北京大氣熱力和動力結(jié)構(gòu)對污染物輸送和擴散條件的影響

孫兆彬,李梓銘,廖曉農(nóng),唐宜西,趙秀娟(.中國氣象局北京城市氣象研究所,北京 00089；.京津冀環(huán)境氣象預(yù)報預(yù)警中心,北京 00089)

北京大氣熱力和動力結(jié)構(gòu)對污染物輸送和擴散條件的影響

孫兆彬1,2*,李梓銘2,廖曉農(nóng)2,唐宜西2,趙秀娟1(1.中國氣象局北京城市氣象研究所,北京 100089；2.京津冀環(huán)境氣象預(yù)報預(yù)警中心,北京 100089)

利用北京、天津、河北地區(qū)常規(guī)氣象數(shù)據(jù)、PM2.5濃度、激光雷達數(shù)據(jù),鐵塔數(shù)據(jù),結(jié)合風(fēng)廓線數(shù)據(jù)對2015年10月13～17日發(fā)生在北京的空氣重污染過程中大氣熱力和動力結(jié)構(gòu)進行分析.結(jié)果表明,白天熱力條件轉(zhuǎn)好后,邊界層低層垂直方向氣流由上-下運動轉(zhuǎn)變?yōu)閮A斜運動,同時水平方向偏南風(fēng)增大,高濃度氣團向北京移動,污染物輸送增強,造成這種空間結(jié)構(gòu)的原因主要是熱力條件加強后等溫面由準東-西向轉(zhuǎn)變?yōu)槲鞅?東南向,由于山地加熱激發(fā)的重力波振幅在白天增強,高空水平方向輸送至北京的污染物在垂直方向出現(xiàn)向上和向下的傳輸.16日白天地面PM2.5濃度的快速升高,這是在PM2.5存在一定垂直交換的情況下,近地面偏南風(fēng)輸送的作用所致,以上出現(xiàn)的大氣污染物輸送和擴散機制可以在一定程度上解釋區(qū)域重污染背景下,白天混合層高度升高而近地層PM2.5濃度卻隨之升高的現(xiàn)象.

熱力和動力結(jié)構(gòu)；污染物輸送和擴散；PM2.5；激光雷達；重力波

近些年北京地區(qū)空氣重污染事件頻發(fā),給居民身體健康帶來極大危害,因此研究重污染天氣形成機制對于預(yù)報、預(yù)警的及時發(fā)布具有重要意義.大氣混合層是人類生活和生產(chǎn)的主要空間,許多重要天氣和重污染事件均發(fā)生在這一空間中[1-8],因此混合層中大氣動力和熱力過程對污染物濃度具有重要影響.此外北京地區(qū)三面環(huán)山,大氣的結(jié)構(gòu)除受天氣尺度系統(tǒng)影響外,還受局地山谷風(fēng)影響,天氣尺度系統(tǒng)與山谷風(fēng)耦合在一起所形成的三維大氣熱力和動力結(jié)構(gòu)在很大程度上決定著污染物的輸送和擴散.

諸多研究結(jié)果表明,對混合層高度估算的方法較多,例如利用觀測到的氣象數(shù)據(jù)進行估算、基于數(shù)值模式預(yù)報結(jié)果進行估算、利用激光雷達和微波輻射計的監(jiān)測資料進行估算[9-14].對于混合層高度與污染物之間關(guān)系的研究已有很多[15-19],研究表明較高的最大混合層高度出現(xiàn)頻率較大的月,空氣質(zhì)量為優(yōu)-良出現(xiàn)的頻率較高,即混合層高度高,大氣環(huán)境容量加大,利于污染物的擴散,污染物濃度低,反之混合層高度降低,大氣環(huán)境容量減小,污染物堆積壓縮不易擴散,污染物濃度升高.總結(jié)起來,混合層高度與大氣污染物濃度整體呈負相關(guān),這一結(jié)論已經(jīng)長期指導(dǎo)我國環(huán)境氣象及空氣質(zhì)量預(yù)報業(yè)務(wù).本文的研究在經(jīng)過長時間大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計計算后發(fā)現(xiàn)這一結(jié)論仍然成立,但是在對北京地區(qū)PM2.5濃度數(shù)據(jù)和混合層數(shù)據(jù)進行分析后發(fā)現(xiàn),在區(qū)域空氣重污染背景下的某些時段(例如白天,以小時為時間分辨率),隨著混合層升高,逆溫減弱,客觀上大氣對污染物局地容納能力和擴散條件好轉(zhuǎn),而監(jiān)測到的污染物濃度卻呈現(xiàn)升高的趨勢.因此本研究選擇 2015年 10月13～17日北京地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)了空氣重污染的時段開展研究,希望在一定程度上揭示混合層高度升高而PM2.5濃度也隨之升高的大氣動力和熱力機制.

