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北京市一次空气重污染过程分析

·解析评价·

北京市2013年1月一次空气重污染过程分析

程念亮1,高尚银2,李云婷1,程兵芬3,苑魁魁2

（1．北京市环境保护监测中心,北京100048;2．北京清控人居环境研究院有限公司,北京

100083;3．山

西省环境规划院,

山西太原030002

摘

要:

采用数值模式与观测资料相结合的方式,对北京市2013年1月9—15日一次空气重污染过程的大气环境背景、气

象条件和形成原因进行了初步分析。

结果表明,

此次重污染过程北京市空气质量从9日的二级跳至10日五级重度污染,11日—13日空气质量维持连续3d严重污染,14日降为重度污染,15日转为轻度污染;重污染过程期间10—14日ρ（PM2．5平均值为323μg/m3,平均风速为1．47m/s,平均相对湿度为73．6%,24h变温基本为－2．722．68ħ,24h平均变压为－3．652．63hPa。

指出,此次重污染过程与当地气象条件密切相关,稳定的大气环流形势为污染的持续提供了大气环流背景,风速较小、湿度较大、边界层较低、持续逆温是造成重污染的主要原因,地面风场辐合及边界层下沉运动是造成重污染的重要原因。

关键词:

重污染;可入肺颗粒物;天气预报模式;逆温;北京市中图分类号:

X511

文献标识码:

B

文章编号:

1674－6732（201405－0036－05

AnalysisabouttheCharacteristicsandFormationMechanismofaSeriousPollutionEventinJanuary2013inBeijing

CHENGNian-liang1,GAOShang-ying2,LIYun-ting1,CHENGBing-fen3,YUANKui-kui2

（1．BejingMunicipalEnvironmentalMonitoring,Beijing100048,China;2．TsinghuaHoldingsHumanSettle-mentsEnvironmentInstitute,Beijing100083,China;3．ShanxiAcademyforEnvironmentalPlanning,Taiyuan,Shanxi030002,China

Abstract:

Inthispaper,themeteorologyofatypicalairpollutionepisodeinBeijingCitywasinvestigatedbycombiningobserveddataandtheWＲFmeteorologymodelfromJanuary9thto15th,2013．Theweatherconditions,atmosphericenvironmentalback-groundandmechanismofformationaboutthisheavyairpollutionwereallanalyzed．Theresultsshowedthatduringthisseriousairpollutionincident,theairqualityindexinBeijingjumpedtothelevelfivefrom9thto10th,maintainedlevelsixfrom11thto13th,reducedtolevelfivein14thandendedin15thwithlevelthree．TheaverageconcentrationofPM2．5was323μg/m3fromJanuary10thto14th;thegroundmeteorologicalelementscharacterizedmainlyasaveragewind（1．47m/s,averagehumidity（73．6%,24haveragetemperaturetransformer（－2．722．68ħand24haveragepressuretransformer（－3．652．63hPa．Thesituationwascloselyrelatedtothelocalmeteorologicalconditions;thestableatmosphericcirculationcontinuouslyprovidedfavorableenviron-mentalfieldforthisheavyairpollution．Smallwindspeed,highhumidity,lowPBL,lastinginversionlayerwerethemainreasonsforthisheavyairpollutionincidentandgroundwindconvergence,sinkingmotionintheboundarylayerweretheimportantcausesofthisheavyairpollutionincident．

Keywords:

Seriouspollution;WＲF;Inversion;Beijing

收稿日期:

2014－05－09;修订日期:

2014－07－09

作者简介:

程念亮（1987—,男,工程师,硕士,主要从事大气环境模拟研究。

2013年1月份我国中东部、西南10省区市约100万km2区域出现持续严重灰霾污染天气,京津冀地区在1月份遭受了严重灰霾污染

[1－2]

。

1月

份北京发生4次连续重污染过程（AQI＞200连续

2d及以上,其中以中旬初（9—15日和月末（27—30日的2次重污染过程最为严重。

数值模拟技术作为一种有效的手段被广泛应用到大气边界层和空气污染输送扩散的研究

中[3－4]

用于代替和更新现行的MM5模式的新一

—

63—第6卷第5期2014年10月环境监控与预警

EnvironmentalMonitoringandForewarningVol．6,No．5October2014

代中尺度数值模式,WＲF（weatherresearchandforecasting目前在空气污染数值模拟领域中已广泛应用[5－8]。

现采用污染物监测资料和地面、高空观测气象资料与WＲF气象模式数值模拟相结合的方法,分析北京市2013年1月10—15日的一次典型空气重污染过程,以揭示该次过程的污染特征及其成因。

