利用WRFChem模拟研究京津冀地区夏季大气污染物的分布和演变.pdf

第3 6 卷第6 期 2 0 1 3 年1 2 月 大气科学学报 T r a n s a c t i o n so fA t m o s p h e r i cS c i e n c e s V 0 1 3 6N o 6 D e c 2 0 1 3 庞杨 韩志伟 朱彬 等 2 0 1 3 利用W R F C h e m 模拟研究京津冀地区夏季大气污染物的分布和演变 J 大气科学学报 3 6 6 6 7 4 6 8 2 P a n gY a n g H a n Z h i w e i Z h uB i n e ta 1 2 0 1 3 A m o d e ls t u d yo nd i s t r i b u t i o n a n de v o l u t i o no f a t m o s p h e r i cp o l l u t a n t so v e r B e r i n g T i a n j i n H e b e ir e g i o n i ns u m m e r t i m ew i t hW R F C h e m J T r a n sA t m o sS c i 3 6 6 6 7 4 6 8 2 i nC h i n e s e 利用W R F C h e m 模拟研究京津冀地区夏季大气污染物的分布和演变 庞杨1 2 韩志伟2 朱彬1 李嘉伟2 1 南京信息工程大学大气物理学院 江苏南京2 1 0 0 4 4 2 中国科学院东亚区域气候一环境重点实验室 北京1 0 0 0 2 9 摘要 应用W R F C h e m W e a t h e rR e s e a r c ha n dF o r e c a s t i n gM o d e lw i t hC h e m i s t r y 模式模拟研究了 2 0 0 7 年8 月京津冀地区近地面O N O P M 浓度的时空变化特征 将模拟结果与观测数据进行 详细对比 结果表明 模式可以较好地模拟O P M 浓度的空间分布和时间变化特征 成功再现了 8 月0 和P M 的几次积累增加过程 其中O 的模拟值与观测值的相关系数为0 6 9 0 8 6 P M 的相关系数为0 4 4 0 4 9 但模式对N O 的模拟相对较差 相关系数为0 2 7 0 4 3 北京 天津地 区为O 月均低值区 月均体积浓度约3 0 1 0 一 渤海及京津冀以西地区O 月平均体积浓度可达 6 0 1 0 一 P M 2 5 呈现南高北低的分布特征 变化范围为1 2 0 2 4 0 斗g m 3 1 4 时月平均0 3 体积浓 度在北京 天津地区低于周边地区 约为6 0 1 0 一 而P M 质量浓度在环渤海地区和河北南部较 高 为1 0 0 1 2 0 m 3 8 月1 7 日北京出现一次典型的高浓度o 污染事件 1 4 时北京地区温度 达到3 3o C O 体积浓度为8 0 1 0 一一1 1 0 1 0 一 在局地排放 化学反应和外来输送的共同作用 下 渤海西岸和北岸P M 的质量浓度超过1 2 0I 山g m 3 其中二次气溶胶质量浓度为5 0 1 0 0 斗g m 3 一次排放人为气溶胶质量浓度为1 0 2 0 斗 m 3 海盐质量浓度为1 7 斗g m 3 二次气溶胶 是该地区P M 的主要贡献者 关键词 O N 0 2 P M 2 污染物分布和演变 数值模拟 中图分类号 P 4 0 2文献标志码 A文章编号 1 6 7 4 7 0 9 7 2 0 1 3 0 6 0 6 7 4 0 9 Am o d e ls t u d yo nd i s t r i b u t i o na n de v o l u t i o no fa t m o s p h e r i c p o l l u t a n t so v e rB e i j i n g T i a n j i n H e b e ir e g i o n i ns u m m e r t i m ew i t hW R F C h e m P A N GY a n 9 1 H A NZ h i w e i 2 Z H UB i n l L IJ i a w e i 2 1 S c h o o lo f A t m o s p h e r i cP h y s i c s N U I S T N a n j i n g2 1 0 0 4 4 C h i n a 2 K e yL a b