重慶市不同天氣背景下邊界層高度和風場對PM10濃度影響數值模擬研究

周國兵

(重慶市氣象局，重慶 401147)

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重慶市不同天氣背景下邊界層高度和風場對PM10濃度影響數值模擬研究

周國兵

(重慶市氣象局，重慶 401147)

該文選取重慶市典型污染天氣個例，利用WRF模式開展大氣邊界層數值模擬，分析了邊界層高度(PBLH)和風場對PM10濃度的影響。結果表明：夜間由于大氣邊界層比較穩定，PBLH對PM10濃度的影響不大；白天，在有霧或陰天背景下，PBLH升高后2～3 h PM10濃度才明顯下降，而在晴天PBLH升高后1～2 h PM10濃度就會明顯下降；邊界層風場的變化會直接影響PM10濃度的變化，夜間重慶主城區主要受下沉氣流影響，污染物向上的垂直擴散弱；當上午出現下沉氣流時，PM10向上的垂直擴散弱，PM10濃度增加速度快；相反當出現上升氣流時，PM10向上的垂直擴散作用強，PM10濃度增加速度慢，尤其是在高空風速大時，強烈的抽吸作用使大氣垂直擴散能力得到顯著增強，能較好地抑制地表PM10濃度的增長趨勢；下午由于太陽輻射強，邊界層湍流強度增加，大氣邊界層垂直擴散能力強，因而PM10濃度呈現明顯下降趨勢。

大氣邊界層；PM10；WRF模式；數值模擬

1 引言

重慶市主城區地處丘陵低山地帶，城區東有銅鑼山，南有真武山，西有中梁山，長江、嘉陵江穿城而過，形成獨特的小盆地，城區平均相對濕度大，平均風速小，靜風頻率高，混合層較低，逆溫頻率高，這些特殊的地形和氣象條件不利于大氣污染物的擴散，從而形成霧和霾天氣。因此，重慶成為我國空氣污染較為嚴重、霧和霾天氣日數較多的城市之一，嚴重的空氣污染不僅給當地居民的健康帶來眾多不利影響，也影響了重慶市的城市投資環境和競爭力。

針對重慶空氣污染與氣象條件的關系，科研工作者開展了許多統計分析研究。周國兵[1-2]統計表明重慶污染天氣主要出現在秋末到初春，首要污染物是PM10。葉堤[3-4]分析表明重慶主城區持續污染過程的氣象條件往往有著共同的特點，即平均風速小，無降水或降水稀少，大氣層結穩定，混合層高度較低，月平均混合層厚度和月平均API呈顯著負相關，大氣混合層厚度是影響城市空氣質量的重要因素。蔣昌潭等[5]給出重慶主城區主要污染物PM10具有獨特的“雙峰雙谷”日變化特征。利用數值模擬方法開展復雜地形下大氣污染研究也有很多成果[6-11]，但針對重慶主城區污染研究較少。因此，為了更深入分析重慶市不同天氣背景下氣象條件對污染的影響，選取典型個例，采用WRF中尺度數值模式來模擬大氣邊界層氣象條件，分析邊界層氣象條件對重慶主城區首要污染物PM10的影響機制。

2 資料與方法

本文所用資料為2009年11月8日00時—10日23時重慶主城區地面國家基本氣象觀測站(57156)逐時觀測資料和同時段主城區10個污染監測站PM10逐時濃度資料。

數值模擬采用數值天氣預報模式為WRFV3.1.1，模擬中心點取為(106.5°E，29.5°N)，模式采用四重嵌套，水平分辨率分別為27 km，9 km，3 km和1 km。為提高模式對邊界層過程的描述能力，加密了邊界層垂直層數，設為40層。模式參數化方案中表面層為Unified Noah land-surface model，長波為RRTM方案，短波為Dudhia方案，微物理為WSM 3-class simple ice scheme方案，積云對流為Kain-Fritsh方案。為降低邊界層參數化差異對模擬結果的影響，我們采用了3種不同邊界層參數化方案進行模擬，分別是YSU、MYJ和ACM2方案。當采用MYJ方案時，表面層方案為Janjic Eta Monin-Obukhov方案；當使用YSU方案和ACM2方案時，表面層方案為Monin-Obukhov方案。模式使用NCEP FNL再分析資料作為初始和側邊界條件。模式每天北京時20時啟動一次，每次積分37 h。

