北京大气热力和动力结构对污染物输送和扩散条件的影响

孙兆彬,李梓铭,廖晓农,唐宜西,赵秀娟(.中国气象局北京城市气象研究所,北京 00089；.京津冀环境气象预报预警中心,北京 00089)

北京大气热力和动力结构对污染物输送和扩散条件的影响

孙兆彬1,2*,李梓铭2,廖晓农2,唐宜西2,赵秀娟1(1.中国气象局北京城市气象研究所,北京 100089；2.京津冀环境气象预报预警中心,北京 100089)

利用北京、天津、河北地区常规气象数据、PM2.5浓度、激光雷达数据,铁塔数据,结合风廓线数据对2015年10月13～17日发生在北京的空气重污染过程中大气热力和动力结构进行分析.结果表明,白天热力条件转好后,边界层低层垂直方向气流由上-下运动转变为倾斜运动,同时水平方向偏南风增大,高浓度气团向北京移动,污染物输送增强,造成这种空间结构的原因主要是热力条件加强后等温面由准东-西向转变为西北-东南向,由于山地加热激发的重力波振幅在白天增强,高空水平方向输送至北京的污染物在垂直方向出现向上和向下的传输.16日白天地面PM2.5浓度的快速升高,这是在PM2.5存在一定垂直交换的情况下,近地面偏南风输送的作用所致,以上出现的大气污染物输送和扩散机制可以在一定程度上解释区域重污染背景下,白天混合层高度升高而近地层PM2.5浓度却随之升高的现象.

热力和动力结构；污染物输送和扩散；PM2.5；激光雷达；重力波

近些年北京地区空气重污染事件频发,给居民身体健康带来极大危害,因此研究重污染天气形成机制对于预报、预警的及时发布具有重要意义.大气混合层是人类生活和生产的主要空间,许多重要天气和重污染事件均发生在这一空间中[1-8],因此混合层中大气动力和热力过程对污染物浓度具有重要影响.此外北京地区三面环山,大气的结构除受天气尺度系统影响外,还受局地山谷风影响,天气尺度系统与山谷风耦合在一起所形成的三维大气热力和动力结构在很大程度上决定着污染物的输送和扩散.

诸多研究结果表明,对混合层高度估算的方法较多,例如利用观测到的气象数据进行估算、基于数值模式预报结果进行估算、利用激光雷达和微波辐射计的监测资料进行估算[9-14].对于混合层高度与污染物之间关系的研究已有很多[15-19],研究表明较高的最大混合层高度出现频率较大的月,空气质量为优-良出现的频率较高,即混合层高度高,大气环境容量加大,利于污染物的扩散,污染物浓度低,反之混合层高度降低,大气环境容量减小,污染物堆积压缩不易扩散,污染物浓度升高.总结起来,混合层高度与大气污染物浓度整体呈负相关,这一结论已经长期指导我国环境气象及空气质量预报业务.本文的研究在经过长时间大量数据统计计算后发现这一结论仍然成立,但是在对北京地区PM2.5浓度数据和混合层数据进行分析后发现,在区域空气重污染背景下的某些时段(例如白天,以小时为时间分辨率),随着混合层升高,逆温减弱,客观上大气对污染物局地容纳能力和扩散条件好转,而监测到的污染物浓度却呈现升高的趋势.因此本研究选择 2015年 10月13～17日北京地区已经出现了空气重污染的时段开展研究,希望在一定程度上揭示混合层高度升高而PM2.5浓度也随之升高的大气动力和热力机制.

1 材料与方法

1.1 PM2.5数据、气象数据和激光雷达数据

PM2.5数据来自北京市环保局(http://www. bjmemc.com.cn/g68.aspx)、河北省环保厅(http://121. 28.49.85:8080/)、天津市环保局(http://air.tjemc.org. cn/)所公布的数据.气象资料来自北京市气象局,铁塔资料来自于中国科学院大气物理研究所.激光雷达数据为北京地区EV-LINAR型微脉冲激光雷达在垂直方向的观测数据.

1.2 混合层高度的计算方法

可用地面常规气象参数来估算平均混合层高度,本文根据罗氏法计算混合层厚度[13-14],计算公式如下:

式中: T为地面气温,℃;Td为地面露点温度,℃;uz为z高度处的平均风速,m/s;z0为地面粗糙度,m;f为柯氏参数,f= 2ΩsinΦ,Ω 为地转角速度,Φ 为地理纬度;P为帕斯圭尔稳定度级别(大气稳定度级别为A～F时,P值依次为1～6).