o r a t o r yo fR e g i o n a lC l i m a t e E n v i r o n m e n tf o rE a s tA s i a R C E T E A C h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s B e i j i n g1 0 0 0 2 9 C h i n a A b s t r a c t I nt h i sP 叩e r t h eW R F C h e mm o d e lw a su s e dt oa n a l y z et h et e m p o r a la n ds p a t i a lv a r i a t i o n s o ft h en e a r s u r f a c ec o n c e n t r a t i o n so fo z o n e 0 1 n i t r o g e nd i o x i d e N O a n df i n ep a r t i c u l a t em a t t e r P M 25 o v e rt h eB e i j i n g T i a n j i n H e b e ir e g i o ni nA u g u s t2 0 0 7 r r h e s i m u l a t i o nr e s u l t sw e r ec o m p a r e d w i t hs u r f a c eo b s e r v a t i o n s I tw a si n d i c a t e dt h a tt h em o d e lc o u l dr e p r o d u c et h et e m p o r a la n ds p a t i a lv a r i a t i o n so f0 1a n dP M Er e a s o n a b l yw e l la n ds u c c e s s f u l l yr e f l e c ts e v e r a lp o l l u t i o ne v e n t si nA u g u s t2 0 0 7 H o w e v e r t h em o d e l Sp e r f o r m a n c ew a sr e l a t i v e l yp o o rf o rN O T h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t sb e t w e e n t h em o d e ls i m u l a t i o n sa n dt h eo b s e r v a t i o n sw e r e0 6 9 珈 8 6f o rO 04 4 珈 4 9f o rP M a n d0 2 7 0 4 3f o rN O I nA u g u s t t h em o n t h l ym e a nc o n c e n t r a t i o no fO i nB e i j i n ga n dT i a n j i nw a sr e l a t i v e l y 收稿日期 2 0 1 2 0 1 0 3 改回日期 2 0 1 2 1 l 0 7 基金项目 国家重点基础研究发展计划 9 7 3 计划 项目 2 0 1 0 C B 4 2 8 5 0 3 国家高技术研究发展计划 8 6 3 计划 项目 2 0 0 7 A A 0 6 A 4 0 8 通信作者 韩志伟 博士 研究员 研究方向为大气化学成分的产生和演变机理及其辐射和气候效应 h z w m a i l i a p a c c n 万方数据 第6 期 庞杨 等 利用W R F C h e m 模拟研究京津冀地区夏季大气污染物的分布和演变 6 7 5 l o wa ta b o u t3 0 1 0 9w h e r e a sr e l a t i v e l yh i g h0 3c o n c e n t r a t i o n a b o u t6 0 1 0 9 w a sp r e d i c t e di nt h e w e s to ft h eB e i j i n g T i a n j i n H e b e ir e g i o na n do v e rt h eB o h a iB a y T h eP M 2 5s h o w e dh i g