3 污染過程天氣形勢

模擬選取的天氣個例為2009年11月8—10日一次連續污染天氣過程，首要污染物為PM10，其中8日為霧天，霧出現于08時00分，消散于12時21分，最小能見度300 m，9日為晴天，10日為陰天。

從8—10日08時高空500 hPa形勢演變圖(圖略)可以看出，在高緯地區由于貝加爾湖低槽東移，烏拉爾山高壓脊逐步建立和增強，烏拉爾山高壓脊前巴爾喀什湖附近低槽逐漸加深；在地面氣壓圖上，北方冷空氣在蒙古國一帶大量聚集，這是一種典型的強冷空南下前天氣形勢。9日開始，隨著貝加爾湖低槽的不斷東移，引導冷空氣逐漸南下。在重慶地區，8日08時高空主要受西南氣流影響，空氣濕度較大，為霧的形成創造了條件；9日主要受槽后西北氣流影響，天氣轉晴；10日隨著北方冷空氣大規模南下，影響中國東部地區，由于受秦嶺和大巴山的阻擋作用，一般強度的冷空氣是很難直接翻越秦嶺和大巴山直接進入四川盆地的，重慶通常受東部冷空氣回流逐步影響。因此，在8—10日，重慶地區正處于受冷空氣影響前低氣壓控制階段，天氣也正是以陰晴天氣為主，具有重慶冬季污染典型氣候特征。

4 模擬結果分析

4.1 模擬結果檢驗

為了檢驗不同邊界層參數化方案對重慶主城區大氣邊界層氣象場的模擬效果，更好地反映復雜下墊面不同天氣背景下邊界層氣象要素特征，將不同邊界層參數化方案模擬結果進行了對比分析，以檢驗WRF模式中YSU、MYJ和ACM2這3種不同邊界層參數化方案的模擬效果，從而選取對本次天氣過程最優方案模擬結果分析邊界層氣象要素對污染的影響機制。

4.1.1 溫度場檢驗 從表1統計檢驗結果看，在不同的天氣背景下3種邊界層方案對地面溫度的模擬效果存在差別。在霧天背景下，3種方案模擬結果相關系數較高，但是標準差結果偏大，模擬溫度總體偏高。從圖1也可以看出，在白天時間段YSU和MYJ方案模擬溫度與實況溫度偏差較大，相比之下ACM2方案模擬溫度明顯優于YSU和MYJ方案；在晴天背景下，3種方案模擬效果要好于霧天背景下，且標準差值也明顯較小，其中ACM2方案模擬的溫度優于YSU和MYJ方案；在陰天背景下，綜合相關系數和標準差值，MYJ方案模擬溫度優于YSU和ACM2方案。由圖1也可以看出，雖然3種方案均基本模擬出了溫度的日變化特征，但地面溫度的模擬對邊界層參數化方案較為敏感。3種邊界層參數化方案模擬的夜間地面溫度與觀測值比較接近，白天則普遍偏高，尤其在13—17時的高溫時段。

表1 不同天氣背景下3種邊界層參數化方案模擬地面溫度檢驗

圖1 2009年11月8—10日3種邊界層方案(MYJ、YSU和ACM2)模擬與觀測地面溫度(2 m)日變化對比(單位：℃)Fig.1 The average diurnal variation of the temperature (2m) observed and simulated by using three PBL Schemes (MYJ,YSU and MYJ)on 8—10 Nov. 2009

