基于WRF模型下的太原市一次霧霾過程分析

申 麗 霞

(長治市屯留縣環(huán)境保護局，山西 長治 046100)

1 概述

隨著城鎮(zhèn)化、工業(yè)化的迅速發(fā)展，機動車數(shù)量的激增，導致大氣污染物的排放量越來越多，尤其，山西省煤炭資源豐富，每年向大氣中排放大量的污染物，加上環(huán)保綠化意識薄弱，森林植被減少，土地裸露，從而引發(fā)霧霾天氣，使得大氣能見度下降[1,2]。霧霾是由數(shù)百種大氣化學顆粒物質組成，其中直徑小于10 μm的氣溶膠粒子易引起急性鼻炎和急性支氣管炎等疾病，由于能見度降低還會直接危害公路、鐵路、航空、航運等交通安全，因此，近幾年科學家花費大量的時間和精力來研究山西省持續(xù)性霧霾的時空分布及發(fā)展走向，并從氣象學角度，針對山西省幾個污染較為嚴重的霧霾城市，利用持續(xù)性霧霾期間的大氣環(huán)流及氣象預報系統(tǒng)，探索霧霾從初期形成、發(fā)展到持續(xù)存在的原因，這些研究為實現(xiàn)霧霾天氣預報預警提供了大量的指導性依據(jù)。例如，劉佳(2016)通過對山西省2000年—2016年的霧霾時空分布特征進行分析發(fā)現(xiàn)，山西省在西北部地區(qū)的霧霾天氣相對較少，部分地區(qū)不足5 d；但中部(太谷)、南部(侯馬、洪洞)卻是霧霾的多發(fā)地區(qū)，年平均霧霾天數(shù)高達90 d之多[3]，這有可能與山西中部、南部地區(qū)的廠礦及燃煤的使用有著密不可分的關系。因此，山西省的霧霾時空分布以太原、大同、臨汾為頻發(fā)地區(qū)，空氣污染較為嚴重。從山西省環(huán)保廳召開的新聞發(fā)布會上獲悉，2017年，全省PM2.5平均濃度為59 μg/m3，較2013年下降23.4%，較2016年下降1.7%。盡管如此，太原市仍出現(xiàn)幾次大的霧霾天氣。

因此，本文利用太原及周邊地區(qū)2017年地面觀測站的氣象資料，結合中尺度數(shù)值天氣模式WRF(Weather Research and Forecasting Model)[4]，根據(jù)霧、霾的判別方法分別對太原地區(qū)的霧日、霾日進行統(tǒng)計，并給出了隨時間變化特征的分析。依據(jù)2012年我國頒布的GB 3095—2012環(huán)境空氣質量標準中對SO2，NO2，PM10，PM2.5，O3和CO六種污染物濃度的限制規(guī)定，找出了太原地區(qū)霧霾形成與維持的天氣系統(tǒng)分型，揭示出一定范圍內(nèi)持續(xù)性霧霾形成與演變的物理機制，表明了持續(xù)性霧霾過程中不同風向條件下太原市及其周邊地區(qū)之間細粒子的輸送、相互影響及濃度的局地特征。

2 WRF數(shù)值模擬方案

WRF-NMM V2.2支持固定的單向(Gopalakrishnan et al. 2006)和雙向的嵌套，此次方案設置多層雙向二維嵌套網(wǎng)格，區(qū)域范圍大致為111°13′7.607 4E ～113° 50′28.392″E,36°48′37.079 4″N～38°54′52.847 4″N，覆蓋太原及其周邊等霧霾發(fā)生地區(qū)，區(qū)域范圍設置和通用模式參數(shù)設置見表1。利用觀測的氣象要素和細顆粒物濃度資料，結合WRF模式進行模擬的結果，對2017年12月13日～2017年12月15日太原地區(qū)的霧霾天氣的形成過程和氣象背景進行了分析，此分析結果將對認識我省太原市霧霾天氣多發(fā)的成因提供一些參考。