h e rc o n c e n t r a t i o nl e v e l si nt h es o u t ht h a ni nt h en o r t hw i t h i nt h eB e i j i n g T i a n j i n H e b e ir e g i o nw i t ht h em o n t h l ym e a n c o n c e n t r a t i o n sr a n g i n gf r o m1 2 0t o2 4 0 斗g m 3 T h em o n t h l ym e a n0 3c o n c e n t r a t i o na t1 4 0 0B S Ti n A u g u s tw a sa b o u t6 0 1 0 一i nB e i j i n ga n dT i a n j i n w h i c hw a sl o w e rt h a nt h o s ei nt h es u r r o u n d i n ga r e a s T h em e a nP M 2 5c o n c e n t r a t i o n sa t1 4 0 0B S Ts h o w e dh i g h e r l e v e l s 1 0 0 1 2 0 m 3 i nt h es o u t h e mp a r t so ft h eH e b e ip r o v i n c ea n dt h eB o h a iB a ya r e a s A n0 3p o l l u t i o ne p i s o d eo c c u r r e do nA u g u s t 1 7w h e nt h ea i rt e m p e r a t u r ei nB e i j i n gr e a c h e d3 3o Ca t1 4 0 0B S T r e s u l t i n gi nh i g hc o n c e n t r a t i o no f 0 3 8 0 1 0 9 11 0 1 0 9 M e a n w h i l e d u et Ot h ec o m b i n e de f f e c t so fl o c a le m i s s i o n c h e m i c a lr e a c t i o na n dt r a n S b o u n d a r yt r a n s p o r t t h eP M 2 5c o n c e n t r a t i o ni nt h ew e s ta n dt h en o r t ho ft h eB o h a ib a y w a sa sh i g ha so v e r1 2 0 g m 3 i nw h i c ht h es e c o n d a r ya e r o s o l sf o r m e dt h r o u g hc h e m i c a lr e a c t i o n s t h e p r i m a r ya n t h r o p o g e n i ca e r o s o l sr e l e a s e dd i r e c t l ya n ds e as a l t a e r o s o l sa c c o u n t e df o ra b o u t5 0 1 0 0 I x g m 3 1 0 2 0I x g m 3a n d1 7 斗 m 3 r e s p e c t i v e l y T h u s t h es e c o n d a r ya e r o s o l sw e r et h em a i nc o n t r i b u t o rt oP M 2 5i nt h e s ea r e a sd u r i n gt h i se p i s o d e K e yw o r d s 0 3 N 0 2 P M 2 5 p o l l u t a n td i s t r i b u t i o na n de v o l u t i o n n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 0 引言 自2 0 世纪5 0 年代以来 随着全球性矿石燃料 使用的急剧增长 人类活动向大气中排放的污染物 剧增 对大气环境造成的损害日益加剧 大气中的 人为污染物经过一系列光化学反应 