4.1.2 風場檢驗 由于探空資料只有08時和20時兩個時次觀測資料，為此選取了8—10日08時和20時共6個時次模擬結果與實況對比。從風速時間剖面(圖2)可以看出，3種邊界層方案均能模擬出邊界層高低空風場的變化趨勢。3種方案模擬8日08時的風速在400 m以下偏大，而400 m以上接近觀測。對于8日20時的風速，MYJ和YSU方案模擬結果與實況比較接近，而ACM2方案模擬結果明顯偏大。MYJ和YSU方案模擬的9日08時和20時風速接近實況，而ACM2方案模擬風速明顯偏大。總體而言，3種方案均能模擬出10日08時和20時高空800 m以上8～13 m/s的大風速中心，其中YSU方案對400 m以下低空風速模擬明顯偏大。綜合3種方案對3 d的模擬結果，MYJ方案對邊界層風場模擬效果優于YSU方案和ACM2方案，模擬結果與實況更接近一些，因此下面主要選取MYJ方案模擬結果來分析邊界層高度和風場對污染的影響。

圖2 2009年11月8—10日3種邊界層方案(MYJ(a)、YSU(b)和ACM2(c))模擬與探空實況(d)風速時間剖面對比(單位：m/s)Fig.2 The time profile comparison of wind speed observed by radiosonde (d) and simulated by using threePBL Schemes (MYJ(a),YSU(b) and MYJ(c))on 8—10 November 2009

4.2 不同天氣背景下邊界層高度對污染影響分析

邊界層高度(PBLH)是分析邊界層結構的重要物理量[12]，它決定了可供污染物擴散稀釋的潛在空氣體積。PBLH高時污染物可以在更大的空間內擴散稀釋，從而降低濃度，因此，PBLH也是影響空氣質量的重要指標。

許多研究都表明，在水平擴散能力較差的情況下，邊界層高度對污染物濃度有著明顯的影響，通常是邊界層高度越高，污染物垂直擴散能力越強，污染物濃度越低。從模擬逐時邊界層高度變化與PM10濃度變化(圖3)看，邊界層高度與PM10濃度并不存在直接的相關，而是存在延時效應。由于夜間大氣邊界層比較穩定，PBLH也比較低，與污染物濃度相關性不大，通過計算白天08—17時PBLH與PM10的相關系數發現(表2)，PBLH與1～3 h后PM10濃度負相關較好，因而PBLH對PM10濃度的影響具有1～3 h延時作用。

圖3 逐時邊界層高度與PM10濃度Fig.3 Hourly change of PBLH and PM10 concentration

相關系數8日9日10日同時刻0.560.450.57后1h0.00-0.120.16后2h-0.53#-0.55#-0.38后3h-0.83*-0.85*-0.62**

*、**和#分別表示通過α=0.01、0.05和0.1顯著性水平檢驗

在8日夜間由于出現晴空，輻射降溫強，在00—09時PBLH平均為193 m，PBLH對PM10濃度的影響并不明顯；然而PM10在此時間段內降低速度比較快，其主要原因是起霧前近地層水汽逐漸增加，相對濕度在93%～99%之間，水汽凝結形成霧必須有凝結核的幫助，此時的PM10就正好起到了凝結核作用，PM10被大量水汽吸附和自然沉降，濃度逐漸降低。08時以后隨著人類活動的不斷增加，污染物排放明顯增加，雖然09時以后邊界層高度逐漸升高，由于受霧的影響PBLH升高速度較慢，11時PBLH超過500 m，污染擴散能力才明顯增強，但是由于PBLH對PM10濃度影響具有滯后效應，污染擴散速度明顯低于排放增加速度，因而監測到PM10的濃度仍然呈升高趨勢。隨著霧的逐漸消散PBLH升高較快，在13時前后PBLH超過900 m，大氣邊界層垂直擴散作用也是明顯增強，污染擴散速度超過排放速度，PM10濃度達到最大值，之后隨著PBLH的繼續升高，擴散能力進一步增強，PM10濃度呈現明顯下降趨勢。18時以后PBLH降到300 m以下，按照前面計算霧天PBLH對PM10濃度影響滯后2～3 h，與PM10濃度在21時前后降到低值0.222 mg/m3相吻合，之后夜間PBLH對PM10濃度影響就不明顯了。

