不同天氣系統影響下廣東省酸雨特征對比分析——氣象場數值模擬

鄒德龍 ,羅栩羽 ,范紹佳 ,鐘流舉 ,樊 琦 * (.中山大學大氣科學系,廣東 廣州 5075；.廣東省環境監測中心站,廣東 廣州 50045)

酸雨是指pH值小于5.60的雨雪或者其他方式形成的大氣降水[1].改革開放以來,廣東省以燃煤為主的能源結構和治理措施的不足,使其成為我國酸雨嚴重省份之一[2].20世紀80年代開始針對廣東省酸雨曾開展過較大規模的外場實驗和研究,并在酸雨過程的物理、化學特性及其形成的天氣背景方面都取得了很多有意義的成果[3-5].例如秦鵬等[2],李瓊等[6]和Tsai等[7]均指出酸雨的形成既與局地排放源有關,也與天氣系統和氣象條件有關.但由于探空資料的缺乏,無法對影響酸雨的氣象要素進行更為細致的分析.近年來隨著中尺度數值預報模式的發展,模式中各種物理過程參數化方案的完善,可利用其進行各種高時空分辨率的氣象場模擬.樊琦等[8]利用MM5中尺度氣象模式針對華南地區一次典型酸雨過程的氣象條件進行數值模擬,討論了該過程局地源和外來源的可能貢獻.本文在統計分析的基礎上,首次利用WRF模式對3個不同天氣系統影響下的廣東省酸雨個例進行數值模擬,以期對影響廣東省酸雨形成及分布的中小尺度氣象場特征有一個更為全面的了解.

1 資料與方法

采用的中尺度氣象模式是 WRF3.3,該模式系統是由美國國家大氣研究中心(NCAR),美國太平洋西北國家實驗室(PNNL),美國國家海洋及大氣管理局(NOAA)等多單位聯合共同開發的新一代中尺度數值預報模式和同化系統[9].模擬所用初始和邊界資料取自美國環境預報中心和美國大氣研究中心的1°×1°格點資料,時間間隔為6h.實況資料包括東亞地面天氣圖,廣東省降水量、pH值及離子濃度資料.其中東亞地面天氣圖和廣東省降水量資料來源于香港科技大學的網絡資源平臺(http://envf.ust.hk/dataview)及中國天氣網(http://www.weather.com.cn/static);降水pH值及離子濃度資料來源于廣東省各地環境保護部門的逐日酸雨監測結果.選取的個例分別為2006年3月23～25日一次冷鋒降水過程,2008年6月 12～14日一次熱帶低壓槽影響的降水過程,2008年6月24 ～26日臺風“風神”的降水過程.

參考馬國忠[10],趙玉春[11]及河惠卿[12]等人的研究成果,針對不同的降水個例選取不同的模式網格區域、水平分辨率設置及不同的物理參數化方案以達到最佳的模擬效果.因本文的主要目的是分析影響廣東省酸雨分布及變化的主要氣象場特征,而非探討模式的物理參數化方案,因此全文選用的分析結果均已是通過多個敏感性試驗對比得出的最佳方案組合.第1個個例的數值模擬的物理參數化方案為Morrison雙參數方案,Kain-Fritsch(new Eta)積云對流參數方案,MYJ行星邊界層方案,RRTM 長波輻射方案和Goddard短波輻射方案,模式垂直分35層,水平格距為27,9km.第2個個例的物理參數化方案為WSM 6-class graupel微物理方案,Grell-Devenyi ensemble積云參數化方案,YSU邊界層方案,RRTM長波輻射方案和Goddard短波輻射方案,模式垂直分 35層,水平格距為36,12km.第3個個例的數值模擬的物理參數化方案為WSM 6-class graupel微物理方案,Kain-Fritsch(new Eta)積云對流參數方案,YSU行星邊界層方案,RRTM長波輻射方案和Dudhia短波輻射方案,模式垂直分35層,水平格距為27,9,3km.