会生成强氧化 性物质如臭氧 O 甲醛 H C H O 硝酸 H N O 过氧乙酰硝酸酯 P A N 等 造成光化学污染 上述 反应物和产物的混合物通常被称为光化学烟雾 光 化学污染是当今世界许多城市和区域的主要环境问 题之一 在世界各大城市 如日本东京 英国伦敦 美 国洛杉矶都曾发生过严重的光化学烟雾事件 在我 国的经济发达地区 如京津冀地区 珠江三角洲地 区 长江三角洲地区也经常发生光化学污染 并且呈 现日益严重的趋势 张远航等 1 9 9 8 H a ne ta 1 2 0 0 5 W a n ge ta 1 2 0 0 6 B i a ne ta 1 2 0 0 7 G e n g e t a 1 2 0 0 8 T i ea n dC a o 2 0 0 9 W a n ge ta 1 2 0 0 9 a 银 燕等 2 0 0 9 a 2 0 0 9 b 张敏等 2 0 0 9 漏嗣佳等 2 0 1 0 高俊等 2 0 1 2 光化学污染还经常与烟煤型污染 一起成为我国灰霾天气的重要成因 朱敏等 2 0 0 8 王红磊等 2 0 1 1 高岑等 2 0 1 2 宋娟等 2 0 1 2 国内学者已经利用空气质量模式或大气化学模 式对光化学污染问题进行了许多研究工作 向伟玲 等 2 0 1 0 利用C B M Z 化学机制模拟研究了2 0 0 8 年奥运会期间气象条件 污染物排放控制措施对 0 3 N 0 2 浓度影响 Z h a n g e ta 1 2 0 0 2 利用 C M A Q 模式模拟研究了东亚地区冬季边界层以内 O 的输送及光化学反应过程 A ne ta 1 2 0 1 3 研 究发现亚硝酸可以明显增加华北地区二次气溶胶浓 度并对区域灰霾的形成有潜在重要的影响 Z h ue t a 1 2 0 0 5 研究了气象条件对东亚地区近地面O 季 节和年际变化的影响 W a n ge ta 1 2 0 0 6 研究了 香港的一次光化学污染事件 及光化学烟雾在珠江 三角洲地区的输送 这些工作对认识我国大气污染 物的产生机理 演变过程以及时空分布特征有重要 的意义 近年来 大气化学模式又有重要进展 由美国 大气研究中心 美国太平洋西北国家实验室和美国 国家海洋及大气管理局共同开发完成了区域大气动 力一化学耦合模式W R F C h e m W e a t h e rR e s e a r c h a n dF o r e c a s t i n gM o d e lw i t hC h e m i s 缸y 该模式的最 大优点是气象模式与大气化学传输模式的完全耦 合 W R F C h e m 已被广泛应用于大气污染的模拟 研究 J i a n ge ta 1 2 0 0 8 用W R F C h e m 模拟了香 港地区一次伴随台风出现的严重的光化学污染事 件 发现高温 低湿 强辐射和稳定的边界层结构是 导致持续光化学污染的关键因素 W a n ge t a 1 2 0 0 9 b 利用W R F C h e m 模式研究了珠江三角洲地 区由于城市扩张引起的天气条件变化对二次有机气 溶胶生成的影响 韩素芹等 2 0 0 8 利用W R F C h e m 模拟研究了天津市主要大气污染物 C O N O 0 3 P M 2 5 的演变情况 T i ee ta 1 2 0 0 9 利用 W R F C h e m 模拟研究了墨西哥城市区域臭氧以及 其前体物的分布和变化特征 L ie ta 1 2 0 1 1 利用 W R F C h e m 研究了亚硝酸对北京 天津 河北等地 大气污染物浓度的影响 京津冀地区是我国经济发展和城市化速度最快 的地区之一 经济迅速发展的同时也带来了严重的 万方数据 6 7 6大气科学学报第3 6 卷 环境问题 如光化学烟雾等 给当地的生态环境和 人体健康带来严重危害 该地区大气污染物的分布 特征和演变规律 以及大气污染物的控制对策 已经 成为专家研究和公众关注的热点问题 本文将利用 W R F C h e m 模式模拟研究京津冀地区夏季主要大 气污染物 N O O P M 的时空分布和演变特征 1 模式设置 在线大气化学模式W R F C h e m 考虑了大气污 染物的平流输送 湍流扩散 干湿沉降 辐射传输等 主要大气物理过程 以及多相化学 气溶胶演变等大 气化学过程 在本研究中 W R F C h e m 模式的气相化学过程 采用C B M Z 方案 Z a v e r ia n dP e t e r s 1 9 9 9 它包含 5 5 种物质和1 