随着湿度下降和风速加大，能见度略有好转；3日新的一股冷空气南下，华南地区开始转为冷高压脊控制，其带来的下沉气流、偏北风将上风方向污染物向珠江三角洲区域输送，同时由于珠三角局地较小的风速，利于污染物累积，3日能见度进一步下降，傍晚至4日凌晨出现能见度低于2 km的重度灰霾，PM2.5质量浓度持续在140～170μg／m3之间。4日冷高压主体自我国西北向东南影响我国大部分地区，白天随着主体冷空气抵达，深圳市北风明显加大，水平扩散能见度明显改善，同时伴随相对湿度下降，能见度逐渐好转，PM2.5质量浓度也随之下降，重度灰霾天气缓解。

图2 2014年1月3日（a）和4日（b）08：00地面天气图

图3 2014年1月1—4日深圳市石岩基地站能见度、相对湿度和PM2.5质量浓度变化曲线

3 深圳市典型重度霾过程数值模拟

3.1 质量浓度场模拟效果评估

图4为深圳市竹子林基地逐时PM2.5质量浓度模拟值与观测值和1月4日深圳市PM2.5日均质量浓度分布模拟值与观测值。由图4a可知，竹子林基地站PM2.5主要污染时段为3日20：00至4日02：00，随后PM2.5质量浓度有所下降并维持在大约100μg／m3，模式模拟结果能够较好地再现PM2.5质量浓度的变化特征，模拟值与站点值相关系数达0.9，但污染物整体质量浓度略偏高20μg／m3左右。主要污染时段竹子林基地站PM2.5模拟质量浓度在140～170μg／m3之间，随后PM2.5质量浓度缓慢降低。图4b显示1月4日近地面PM2.5质量浓度日均值普遍达到100 μg／m3，深圳西部地区的质量浓度大于东部地区，达到130μg／m3，西部污染较东部严重。将模拟的PM2.5日均质量浓度场与彩色圆点标注的深圳市内11个环境监测站点PM2.5日均质量浓度进行对比，发现除城市中心站点模拟质量浓度略微偏大外，各站模拟值与观测值较吻合。模式能在整体上反映出污染物的时空分布特征。

图4 2014年1月3日20：00至4日14：00深圳市竹子林基地站PM2.5逐时质量浓度模拟值与观测值（a）；2014年1月4日深圳市PM2.5日均质量浓度模拟值与观测值（b）

3.2 风场变化对污染的影响

图5是模式模拟的2014年1月4日02：00和14：00深圳市近地面PM2.5质量浓度和10 m风场水平分布。模式结果看出，4日02：00深圳全市在近地面吹北风，且风速较小，全市大部分地区近地面PM2.5质量浓度大于100μg／m3，达到轻度污染，PM2.5质量浓度大值区位于深圳中西部地区，最大值达到130μg／m3；14：00深圳全市北风持续，且风速增大，水平扩散能力有所改善，近地面PM2.5质量浓度明显下降，全市PM2.5质量浓度均下降至100μg／m3以下。该次重度灰霾污染过程中深圳全市维持受北风控制，将上风向东莞和惠州的污染物持续向处于下风向的深圳输送，在一定程度上使深圳市内的污染物质量浓度增加。说明污染物区域输送是造成该次污染过程原因之一。

图5 模式模拟的2014年1月4日02：00（a）和14：00（b）深圳市近地面PM2.5质量浓度（填色，单位：μg／m3）和10 m风场（矢量箭头，单位：m／s）水平分布

图6是模式模拟的2014年1月3日20：00起位于深圳西部的石岩基地站垂直风速的时间变化序列。由图6可见，3日20：00—4日20：00霾污染过程中地面至1 500 m始终被强下沉气流控制，4日20：00后强下沉气流减弱，高度逐渐降低，500 m以上转为上升气流。下沉气流持续时间长、影响范围广，抑制了污染物的垂直扩散，使得污染物在低层累积，这种垂直风场的特征与大陆冷高压系统南下影响相吻合。

图6 模式模拟的2014年1月3日20：00至1月5日08：00石岩基地站垂直风速（单位：m／s）的时间变化序列

3.3 大气边界层变化对污染的影响

图7是模式模拟的2014年1月4日02：00和14：00深圳市国家基本气象站PM2.5质量浓度的经度-高度剖面图，其中粗黑线为大气边界层高度。由图7看出，4日02：00深圳大气边界层高度仅有200 m左右，持续较低的边界层高度使近地面污染物在底层累积，难以扩散，PM2.5主要集中在（113.8°E—114.2°E）范围的边界层内，PM2.5最大质量浓度约为130μg／m3；14：00受热力湍流作用影响，全市边界层高度明显抬升至1 000 m左右，抬升的边界层使污染物得以在其中扩散并充分混合，使得近地面PM2.5质量浓度下降，但由于垂直扩散作用使得500～1 000 m高度的PM2.5质量浓度增大。

3.4 逆温对污染的影响

图8是模式模拟的2014年1月4日02：00、08：00和20：00深圳市上空的逆温状态，其中，02：00和20：00是模式中第2层（约40 m）与地面的温度差，08：00是模式第6层（约760 m）与第4层（约400 m）的温度差。由图8可知，02：00深圳市西北部城区和东部沿海率先出现逆温，逆温层厚度较小，逆温强度也较小，约为0.5℃。随着时间延长，深圳市的逆温层向上抬升，至08：00达到400 m附近；逆温范围大幅增加，全市上空基本均为逆温状态。4日20：00，深圳市再次在西部与东部海区的近地面发生逆温。该次过程中深圳市上空逆温的出现与发展增强和近地面污染物质量浓度的变化密切相关，对污染物累积有影响。

图7 模式模拟的2014年1月4日02：00（a）和14：00（b）深圳市国家基本气象站PM2.5质量浓度（单位：μg／m3）的经度-高度剖面图

图8 模式模拟的2014年1月4日02：00（a）、08：00（b）和20：00（c）深圳市上空逆温（单位：℃）状态

4 结论

1）WRF-Chem模式对该次重霾污染天气过程PM2.5质量浓度模拟值与实测值的相关系数较高（相关系数达0.9），虽然模拟值较实测站点值略有偏大，但模式整体能够较好地再现该次霾过程的气象场特征和污染物质量浓度场特征。

2）PM2.5质量浓度模拟结果表明，深圳近地面PM2.5高质量浓度集中在深圳中西部地区，中西部污染较东部严重，PM2.5污染时段主要出现在20：00—02：00，与霾严重时段相吻合。

3）通过分析该次污染过程温度场、风场、大气边界层以及污染物的三维结构，首要污染物PM2.5质量浓度的分布与冷锋前高压脊影响下造成的持续大范围弱北风、强下沉气流、较低的大气边界层以及逆温层有密切关系。持续弱北风和强下沉气流不利于污染物的水平和垂直扩散，较低大气边界层促进污染物在边界层内快速积累；逆温层的存在进一步抑制了大气垂直扩散能力，使得霾天气加剧。