1资料来源

ρ（PM2．5资料为北京市环境保护监测中心发布的逐时浓度数据;气象资料为与污染资料相对应的北京市观象台地面观测资料、探空资料,天气图来源于中央气象台。

WＲF模式初始及边界资料为NCAＲ和NCEP的再分析逐日资料FNL,分辨率为1ʎˑ1ʎ,时间分辨率是6h（00:

00、06:

00、12:

00、18:

00;地形和下垫面输入资料分别来自USGS30s全球地形和MODIS下垫面分类资料。

2WＲF模式简介及设置

WＲF模式[12]是由美国美国大气研究中心（NCAＲ、美国环境预报中心（NCEP和奥克拉荷马大学（UniversityofOklahoma的风暴分析预报中心联合研发的新一代中尺度预报模式和同化系统。

该模式是一个完全可压缩的非静力模式,对湍流交换、大气辐射、积云降水、云微物理及陆面等多种物理过程均有不同的参数化方案。

WＲF模式主要由预处理系统WPS（数据插值和模式初始化、模式区域的和地图投影方式定义等、同化系统3Dvar、动力内核以及后处理工具4部分。

采用AＲW－WＲF3．2模拟气象场,水平方向采用ArakawaC网格,垂直方向则采用地形跟随质量坐标,模式采用Lambert正形投影;模式的中心点坐标为35ʎN、110ʎE,模式顶高约为15km;设置双层嵌套,水平分辨率分别为36及12km,第一层网格数为210ˑ200个,模拟区域覆盖东亚地区;第二层网格数130ˑ112,覆盖华北地区,采用第二层嵌套的模拟数据。

垂直层次为35层,各层sigma值分别为:

1．000,0．995,0．990,0．983,0．970,0．954,0．934,0．909,0．880,0．845,0．807,0．765,0．719,0．672,0．622,0．571,0．520,0．468,0．420,0．376,0．335,0．298,0．263,0．231,0．202,0．175,0．150,0．127,0．106,0．088,0．070,0．055,0．040,0．020,0;最下面8层分别约为0,75,150,255,450,690,990和1365m,代表边界层的特征。

WＲF数值模式模拟所选用的参数化方案见表1。

表1WＲF模式所选用的参数化方案

项目区域1区域2

网格数210ˑ200130ˑ112

水平分辨率/km3612

积分时间步长/s360120

微物理过程方案WSM3WSM3

长波辐射方案ＲＲTMＲＲTM

短波辐射方案DudhiaDudhia

边界层方案MYJMYJ

陆面过程方案ＲUCＲUC

表面层方案Monin－ObukhovMonin－Obukhov积云参数化方案Grell方案Grell方案

3结果与分析

3．1重污染过程分析

北京市2013年1月9—15日的一次典型大气重污染过程逐日AQI与天气状况变化见表2。

表2北京市2013年1月9—15日AQI与逐日天气状况

日期01—0901—1001—1101—1201—1301—1401—15AQI80267376473419287133ρ日均值（PM2．5/（μg·m－359216325459378237101地面大气压场高压均压转低压低压转均压高压底部均压高压底转低压低压转高压前500hPa高度场槽后浅槽偏西气流浅槽偏西北气流浅槽偏西北气流ν（地面平均/（m·s－12．021．391．641．461．441．411．86平均相对湿度/%3568698273767324h降雨量/mm0000000．1

由表2可见,空气质量从9日的二级跳至10日五级重度污染,11—13日空气质量连续3d严重污染,14日降为重度污染,15日转为轻度污染,至此重污染过程结束。

此次重污染过程ρ（PM2．5为

—73—

323μg/m3,11—13日空气污染最为严重,12日ρ（PM2．5达到了459μg/m3。

这3d风速较低、相对湿度较高,而低风速不利于污染物扩散,高相对湿度有利于气态污染物向颗粒物的二次转化,污染会进一步加重

[1,9]

。

期间500hPa高度场3次浅槽过

境,

高空以偏南、偏西气流为主,地面天气形势以均压、

低压、高压底部为主,少云无明显降水,高空云量较少,这种不利于污染物扩散的高低空天气形势的配合会导致区域性连续静稳天气出现,抑制了污染物的快速消散,从而为大气污染的形成及维持提供了稳定的大气环境背景[2,10]

。

3．2

气象要素与污染物浓度变化分析

10—15日北京市ρ（PM2．5及相应时间段的气象要素的日变化见图1（a（b

。

图1

实测污染物浓度与气象条件的变化

由图1可见,

10—14日ρ（PM2．5在150μg/m3

以上,12日夜间至13日凌晨最高,最高值约600μg/m3;ρ（PM2．5高值正好发生在风向转换的时候,在污染物浓度的上升阶段,均出现了风向的“南转东北”及“西南转东北”的现象,与其他研究成果一致