3 4 个化学反应 光化学反应过程所 需要的光解率由在线的F a s t J 方法 W i l de ta 1 2 0 0 0 计算 在计算过程中考虑了大气粒子对太阳 辐射的散射 吸收作用 每小时 模式时间 为气相 化学模块更新一次光解率 气溶胶过程采用包含了 液相化学反应的M O S A I C 气溶胶模型 Z a v e r ie t a 1 2 0 0 5 a 2 0 0 5 b 2 0 0 8 该模型包含了硫酸盐 硝 酸盐 铵盐 氯化物 钠盐 其他无机物 有机碳和元 素碳这8 类气溶胶成分 本研究里 M O S A I C4 个 气溶胶粒径分别为 0 0 3 9 0 1 5 6i x m 0 1 5 6 0 6 2 5I x m 0 6 2 5 2 5 斗m 2 5 1 0 灿m 模式采用N o a h 陆面参数化方案 并开启W R F 模式自带的城市模块 以便更好地反映城市下垫面 对大气边界层和局地环流的影响 云微物理过程选 用L i n 方案 此方案包含水的6 种状态 水汽 雨 云 水 云冰 雪 霰 修正了饱和度调整及冰沉降 短 波辐射传输过程选择G o d d a r d 方案 模式采用L a m b e r t 地图投影方式 网格分辨率 取为4 5k m 与排放源分辨率匹配 中心点经纬度 为 1 1 0 0 E 3 5 N 经向格点数为1 1 9 纬向格点数 为1 0 1 垂直层数1 7 层 模式第一层高度为0 4 0 m 第二层高度为4 0 8 0m 模拟区域和观测站点 如图1 所示 模拟时段为2 0 0 7 年8 月1 日0 8 时一 9 月1 日0 7 时 北京时间 下同 模式所用人为污染物排放源清单来自I N T E X BfI n t e r c o n t i n e n t a lC h e m i c a l T r a n s p o r tE x p e r i m e n t P h a s eB Z h a n ge ta 1 2 0 0 9 计划 该清单以2 0 0 6 年为基准 分辨率0 5 0 水平插值到L a m b e r t 网格 上 模式所用生物源来自于M E G A N M o d e lo f E m i s s i o n so fG a s e sa n dA e r o s o l sf r o mN a t u r e G u e n t h e re ta 1 2 0 0 6 的生物排放源模型结果 生 物源主要包括植物排放的异戊二烯 萜烯等有机物 模式气象驱动场的初始条件和边界条件来自 N C E P N C A R 全球1o lo 再分析资料 时间分辨率 为6h 化学物质浓度的侧边界条件 S O S O B C O C H C H O 0 等浓度 来自M O Z A R T 4 M o d e l f o rO z o n eA n dR e l a t e dc h e m i c a l T r a c e r s 4 E m m o n se ta 1 2 0 1 0 每6h 的模拟结果 模拟过 程中启用了四维同化 提高了风 温 湿等关键气象 变量模拟的准确性 2 模拟结果检验 2 1 数据对比 2 0 0 7 年8 月1 0 3 1 日 在北京 天津 石家庄 沧州站点 图1 对O N O P M 进行了观测 所得 逐时观测数据用于本次模拟结果的对比检验 其中 北京 石家庄 沧州等地的数据来自于地面观测 天 津数据来自于4 0m 铁塔观测 观测数据均已经过 质量控制 图2 a 显示 模式很好地再现了北京0 体积浓 度的时间变化 反映了O 体积浓度1 1 一1 8E t 逐渐 上升 1 8 2 4 日逐渐下降 2 4 3 1E t 重新缓慢上升 的特征 与观测相比 模式较好地模拟了1 7 1 8 日 O 体积浓度的高值 但低估了1 5 2 4 3 1 日O 体积 浓度的高峰值 高估了2 0E t 的O 体积浓度 模式 很好地模拟了8 月O 体积浓度在天津的逐时变化 情况 图2 d 在石家庄 图2 9 和沧州 图2 j 的模 拟结果也较好 合理地反映了两地O 体积浓度的 5 0 4 5 N 4 0 N 3 5 0 N 世 3 0 N 2 5 0 N 2 0 N 1 5 0 N 州 l l 二1 1 0 E 2 卜 1 3 卜 经发 图1 模拟区域 京津冀地区 黑色方框内 及4 个观测站 点位置 F i g 1 M o d e ld o m a i n t h eB e i j i n g T i a n j i n H e