9日夜間與8日夜間天氣狀況差不多，為晴空，輻射降溫強，在00—09時PBLH平均為106 m，PBLH對PM10濃度的影響并不明顯。9日夜間相對濕度在84%～95%之間，不具備起霧的條件，所以PM10被水汽吸附作用明顯不及有霧的情況，因而在此時間段內PM10濃度的平均自然降低速度相比霧天較慢。08時以后隨著人類活動的不斷增加，污染物排放明顯增加。雖然09時以后邊界層高度逐漸升高，但是，由于有云的影響，PBLH升高速度較慢，11時PBLH才435 m。12時，觀測日照為0.4 h，此時PBLH迅速升到640 m，之后污染擴散能力也隨之增強。由于晴天PBLH對PM10濃度影響具有滯后1～2 h，PM10濃度在13時前后達到最高值，之后隨著日照增強PBLH繼續升高，14—17時PBLH超過了1 000 m，PM10濃度呈現大幅度下降。由于17時以后就沒有觀測到日照時數，PBLH開始迅速下降，18時以后PBLH降到330 m以下，相應PM10濃度也降到低值，之后隨著大氣的擴散作用明顯減弱，污染排放并未相應明顯降低，PM10濃度又開始出現增加趨勢。

10日夜間為陰天，輻射降溫弱，溫度變化不明顯，溫度相對晴空高。在00—06時PBLH平均為180 m，平均相對濕度為86%～91%，PBLH對PM10濃度的影響并不明顯，PM10濃度變化也不大。由于陰天基礎溫度高，PBLH上升時間早于晴天。07時PBLH就達到了495 m，之后開始逐漸升高，12時PBLH達到859 m。在07—12時內平均PBLH為593 m，比8日(373 m)和9日(315 m)同時段PBLH高，大氣擴散條件明顯好于8日和9日同時段，因而較好抑制了污染物濃度的增加，PM10濃度在12時前后就達到最高值。由于PM10濃度增加的時間比在霧天和晴天少1 h，PM10最大濃度值(0.268 mg/m3)也比霧天(0.3 mg/m3)和晴天(0.315 mg/m3)低。因此，可以認為在污染物排放增加的時間段內，邊界層高度增加越快，越有利于抑制污染物濃度的增加。午后，隨著邊界高度的繼續升高，PM10濃度也迅速下降，18時前后降到低值；此后隨著大氣的擴散作用減弱，污染排放并未相應明顯降低，PM10濃度又開始增加。

4.3 不同天氣背景下邊界層風場對PM10濃度影響分析

4.3.1 霧天邊界層風場對污染濃度影響機制 從11月8日邊界層流場時間剖面圖可以看出(圖4)，在00—08時內1 000 m以下邊界層內都是受下沉氣流控制，且從風速時間剖面圖上看風速比較小(圖略)，基本維持在2～4 m/s，尤其在03—08時近地層風速小于2 m/s。由于夜間為晴空，出現較強的輻射降溫，200 m以下形成穩定的逆溫層(圖5)，近地層水汽逐漸增加(圖6)，最大相對濕度增到99%，為霧的形成創造了良好的氣象條件。這種穩定的大氣邊界層，對污染物的擴散作用非常弱，但是PM10被大量水汽吸附和自然沉降，在霧天PM10濃度下降速度明顯比在晴天和陰天快(圖7)。觀測資料顯示07—09時相對濕度達到99%，此時段應該是霧最濃時段(最小能見度300 m)模擬結果顯示09—12時在200～1 500 m的高空出現6～8 m/s的較大風速(也可能是模式在有熱力驅動時出現的不穩定，有待深入研究)，地面觀測09時風速為1.9 m/s，明顯高于其它時間段，加上10時以后相對濕度下降較快，可以判斷10時左右開始霧逐漸消散。 09—12時整個邊界層為下沉氣流，抵制污染物向上垂直擴散。所以，隨著污染排放的增加，PM10濃度呈現較快上升趨勢，并在12時前后達到最大值。12時以后隨著霧的全部消散，太陽輻射作用明顯增強，大氣邊界層由下沉氣流轉為上升氣流，污染物向上垂直擴散能力明顯增強，PM10濃度呈現明顯下降趨勢。從邊界層模擬風場也可以看出，在14時和16時風速較小，PM10濃度在15時和16時變化不明顯。17時以后隨著邊界層風速的再次增大，PM10濃度下降到最低值。21時以后隨著邊界層風速的明顯減弱，大氣邊界層又回到穩定狀態，PM10濃度開始緩慢上升。

