北京市2013年1月一次空气重污染过程分析

程念亮，高尚银，李云婷，程兵芬，苑魁魁

(1.北京市环境保护监测中心，北京 100048；2.北京清控人居环境研究院有限公司，北京 100083；3.山西省环境规划院，山西 太原 030002)

2013年1月份我国中东部、西南10省区市约100 万km2区域出现持续严重灰霾污染天气，京津冀地区在1月份遭受了严重灰霾污染[1-2]。1月份北京发生4次连续重污染过程(AQI>200 连续2 d及以上)，其中以中旬初(9—15日)和月末(27—30日)的2次重污染过程最为严重。

数值模拟技术作为一种有效的手段被广泛应用到大气边界层和空气污染输送扩散的研究中[3-4]，用于代替和更新现行的MM5模式的新一代中尺度数值模式，WRF(weather research and forecasting)目前在空气污染数值模拟领域中已广泛应用[5-8]。现采用污染物监测资料和地面、高空观测气象资料与WRF气象模式数值模拟相结合的方法，分析北京市2013 年1月10—15日的一次典型空气重污染过程，以揭示该次过程的污染特征及其成因。

1 资料来源

ρ(PM2.5)资料为北京市环境保护监测中心发布的逐时浓度数据；气象资料为与污染资料相对应的北京市观象台地面观测资料、探空资料，天气图来源于中央气象台。

WRF模式初始及边界资料为NCAR 和NCEP 的再分析逐日资料FNL，分辨率为1°×1°，时间分辨率是6 h(00:00、06:00、12:00、18:00)；地形和下垫面输入资料分别来自USGS 30 s全球地形和MODIS下垫面分类资料。

2 WRF模式简介及设置

WRF模式[12]是由美国美国大气研究中心(NCAR)、美国环境预报中心(NCEP)和奥克拉荷马大学(University of Oklahoma)的风暴分析预报中心联合研发的新一代中尺度预报模式和同化系统。该模式是一个完全可压缩的非静力模式，对湍流交换、大气辐射、积云降水、云微物理及陆面等多种物理过程均有不同的参数化方案。WRF模式主要由预处理系统WPS(数据插值和模式初始化、模式区域的和地图投影方式定义等)、同化系统3Dvar、动力内核以及后处理工具4部分。

采用ARW-WRF3.2模拟气象场，水平方向采用Arakawa C网格，垂直方向则采用地形跟随质量坐标，模式采用Lambert 正形投影；模式的中心点坐标为35 ° N、110 ° E，模式顶高约为15 km；设置双层嵌套，水平分辨率分别为36 及12 km，第一层网格数为210×200个，模拟区域覆盖东亚地区；第二层网格数130×112，覆盖华北地区，采用第二层嵌套的模拟数据。垂直层次为35层，各层sigma值分别为：1.000,0.995,0.990,0.983,0.970,0.954,0.934,0.909,0.880,0.845,0.807,0.765,0.719,0.672,0.622,0.571,0.520,0.468,0.420,0.376,0.335,0.298,0.263,0.231,0.202,0.175,0.150,0.127,0.106,0.088,0.070,0.055,0.040,0.020,0;最下面8层分别约为0,75,150,255,450,690,990和1 365 m，代表边界层的特征。WRF数值模式模拟所选用的参数化方案见表1。

表1 WRF模式所选用的参数化方案

3 结果与分析

3. 1 重污染过程分析

北京市2013 年1月9—15日的一次典型大气重污染过程逐日AQI与天气状况变化见表2。

表2 北京市2013年1月9—15日AQI与逐日天气状况

由表2可见，空气质量从9日的二级跳至10日五级重度污染，11—13日空气质量连续3 d严重污染，14日降为重度污染，15日转为轻度污染，至此重污染过程结束。此次重污染过程ρ(PM2.5)为323 μg/m3， 11—13日空气污染最为严重，12日ρ(PM2.5)达到了459 μg/m3。这3 d风速较低、相对湿度较高，而低风速不利于污染物扩散，高相对湿度有利于气态污染物向颗粒物的二次转化，污染会进一步加重[1,9]。期间500 hPa高度场3次浅槽过境，高空以偏南、偏西气流为主，地面天气形势以均压、低压、高压底部为主，少云无明显降水，高空云量较少，这种不利于污染物扩散的高低空天气形势的配合会导致区域性连续静稳天气出现，抑制了污染物的快速消散，从而为大气污染的形成及维持提供了稳定的大气环境背景[2，10]。

3.2 气象要素与污染物浓度变化分析

10—15日北京市ρ(PM2.5)及相应时间段的气象要素的日变化见图1(a)(b)。

图1 实测污染物浓度与气象条件的变化

由图1可见，10—14日ρ(PM2.5)在150 μg/m3以上，12日夜间至13日凌晨最高，最高值约600 μg/m3；ρ(PM2.5)高值正好发生在风向转换的时候，在污染物浓度的上升阶段，均出现了风向的“南转东北”及“西南转东北”的现象，与其他研究成果一致[1、10]；经计算重污染过程期间平均风速为1.47 m/s，相对湿度较大，平均为73.6%；地面大气压变化较为平稳，平均为1 021.5 hPa，24 h平均变压为-3.65～2.63 hPa，平均为-0.71 hPa；地面温度平均温度为-4.88℃，24 h变温基本为-2.72～2.68℃，平均为0.15℃。

