北京市一次空气重污染过程分析.docx

1、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

2、 , 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 (PM 25 平均值为 323g /m3, 平均风速为 147m /s, 平均相对湿度为 736%, 24h 变温基本为 272 268 , 24h 平均变 压为 365 263hPa 。 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

3、类号 :X511文献标识码 :B文章编号 :16746732(2014 05003605Analysis about the Characteristics and Formation Mechanism of a Serious Pollution Event in January 2013in BeijingCHENG Nian-liang 1, GAO Shang-ying 2, LI Yun-ting 1, CHENG Bing-fen 3, YUAN Kui-kui 2(1Bejing Municipal Environmental Monitoring , Beijing 1000

4、48, China ; 2Tsinghua Holdings Human Settle-ments Environment Institute , Beijing 100083, China ; 3Shanxi Academy for Environmental Planning , Taiyuan , Shanxi 030002, China Abstract :In this paper , the meteorology of a typical air pollution episode in Beijing City was investigated by combining obs

5、erved data and the WFmeteorology model from January 9th to 15th , 2013The weather conditions , atmospheric environmental back-ground and mechanism of formation about this heavy air pollution were all analyzedThe results showed that during this serious air pollution incident , the air quality index i

6、n Beijing jumped to the level five from 9th to 10th , maintained level six from 11th to 13th , reduced to level five in 14th and ended in 15th with level threeThe average concentration of PM25was 323g /m3from January 10th to 14th ; the ground meteorological elements characterized mainly as average w

7、ind (147m /s , average humidity (736% , 24h average temperature transformer (272 268 and 24h average pressure transformer (365 263hPa The situation was closely related to the local meteorological conditions ; the stable atmospheric circulation continuously provided favorable environ-mental field for

8、 this heavy air pollutionSmall wind speed , high humidity , low PBL , lasting inversion layer were the main reasons for this heavy air pollution incident and ground wind convergence , sinking motion in the boundary layer were the important causes of this heavy air pollution incidentKey words :Seriou

9、s pollution ; WF; Inversion ; Beijing收稿日期 :20140509; 修订日期 :20140709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 km 2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12。 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

10、 到 大 气 边 界 层 和 空 气 污 染 输 送 扩 散 的 研 究中 34, 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Environmental Monitoring and Forewarning Vol6, No5October 2014代中 尺 度 数 值 模 式 , WF(weather research and forecasting 目前在空气污染数值模拟领域中已广 泛应用 58。 现采用污染物监测资料和地面 、 高空 观测气象资料与 WF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

11、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(PM 25 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 。WF模式初始及边界资料为 NCA和 NCEP 的再分析逐日资料 FNL , 分辨率为 1 1 , 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 USGS 30s 全球地形和 MODIS 下垫面分类资料 。2WF模式简介及设置WF模 式 12是 由 美 国 美 国 大 气 研 究 中

12、心 (NCA 、 美国环境预报中心 (NCEP 和奥克拉荷 马大学 (University of Oklahoma 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 。 WF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 AWWF32模拟气象场 , 水平方向 采用 Arakawa C 网格 , 垂直方向则采用地形跟随质 量坐标

13、 , 模式采用 Lambert 正形投影 ; 模式的中心 点坐标为 35 N 、 110 E , 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 210 200个 , 模拟区域覆盖东亚地区 ; 第二层网格数 130 112, 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 :1000, 0995, 0990, 0983, 0970, 0954, 0934, 0909, 0880, 0845, 0807, 0765, 0719, 0672, 0622, 0571, 0520, 04

14、68, 0420, 0376, 0335, 0298, 0263, 0231, 0202, 0175, 0150, 0127, 0106, 0088, 0070, 0055, 0040, 0020, 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 。 WF数 值模式模拟所选用的参数化方案见表 1。表 1WF模式所选用的参数化方案项目 区域 1区域 2网格数 210 200130 112水平分辨率 /km 3612积分时间步长 /s 360120微物理过程方案 WSM3WSM3长波辐射方案 TMTM短波辐射方案 Dud

15、hia Dudhia边界层方案 MYJ MYJ陆面过程方案 UCUC表面层方案 Monin Obukhov Monin Obukhov 积云参数化方案 Grell 方案 Grell 方案3结果与分析31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 15 AQI 80267376473419287133日均值 (PM 25 /(g m 3 59216325459378237101地面大气压场

16、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 (地面平均 /(m s 1 202139164146144141186平均相对湿度 /%35686982737673 24h 降雨量 /mm00000001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 (PM 25 为 73323g /m3, 11 13日空气污染最为严重 , 12日

17、 (PM 25 达到了 459g /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。32气象要素与污染物浓度变化分析10 15日北京市 (P

18、M 25 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 (PM 25 在 150g /m3以上 , 12日 夜 间 至 13日 凌 晨 最 高 , 最 高 值 约 600g /m3; (PM 25 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147m /s, 相对湿度较大 , 平均为 736%; 地面大气压变化较为平稳 , 平均为 10215hPa , 24h 平均 变

19、压为 365 263hPa , 平均为 071hPa ; 地面温度平均温度为 488 , 24h 变温基本为 272 268 , 平均为 015 。期间以偏南风和偏东风为主 ,2者风频之和约 占 80%, (PM 25 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 (PM 25 正相关系数最大 , 为 04; 地面气压与 (PM 25 负相关系数最小 , 为 055, 负变压导致周边污染物的

20、汇聚 ; 温度与 (PM 25 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 015 , 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 1213。 33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28 /100m , 其他 4d 20:00均为高空逆温

21、 , 平均逆温强 度 089 /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 (PM 25 。 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

22、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 1316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 。8334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 WF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

23、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

24、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 。 35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 、

25、 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 950 900hPa 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 1720, 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 1

26、3日凌晨 500g /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 PM 25平均值为 323g /m3, 平均风速为 147m /s, 平均相对湿度为 736%; 24h 变温基本为 272 268 , 24h 平均变压为 365 263hPa ;(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

27、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 :6957002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 :29333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 :9879954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

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