2 典型酸雨個例數值模擬

2.1 春季冷鋒降水個例分析

圖1 模式模擬的23日14:00及24日08:00950hPa高度水平風場和地面監測站點23～25日平均pH值Fig.1 Simulated 950hPa wind field at 14:00 on 23rd and 08:00 on 24th and daily average pH value of 23rd～25th

2.1.1 實況分析 2006年3月23～25日廣東省大部分地區在內產生了一次較強的降水過程.從地面天氣圖(圖略)上可清晰看到23日華南地區存在一明顯的冷鋒鋒面,且隨著時間的推移,鋒面逐漸向東南方向推進,并于 24日到達海上.圖 1為模式模擬的950hPa風場及2006年3月23～25日廣東省各監測站所測得的降水日平均pH值.從圖中可以看出隨著鋒面系統由北向南推進,23～24日,酸雨主要分布在廣東省的東北部(梅州、韶關及清遠)和珠江三角洲地區(以下簡稱珠三角),而隨著冷鋒的移動,24～25日廣東省的酸雨主要出現在東部(梅州)及珠三角,廣東省兩日平均降水pH值為5.40.可見,此次冷鋒降水的酸雨主要出現在珠三角、韶關和梅州等地.其中內陸城市韶關和梅州的酸雨情況十分嚴重,pH值均低于4.5,達到了強酸度的閾值.沿海地區除深圳、珠海及湛江三地外,其他城市降水pH值均高于5.6,沒有出現酸雨.

圖2 2006年3月23日08:00～25日08:00廣東省實際與模擬降水量分布Fig.2 Distribution of observed and simulated 48h precipitation from 23rd to 25th March, 2006 in Guangdong

2.1.2 數值模擬結果分析 圖2a為3月23日08:00～25日 08:00廣東省的實際降水量分布圖,從圖中可看出降水主要集中在廣東省東部及江門、陽江一帶的沿海地區.其中河源、汕頭兩市降水量超過100mm,最大值出現在河源地區,降水量為124mm.圖2b為模擬的同一時段降水量,模擬降水最大值與實況基本一致,都達到100mm以上,降水區域也主要分布在廣東省東部地區.除韶關、陽江及江門地區模擬降水量偏小外,其余地區基本與實況相同,由于所獲得的實測降水站點數據較少,有些地區(特別是汕尾北部)的模擬結果無法與實測進行比對,另外由于模式本身存在各方面的誤差,因此在陽江和江門的模擬效果與實況還存在一定誤差.但總體而言,模式模擬的雨帶與冷鋒鋒面形勢十分一致,均呈東北-西南走向,且與華南沿海海岸線基本平行,結合圖1的降水pH值分布情況來看,實況降水的大值區降水pH值較高,均達到6.0以上.這表明降水的稀釋對此次酸雨過程有一定的緩解作用.值得注意的是廣州和清遠兩地的降水量達到了60mm以上,但兩地的降水酸度卻依然很大,這種情況的發生與局地污染源的排放情況以及其他氣象條件有關.

從圖1a中的流場分布可以看出在 21°N～24°N,110°E～117°E范圍內存在一條東北-西南走向的輻合帶,輻合帶的位置即為冷鋒鋒線的位置.從圖1b中可以看出珠三角地區盛行偏東風,輻合帶消失,冷鋒已移出陸地到達海上,模擬的風場結構與實況基本一致.由圖1a可見,韶關地區的風速較小,且韶關的污染物排放量較大,加上粵北山區的地形因素,污染物的擴散條件較差,有利于致酸物質的堆積,因此韶關地區出現了pH值為4.5的重酸雨.23日受局地排放與輻合帶的共同影響,污染物在珠三角地區聚集,從而導致珠三角地區酸雨的產生.24日由于風速的增加,除廣州降水pH值由5.1降為4.9外,珠三角其他城市的酸雨狀況均有所好轉,其中佛山降水pH值由4.5升為5.0,中山更是達到了 5.8.由此可知風場擴散條件對于此次酸雨過程有較為重要的影響,風速的增加使得污染物濃度下降,從而降低了降水酸度.從風向來看廣東省西北部主導風場為東北風,處于韶關下風向的清遠市降水pH值也達到4.5,出現了強酸雨.此外,廣州、東莞的降水pH值較低,其下風向的佛山、中山及江門等地的降水pH值均達到了強酸雨的閾值,下風方向的這些城市受上游城市的污染排放影響明顯,珠三角出現區域性酸雨與風場對污染物的輸送作用有一定的關系.