1 材料與方法

1.1 PM2.5數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和激光雷達數(shù)據(jù)

PM2.5數(shù)據(jù)來自北京市環(huán)保局(http://www. bjmemc.com.cn/g68.aspx)、河北省環(huán)保廳(http://121. 28.49.85:8080/)、天津市環(huán)保局(http://air.tjemc.org. cn/)所公布的數(shù)據(jù).氣象資料來自北京市氣象局,鐵塔資料來自于中國科學(xué)院大氣物理研究所.激光雷達數(shù)據(jù)為北京地區(qū)EV-LINAR型微脈沖激光雷達在垂直方向的觀測數(shù)據(jù).

1.2 混合層高度的計算方法

可用地面常規(guī)氣象參數(shù)來估算平均混合層高度,本文根據(jù)羅氏法計算混合層厚度[13-14],計算公式如下:

式中: T為地面氣溫,℃;Td為地面露點溫度,℃;uz為z高度處的平均風(fēng)速,m/s;z0為地面粗糙度,m;f為柯氏參數(shù),f= 2?sinΦ,? 為地轉(zhuǎn)角速度,Φ 為地理緯度;P為帕斯圭爾穩(wěn)定度級別(大氣穩(wěn)定度級別為A～F時,P值依次為1～6).

風(fēng)廓線數(shù)據(jù)目前常被用來研究混合層內(nèi)各種天氣現(xiàn)象發(fā)生的規(guī)律,在混合層內(nèi)常有較強的湍流,而混合層外湍流較弱,會在混合層頂形成湍流的極大值,本文依據(jù)風(fēng)廓線雷達重要湍流參數(shù)-折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)(CN2)來計算混合層高度,CN2(zi)為 zi高度處的折射率結(jié)構(gòu)常數(shù),湍流能量法的計算公式如下:

2 污染物時空分布特征

2.1 氣象要素時間序列變化

10月13～17日,北京地區(qū)近地面受偏南風(fēng)和偏東風(fēng)影響.偏南風(fēng)主要出現(xiàn)在每日的午后至傍晚,將河北中南部污染物向北京、天津、河北東北部一帶輸送,導(dǎo)致污染物大量積累;其他時段為偏東風(fēng)影響,對北京來說,偏東風(fēng)主要來向為污染物已經(jīng)大量積累的天津、河北東北部地區(qū),因此偏南風(fēng)、偏東風(fēng)兩只氣流交替將污染物向北京輸送,導(dǎo)致北京平原地區(qū)污染物快速積累和維持.垂直方向上,北京中高空為弱的下沉氣流,將偏南風(fēng)壓制在較低層次,使其所輸送的污染物無法翻越太行山、燕山山脈,只能在山前積累,同時在高濕的條件下,顆粒物吸濕增長,導(dǎo)致能見度降低(圖1).

圖1 2015年10月13～17日北京逐小時風(fēng)向、風(fēng)速、相對濕度Fig.1 Beijing hourly wind direction, wind speed, relative humidity October 2015 13～17

2.2 PM2.5濃度時間序列變化

如圖2所示,13～17日京津冀地區(qū)出現(xiàn)一次空氣污染事件.能見度從13日下午的30km下降到14日的 5km, PM2.5的濃度逐漸上升,14日 20:00達到150μg/m3左右.14日夜間至 15日受弱冷空氣影響,PM2.5濃度有所下降,能見度略有好轉(zhuǎn).16日白天空氣質(zhì)量急劇惡化,其中北京地區(qū) PM2.5濃度連續(xù)24h超過250μg/m3,17日下午超過300μg/m3,能見度一直維持在2km以下,局地小于1km,17日后半夜冷空氣南下,此次污染過程自北向南逐漸結(jié)束.

