張舒婷，王書欣，周佐歡，鄭群峰，胡霄，羅欣，王明潔

（1.深圳市氣象局，廣東深圳 518040；2.深圳南方強天氣研究重點實驗室，廣東深圳 518040；3.深圳市國家氣候觀象臺，廣東深圳 518040；4.深圳市氣象服務(wù)中心，廣東深圳 518040；5.深圳市突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布中心，廣東深圳 518040）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，相繼出現(xiàn)京津冀、長江三角洲和珠江三角洲等超大城市群，使得污染源分布格局發(fā)生顯著變化，已經(jīng)從20世紀(jì)80年代的點源污染發(fā)展到90年代的城市污染，21世紀(jì)演變?yōu)閰^(qū)域性、復(fù)合性大氣污染，區(qū)域性霾污染成為我國最為突出的大氣環(huán)境污染問題之一［1-3］。作為揭示大氣污染的重要工具，空氣質(zhì)量數(shù)值模式已廣泛應(yīng)用在大氣污染發(fā)生發(fā)展機理研究、輸送等方面［4-7］。Wang T等［4］對上海地區(qū)典型霾個例的分析顯示，模式能夠通過準(zhǔn)確計算SO2、NO2和PM10等空氣污染物的質(zhì)量濃度，實現(xiàn)城市空氣質(zhì)量的預(yù)報；Miao等［5］利用WRF-Chem模式探討京津冀地區(qū)的大氣環(huán)流和邊界層結(jié)構(gòu)季節(jié)特征對空氣質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)熱力條件和天氣型的季節(jié)變化直接影響邊界層過程，且秋冬季節(jié)相對較低的邊界層高度能使空氣污染惡化；余緯等［6］以MM5／SMOKE／CMAQ模式對珠江三角州地區(qū)一次重空氣污染過程的研究表明，前期高壓脊帶來的穩(wěn)定層結(jié)和靜小風(fēng)條件是使得大氣污染物逐日累積，難以擴(kuò)散的原因之一。深圳地處珠江三角洲城市群，大氣污染問題突顯，已引起政府和社會各界的高度重視，開展針對性霾污染天氣數(shù)值模擬研究十分必要。

本研究采用WRF-Chem空氣質(zhì)量數(shù)值模式，對2014年1月3—4日深圳市中重度霾過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析冷鋒前高壓脊控制下，深圳中重度霾天氣過程發(fā)生、發(fā)展及消散各個階段溫度場、風(fēng)場、大氣邊界層以及各種污染物的三維結(jié)構(gòu)特征，找出造成霾日低能見度以及中重度污染的主要影響因子，揭示中重度霾發(fā)生、發(fā)展及消散各個階段的主要特征及機制，以期為霾天氣預(yù)警預(yù)報提供參考。

1 資料和方法

1.1 資料說明

本研究所使用的氣象資料來自深圳市氣象局，為2014年1月1—4日深圳市國家基本氣象站逐時能見度、氣溫、相對濕度、風(fēng)向風(fēng)速等氣象資料，其中風(fēng)向風(fēng)速為10 min平均風(fēng)向風(fēng)速。空氣質(zhì)量監(jiān)測資料由深圳市環(huán)境監(jiān)測中心提供，包括2014年1月1—4日深圳市11個國控站的逐時、逐日空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)，站點布設(shè)、監(jiān)測設(shè)備、監(jiān)測方法、數(shù)據(jù)有效性等方面均符合《環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測點布設(shè)技術(shù)規(guī)范HJ 664—2013》、《環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測規(guī)范（試行）》等有關(guān)要求。