圖3 23日和24日08:00沿113.2°E相對濕度和風場南北剖面Fig.3 The cross-section of relative humidity and wind field along 113.2°E at 08:00(a) 23日 (b) 24日

由圖3可見,23日08:00,北風和南風的輻合帶位于22.5°N附近,24日08:00輻合帶已向南推進至海上.23日,由于風場的輻合作用,相對濕度的高值區位于 22.5°N附近,地面至850hPa高度的相對濕度均達到95%以上,深厚的濕層對捕獲大氣中的致酸物質并發生液相化學反應起到了積極作用,這有利于珠三角地區酸雨的產生,造成降水pH值偏低.24日,由于鋒面的推進,鋒后的干冷空氣到達珠三角地區,相對濕度降至80%～90%,濕度場的變化對珠三角地區的降水酸度變化也有一定的影響.

由圖4可以看出在960hPa～880hPa之間存在大范圍的逆溫層,這主要是由于向南移動的冷空氣侵入原本的暖氣團之下形成的.因為這個大范圍逆溫層的存在,導致23日致酸物質的湍流輸送減弱,無法在垂直方向上得以擴散,從而聚集在近地面層中,而之后的降水過程可對累積的致酸污染物進行沖刷,使降水酸度增加,樊琦[13]等通過對湖南地區一次典型酸雨過程氣象條件的數值模擬也發現逆溫層的存在會造成酸雨程度的增加.

圖4 23日12:00沿113.5°E溫度場剖面(℃)Fig.4 The cross-section of simulated temperature along 113.5°E at 12:00 on 23th

綜上所述,此次冷鋒降水過程中酸雨主要分布在韶關、梅州及珠三角等地.內陸城市的降水pH值較低,而除深圳、珠海及湛江外,其余沿海城市無酸雨產生.降水的稀釋以及風速的增加對此次酸雨過程有一定的緩解作用,充沛的水汽及逆溫層的存在有利于酸雨的形成與加強.

2.2 夏季低壓槽降水個例分析

2.2.1 實況分析 2008年6月12日～14日華南地區受到一條明顯的低壓槽控制(圖略),12日槽線位于粵北,14日槽線南移到達華南沿海地區,移動特征與之前的冷鋒鋒面類似.受此影響,廣東省 12日～14日普降大雨,8個城市的降水量達100mm以上.

圖5為模式模擬的950hPa風場及 6月12～14日廣東省降水日平均pH值的分布情況.此次降水過程的酸雨主要分布在韶關及珠三角,而其他地區的降水pH值普遍較高,除12～13日揭陽降水pH值為5.4外,其他地區無酸雨產生.廣東省兩日平均降水pH值為5.60,與干季的冷鋒降水個例相比,此次珠三角地區的酸雨程度較輕.從這兩日降水pH值的逐日比較來看,珠三角內陸地區,廣州、佛山、東莞及中山等地的降水pH值有所降低,而深圳、珠海的降水pH值基本沒有變化,這與冷鋒降水過程的酸雨日變化相反.廣東省其余地區,除韶關外,各地的降水pH值均有所增加.