圖2 2015年10月13～17日京津冀地區(qū)PM2.5濃度(a)和能見度(b)時間演變特征Fig.2 Beijing, Tianjin and Hebei PM2.5concentration (a) and visibility (b) variation during October 2015 13～17

2.3 京津冀地區(qū)地面風(fēng)場和PM2.5空間分布

由圖3可見16日08:00～10:00時,北京東南部、河北廊坊、天津3地交界處有一個PM2.5濃度為300～500μg/m3的高濃度氣團,空間尺度較小(約為幾十km),午后伴隨著近地層偏南風(fēng)明顯增大,此高濃度氣團向北移動,于13:00前后到達北京城區(qū),這一時間節(jié)點與圖2中PM2.5濃度明顯升高的時間相一致,受排放源分布及偏南風(fēng)等不利于污染物擴散條件的影響,京津冀平原沿山地區(qū)形成了常見的 “廠”字形污染帶.

圖3 2015年10月16日京津冀地區(qū)08:00～19:00的地面自動站10m風(fēng)場和PM2.5濃度(μg/m3)Fig.3 10m wind field and PM2.5concentration distribution in Beijing Tianjin and Hebei region (08:00～19:00) (μg/m3)

2.4 近地面 PM2.5濃度急劇升高時段北京上空的消光系數(shù)

為了研究偏南風(fēng)下污染物水平和垂直擴散條件,本研究選取PM2.5濃度急劇增長的16日白天,分析激光雷達消光系數(shù)的時空演變趨勢.1km以上北京上空無明顯的消光系數(shù)增大現(xiàn)象,由北京地區(qū) 1km 內(nèi)的消光系數(shù)演變(圖 4)可見, 13:00～15:00出現(xiàn)了3個消光系數(shù)較高的層次,這3個層次分別處于200～600m、100m左右、近地層,消光系數(shù)數(shù)值最大區(qū)位于 200～600m,大值中心的出現(xiàn)時間為13:00前后,這與圖3中PM2.5高濃度氣團到達北京城區(qū)的時間相一致,說明16日白天外源輸送很可能是導(dǎo)致北京地區(qū)PM2.5濃度快速上升的主要原因,而且由于高層和低層消光系數(shù)大值中心同時出現(xiàn),所以外源輸送很可能在高層和低層同時進行.15:00左右原本位于 200～600m的消光系數(shù)大值區(qū)強度減弱,而且有向上移動的趨勢,消光系數(shù)大值區(qū)與高層大氣最大梯度由600m上移至900m,整層大氣消光系數(shù)有趨于均一的趨勢,伴隨著局地?zé)崃l件好轉(zhuǎn),1000m大氣混合作用增強,15:00 ～16:00整層大氣消光系數(shù)達到了 16日白天最為均一的狀態(tài),16:00～17:00在800m左右的高度再次出現(xiàn)消光系數(shù)大值中心,而且 17:00～19:00近地層的消光系數(shù)在明顯增大,更為重要的是消光系數(shù)大值區(qū)隨著時間出現(xiàn)了高值區(qū)向下伸展的現(xiàn)象,由 800m向下伸展至 200m,甚至更低的高度,對于這一現(xiàn)象出現(xiàn)的原因?qū)⒃诒疚?.2章節(jié)進行分析.

圖4 北京地區(qū)2015年10月16日11:00～20:00激光雷達消光系數(shù)Fig.4 Beijing area lidar extinction coefficient from 11:00～20:00 on the 16th

3 大氣動力過程影響

3.1 混合層高度變化

混合層高度的計算具有很大不確定性,因此本文采用羅氏法和湍流能量法計算了混合層高度.如圖5(a)和(b)所示,混合層高度均具有明顯的日變化特征,其中在14～16日空氣重污染期間,兩種算法的混合層高度均在2000m以下波動,其中15日受弱冷空氣影響,混合層高度最高,16日夜間至白天混合層高度均呈升高趨勢.在14～16日的空氣重污染期間,兩種算法的混合層高度均在2000m以下波動,兩者的區(qū)別是羅氏法的計算結(jié)果對于近地層大氣的動力、熱力條件及大氣穩(wěn)定度更加敏感,湍流能量法對于低層大氣垂直方向大氣動力結(jié)構(gòu)的改變更加敏感,兩種算法顯示16日夜間至白天混合層高度均呈升高趨勢.

圖5 北京地區(qū)混合層高度Fig.5 Mixed layer height

3.2 區(qū)域風(fēng)場日變化分析

圖6 2015年10月16日京津冀地區(qū)10m風(fēng)場分布Fig.6 10m wind field distribution in Beijing Tianjin Hebei region in October 16, 2015

BJ-RUC v2.0系統(tǒng)的空間區(qū)域共有2個,分辨率為9km(D1區(qū)域)和3km(D2區(qū)域),水平網(wǎng)格點數(shù)分別為400×649和424×550,垂直方向分為38層,BJ-RUC v2.0系統(tǒng)主要物理過程具體如下:WSM6顯式微物理方案;Kain-Fritsch對流參數(shù)化方案(3km區(qū)域無對流參數(shù)化方案);YSU邊界層方案;RRTM長波輻射方案;Goddard短波輻射方案;輻射方案每15min計算一次;Noah LSM陸面模式.