表1 區(qū)域范圍設置和通用模式參數(shù)

從網(wǎng)站(https://rda.ucar.edu/)下載2017年12月Grib氣象數(shù)據(jù)，包括地形、經(jīng)緯、溫度、濕度、壓強、風向風速、主導風向等要素。為了準確反映霧霾期間各個氣象要素的變化規(guī)律，提取每天0點、04點、08點、12點、16點、20點6個時間點的數(shù)據(jù)進行WRF模擬分析。WRF模擬的Grib數(shù)據(jù)均采用UTC時間，比北京時間提前8 h。

3 結果分析

3.1 地面觀測站數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

2017年12月，太原地區(qū)共經(jīng)歷了兩次霧霾污染過程，第一次高峰是12月13日～12月15日，另一個高峰則是22日～23日，此次分析的為第一次霧霾污染過程(13日～15日)。根據(jù)中國氣象臺發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，太原在2017年12月3日和2017年12月6日出現(xiàn)了最高溫度(7 ℃),而最低溫度(-15 ℃)出現(xiàn)在2017年12月16日，其中，月平均最低溫度為-8.71 ℃，平均最高溫度為1.61 ℃，在13號～15號霧霾發(fā)生期間，最高氣溫要比歷史平均最高溫度低1 ℃左右，而最低氣溫要比歷史平均最低氣溫高3 ℃左右。

3.2 WRF模擬結果分析

3.2.1WRF模擬氣象要素分析

通過WRF模擬再現(xiàn)了2017年12月地面氣壓的變化(見圖1a))，例如：12月7日的高壓，12月13日～12月16日霧霾發(fā)生期間的低壓和霧霾過后的氣壓回升；同時模擬反映出12月以來氣溫整體下降以及12日～14日氣溫略微回升的趨勢；通過模擬結果，顯示出風速變化與霧霾形成時間相吻合。此外，12月13日以后，在霧霾期間，模擬區(qū)域內(nèi)風速保持較低水平，UTC時間13日12點(北京時間13日晚8點)最低風速低至0.11 m/s，往后風速一直保持在1.2 m/s左右，一直持續(xù)到14日15點(北京時間14日晚11點)。WRF模式模擬的相對濕度變化趨勢顯示出在12月14日0點(即北京時間12月14日8點)到12月15日3點(北京時間12月15日11點)，太原市近地面相對濕度一直在75%左右居高不下。

3.3.2WRF模擬風場分析

從圖2可以看出，2017年12月15日WRF模擬區(qū)域隨著南到西南風風速的增大，模擬區(qū)域逐步被西南風取代，汾河盆地由東北風變?yōu)槲髂巷L，忻定盆地轉為南風。霧霾天氣發(fā)生期間，太原區(qū)域上空由弱的東風到東南風控制，加上太原市地處太原盆地，全市北高南低，東西鄰山，是典型的簸箕型地形，獨特的地形特征導致來自南方的濕暖氣流以及污染物受到阻擋在太原盆地堆積停滯，小靜風條件下大氣對污染物的擴散能力不足，此時太原市近地面的氣溶膠濃度和相對濕度開始增加，對霧霾天的形成提供了客觀條件。

4 結語

本文利用氣象站下載的氣象要素資料結合中尺度數(shù)值天氣模式WRF的模擬，針對2017年12月太原市地區(qū)出現(xiàn)的一次大霧霾污染的氣象要素進行對比分析，結果表明，WRF模擬能夠較好地反映模擬區(qū)域垂直方向上的溫度、濕度的分布情況，也合理地反映出太原市此次逆溫層的生消，大致模擬出了此次霧霾發(fā)生的客觀條件。發(fā)現(xiàn)，受冷鋒過境前的影響，模擬區(qū)域風向轉變、風速減小、相對濕度增加，周邊地區(qū)的污染要素以及水汽輸送增加了太原市地區(qū)污染物的濃度，最終形成此次大的霧霾天氣。