圖5 模式模擬的12～14日05:00950hPa高度水平風場和地面監測站點12～14日平均pH值Fig.5 Simulated 950hPa wind field at 05:00 on 12th and 14th and daily average pH value from 12th to 14th

2.2.2 數值模擬結果分析 從圖5中水平風場的形勢可以看出在降水時段內除粵東地區外,廣東省的主導風向基本沒有變化,為西南風向,粵東由偏西風轉為偏南風.模擬的風場結構與實況基本一致,與冷鋒降水個例的風場結構有顯著差別,此處無不同風向的輻合帶存在,且風場的變化不大,此外,沒有偏北氣流的影響,因此珠三角酸雨區域不受粵北污染物輸送的影響.結合pH值分布情況來看,主要酸雨區域珠三角內陸地區的風向沒有改變,但風速有所減小,這導致了污染物擴散條件的變差,從而使得致酸物質的累積量有所增加,降水酸度增加.此外,在主要酸雨區域的上風向,即江門,陽江等地的降水pH值均在5.9以上,因此外來污染物的貢獻較低,酸雨形成的主要原因為局地污染物的排放,外來污染物的輸送作用不明顯,這也與冷鋒降水個例略有不同.此外,風場結構對梅州地區降水pH值的變化有一定影響,結合圖5b對比可知,當梅州地區降水pH值顯著升高的時段,吹向梅州地區的氣流主要來源于較為清潔的海上,而海鹽氣溶膠粒子及其氯化學反應過程對降低致酸污染物濃度有一定的作用[14].

圖6 2008年6月12日08:00～14日08:00廣東省實況和模擬降水量Fig.6 Distribution of observed and simulated 48h precipitation from 12th to 14th June, 2008 in Guangdong

從圖6a可看出2008年6月12～14日08:00廣東省實際降水主要集中在廣東省中北部及江門至潮州一帶的沿海地區,最大降水量達到200mm以上并集中在珠江口以東的沿海地區,其中實測的最大雨量出現在汕頭地區,降水量達348mm.江門、深圳、汕尾、汕頭、廣州、河源、清遠和韶關等8個城市降水量超過100mm.圖6b為模擬的同一時段廣東省降水量,其最大值與實況基本一致,都達到300mm 以上,主要分布在廣東中北部及珠江口兩側沿海等地區.除清遠、韶關北部地區模擬降水量較大外,其余地區基本與實況相同,但模式對茂名和陽江兩地的降水模擬較實況偏大,對珠江口降水量模擬結果偏小,由于所獲取的實測降水站點數據量有限,有些地區的模擬結果無法與實測比對.

圖7 2008年6月12日08:00～14日08:00降水量Fig.7 Distribution of simulated 24h precipitation

圖7為6月12日08:00～13日08:00及13日08:00～14日08:00的累計降水量分布.從兩圖的比較可以清晰看到雨帶的南移過程,與實況中低壓槽的移動過程一致.由圖7可知,珠三角內陸地區的日降水量有較顯著地增長,但降水酸度卻有所增加(圖5),這說明除了降水量對降水酸度的影響外,本地排放的致酸前體物累積及外來致酸前體物的輸送過程對降水酸度的影響均不容忽視.在其他地區,由于降水量的增加,稀釋作用的加強導致降水pH值升高,其中以梅州地區最為明顯,12～13日梅州降水pH 值為5.2,次日變為6.0;12～13日梅州降水量為20mm 左右,次日為60mm 左右.另外,此個例中韶關地區的降水pH值較冷鋒降水個例有顯著升高,結合兩個時期降水量圖可知低壓槽降水過程中韶關地區 48h累積雨量達102mm,而冷鋒降水過程中韶關地區48h累積雨量僅為31mm,低壓槽系統給韶關帶來的降水量要遠高于冷鋒系統,這也表明降水的稀釋對緩解酸雨有一定的作用.綜上所述,此次夏季熱帶低壓槽引起的酸雨過程主要受局地污染物排放的影響,風場的輸送作用不明顯,但風場對污染物的擴散有一定影響,降水的稀釋作用在不同區域影響不同,在主要酸雨區,即珠三角內陸地區稀釋作用不顯著,但在廣東省其余地區降水的稀釋作用對酸度的降低有較為重要的作用,這是由于各市局地排放、環境容量及所處的地理環境形成的局地風場不同等諸多原因造成.