圖6(a)～ (f)反映了北京及周邊地區(qū)10月16日地面風(fēng)場變化,通過數(shù)值模式的預(yù)報結(jié)果能夠看到近地層風(fēng)場精細特征,經(jīng)過綜合分析我們可以得到如下規(guī)律:

(1)京津冀地區(qū)夜間近地層受輻射冷卻效應(yīng)影響,冷空氣下泄,平原沿山地區(qū)夜間多為山風(fēng)控制,但風(fēng)速較小,在北京東北部的密云區(qū)、平谷區(qū)由于均三面環(huán)山,在其平原地區(qū)山風(fēng)對應(yīng)的冷空氣明顯下泄,山風(fēng)風(fēng)速較大,常形成異于北京平原地區(qū)的氣象條件.

(2)早晨日照輻射作用加強后,近地層熱條件轉(zhuǎn)好,谷風(fēng)率先出現(xiàn)山區(qū)(圖6b),北京平原地區(qū)風(fēng)場由山風(fēng)控制轉(zhuǎn)變?yōu)闊o固定的風(fēng)場,京津冀沿山地區(qū)為風(fēng)速較小的弱谷風(fēng)控制,而此弱谷風(fēng)控制區(qū)的東側(cè)則為較明顯的偏南風(fēng)影響,自沿山地區(qū)向東偏南風(fēng)的分量逐漸增大,會促進京津冀平原地區(qū)正渦度的形成,有利于沿山地區(qū)動力輻合作用的增強,這是京津冀沿山地區(qū)大氣熱力作用先變化,而后促使動力條件發(fā)生改變,從而有利于沿山地區(qū)污染物積累的有力證據(jù).

(3)午后京津冀沿山地區(qū)受山地和平原上空空氣熱力梯度加強的影響,平原沿山地區(qū)的山風(fēng)明顯加強為較強的偏南風(fēng),在熱力和動力條件雙重加強的條件下,平原沿山地區(qū)混合層高度也隨之升高(圖5),大氣對污染物的輸送作用加強.

3.3 風(fēng)廓線數(shù)據(jù)資料

如圖 7(a)所示,0～2000m 高度上 16日10:00～20:00為一致的偏南風(fēng),高層風(fēng)速較大,低層風(fēng)速較小,大于 12m/s的低空急流在 16日04:00～10:00出現(xiàn)在 1000m 以上的高空,在10:00～11:00、13:00前后、16:00～17:00急流的強度減弱,急流在時間序列演變中發(fā)生了斷裂現(xiàn)象,這段時間也正是北京本地?zé)崃l件逐漸轉(zhuǎn)好的時段.16日00:00～06:00北京近地層為一致的上升氣流,高層為下沉氣流,而在 06:00-10:00熱力條件開始轉(zhuǎn)好的時段,2000m以下的大氣出現(xiàn)了明顯的垂直上升和下沉的氣流,但在 10:00～17:00熱力條件繼續(xù)加強的階段,垂直氣流開始向遠離山地的一側(cè)傾斜,出現(xiàn)了垂直方向的斜升氣流,總體看來上升運動的強度在2000m內(nèi)最大可大于 0.75m/s,下沉運動則可大于 0.45m/s,上升運動主要為熱力強迫引起,而下沉運動更多為動力強迫造成,所以其強度小于上升運動,上升和下沉運動影響著北京地區(qū)污染物擴散和輸送條件.

圖7 16日00:00～20:00的北京風(fēng)廓線Fig.7 Beijing wind profile from 00:00～20:00 on the 16th

4 大氣熱力過程影響

4.1 大氣所320m鐵塔數(shù)據(jù)分析

由圖8可見,早晨08:00 250～320m高度間仍然存在逆溫,至10:00受熱力條件轉(zhuǎn)好影響,逆溫層頂向上抬升至320m以上的高度,320m以下仍存在較弱的逆溫,14:00～16:00期間北京上空320m內(nèi)逆溫基本消失,由圖4可見消光系數(shù)大值區(qū)出現(xiàn)也正好是320m內(nèi)逆溫逐漸減弱消失的時段.伴隨著午后熱力條件顯著轉(zhuǎn)好(圖 9c),相對濕度的降低(圖 9d),偏南風(fēng)明顯增大(圖 9a和 9b),高層的偏南風(fēng)在 13:00～14:00明顯增大,與消光系數(shù)(圖4)有較好的對應(yīng)關(guān)系,再次從風(fēng)場角度印證了偏南風(fēng)對污染物有明顯的輸送作用.