b e ir e g i o n i n t h eb l a c kb o x a n dt h e4m o n i t o rs i t e s 万方数据 第6 期庞杨 等 利用W R F C h e m 模拟研究京津冀地区夏季大气污染物的分布和演变 6 7 7 5 0 2 0 9 0 6 0 3 0 O 期 一4 0 0 矗3 0 0 商2 0 0 嵩l o o 心 O 一4 0 0 三3 0 0 被2 0 0 嶷 嘲1 0 0 嵝 O I j 期 图22 0 0 7 年8 月北京 a b c 灭津 d c f 行家 l i g h i 和i 沧州 j k 1 的O a d g j N O b e h k P M s c f i 1 模拟结果与逐时观测值的对比 空白为数据缺测 F i g 2C o m p a r i s o n sb e t w e e nt h eo b s e r v e da n ds i m u l a t e dh o u r l yc o n c e n t r a t i o n so f a9 d g j 0 3 b e h k N 0 2a n d c f i 1 P M 25i n ay b C B e i j i n g d e f T i 删i n g h i S h i j i a z h u a n ga n d j k 1 C a n g z h o ui nA u g u s t2 0 0 7 b l a n kd e n o t e s l a c ko fd a t a 逐时演变情况 捕捉到从2 2 3 0 日O 体积浓度在 石家庄的缓慢下降趋势 但低估了1 1 1 3 日石家庄 和1 1 2 1 2 8 日沧州o 体积浓度的高峰值 模拟偏 差的主要原因可能是模式网格分辨率较粗 难以准 确地反映城市地区局地环流和污染源分布情况 另 外模式所用排放源强为月平均值 难以反映观测点 周围实时的污染物排放 这也会影响模拟结果 模式合理地反映了北京站N O 的体积浓度水 平和时间变化趋势 图2 b 但模拟结果在2 7 3 1 日与观测值相比有所低估 模式普遍高估了天津 图2 e 站N O 的体积浓度水平 这可能是因为较 粗的垂直网格分辨率无法反映站点附近的浓度梯 度 模式同样高估了石家庄 图2 h 站N O 的体积 浓度水平 这与排放源强度的不确定性有关 图2 k 显示在沧州站 模式模拟的N O 逐时体积浓度与观 测值相比较为吻合 但模式整体上低估了2 8 3 1 日 N O 的体积浓度峰值 尽管模式可以基本反映北京P M 质量浓度的 时间变化趋势 但总体上高估了P M 的质量浓度 水平 图2 c 其中1 6 2 0 日高估较多 这与P M 一次排放源的不准确 二次气溶胶形成机制的不确 定和模式分辨率低都有关系 类似情况也发生在天 津 图2 f 模式再现了1 3 2 1 2 5 日的3 次P M 的 积累过程 但高估了P M 质量浓度的整体水平 模拟的P M 质量浓度在石家庄 图2 i 和沧州 图2 1 相对更接近观测值 比较准确地反映了两站 P M 质量浓度的时间变化趋势 如1 6 2 2 日石家 庄站较高的P M 质量浓度水平 以及2 0 2 1 2 4 2 5 日沧州站两次P M 的积累增加过程 表1 是北京 天津 石家庄和沧州四站观测和模 拟结果的统计量 结果显示 模式较好地反映了O 在这四个站点的时间变化趋势 模拟结果与观测数 据之间的相关系数为0 6 9 0 8 6 尽管模式模拟 的O 体积浓度比观测整体略有偏低 但误差较小 万方数据 6 7 8大气科学学报第3 6 卷 表l2 0 0 7 年8 月O N 0 2 P M z 观测和模拟结果的统计数据 T a b l e1S t a t i s t i c so fs i m u l a t e da n do b s e r v e dc o n c e n t r a t i o n so f0 3 N 0 2a n dP M 2 5i nA u g u s t2 0 0 7 总体上 模式对京津冀地区O 具有好的模拟能力 模式基本可以反映P M 在4 个站点的时间变化趋 势 相关系数为0 4 4 0 4 8 但与观测数值相比 模拟结果有所高估 对于N O 模拟值与观测值之 间的相关性相对较低 相关系数为0 2 7 0 4 3 总之 模式可以比较准确地反映京津冀地区O 体积浓度的空间分布和时间演变趋势 模式对 P M 的模拟也比较合理 但对N O 的模拟相对较 差 需要指出 