[1、10]

;经计算重污染过程期间平均风速为

1．47m/s,相对湿度较大,平均为73．6%;地面大

气压变化较为平稳,平均为1021．5hPa,24h平均变压为－3．652．63hPa,平均为－0．71hPa;地面

温度平均温度为－4．88ħ,24h变温基本为－2．722．68ħ,平均为0．15ħ。

期间以偏南风和偏东风为主,

2者风频之和约占80%,ρ（PM2．5在偏东风时较高,原因可能为西

南风引起的周边高浓度污染物传输到北京上空后,

北面山脉阻挡,使得气团在城市上空移速减慢,一

段时间后风向突然间转为东北风,污染物回流,加重了空气污染;相对湿度与污染物呈现正相关关系,相对湿度与ρ（PM2．5正相关系数最大,为0．4;地面气压与ρ（PM2．5负相关系数最小,为－0．55,负变压导致周边污染物的汇聚;温度与ρ（PM2．5没有明显的相关关系,但温度呈现明显的日变化,白天温度较高,夜间地表辐射冷却,这样的温度日

变化有利于维持边界层稳定的结构[11]

;24h变温平均为0．15ħ,为弱正变温;这些气象要素的变化

特征与其他关于重污染的研究结果一致[12－13]

。

3．3

大气温度层结时空变化特征

图2为实测10—14日探空观测的北京市观象

台20:

00温廓线图

。

图210—14日20:

00观象台实测温度廓线

由图2可见,此次空气重污染期间出现了明显

的逆温现象,11日20:

00为贴地逆温,逆温强度

2．8ħ/100m,其他4d20:

00均为高空逆温,平均

逆温强度0．89ħ/100m;1000m以下,12日20:

00逆温强度最大,大气层结较稳定,逆温厚度将近800m,结合图1,该时间段正好对应的ρ

（PM2．5。

1月14日,近地层逆温逐渐减弱,高空逆温仍然存在,污染物浓度下降缓慢。

15日受冷空气过境影响,逆温类型可能为锋面逆温。

一般来说北京山区山体海拔高度多在800m左右,

当夜间平原发生逆温时,其逆温层的顶部往往和山高处在同一高度,由于逆温污染作用使逆温层底部升温较慢,而白天山体加热使逆温层顶的温度进一步升高,这样出现高空气温比低空气温更高,白天逆温层不仅不易破坏还有可能加强。

持续逆温引起的上暖下冷的温度层结不利于污染物的垂直扩散,

从而使水汽和污染物在低层堆积[2]

。

文献[

13－16]表明,近地层出现逆温有利于灰霾的形成,而逆

温层的持续存在是重污染维持的主要因素。

—

83—

3．4

近地面风场、温度场及边界层模拟分析

图3（a（b（c（d（e（f为WＲF模式模拟的北京市11—13日20:

00近地面风场－垂直速度场－海平面气压场图及地面温度场－PBL图

。

图311—13日20:

00北京市近地面风场－气压场－垂直速度场、温度场－边界层高度图

由图3可见,

11—13日北京地区垂直速度以弱正值（也就是下沉运动为主,

其中模拟的边界层高度均在300m以下,较低的边界层高度限制了

污染物的有效扩散,使污染加剧。

边界层高度逐日变化不明显,大气层结较稳定,污染物易在边界层内汇聚。

北京地面11日20:

00以偏南气流为主,12日20:

00以偏东气流为主,13日20:

00以偏南气流为主,与实测风速风向一致;11日夜间的偏南气流带来了周边高浓度的

污染物,污染物浓度整体呈现上升趋势,12日夜间偏东气流导致污染回流,浓度逐渐到达高值,持续

的弱东北气流导致污染浓度逐渐下降,污染状况得到缓解。

西南气流一方面增加了市区上空的污染

物浓度,

另一方面又将西南暖而湿的空气带入北京上空,

与低空相对冷气团形成平流逆温,大气层结稳定,极大的抑制了污染物的扩散。

太行山西侧垂直速度为负,说明气流爬山上升,东侧基本为正,存在下沉运动;水平风场在山的侧存在辐合线,辐合线两侧风向差别较大,地面的弱辐合不利于污染物水平扩散;12日20:

00偏东气流在山脉的阻挡下在山前汇聚,导致了大气污染物被阻滞在低空和近地面,

从而形成持续的雾霾天气。

3．5高空气象要素模拟分析

图4（a（b（c（d为模拟的北京市观象台垂直方向上风场、温度场及相对湿度的垂直分布

。

—

93—

图413—14日北京市观象台风场、温度场、及相对湿度分布

由图4可见,在12日夜间到13日白天地面以

弱偏南风为主,

900hPa以上高度的风向为弱偏西北风转弱偏南风,在950900hPa附近形成一个较弱

暖中心;该时间段内逆温主要表现为高空逆温并且暖中心相对湿度较低,在40%以下,而与暖中心位置相对应的地面湿度较大,在80%以上,这样形成中层干暖低层湿冷的干暖盖结构,这是重污染日形

成的典型大气垂直结构[17－20]

这样的大气垂直结构使得地面细颗粒物浓度从12日夜间开始急剧上升,升至13日凌晨500μg/m3

以上（结合图1。

4

结论

（1此次重污染过程空气质量从9日的二级

跳至10日五级重度污染,

11—13日空气质量维持连续3d严重污染,

14日降为重度污染,15日转为轻度污染。

10—14日PM2．5平均值为323μg/m3

平均风速为1．47m/s,平均相对湿度为73．6%;24h变温基本为－2．722．68ħ,24h平均变压为－3．652．63hPa;

（2此次空气重污染过程与当地气象条件密切相关,稳定的大气环流形势为污染提供了持续稳定的大气环境背景,风速较小、湿度较大、边界层较低、持续逆温是造成重污染的主要原因,地面风场辐合,

边界层下沉运动及大气干暖盖是造成重污染的重要原因。

[参考文献]

[1]王从梅,杨永胜,李永占,等2013年1月河北省中南部严重

污染的气象条件及成因分析[J]．环境科学研究,2013,26（7:

695－700．

[2]马小会,甘璐,张爱英,等．北京2013年1月持续雾霾天气成

因分析[J]

．环境保护前沿,2013（3:

29－33．[3]王自发,庞成明,朱江,等．大气环境数值模拟研究新进展

[J]．大气科学,2008,32（4:

987－995．

[4]房小怡,蒋维楣,吴涧,等,城市空气质量数值预报模式系统

及其应用[

J]．环境科学学报,2004,24（1:

111－115．[5]杨兴华,何清,刘涛,等．乌鲁木齐市冬季混合层厚度及对大

气污染影响的个例分析[J]．沙漠与绿洲气象,2010,4（4:

18－21．

[6]马锋敏,高庆先,周锁铨,等．北京及周边地区一次典型大气污染

过程的模拟分析

[J]．环境科学研究,2008,21（1:

30－36．[7]王艳,柴发合,刘厚凤,等．长江三角洲地区大气污染物水平

输送场特征分析[

J]．环境科学研究,2008,21（1:

22－29．[8]MMMD,NCAＲ．2010．WeatherresearchandforecastAＲWver-sion3modelingsystemsuser'sGuide[EB/OL]

．http:

//www．mmm．ucar．edu/wrf/users/docs/user－guide－V3/AＲWUsers－GuideV3．pdf．

[9]董芬,王喜全,王自发,等．北京地区大气污染分布的

“南北两重天”

现象[J]气候与环境研究,2013,l8（1:

63－70．[10]王喜全,齐彦斌,王自发,等．造成北京PM10重污染的二类典

型天气形势[J]．气候与环境研究,

2007,12（1:

81－86．[11]范绍佳,王安宇,樊琦,等．珠江三角洲大气边界层概念模型

的建立及其应用[J]．热带气象学报,2005,21（3:

286－292．

[12]陈静,郭卫红,王素丽．石家庄市空气污染预警天气背景分

析及模型的建立[

J]．气象与环境学报,2007:

23（6:

63－68．[13]楼丽银,吴正可．高浓度气象条件分析和预报[

J]．科技通报,2004,20（2:

155－159．

[14]高健,张岳翀,王淑兰,等．北京2011年10月连续灰霾过程的特

征与成因初探[

J]．环境科学研究,2012,25（11:

1201－1207．[15]赵普生,徐晓峰,孟伟,等．京津冀区域霾天气特征[

J]．中国环境科学,

2012,32（1:

31－36．[16]任阵海,苏福庆,高庆先,等．边界层内大气排放物形成重污

染背景解析[J]．大气科学,

2005,29（1:

57－61．[17]陈朝晖,程水源,苏福庆,等．北京地区一次重污染过程的大

尺度天气型分析[

J]．环境科学研究,2007,20（2:

99－105．[18]蒋维楣,曹文俊,蒋瑞宾．空气污染气象学教程[M]．北京:

气

象出版社,

1993:

17．[19]王跃,王莉莉,赵广娜,等．北京冬季PM2．