圖8 320m鐵塔16日溫度廓線Fig.8 320m tower temperature profile on the 16th

圖9 320m鐵塔16日11:00～20:00氣象條件變化過程Fig.9 320m tower meteorological conditions from 11:00to 20:00 on the 16th

4.2 垂直運動轉(zhuǎn)變?yōu)閮A斜運動的機制以及對污染物輸送和擴散的影響

由圖10所示16日08:00北京上空有逆溫存在,平原上空等溫面呈準東-西向分布,16日 10:00逆溫層頂抬高,逆溫的強度減弱,北京西部地區(qū)率先增溫,西部地區(qū)等溫面呈西北-東南向傾斜,這說明山區(qū)在無明顯天氣系統(tǒng)影響時,日出以后太陽輻射加熱使山谷壁附近的空氣變暖,其變暖速度要快于相同海拔高度上平原地區(qū)上空的空氣,16日12:00和14:00北京上空的逆溫已經(jīng)消失,溫度場受西部、北部山區(qū)熱力加熱的作用變?yōu)橐恢碌奈鞅?東南向.結(jié)合圖10及圖11,當(dāng)北京上空存在逆溫期間(08:00～10:00)垂直方向的運動方向以上-下為主,當(dāng)逆溫消失期間(11:00～17:00),伴隨著等溫面由準東西向轉(zhuǎn)變?yōu)槲鞅?東南向,垂直方向的運動向東傾斜.即垂直運動的方向總是傾向于盡可能與等溫面正交的方向,這種垂直運動的機制,保證了近地層被加熱的空氣以最大的效率穿過等溫面,在分析天氣尺度系統(tǒng)對擴散條件影響時,垂直運動影響比水平運動相對較弱,可以忽略不計,但是在本研究中空間尺度相當(dāng)于中尺度運動的情況來說,垂直運動對擴散條件的影響則更為重要.

圖10 BJ-RUC數(shù)值模式16日08:00～14:00溫度場Fig.10 Temperature field of BJ-ruc numerical simulation from 08:00to 14:00 on the 16th

在15日夜間至16日08:00北京處于穩(wěn)定層結(jié)的影響,由于多層逆溫(圖 10中 08:00)的存在且風(fēng)速較小,大氣對污染物的輸送較弱,隨著上文提到的等溫面向東側(cè)傾斜,以及垂直方向斜升氣流的出現(xiàn),水平方面上谷風(fēng)加強.嚴格來講,該谷風(fēng)是中尺度系統(tǒng)對應(yīng)的風(fēng),與天氣尺度高空槽前對應(yīng)的偏南風(fēng)疊加后,就是本研究在鐵塔和風(fēng)廓線數(shù)據(jù)所觀測的偏南風(fēng).由圖9及圖11中的V風(fēng)分量可見,11:00～17:00 2000m 內(nèi)偏南風(fēng)增大,這也正是激光雷達顯示的高消光系數(shù)所出現(xiàn)的時間,伴隨著偏南風(fēng)的增大,垂直運動的振幅也隨之增大(圖 12),污染物由河北中南部輸送至北京地區(qū),水平方向出現(xiàn)消光系數(shù)大值區(qū),而且消光系數(shù)大梯度區(qū)向高空和近地層伸展,說明這種垂直運動振幅隨著熱力條件逐漸增大,而且垂直方向傾斜運動的氣流會促進來自水平方向高濃度氣團向高空和近地層擴散,近地層監(jiān)測站所觀測到的濃度也正是在這種極為復(fù)雜多尺度系統(tǒng)、多維度的運動的結(jié)果.