风廓线数据目前常被用来研究混合层内各种天气现象发生的规律,在混合层内常有较强的湍流,而混合层外湍流较弱,会在混合层顶形成湍流的极大值,本文依据风廓线雷达重要湍流参数-折射率结构常数(CN2)来计算混合层高度,CN2(zi)为 zi高度处的折射率结构常数,湍流能量法的计算公式如下:

2 污染物时空分布特征

2.1 气象要素时间序列变化

10月13～17日,北京地区近地面受偏南风和偏东风影响.偏南风主要出现在每日的午后至傍晚,将河北中南部污染物向北京、天津、河北东北部一带输送,导致污染物大量积累;其他时段为偏东风影响,对北京来说,偏东风主要来向为污染物已经大量积累的天津、河北东北部地区,因此偏南风、偏东风两只气流交替将污染物向北京输送,导致北京平原地区污染物快速积累和维持.垂直方向上,北京中高空为弱的下沉气流,将偏南风压制在较低层次,使其所输送的污染物无法翻越太行山、燕山山脉,只能在山前积累,同时在高湿的条件下,颗粒物吸湿增长,导致能见度降低(图1).

图1 2015年10月13～17日北京逐小时风向、风速、相对湿度Fig.1 Beijing hourly wind direction, wind speed, relative humidity October 2015 13～17

2.2 PM2.5浓度时间序列变化

如图2所示,13～17日京津冀地区出现一次空气污染事件.能见度从13日下午的30km下降到14日的 5km, PM2.5的浓度逐渐上升,14日 20:00达到150µg/m3左右.14日夜间至 15日受弱冷空气影响,PM2.5浓度有所下降,能见度略有好转.16日白天空气质量急剧恶化,其中北京地区 PM2.5浓度连续24h超过250µg/m3,17日下午超过300µg/m3,能见度一直维持在2km以下,局地小于1km,17日后半夜冷空气南下,此次污染过程自北向南逐渐结束.

图2 2015年10月13～17日京津冀地区PM2.5浓度(a)和能见度(b)时间演变特征Fig.2 Beijing, Tianjin and Hebei PM2.5concentration (a) and visibility (b) variation during October 2015 13～17

2.3 京津冀地区地面风场和PM2.5空间分布

由图3可见16日08:00～10:00时,北京东南部、河北廊坊、天津3地交界处有一个PM2.5浓度为300～500µg/m3的高浓度气团,空间尺度较小(约为几十km),午后伴随着近地层偏南风明显增大,此高浓度气团向北移动,于13:00前后到达北京城区,这一时间节点与图2中PM2.5浓度明显升高的时间相一致,受排放源分布及偏南风等不利于污染物扩散条件的影响,京津冀平原沿山地区形成了常见的 “厂”字形污染带.

图3 2015年10月16日京津冀地区08:00～19:00的地面自动站10m风场和PM2.5浓度(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浓度急剧升高时段北京上空的消光系数

为了研究偏南风下污染物水平和垂直扩散条件,本研究选取PM2.5浓度急剧增长的16日白天,分析激光雷达消光系数的时空演变趋势.1km以上北京上空无明显的消光系数增大现象,由北京地区 1km 内的消光系数演变(图 4)可见, 13:00～15:00出现了3个消光系数较高的层次,这3个层次分别处于200～600m、100m左右、近地层,消光系数数值最大区位于 200～600m,大值中心的出现时间为13:00前后,这与图3中PM2.5高浓度气团到达北京城区的时间相一致,说明16日白天外源输送很可能是导致北京地区PM2.5浓度快速上升的主要原因,而且由于高层和低层消光系数大值中心同时出现,所以外源输送很可能在高层和低层同时进行.15:00左右原本位于 200～600m的消光系数大值区强度减弱,而且有向上移动的趋势,消光系数大值区与高层大气最大梯度由600m上移至900m,整层大气消光系数有趋于均一的趋势,伴随着局地热力条件好转,1000m大气混合作用增强,15:00 ～16:00整层大气消光系数达到了 16日白天最为均一的状态,16:00～17:00在800m左右的高度再次出现消光系数大值中心,而且 17:00～19:00近地层的消光系数在明显增大,更为重要的是消光系数大值区随着时间出现了高值区向下伸展的现象,由 800m向下伸展至 200m,甚至更低的高度,对于这一现象出现的原因将在本文4.2章节进行分析.