1.2 數(shù)值模擬試驗

1）WRF-Chem模式。

WRF-Chem（Weather Research Forecasting／Chemistry）模式是由美國國家海洋和大氣管理局、美國國家大氣中心等單位共同開發(fā)的新一代區(qū)域化學(xué)傳輸模式，已被廣泛應(yīng)用于大氣污染的數(shù)值模擬研究。其化學(xué)模塊主要包括氣相化學(xué)機制、氣溶膠模塊、光化學(xué)模塊、液相化學(xué)及干濕沉降等，可以模擬出包括痕量氣體和氣溶膠的排放、空間傳輸及化學(xué)反應(yīng)。該模式的化學(xué)模塊Chem和氣象模塊WRF的所有傳輸過程是完全在線耦合的，即氣象模塊和化學(xué)模塊使用相同的垂直和水平坐標(biāo)，次網(wǎng)格傳輸使用相同的物理參數(shù)化方案，使得計算結(jié)果更接近實際情況。

2）模式參數(shù)設(shè)置。

本研究采用WRF-Chem模式3.6版本，模式模擬采用3重嵌套網(wǎng)格如圖1所示，水平格距分別是45、15和3 km，三重網(wǎng)格格點數(shù)分別為99×99、106×91和151×136，垂直方向設(shè)24層。第3重網(wǎng)格作為本研究分析的對象，其范圍覆蓋整個珠三角地區(qū)。

圖1 WRF-Chem模式三重嵌套網(wǎng)格

模式的參數(shù)化方案設(shè)置見表1，其中化學(xué)方案上采用了CBMZ化學(xué)機制，MOSAIC氣溶膠機制和Fast-J光分解方案，并設(shè)置了化學(xué)初始與邊界條件，開啟干濕沉降、海鹽排放計算等方案。WRF-Chem模式中所用到的珠江三角洲人為排放源清單為清華大學(xué)分辨率為0.25°×0.25°的MIX排放源清單，氣象初始條件和邊界條件來自于1°×1°的NCEP再分析資料。

表1 WRF-Chem物理化學(xué)參數(shù)化方案設(shè)置1）

2 重度霾污染天氣過程概況

受大陸高壓脊控制，2014年1月3—4日深圳市最低能見度普遍在3 km以下，西部地區(qū)能見度普遍降至1 km以下，深圳市氣象臺于1月3日13：25（北京時，下同）至1月4日09：25在全市發(fā)布了灰霾預(yù)警信號。由2014年1月3—4日08：00地面天氣圖（圖2）和深圳市石巖基地站能見度、相對濕度和PM2.5質(zhì)量濃度變化曲線（圖3）可知，1月1日地面冷高壓東移入海，受變性高壓脊影響，地面為弱北風(fēng)控制，大氣水平擴(kuò)散能力轉(zhuǎn)差，深圳石巖基地站能見度已呈現(xiàn)下降的趨勢，同時伴隨著PM2.5質(zhì)量濃度上升，1日午后記錄到能見度低于10 km的輕微霾，PM2.5質(zhì)量濃度也達(dá)到100μg／m3；2日地面低槽發(fā)展，空氣濕度加大，大氣層結(jié)穩(wěn)定，大氣垂直擴(kuò)散能力轉(zhuǎn)差，2日能見度持續(xù)在6 km以下，18：00起出現(xiàn)能見度＜3 km的中度灰霾，PM2.5質(zhì)量濃度上升至136.7μg／m3，之后隨著濕度下降和風(fēng)速加大，能見度略有好轉(zhuǎn)；3日新的一股冷空氣南下，華南地區(qū)開始轉(zhuǎn)為冷高壓脊控制，其帶來的下沉氣流、偏北風(fēng)將上風(fēng)方向污染物向珠江三角洲區(qū)域輸送，同時由于珠三角局地較小的風(fēng)速，利于污染物累積，3日能見度進(jìn)一步下降，傍晚至4日凌晨出現(xiàn)能見度低于2 km的重度灰霾，PM2.5質(zhì)量濃度持續(xù)在140～170μg／m3之間。4日冷高壓主體自我國西北向東南影響我國大部分地區(qū)，白天隨著主體冷空氣抵達(dá)，深圳市北風(fēng)明顯加大，水平擴(kuò)散能見度明顯改善，同時伴隨相對濕度下降，能見度逐漸好轉(zhuǎn)，PM2.5質(zhì)量濃度也隨之下降，重度灰霾天氣緩解。