圖11 BJ-ruc數(shù)值模式15日20:00～16日20:00U風(fēng)(上)和V風(fēng)(下)Fig.11 Wind field of BJ-ruc numerical simulation from 20:00 on the 15th to 20:00 on the 16th

圖12 BJ-ruc數(shù)值模式16日垂直速度Fig.12 Vertical Speed of BJ-ruc on the 16th

圖 13為本個例中北京地區(qū)在無明顯天氣系統(tǒng)影響下垂直運動的概念模型,夜間北京大氣層結(jié)穩(wěn)定,有逆溫存在,早晨太陽輻射加熱近地層及山區(qū),但熱力條件仍較弱,相同海拔高度下,山區(qū)表面空氣的加熱速度快于同海拔高度的平原地區(qū),上升運動首先在山區(qū)及沿山地區(qū)出現(xiàn),上升運動則會將近地層較為溫暖的空氣和污染物向高空輸送,直到遇到逆溫層,此時被地面帶入高空氣塊的溫度小于上層的逆溫層溫度,因此受到負浮力的作用,此氣塊向下運動,被帶入高層的污染物則在逆溫層以下均勻混合,而此氣塊向下運動的同時也將溫度較高逆溫層中的暖空氣向下夾卷,逆溫層以下大氣受到地表加熱及高層夾卷共同作用,溫度上升,逆溫的強度隨之減弱,隨著太陽輻射作用的加強,北京地區(qū)由于地形的作用,等溫面準東西向轉(zhuǎn)變?yōu)槲鞅?東南向,并且垂直氣流的振幅增大(圖 12),逆溫強度減弱,逆溫層以下大氣污染物混合更加充分和均勻,垂直方向氣流由上-下運動轉(zhuǎn)變?yōu)橄驏|側(cè)傾斜的斜升和斜降運動,以使高低層大氣之間的熱交換效率達到最大.對于污染物的輸送,在夜間穩(wěn)定層結(jié)下,逆溫層以下水平風(fēng)速較小,對污染物的輸送能力較弱,即便逆溫層以上由于夜間地表對動量消耗減少而形成的低空急流,其能否明顯將河北中南部沿山地區(qū)的污染物輸送至北京仍存在著極大的不確定性,以往鮮有研究,即便果真出現(xiàn)此夜間的低空急流對污染物的輸送,由于逆溫層的阻隔,逆溫層以上低空急流所帶來的污染物較難向底層輸送,但是早晨 08:00～10:00北京上空逆溫在減弱的同時,逆溫層以下的偏南風(fēng)都在增大,逆溫的存在雖然會阻隔高低空污染物的混合和交換,但是依然不會明顯影響水平方向污染物的傳輸,這就是 16日白天無論逆溫強弱和有無,近地面監(jiān)測站污染物濃度一直持續(xù)上升的原因,當(dāng)然這其中仍然存在熱力條件激發(fā)的振幅不斷放大的重力波在逆溫消失前后所進行垂直方向大氣污染物濃度混合的作用.

此外還值注意的是,在等溫面由于山體加熱作用發(fā)生傾斜后,垂直方向氣流發(fā)生傾斜運動,山體右側(cè)溫度梯度加大,水平方向南風(fēng)分量加大,總體的結(jié)果就是,在太行山沿山一帶排放源密、污染最為嚴重地區(qū)的近地層的高濃度氣團被這種傾斜上升而且向北運動的力量驅(qū)使,流向北京.

圖14是Hooke[20]所提出的經(jīng)典的重力波能量和位相傳播的示意圖,t=t1時刻由于北京西部和北部山地受太陽輻射熱力作用強迫,開始激發(fā)重力波在波包中的波動產(chǎn)生了切變,到達t2時刻(t2＞t1),波包背離原地向右上方移動.在 t3時刻(t3＞t2),波包繼續(xù)向右上方移動,波的能量繼續(xù)向這一方向傳播,而波的位相則向右下方傳播,在實際大氣中,重力波的位相和能量的傳播受諸多因素控制,如風(fēng)切變、溫度層結(jié)等因素,情況較為復(fù)雜.關(guān)于重力波的研究主要出現(xiàn)在對降水天氣的動力學(xué)診斷和分析中,在大氣環(huán)境領(lǐng)域所引起的關(guān)注較少,可重力波又是對大氣污染物擴散和傳輸具有重要影響的一類波動,應(yīng)當(dāng)引起重視.對于短周期波動k12＜＜k22,k1為垂直方向的波數(shù),k2為水平方向的波數(shù),位相傳播接近于水平方向,量能傳播接近于垂直方向,若大氣不可壓,則質(zhì)點的運動與波的移動方向垂直,在本研究中由于地面可假設(shè)為剛體,所以波動不可能向地下傳播,因此風(fēng)廓線觀測到的垂直方向的運動為上下或傾斜運動,位相則為自西向東.