图4 北京地区2015年10月16日11:00～20:00激光雷达消光系数Fig.4 Beijing area lidar extinction coefficient from 11:00～20:00 on the 16th

3 大气动力过程影响

3.1 混合层高度变化

混合层高度的计算具有很大不确定性,因此本文采用罗氏法和湍流能量法计算了混合层高度.如图5(a)和(b)所示,混合层高度均具有明显的日变化特征,其中在14～16日空气重污染期间,两种算法的混合层高度均在2000m以下波动,其中15日受弱冷空气影响,混合层高度最高,16日夜间至白天混合层高度均呈升高趋势.在14～16日的空气重污染期间,两种算法的混合层高度均在2000m以下波动,两者的区别是罗氏法的计算结果对于近地层大气的动力、热力条件及大气稳定度更加敏感,湍流能量法对于低层大气垂直方向大气动力结构的改变更加敏感,两种算法显示16日夜间至白天混合层高度均呈升高趋势.

图5 北京地区混合层高度Fig.5 Mixed layer height

3.2 区域风场日变化分析

图6 2015年10月16日京津冀地区10m风场分布Fig.6 10m wind field distribution in Beijing Tianjin Hebei region in October 16, 2015

BJ-RUC v2.0系统的空间区域共有2个,分辨率为9km(D1区域)和3km(D2区域),水平网格点数分别为400×649和424×550,垂直方向分为38层,BJ-RUC v2.0系统主要物理过程具体如下:WSM6显式微物理方案;Kain-Fritsch对流参数化方案(3km区域无对流参数化方案);YSU边界层方案;RRTM长波辐射方案;Goddard短波辐射方案;辐射方案每15min计算一次;Noah LSM陆面模式.

图6(a)～ (f)反映了北京及周边地区10月16日地面风场变化,通过数值模式的预报结果能够看到近地层风场精细特征,经过综合分析我们可以得到如下规律:

(1)京津冀地区夜间近地层受辐射冷却效应影响,冷空气下泄,平原沿山地区夜间多为山风控制,但风速较小,在北京东北部的密云区、平谷区由于均三面环山,在其平原地区山风对应的冷空气明显下泄,山风风速较大,常形成异于北京平原地区的气象条件.

(2)早晨日照辐射作用加强后,近地层热条件转好,谷风率先出现山区(图6b),北京平原地区风场由山风控制转变为无固定的风场,京津冀沿山地区为风速较小的弱谷风控制,而此弱谷风控制区的东侧则为较明显的偏南风影响,自沿山地区向东偏南风的分量逐渐增大,会促进京津冀平原地区正涡度的形成,有利于沿山地区动力辐合作用的增强,这是京津冀沿山地区大气热力作用先变化,而后促使动力条件发生改变,从而有利于沿山地区污染物积累的有力证据.

(3)午后京津冀沿山地区受山地和平原上空空气热力梯度加强的影响,平原沿山地区的山风明显加强为较强的偏南风,在热力和动力条件双重加强的条件下,平原沿山地区混合层高度也随之升高(图5),大气对污染物的输送作用加强.

3.3 风廓线数据资料

如图 7(a)所示,0～2000m 高度上 16日10:00～20:00为一致的偏南风,高层风速较大,低层风速较小,大于 12m/s的低空急流在 16日04:00～10:00出现在 1000m 以上的高空,在10:00～11:00、13:00前后、16:00～17:00急流的强度减弱,急流在时间序列演变中发生了断裂现象,这段时间也正是北京本地热力条件逐渐转好的时段.16日00:00～06:00北京近地层为一致的上升气流,高层为下沉气流,而在 06:00-10:00热力条件开始转好的时段,2000m以下的大气出现了明显的垂直上升和下沉的气流,但在 10:00～17:00热力条件继续加强的阶段,垂直气流开始向远离山地的一侧倾斜,出现了垂直方向的斜升气流,总体看来上升运动的强度在2000m内最大可大于 0.75m/s,下沉运动则可大于 0.45m/s,上升运动主要为热力强迫引起,而下沉运动更多为动力强迫造成,所以其强度小于上升运动,上升和下沉运动影响着北京地区污染物扩散和输送条件.

图7 16日00:00～20:00的北京风廓线Fig.7 Beijing wind profile from 00:00～20:00 on the 16th

4 大气热力过程影响

4.1 大气所320m铁塔数据分析

由图8可见,早晨08:00 250～320m高度间仍然存在逆温,至10:00受热力条件转好影响,逆温层顶向上抬升至320m以上的高度,320m以下仍存在较弱的逆温,14:00～16:00期间北京上空320m内逆温基本消失,由图4可见消光系数大值区出现也正好是320m内逆温逐渐减弱消失的时段.伴随着午后热力条件显著转好(图 9c),相对湿度的降低(图 9d),偏南风明显增大(图 9a和 9b),高层的偏南风在 13:00～14:00明显增大,与消光系数(图4)有较好的对应关系,再次从风场角度印证了偏南风对污染物有明显的输送作用.