圖4 11月8日邊界層流場時間剖面Fig.4 The time profile of boundary layer flow field on Nov. 8

圖5 11月8—10日08時探空曲線Fig.5 Soundingcurve at 8∶00 on 8 to 10 November

圖6 11月8—10日相對濕度時間變化Fig.6 The hourly change of relative humidityon 8 to 10 November

圖7 11月8—10日PM10濃度時間變化Fig.7 The hourly change of PM10 concentrationson 8 to 10 November

4.3.2 晴天邊界層風場對污染濃度的影響機制 從11月9日邊界層流場時間剖面圖可以看出(圖8)，在00—08時1 000 m以下邊界層內受下沉氣流控制，風速較小，基本維持在2～5 m/s，不利于污染物的擴散。08時以后，之前的下沉氣流轉為上升氣流，污染物向上垂直擴散能力明顯增強。08時以后人類活動污染排放增加，PM10濃度相應明顯增加，邊界層為上升氣流有助于抑制PM10濃度的迅速增加。與8日相比可以發現，在09—10時同樣是邊界層風速較大的情況下，8日為下沉氣流，9日為上升氣流。如果這兩日污染排放源相同，9日PM10濃度增加值要比8日PM10濃度增加值小0.02 mg/m3(以10時PM10濃度值比較)。因此，可以認為較強的上升氣流有利于污染物的垂直擴散。12—13時邊界層平均風速降到2 m/s左右，在13時甚至出現下沉氣流，不利于污染物的垂直擴散，所以PM10濃度呈現快速增加趨勢，并在13時前后達到濃度最高值。14—15時邊界層風速迅速增大達到5～8 m/s，且為上升氣流，從日照時數也表明此時日照也最強，各項氣象要素都反映出此時段內大氣擴散條件達到最佳，PM10濃度從13時的0.315 mg/m3迅速降到16時的 0.216 mg/m3，下降率達到31.4%。16時以后，邊界層風場上升氣流減弱，PM10濃度的下降率也相應減小，在18時前后降到最低值。邊界層風場在此之后由上升氣流逐漸轉為下沉氣流，污染物又呈現上升趨勢。

圖8 11月9日邊界層流場時間剖面Fig.8 The time profile of boundary layer flow field on 9 November

4.3.3 陰天邊界層風場對污染濃度的影響機制 從11月10日邊界層流場時間剖面圖可以看出(圖9)，在00—07時400 m以下邊界層內主要為下沉氣流，400 m以上為上升氣流，風速較小(圖10)，基本維持在2～4 m/s，PM10濃度變化趨勢不大。08時以后，由于邊界層風速逐漸增大，1 000 m以上風速在10時達到14～16 m/s，且為上升氣流。這種強烈的抽吸作用使得大氣垂直擴散能力得到顯著增強，PM10濃度由0.262 mg/m3降到了0.247 mg/m3。11時出現短暫的下沉氣流，加上排放的增加，污染物濃度得到回升。但在12時以后，邊界層高層風速大且為上升氣流，污染物的上升趨勢較弱。PM10在12—13時達到峰值的濃度值明顯比8日和9日低得多，僅為0.268 mg/m3。13—17時邊界層高層風速大且為上升氣流，大氣邊界層對污染物的垂直擴散作用很強，PM10濃度持續下降。18時以后，由于近地層垂直擴散能力明顯減弱，主要轉為水平擴散。但是，由于重慶主城區特殊的盆地地形特征，水平擴散很難將污染物向外輸送。因此，在污染排放并未減少的情況下，PM10濃度在18—20時出現上升趨勢。20時以后由于人為排放的明顯減少，PM10濃度呈現下降趨勢。

圖9 11月10日邊界層流場時間剖面Fig.9 The time profile of boundary layer flow field on 10 November

圖10 11月10日邊界層風速時間剖面Fig.10 The time profile of boundary layer wind speed on 10 November