圖2 2014年1月3日（a）和4日（b）08：00地面天氣圖

圖3 2014年1月1—4日深圳市石巖基地站能見度、相對濕度和PM2.5質(zhì)量濃度變化曲線

3 深圳市典型重度霾過程數(shù)值模擬

3.1 質(zhì)量濃度場模擬效果評估

圖4為深圳市竹子林基地逐時PM2.5質(zhì)量濃度模擬值與觀測值和1月4日深圳市PM2.5日均質(zhì)量濃度分布模擬值與觀測值。由圖4a可知，竹子林基地站PM2.5主要污染時段為3日20：00至4日02：00，隨后PM2.5質(zhì)量濃度有所下降并維持在大約100μg／m3，模式模擬結(jié)果能夠較好地再現(xiàn)PM2.5質(zhì)量濃度的變化特征，模擬值與站點值相關(guān)系數(shù)達(dá)0.9，但污染物整體質(zhì)量濃度略偏高20μg／m3左右。主要污染時段竹子林基地站PM2.5模擬質(zhì)量濃度在140～170μg／m3之間，隨后PM2.5質(zhì)量濃度緩慢降低。圖4b顯示1月4日近地面PM2.5質(zhì)量濃度日均值普遍達(dá)到100 μg／m3，深圳西部地區(qū)的質(zhì)量濃度大于東部地區(qū)，達(dá)到130μg／m3，西部污染較東部嚴(yán)重。將模擬的PM2.5日均質(zhì)量濃度場與彩色圓點標(biāo)注的深圳市內(nèi)11個環(huán)境監(jiān)測站點PM2.5日均質(zhì)量濃度進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)除城市中心站點模擬質(zhì)量濃度略微偏大外，各站模擬值與觀測值較吻合。模式能在整體上反映出污染物的時空分布特征。

圖4 2014年1月3日20：00至4日14：00深圳市竹子林基地站PM2.5逐時質(zhì)量濃度模擬值與觀測值（a）；2014年1月4日深圳市PM2.5日均質(zhì)量濃度模擬值與觀測值（b）

3.2 風(fēng)場變化對污染的影響

圖5是模式模擬的2014年1月4日02：00和14：00深圳市近地面PM2.5質(zhì)量濃度和10 m風(fēng)場水平分布。模式結(jié)果看出，4日02：00深圳全市在近地面吹北風(fēng)，且風(fēng)速較小，全市大部分地區(qū)近地面PM2.5質(zhì)量濃度大于100μg／m3，達(dá)到輕度污染，PM2.5質(zhì)量濃度大值區(qū)位于深圳中西部地區(qū)，最大值達(dá)到130μg／m3；14：00深圳全市北風(fēng)持續(xù)，且風(fēng)速增大，水平擴(kuò)散能力有所改善，近地面PM2.5質(zhì)量濃度明顯下降，全市PM2.5質(zhì)量濃度均下降至100μg／m3以下。該次重度灰霾污染過程中深圳全市維持受北風(fēng)控制，將上風(fēng)向東莞和惠州的污染物持續(xù)向處于下風(fēng)向的深圳輸送，在一定程度上使深圳市內(nèi)的污染物質(zhì)量濃度增加。說明污染物區(qū)域輸送是造成該次污染過程原因之一。

圖5 模式模擬的2014年1月4日02：00（a）和14：00（b）深圳市近地面PM2.5質(zhì)量濃度（填色，單位：μg／m3）和10 m風(fēng)場（矢量箭頭，單位：m／s）水平分布

圖6是模式模擬的2014年1月3日20：00起位于深圳西部的石巖基地站垂直風(fēng)速的時間變化序列。由圖6可見，3日20：00—4日20：00霾污染過程中地面至1 500 m始終被強下沉氣流控制，4日20：00后強下沉氣流減弱，高度逐漸降低，500 m以上轉(zhuǎn)為上升氣流。下沉氣流持續(xù)時間長、影響范圍廣，抑制了污染物的垂直擴(kuò)散，使得污染物在低層累積，這種垂直風(fēng)場的特征與大陸冷高壓系統(tǒng)南下影響相吻合。