图8 320m铁塔16日温度廓线Fig.8 320m tower temperature profile on the 16th

图9 320m铁塔16日11:00～20:00气象条件变化过程Fig.9 320m tower meteorological conditions from 11:00to 20:00 on the 16th

4.2 垂直运动转变为倾斜运动的机制以及对污染物输送和扩散的影响

由图10所示16日08:00北京上空有逆温存在,平原上空等温面呈准东-西向分布,16日 10:00逆温层顶抬高,逆温的强度减弱,北京西部地区率先增温,西部地区等温面呈西北-东南向倾斜,这说明山区在无明显天气系统影响时,日出以后太阳辐射加热使山谷壁附近的空气变暖,其变暖速度要快于相同海拔高度上平原地区上空的空气,16日12:00和14:00北京上空的逆温已经消失,温度场受西部、北部山区热力加热的作用变为一致的西北-东南向.结合图10及图11,当北京上空存在逆温期间(08:00～10:00)垂直方向的运动方向以上-下为主,当逆温消失期间(11:00～17:00),伴随着等温面由准东西向转变为西北-东南向,垂直方向的运动向东倾斜.即垂直运动的方向总是倾向于尽可能与等温面正交的方向,这种垂直运动的机制,保证了近地层被加热的空气以最大的效率穿过等温面,在分析天气尺度系统对扩散条件影响时,垂直运动影响比水平运动相对较弱,可以忽略不计,但是在本研究中空间尺度相当于中尺度运动的情况来说,垂直运动对扩散条件的影响则更为重要.

图10 BJ-RUC数值模式16日08:00～14:00温度场Fig.10 Temperature field of BJ-ruc numerical simulation from 08:00to 14:00 on the 16th

在15日夜间至16日08:00北京处于稳定层结的影响,由于多层逆温(图 10中 08:00)的存在且风速较小,大气对污染物的输送较弱,随着上文提到的等温面向东侧倾斜,以及垂直方向斜升气流的出现,水平方面上谷风加强.严格来讲,该谷风是中尺度系统对应的风,与天气尺度高空槽前对应的偏南风叠加后,就是本研究在铁塔和风廓线数据所观测的偏南风.由图9及图11中的V风分量可见,11:00～17:00 2000m 内偏南风增大,这也正是激光雷达显示的高消光系数所出现的时间,伴随着偏南风的增大,垂直运动的振幅也随之增大(图 12),污染物由河北中南部输送至北京地区,水平方向出现消光系数大值区,而且消光系数大梯度区向高空和近地层伸展,说明这种垂直运动振幅随着热力条件逐渐增大,而且垂直方向倾斜运动的气流会促进来自水平方向高浓度气团向高空和近地层扩散,近地层监测站所观测到的浓度也正是在这种极为复杂多尺度系统、多维度的运动的结果.

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

图12 BJ-ruc数值模式16日垂直速度Fig.12 Vertical Speed of BJ-ruc on the 16th

图 13为本个例中北京地区在无明显天气系统影响下垂直运动的概念模型,夜间北京大气层结稳定,有逆温存在,早晨太阳辐射加热近地层及山区,但热力条件仍较弱,相同海拔高度下,山区表面空气的加热速度快于同海拔高度的平原地区,上升运动首先在山区及沿山地区出现,上升运动则会将近地层较为温暖的空气和污染物向高空输送,直到遇到逆温层,此时被地面带入高空气块的温度小于上层的逆温层温度,因此受到负浮力的作用,此气块向下运动,被带入高层的污染物则在逆温层以下均匀混合,而此气块向下运动的同时也将温度较高逆温层中的暖空气向下夹卷,逆温层以下大气受到地表加热及高层夹卷共同作用,温度上升,逆温的强度随之减弱,随着太阳辐射作用的加强,北京地区由于地形的作用,等温面准东西向转变为西北-东南向,并且垂直气流的振幅增大(图 12),逆温强度减弱,逆温层以下大气污染物混合更加充分和均匀,垂直方向气流由上-下运动转变为向东侧倾斜的斜升和斜降运动,以使高低层大气之间的热交换效率达到最大.对于污染物的输送,在夜间稳定层结下,逆温层以下水平风速较小,对污染物的输送能力较弱,即便逆温层以上由于夜间地表对动量消耗减少而形成的低空急流,其能否明显将河北中南部沿山地区的污染物输送至北京仍存在着极大的不确定性,以往鲜有研究,即便果真出现此夜间的低空急流对污染物的输送,由于逆温层的阻隔,逆温层以上低空急流所带来的污染物较难向底层输送,但是早晨 08:00～10:00北京上空逆温在减弱的同时,逆温层以下的偏南风都在增大,逆温的存在虽然会阻隔高低空污染物的混合和交换,但是依然不会明显影响水平方向污染物的传输,这就是 16日白天无论逆温强弱和有无,近地面监测站污染物浓度一直持续上升的原因,当然这其中仍然存在热力条件激发的振幅不断放大的重力波在逆温消失前后所进行垂直方向大气污染物浓度混合的作用.