5 結論

①WRF對重慶主城區大氣邊界層有較好的模擬效果，通過3種邊界層方案的對比，ACM2方案模擬的地面溫度均優于YSU和MYJ方案；MYJ方案對邊界層風場模擬效果優于YSU方案和ACM2方案。但是，由于重慶主城區下墊面復雜，模擬溫度存在偏高現象，尤其是白天。在重慶主城區多靜風的情況下，模擬的風速在白天偏大。

②在夜間，由于大氣邊界層比較穩定， PBLH也比較低，基本維持在200 m以下，大氣的垂直擴散能力很弱，PBLH對PM10濃度的影響不大，PM10主要受排放減少影響呈自然緩慢下降狀態。在白天，隨著太陽輻射的增強，PBLH會迅速增高，污染物的垂直擴散空間也明顯增大，PBLH對PM10濃度的影響具有1～3 h滯后作用。在霧天和陰天，PBLH升高后2～3 h PM10濃度才有明顯下降，而在晴天PBLH升高后1～2 h PM10濃度就下降明顯。通過PBLH變化對PM10濃度變化的影響分析，能夠較好的解釋PM10的日變化特征，因此在業務中可以通過預報PBLH值大體計算PM10濃度的逐時變化態勢。

③邊界層風場對PM10濃度變化有很好的指示意義。在夜間，重慶主城區主要受下沉氣流影響，對PM10的向上垂直擴散作用非常弱。在上午污染排放人為增加的情況下，當出現下沉氣流時PM10的向上垂直擴散作用弱，導致PM10濃度會快速增加；相反，當出現上升氣流時，PM10的向上垂直擴散能力強，PM10濃度的增加速度會減慢，尤其在高空風速大且為強上升氣流時，此時，強烈的抽吸作用使得大氣垂直擴散能力得到顯著增強，能較好地抑制PM10濃度的增長態勢。到午后，由于太陽輻射強烈，邊界層內主要以較強的上升氣流為主，大氣邊界層垂直擴散能力最強，因而PM10濃度呈現明顯下降態勢。

本文通過數值模擬初步揭示了重慶主城區邊界層氣象條件對PM10濃度的影響機制，邊界層氣象條件與污染物濃度變化有一定的關系，但是氣象條件對污染擴散的影響也是十分復雜的過程，尤其重慶主城區特殊地形背景下邊界層湍流活動如何影響污染擴散有待進一步研究。

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Numerical SimulationStudy of the Influence of PBLH and Wind Field on PM10Concentrations under Different Weather Backgrounds

ZHOU Guobing

(Chongqing Meteorological Administration, Chongqing 401147，China)

The typical pollution weather examples were selected by using WRF model simulation of atmospheric boundary layer.The results show that the height of boundary layer has effects significantly on PM10concentration. The negative correlation is better between the PBLH and PM10concentration after 1～3 hours. In foggy and cloudy days, PM10decreases evidently 2～3 hours after increasing of PBLH. However, PM10 decreases evidently 1～2 hours after increasing of PBLH in sunny days. It shows that the faster the change of the PBLH, the shorter the response time of pollutant dilution and diffusion.The wind field of the boundary layer also plays an important role in the change of PM10concentration. At night, the upward vertical diffusion of contaminants is very weak due to the influence of the sinking airflow. In the morning, due to the increase of pollutant emission, the vertical upward diffusion of pollutants is very weak when the temperature inversion or night sinking air flow is continuously controlled, and the concentration of pollutants near the surface will increase rapidly. On the contrary, when the sunrise after the boundary layer into the upward flow of pollutants upward vertical diffusion capacity will increase, the pollutant concentration increase rate will slow down. Especially when the wind speed is high and the airflow is strong, the strong vertical suction makes the vertical diffusion capacity of the atmosphere significantly enhanced, and can effectively inhibit the growth of pollutant concentration.

atmospheric boundary layer；PM10；WRF model；numerical simulation

1003-6598(2016)06-0005-08

2016-11-02

周國兵(1973—)，男，博士，副高，主要從事天氣預報技術及空氣污染預報技術研究，E-mail：zhou-gb@163.com。

重慶市應用開發計劃項目(cstc2014yykfA20004)資助。

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