2.3 臺風降水個例分析

2.3.1 個例概況 2008年第6號熱帶氣旋“風神”于6月19日上午在菲律賓以東洋面生成, 6月20日上午加強為臺風.6月25日早晨5時30分前后“風神”在廣東深圳市葵涌鎮沿海登陸,登陸時減弱為熱帶風暴,中心附近最大風力為9級.受“風神”環流影響,珠江口外海面、粵東海面出現7～8級、陣風10級的大風;廣東省中南部出現中到大雨,局部暴雨.

2.3.2 數值模擬結果分析 圖8a為6月25日07:00～26日 07:00廣東省的實際降水量分布圖,從圖可看出降水主要集中在廣東省中部珠江口兩側地區,最大降水量達到250mm以上并集中在廣州、深圳、東莞及中山等地區,其中實測的最大雨量出現在廣州番禺,降水量達427.5mm.深圳、清遠、肇慶、中山、廣州、東莞、揭陽、湛江和珠海等 9個城市降水量超過100mm.圖 8b為WRF模式模擬的同一時段的降水量,與圖 8a比較,模擬降水量大區的量級與實況基本一致,都達到250mm以上,主要分布在廣州、惠州及河源等地區,位置較實況位置偏東.其中佛山、清遠、中山、廣州、東莞、惠州、河源、韶關、汕尾及潮州等 10個城市降水量超過100mm.由此可知珠江口以西的降水量級模擬效果較好,其中對于廣州、佛山、東莞、惠州、珠海、湛江及清遠的模擬基本與實況相同,但對茂名、云浮、肇慶、江門和陽江等降水區域的模擬較實況偏小;對韶關、河源、梅州、潮州、汕頭、揭陽和汕尾的模擬較實況偏大,導致珠江口東側地區的降水量較實況偏高的主要原因是模式模擬的臺風路徑較實際臺風路徑略微偏東.

圖8 2008年6月25日07:00～26日07:00廣東省實況(引自中國天氣網)和模擬降水量Fig.8 Distribution of observed and simulated 24h precipitation from 25th to 26th June, 2008 in Guangdong

圖9為廣東省 14個監測站 2008年 6月17～19日及 25～26日兩次降水過程pH值實況,25～26日臺風期間廣東省14個監測站的降水pH值平均為5.81,降水酸度低于冷鋒降水過程及低壓槽降水過程的降水酸度, Sakihama等[15]也有類似的結果.17～19日降水過程發生于臺風降水過程之前.從這一時段的天氣圖(圖略)可知此次降水過程由低壓槽的存在引起.從圖中可以看出,除江門外其余13個監測站的pH值較臺風降水之前均有所升高,主要原因可能是臺風降水量明顯高于此前的低壓槽過程降水量,因此對降水酸度的稀釋作用更為明顯,使得大氣中二次光化學反應產物減少,由此導致致酸離子濃度下降,從而使pH值增加.

圖9 廣東省14市2008年6月17～19日與6月25～26日降水pH值Fig.9 Precipitation pH value of 14 cities in Guangdong from 17th to 19th and from 25th to 26th June, 2008

圖10 模式模擬的25日14:00950hPa高度水平風場和地面監測站點25日～26日平均pH值Fig.10 Simulated 950hPa wind field at 14:00 on 25th and daily average pH value from 25th to 26th

圖10為模式模擬的25日14:00950hPa高度流場和地面監測站點25日～26日平均pH值疊加圖.由圖可見,酸雨集中分布在珠三角地區,珠三角是廣東省內污染物排放大值區,根據多年的酸雨資料統計發現夏季的酸雨多出現在珠三角地區的城市內.此個例中除這一區域外的其他地區降水pH值均高于 5.60,沒有酸雨產生,廣州的降水pH值最低,達到了4.26.從950hPa高度流場形勢可看出,25日發生酸雨的區域內中低層主要為西北風,偏西的流場形勢使得此次酸雨主要分布在廣州及其以東的幾個城市.與前兩個降水過程相比,臺風的風場結構有顯著特點.由圖可見有一氣旋式環流存在,而風速也比冷鋒及低壓槽個例中的風速高,這也導致了臺風降水過程中的污染物擴散條件要優于其他兩個降水過程,因此導致了臺風降水pH值較高.此外,由于臺風來源于海上,因此攜帶的海鹽氣溶膠離子對酸雨的緩解也有一定作用.