期间以偏南风和偏东风为主，2者风频之和约占80%，ρ(PM2.5)在偏东风时较高，原因可能为西南风引起的周边高浓度污染物传输到北京上空后，北面山脉阻挡，使得气团在城市上空移速减慢，一段时间后风向突然间转为东北风，污染物回流，加重了空气污染；相对湿度与污染物呈现正相关关系，相对湿度与ρ(PM2.5)正相关系数最大，为0.4；地面气压与ρ(PM2.5)负相关系数最小，为-0.55，负变压导致周边污染物的汇聚；温度与ρ(PM2.5)没有明显的相关关系，但温度呈现明显的日变化，白天温度较高，夜间地表辐射冷却，这样的温度日变化有利于维持边界层稳定的结构[11]；24 h变温平均为0.15℃，为弱正变温；这些气象要素的变化特征与其他关于重污染的研究结果一致[12-13]。

3.3 大气温度层结时空变化特征

图2为实测10—14日探空观测的北京市观象台20:00温廓线图。

图2 10—14日20：00观象台实测温度廓线

由图2可见，此次空气重污染期间出现了明显的逆温现象，11日20:00为贴地逆温，逆温强度2.8 ℃/100 m，其他4 d 20:00均为高空逆温，平均逆温强度0.89 ℃/100 m；1 000 m以下，12日20:00逆温强度最大，大气层结较稳定，逆温厚度将近800 m，结合图1，该时间段正好对应的ρ(PM2.5)。1月14日，近地层逆温逐渐减弱，高空逆温仍然存在，污染物浓度下降缓慢。15日受冷空气过境影响，逆温类型可能为锋面逆温。

一般来说北京山区山体海拔高度多在800 m左右，当夜间平原发生逆温时，其逆温层的顶部往往和山高处在同一高度，由于逆温污染作用使逆温层底部升温较慢，而白天山体加热使逆温层顶的温度进一步升高，这样出现高空气温比低空气温更高，白天逆温层不仅不易破坏还有可能加强。持续逆温引起的上暖下冷的温度层结不利于污染物的垂直扩散，从而使水汽和污染物在低层堆积[2]。文献[13-16]表明，近地层出现逆温有利于灰霾的形成，而逆温层的持续存在是重污染维持的主要因素。

3.4 近地面风场、温度场及边界层模拟分析

图3(a)(b)(c)(d)(e)(f)为WRF模式模拟的北京市11—13日20:00 近地面风场-垂直速度场-海平面气压场图及地面温度场-PBL图。

图3 11—13日20：00北京市近地面风场-气压场-垂直速度场、温度场-边界层高度图

由图3可见，11—13日北京地区垂直速度以弱正值(也就是下沉运动)为主，其中模拟的边界层高度均在300 m以下，较低的边界层高度限制了污染物的有效扩散，使污染加剧。

边界层高度逐日变化不明显，大气层结较稳定，污染物易在边界层内汇聚。北京地面11日20:00以偏南气流为主，12日20:00以偏东气流为主，13日20:00以偏南气流为主，与实测风速风向一致；11日夜间的偏南气流带来了周边高浓度的污染物，污染物浓度整体呈现上升趋势，12日夜间偏东气流导致污染回流，浓度逐渐到达高值，持续的弱东北气流导致污染浓度逐渐下降，污染状况得到缓解。西南气流一方面增加了市区上空的污染物浓度，另一方面又将西南暖而湿的空气带入北京上空，与低空相对冷气团形成平流逆温，大气层结稳定，极大的抑制了污染物的扩散。

太行山西侧垂直速度为负，说明气流爬山上升，东侧基本为正，存在下沉运动；水平风场在山的侧存在辐合线，辐合线两侧风向差别较大，地面的弱辐合不利于污染物水平扩散；12日20:00偏东气流在山脉的阻挡下在山前汇聚，导致了大气污染物被阻滞在低空和近地面，从而形成持续的雾霾天气。

3.5 高空气象要素模拟分析

图4(a)(b)(c)(d)为模拟的北京市观象台垂直方向上风场、温度场及相对湿度的垂直分布。

图4 13—14日北京市观象台风场、温度场、及相对湿度分布

由图4可见，在12日夜间到13日白天地面以弱偏南风为主，900 hPa以上高度的风向为弱偏西北风转弱偏南风，在950～900 hPa 附近形成一个较弱暖中心；该时间段内逆温主要表现为高空逆温并且暖中心相对湿度较低，在40%以下，而与暖中心位置相对应的地面湿度较大，在80%以上，这样形成中层干暖低层湿冷的干暖盖结构，这是重污染日形成的典型大气垂直结构[17-20]，这样的大气垂直结构使得地面细颗粒物浓度从12日夜间开始急剧上升，升至13日凌晨500 μg/m3以上(结合图1)。

4 结论

(1)此次重污染过程空气质量从9日的二级跳至10日五级重度污染，11—13日空气质量维持连续3 d严重污染，14日降为重度污染，15日转为轻度污染。10—14日PM2.5平均值为323 μg/m3，平均风速为1.47 m/s，平均相对湿度为73.6%； 24 h变温基本为-2.72～2.68℃，24 h平均变压为-3.65～2.63 hPa；

(2) 此次空气重污染过程与当地气象条件密切相关，稳定的大气环流形势为污染提供了持续稳定的大气环境背景，风速较小、湿度较大、边界层较低、持续逆温是造成重污染的主要原因，地面风场辐合，边界层下沉运动及大气干暖盖是造成重污染的重要原因。

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