圖13 16日08:00～14:00北京地區(qū)邊界層垂直氣流結(jié)構(gòu)特征(+為上升運動,-為下沉運動)Fig.13 Boundary layer vertical airflow structure in Beijing Region (+: rising movement, -: sinking movement)

圖14 重力波能和位相的傳播Fig.14 Propagation of gravity wave energy and phase

5 不確定性討論

由于本研究主要研究區(qū)域為北京地區(qū),未詳細討論河北地區(qū)污染物的積累和傳輸,而北京地區(qū)污染物的外源性輸送主要來自于河北地區(qū),所以河北地區(qū)污染物如何從近地層被輸送至高空而向北京運動文中未詳細分析,對此展開討論需要結(jié)合空氣質(zhì)量模式及多地的風(fēng)廓線、激光雷達等特種資料加以分析.

本研究雖討論了伴隨偏南風(fēng)增大,熱力擾動所造成污染物垂直方向傳輸?shù)木唧w機制,但是其在垂直方向的傳輸數(shù)量仍然沒有量化的結(jié)果,這需要利用數(shù)值模式進一步模擬驗證.

目前對城市空氣質(zhì)量的監(jiān)測站點主要集中于近地層,所監(jiān)測到的污染物濃度是水平和垂直傳輸?shù)墓餐Y(jié)果,針對這一方面開展的詳細討論的研究成果極少,本研究也僅是利用各種常規(guī)和特種資料進行了一次嘗試,仍然需要更多的資料和研究結(jié)果加以佐證.

6 結(jié)論

6.1 2015年10月13～17日北京地區(qū)出現(xiàn)了一次空氣重污染過程,重污染過程期間,北京地區(qū)白天熱力條件轉(zhuǎn)好后,逆溫減弱,垂直方向由上-下運動轉(zhuǎn)變?yōu)閮A斜運動,同時偏南風(fēng)增大,污染物輸送增強,造成這種動力結(jié)構(gòu)的原因主要是熱力條件加強后等溫面由準東-西向轉(zhuǎn)變?yōu)槲鞅?東南向,使氣流穿越等溫面對近地面熱量向上輸送效率最大造成的.

6.2 空氣重污染過程期間,由山地加熱激發(fā)的重力波振幅在白天增強,造成高空輸送至北京的污染物在垂直方向出現(xiàn)向上和向下的傳輸, 16日白天地面 PM2.5濃度的快速升高,是在PM2.5存在一定垂直交換的情況下,近地面偏南風(fēng)輸送所形成的大氣污染物輸送和擴散機制可以在一定程度上解釋區(qū)域重污染背景下,白天混合層高度升高,逆溫減弱而近地層 PM2.5濃度隨之升高的現(xiàn)象.

[1] 丁一匯,馬淑芬.1991年江淮暴雨期地敢通量與混合層結(jié)構(gòu)的研究 [J]. 氣象學(xué)報, 1991,55(3):257-270.

[2] 張福青,杜華武,蔣全榮.成熟臺風(fēng)邊界層作用的數(shù)值研究 [J].熱帶氣象學(xué)報, 1994,10(2):107-114.

[3] 劉曉慧,馬翠平,趙玉廣,等.2014年河北中南部兩次重霾天氣成因分析 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2016,36(6):1621-1629.

[4] 王曉玲,王海燕,王珊珊,等.邊界層準靜止干線觸發(fā)的中尺度暴雨機理分析 [J]. 高原氣象, 2015,34(5):1310-1322.

[5] 徐祥德,王寅鈞,趙天良,等.中國大地形東側(cè)霾空間分布“避風(fēng)港”效應(yīng)及其“氣候調(diào)節(jié)”影響下的年代際變異 [J]. 科學(xué)通報, 2015(12):1132-1143.

[6] 吳 兌,廖碧婷,吳 蒙,等.環(huán)首都圈霾和霧的長期變化特征與典型個例的近地層輸送條件 [J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2014,34(1): 1-11.

[7] 劉 建,范紹佳,吳 兌,等.珠江三角洲典型灰霾過程的邊界層特征 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2015,35(6):1664-1674.

[8] 蘇福慶,高慶先,張志剛,等.北京邊界層外來污染物輸送通道[J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2004,17(1):26-29.

[9] 賀千山,毛節(jié)泰.北京城市大氣混合層與氣溶膠垂直分布觀測研究 [J]. 氣象學(xué)報, 2005,63(3):374-384.