3 結論

3.1 運用 WRF模式對三個典型降水個例分別進行了數值模擬,降水的區域分布、累計降水量以及降水量最高值的模擬與實況較為一致,模擬結果比較理想.

3.2 不同天氣系統影響下的降水酸度略有不同,臺風個例降水pH值最高(5.81),其后依次為低壓槽降水(5.60)及冷鋒降水(5.41).

3.3 廣東省酸雨的產生和變化受局地致酸污染物的排放及氣象條件的綜合影響,不同時期氣象條件的影響略有不同.冷鋒降水個例中酸雨的分布及變化主要受風速、風向、相對濕度及逆溫的影響,低壓槽和臺風降水個例中的酸雨分布及變化主要受降水量和風速的影響.風速和降水量的增加有利于緩解降水的酸度,而逆溫層的存在及不同風向的輻合作用導致污染物堆積,有利于降水酸度的增加.

[1]馬 琳,杜建飛,閆麗麗,等.崇明東灘濕地降水化學特征及來源解析 [J]. 中國環境科學, 2011,31(11):1768-1775.

[2]秦 鵬,杜堯東,劉錦鑾,等.廣東酸雨分布特征及其影響因素[J]. 熱帶氣象學報, 2006,22(3):298-300.

[3]張 錚,孟廣禮.1988年兩廣地區春季酸雨觀測和天氣形勢分析 [J]. 北京大學學報(自然科學版), 1992,28(1):86-95.

[4]盛裴軒,毛節泰,王建民,等.華南地區春季冷鋒云系中污染物的輸送 [J]. 環境科學學報, 1992,12(1):16-27.

[5]畢木天,陳旦華,粟 欣,等.廣州市白云山、電視塔春季酸性降水的研究 [J]. 環境化學, 1992,11(6):26-34.

[6]李 瓊,李福嬌,葉燕翔,等.珠江三角洲地區天氣類型與污染潛勢及污染濃度的關系 [J]. 熱帶氣象學報, 1999,4(15):363-369.

[7]Tsai Y I,Hsieh L Y,Kuo S C,et al. Seasonal and rainfall-type variations in inorganic ions and dicarboxylic acids and acidity of wet deposition samples collected from subtropical East Asia [J].Atmospheric Environment, 2011,45:3535-3547.

[8]樊 琦,范紹佳,鐘流舉,等.華南地區典型酸雨過程氣象條件的數值模擬 [J]. 中國環境科學, 2008,28(3):279-283.

[9]Skamarock W C, Klemp J B, Dudhia J, et al. description of the advanced research WRF Version 3. [EB/OL]. http://www.dtic.mil/cqi-bin/GetTRDOC?Location=U2&doc=GetTRDOC.pdf&A D=AOA487419.

[10]馬國忠,銀 燕,王秋京.東北地區春季冷鋒云系降水個例數值模擬及機理研究 [J]. 黑龍江氣象, 2010,4(27):4-8.

[11]趙玉春,王葉紅,崔春光.華南前汛期一次大暴雨過程的擾動位渦反演與數值研究 [J]. 暴雨災害, 2008,3(27):193-203.

[12]河惠卿,王振會,金正潤,等.積云參數化和微物理方案不同組合應用對臺風路徑模擬效果的影響 [J]. 熱帶氣象學報,2009,4(25):435-441.

[13]樊 琦,羅栩羽,范紹佳,等.湖南衡山春季一次酸雨過程氣象條件的數值模擬研究 [J]. 中國環境科學, 2010,30(7):879-887.

[14]姚小紅,黃美元,高會旺,等.海鹽氯循環對輸送污染物致酸的緩沖作用 [J]. 大氣科學, 1998,22(6):913-918.

[15]Sakihama H, Tokuyama A. Effect of typhoon on chemical composition of rainwater in Okinawa Island, Japan [J].Atmospheric Environment, 2005,39:2879-2888.