京津冀地区秋季一次大气污染过程的模拟研究.docVIP

京津冀地区秋季一次大气污染过程的模拟研究 1 引言 最近，中国政府提出了“京津冀一体化”的概念和构想，希望通过加强环渤海及京津冀地区经济协作，使京津冀地区成为继长江三角洲和珠江三角洲之后的另一个中国经济快速发展的推动引擎。京津冀地区位于我国华北平原，面积约为 216,000 平方公里，有超过 1 亿的常住人口。要实现京津冀一体化，不仅要实现京津冀地区经济和产业的一体化，更要建立健全京津冀联防联控协作机制，着力改善京津冀空气质量。近 30 年来，京津冀地区工业化和城市化发展迅速，随之而来的环境问题也日趋严重；大气污染已经成为京津冀地区亟待解决的一个重大问题，频繁出现且长时间持续的大气污染过程会对城市居民的身体健康造成重大的威胁。因此，对京津冀地区的大气污染的一些个例进行研究和分析，尝试找出这些污染过程的形成原因，对于科学治理该地区的大气污染具有重要的意义。 整个京津冀地区东临渤海湾，北面和西面背靠燕山山脉和太行山脉；复杂的地形和下垫面情况使得京津冀地区的低层受到了海陆风、山谷风和城市热岛环流的共同影响；这些局地大气边界层环流能对京津冀地区的大气边界层结构和大气环境都产生了很大的影响。然而，目前绝大多数的关于京津冀大气污染的研究都是在关注大气中的污染化学过程，很少有学者关注局地大气边界层环流与大气污染之间的相互关系。 2011 年 9 月 20 日至 27 日，在北京出现了一次重污染天气过程；大气污染物 PM2.5、NO、 NO2、 SO2、 O3和 CO 的浓度均超过了国家规定的重污染的标准。在整个污染过程中，京津冀地区都是在弱天气系统的控制下，这种弱天气背景条件很有利于局地大气边界层环流的出现和发展。本研究中，我们将利用先进的大气数值模式探究局地大气边界层环流（海陆风环流、山谷风环流和城市热岛环流）和大气边界层结构对此次大气污染过程的影响。本文将在第 2 部分对数值模拟试验的设计进行介绍，第 3 部分将会对模拟得到的结果进行讨论和分析。最后，会在第 4 部分对全文进行总结。 2 数值模拟试验设计 在本研究中，我们首先使用北京市地面观测站的观测资料对 WRF（Weather Research andForecasting model）模式的模拟结果进行检验；然后，利用大气扩散模对京津冀地区的大气污染扩散过程的模拟，以揭示该地区大气污染物的输送和扩散路径。 2.1 WRF 模式 本文所使用的是 WRF 模式的 3.5.1 版本，并设计了三层双向嵌套的计算网格来模拟京津冀地区的大气边界层环流（如图 1 和表 1 所示），三层网格的水平分辨率分别为 27 km、9km 和 3 km。在垂直方向上，从地面到 50-hPa 的高空共设置了 55 层，最底下一层距离地面的高度约为 10 m。表 1 给出了 WRF 模拟所采用的物理过程参数化方案。另外，为了更真实地模拟出城市下垫面的对局地大气边界层环流的影响，在本次研究中，我们利用了欧洲航天局发布的必威体育精装版的GlobCover 2009地表利用类型数据更新了WRF模式中原有的城市地表利用类型的分布。 2.2 FLEXPART 模式 本文所使用的大气扩散模式为 FLEXPART（The FLEXible-PARTicle dispersion model）模式，是一个拉格朗日大气扩散模型（Lagrangian Particle Dispersion Model, LPDM）。FLEXPART 模式在垂直方向上，使用的是追随地形的笛卡尔垂直坐标系；该模式不仅可以利用全球的气象资料进行驱动计算，还可以利用一些中尺度大气模式（如 WRF 和 MM5）的模拟结果进行驱动。更多有关 FLEXPART 模式的详细信息，可以通过访问以下网站来获得：http://www.flexpart.eu. 为了了解 2011 年 9 月 23 日至 27 日大气污染过程中，京津冀地区局地大气边界层环流对污染物扩散过程的影响，我们利用 WRF 模拟得到的高分辨率三维大气场（3 km 水平分辨率）设计了一个 48 小时的数值扩散试验--从 9 月 23 日 00 时开始模拟，积分至 9 月 25日 00 时。FLEXPART 模拟的水平网格与 WRF 最内层的网格完全相同，在垂直方向上设置了 38 层，分别为 5、15、25、35、50、70、90、125、175、225、275、325、375、425、475、525、575、625、675、725、775、900、1100、1350、1750、2250、2750、3250、3750、4250、4750、5250、5750、6500、7