圖6 模式模擬的2014年1月3日20：00至1月5日08：00石巖基地站垂直風(fēng)速（單位：m／s）的時間變化序列

3.3 大氣邊界層變化對污染的影響

圖7是模式模擬的2014年1月4日02：00和14：00深圳市國家基本氣象站PM2.5質(zhì)量濃度的經(jīng)度-高度剖面圖，其中粗黑線為大氣邊界層高度。由圖7看出，4日02：00深圳大氣邊界層高度僅有200 m左右，持續(xù)較低的邊界層高度使近地面污染物在底層累積，難以擴(kuò)散，PM2.5主要集中在（113.8°E—114.2°E）范圍的邊界層內(nèi)，PM2.5最大質(zhì)量濃度約為130μg／m3；14：00受熱力湍流作用影響，全市邊界層高度明顯抬升至1 000 m左右，抬升的邊界層使污染物得以在其中擴(kuò)散并充分混合，使得近地面PM2.5質(zhì)量濃度下降，但由于垂直擴(kuò)散作用使得500～1 000 m高度的PM2.5質(zhì)量濃度增大。

3.4 逆溫對污染的影響

圖8是模式模擬的2014年1月4日02：00、08：00和20：00深圳市上空的逆溫狀態(tài)，其中，02：00和20：00是模式中第2層（約40 m）與地面的溫度差，08：00是模式第6層（約760 m）與第4層（約400 m）的溫度差。由圖8可知，02：00深圳市西北部城區(qū)和東部沿海率先出現(xiàn)逆溫，逆溫層厚度較小，逆溫強度也較小，約為0.5℃。隨著時間延長，深圳市的逆溫層向上抬升，至08：00達(dá)到400 m附近；逆溫范圍大幅增加，全市上空基本均為逆溫狀態(tài)。4日20：00，深圳市再次在西部與東部海區(qū)的近地面發(fā)生逆溫。該次過程中深圳市上空逆溫的出現(xiàn)與發(fā)展增強和近地面污染物質(zhì)量濃度的變化密切相關(guān)，對污染物累積有影響。

圖7 模式模擬的2014年1月4日02：00（a）和14：00（b）深圳市國家基本氣象站PM2.5質(zhì)量濃度（單位：μg／m3）的經(jīng)度-高度剖面圖

圖8 模式模擬的2014年1月4日02：00（a）、08：00（b）和20：00（c）深圳市上空逆溫（單位：℃）狀態(tài)

4 結(jié)論

1）WRF-Chem模式對該次重霾污染天氣過程PM2.5質(zhì)量濃度模擬值與實測值的相關(guān)系數(shù)較高（相關(guān)系數(shù)達(dá)0.9），雖然模擬值較實測站點值略有偏大，但模式整體能夠較好地再現(xiàn)該次霾過程的氣象場特征和污染物質(zhì)量濃度場特征。

2）PM2.5質(zhì)量濃度模擬結(jié)果表明，深圳近地面PM2.5高質(zhì)量濃度集中在深圳中西部地區(qū)，中西部污染較東部嚴(yán)重，PM2.5污染時段主要出現(xiàn)在20：00—02：00，與霾嚴(yán)重時段相吻合。

3）通過分析該次污染過程溫度場、風(fēng)場、大氣邊界層以及污染物的三維結(jié)構(gòu)，首要污染物PM2.5質(zhì)量濃度的分布與冷鋒前高壓脊影響下造成的持續(xù)大范圍弱北風(fēng)、強下沉氣流、較低的大氣邊界層以及逆溫層有密切關(guān)系。持續(xù)弱北風(fēng)和強下沉氣流不利于污染物的水平和垂直擴(kuò)散，較低大氣邊界層促進(jìn)污染物在邊界層內(nèi)快速積累；逆溫層的存在進(jìn)一步抑制了大氣垂直擴(kuò)散能力，使得霾天氣加劇。