此外还值注意的是,在等温面由于山体加热作用发生倾斜后,垂直方向气流发生倾斜运动,山体右侧温度梯度加大,水平方向南风分量加大,总体的结果就是,在太行山沿山一带排放源密、污染最为严重地区的近地层的高浓度气团被这种倾斜上升而且向北运动的力量驱使,流向北京.

图14是Hooke[20]所提出的经典的重力波能量和位相传播的示意图,t=t1时刻由于北京西部和北部山地受太阳辐射热力作用强迫,开始激发重力波在波包中的波动产生了切变,到达t2时刻(t2＞t1),波包背离原地向右上方移动.在 t3时刻(t3＞t2),波包继续向右上方移动,波的能量继续向这一方向传播,而波的位相则向右下方传播,在实际大气中,重力波的位相和能量的传播受诸多因素控制,如风切变、温度层结等因素,情况较为复杂.关于重力波的研究主要出现在对降水天气的动力学诊断和分析中,在大气环境领域所引起的关注较少,可重力波又是对大气污染物扩散和传输具有重要影响的一类波动,应当引起重视.对于短周期波动k12＜＜k22,k1为垂直方向的波数,k2为水平方向的波数,位相传播接近于水平方向,量能传播接近于垂直方向,若大气不可压,则质点的运动与波的移动方向垂直,在本研究中由于地面可假设为刚体,所以波动不可能向地下传播,因此风廓线观测到的垂直方向的运动为上下或倾斜运动,位相则为自西向东.

图13 16日08:00～14:00北京地区边界层垂直气流结构特征(+为上升运动,-为下沉运动)Fig.13 Boundary layer vertical airflow structure in Beijing Region (+: rising movement, -: sinking movement)

图14 重力波能和位相的传播Fig.14 Propagation of gravity wave energy and phase

5 不确定性讨论

由于本研究主要研究区域为北京地区,未详细讨论河北地区污染物的积累和传输,而北京地区污染物的外源性输送主要来自于河北地区,所以河北地区污染物如何从近地层被输送至高空而向北京运动文中未详细分析,对此展开讨论需要结合空气质量模式及多地的风廓线、激光雷达等特种资料加以分析.

本研究虽讨论了伴随偏南风增大,热力扰动所造成污染物垂直方向传输的具体机制,但是其在垂直方向的传输数量仍然没有量化的结果,这需要利用数值模式进一步模拟验证.

目前对城市空气质量的监测站点主要集中于近地层,所监测到的污染物浓度是水平和垂直传输的共同结果,针对这一方面开展的详细讨论的研究成果极少,本研究也仅是利用各种常规和特种资料进行了一次尝试,仍然需要更多的资料和研究结果加以佐证.

6 结论

6.1 2015年10月13～17日北京地区出现了一次空气重污染过程,重污染过程期间,北京地区白天热力条件转好后,逆温减弱,垂直方向由上-下运动转变为倾斜运动,同时偏南风增大,污染物输送增强,造成这种动力结构的原因主要是热力条件加强后等温面由准东-西向转变为西北-东南向,使气流穿越等温面对近地面热量向上输送效率最大造成的.

6.2 空气重污染过程期间,由山地加热激发的重力波振幅在白天增强,造成高空输送至北京的污染物在垂直方向出现向上和向下的传输, 16日白天地面 PM2.5浓度的快速升高,是在PM2.5存在一定垂直交换的情况下,近地面偏南风输送所形成的大气污染物输送和扩散机制可以在一定程度上解释区域重污染背景下,白天混合层高度升高,逆温减弱而近地层 PM2.5浓度随之升高的现象.

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致谢：本研究得到中国科学院大气物理研究所铁塔数据的支持,在此表示感谢！

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

孙兆彬(1985-),男,黑龙江省黑河市人,硕士,工程师,主要从事空气重污染形成机制和大气污染对人体健康影响评估的研究.发表论文20余篇.

2016-10-06

国家自然科学基金资助项目(41305130,41575010);国家科技支撑计划资助项目(2014BAC23B03,2014BAC16B04);北京市自然科学基金资助项目(8161004);北京市科技计划课题(Z151100002115045)

* 责任作者, 工程师, szb850804@163.com