[10] 林常青,楊東偉,李成才,等.北京地區(qū)大氣氣溶膠的激光雷達觀測及反演算法研究 [J]. 北京大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版, 2013,49(3): 426-434.

[11] 劉思波,何文英,劉紅燕,等.地基微波輻射計探測大氣邊界層高度方法 [J]. 應(yīng)用氣象學(xué)報, 2015,26(5):626-635.

[12] 劉夢娟,陳 敏.BJ-RUC系統(tǒng)對北京夏季邊界層的預(yù)報性能評估 [J]. 應(yīng)用氣象學(xué)報, 2014,25(2):212-221.

[13] 程水源,張寶寧.大氣混合層高度的確定與計算方法研究 [J].中國環(huán)境科學(xué), 1997,17(6):512-516.

[14] 馬 金,鄭向東.混合層厚度的經(jīng)驗計算及與探空觀測對比分析[J]. 應(yīng)用氣象學(xué)報, 2011,22(5):567-576.

[15] 孫 揚,王躍思,劉廣仁,等.北京地區(qū)一次大氣環(huán)境持續(xù)嚴重污染過程中SO2的垂直分布分析 [J]. 環(huán)境科學(xué), 2006,27(3):408-414.

[16] 尤煥苓,劉偉東,譚江瑞.北京地區(qū)平均最大混合層厚度的時間變化特征 [J]. 氣象, 2010,36(5):51-55.

[17] 劉 梅,嚴文蓮,張 備,等.2013年1月江蘇霧霾天氣持續(xù)和增強機制分析 [J]. 氣象, 2014(7):835-843.

[18] 郭 利,張艷昆,劉樹華,等.北京地區(qū)PM10質(zhì)量濃度與邊界層氣象要素相關(guān)性分析 [J]. 北京大學(xué)學(xué)報:(自然科學(xué)版), 2011, 47(4):607-612.

[19] 鄭 飛,張 鐳,朱 江.復(fù)雜地形城市冬季邊界層對氣溶膠輻射效應(yīng)的響應(yīng) [J]. 大氣科學(xué), 2006,30(1):171-179.

[20] Hooke W H. Gravity Waves [M]// Mesoscale Meteorology and Forecasting. American Meteorological Society, 1986.

致謝：本研究得到中國科學(xué)院大氣物理研究所鐵塔數(shù)據(jù)的支持,在此表示感謝！

Influence of Beijing atmospheric thermal and dynamics structure on pollutants transport and diffusion conditions.

SUN Zhao-bin1,2*, LI Zi-ming2, LIAO Xiao-nong2, TANG Yi-xi2, ZHAO Xiu-juan1(1.Institute of Urban Meteorology, Beijing, China Meteorological Administration, Beijing 100089, China；2.Environment Meteorology Forecast Center of Beijing-Tianjin-Hebei, China Meteorological Administration, Beijing 100089, China). China Environmental Science, 2017,37(5)：1693～1705

Based on the conventional meteorological data, PM2.5concentration, lidar data, tower data combined with wind profile data on 13～17 October 2015 in Beijing, Tianjin and Hebei, thermal and dynamic structure of heavy air pollution process have been researched. The results showed that the thermal conditions turn better during the day, vertical direction in the lower boundary layer changes from top-down motion into tilting motion, while southerly winds strengthened, pollution was transported enhanced, the main reasons for this spatial structure was that quasi east-west isotherm changed into the northwest-southeast direction after the thermal conditions strengthened and gravity wave caused by mountain heating excited amplitude increased during the day, resulted in air pollutants transmitted to Beijing at high-altitude appeared up and down transmission in the vertical direction, PM2.5concentration increased rapidly, there was vertical exchange under the condition of near ground southerly transports on November 16th, above transport and dispersion mechanism may explain the phenomenon, which mixing height increased with an increased PM2.5concentration in the daytime under the background of region heavy pollution.

thermal and dynamic structure；pollutant transport and dispersion；PM2.5；laser radar；gravity waves

X511

A

1000-6923(2017)05-1693-13

孫兆彬(1985-),男,黑龍江省黑河市人,碩士,工程師,主要從事空氣重污染形成機制和大氣污染對人體健康影響評估的研究.發(fā)表論文20余篇.

2016-10-06

國家自然科學(xué)基金資助項目(41305130,41575010);國家科技支撐計劃資助項目(2014BAC23B03,2014BAC16B04);北京市自然科學(xué)基金資助項目(8161004);北京市科技計劃課題(Z151100002115045)

* 責(zé)任作者, 工程師, szb850804@163.com