氮氧化物的模拟仍然是当今大气化 学模拟的一个难点 H a ne ta 1 2 0 0 8 2 2 模拟结果 图3 a 是京津冀地区2 0 0 7 年8 月近地面平均气 温和风场的分布 由于太行山位于京津冀地区以 西 而山地气温较低 因此京津冀以西地区的8 月平 均气温表现为东北一西南走向的低温带 在京津冀 以东 以南的平原地区 月平均温度较高 高温中心 位于河北省东南部 8 月平均近地面风场显示 京 津冀地区为高压控制区 高压中心位于渤海湾北岸 在高压控制下 风从渤海湾吹向大陆 风向在京津地 区为偏东和偏南风 在河北南部石家庄附近 由于遇 到太行山阻挡 风向偏转为东北风 风速同时减弱 图3 b 是京津冀地区8 月平均近地面O 体积浓度的 分布情况 北京和天津是O 的两个低值中心 月 平均体积浓度约3 0 1 0 这主要是因为这两个 大城市人为污染排放源很强 夜间N O 对O 的消耗 很大 造成夜间O 很低 在渤海湾上有一个O 的 高值中心 月平均体积浓度大于5 0 1 0 q 这是由 于周边污染物的输送 0 在城市下风向产生率更 高 而高压中心位于渤海湾上空 不利于O 扩散 在京津冀西部的太行山地区 O 月平均体积浓度也 较高 8 月近地面平均P M 质量浓度分布如图3 c 所示 图中显示 P M 月平均质量浓度表现出明显 的南高北低分布特征 这主要是因为南部地区一次 P M 如黑碳 有机碳 的排放强度和二次气溶胶 如硫酸盐 硝酸盐 铵盐等 都比较大 从河北南 部到京津地区P M 质量浓度呈现递减的趋势 变 化范围为1 2 0 2 4 0I 也g m 3 图3 d e 是8 月1 4 时的月平均近地面气象场 图3 d O 体积浓度 图3 e 和P M 质量浓度 图 3 f 分布 图3 d 显示 8 月1 4 时的平均气温与8 月 全月平均气温分布相似 1 4 时的月平均气温更高 北京和天津部分地区是高温区 最高温度达到3 3 1 4 时的月平均近地面风场显示 在河北南部 风向以从渤海湾吹向大陆的东北风为主导 在渤海 湾北岸 流场表现为反气旋结构 使得北京和天津地 区以东南风为主 图3 e 显示 1 4 时的月平均O 体 积浓度分布呈现河北南部和山东西北部的O 体积 浓度较高 超过8 0 1 0 一 北京 天津和石家庄地 区 O 体积浓度低于周边地区 而在京津的西部和 北部 O 体积浓度较高 可超过8 0 1 0 一 图3 f 给 万方数据 第6 期庞杨 等 利用W R F C h e m 模拟研究京津冀地区夏季大气污染物的分布和演变 6 7 9 4 0 N 越 婚 3 8 0N 卜 r 4 2 州巨 雾霎 h 一 一 3 一 一 N 0 j 二 4 0 N 譬孑 要3 8 N 陡 o J e 吲窿 1 1 2 E1 1 6 0 E1 2 0 E1 1 2 E1 1 6 E1 2 0 E 经度经度经度 l f 一二 二二j 二 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 3 0 3 l3 2 3 392 74 56 38 12 04 06 08 01 0 0 1 2 0 图32 0 0 7 年8 月京津冀地区近地面气温 阴影 和风场 箭矢 m s a d O 体积浓度 b e 1 0 9 P M 质量 浓度 C f m 3 的平均分布 a c 为月平均 d f 为1 4 时的月平均 F i g 3 D i s t r i b u t i o n so f a d n e a l 一s u r f a c ea i rt e m p e r a t u r e s h a d i n g s a n dw i n d a I T O W S m s b e 0 3v o l u m ec o n c e n t r a t i o n 1 0 a n d C f P M 25m a s sc o n c e n t r a t i o n 斗 m 3 i nt h eB e i j i n g T i a n j i n H e b e ir e g i o ni nA u g u s t2 0 0 7 a ca r em o n t h l ym e a n s a n d 卜一fa r em o n t h l ym e a n sa t1 4 0 0B S T 出了1 4 时月平均P M 质量浓度 在区域南部和环 渤海地区 P M 质量浓度比较高 在1 0 0 1 2 0 p g m 3 这主要是经化学反应产生的二次气溶胶的 贡献 图3 d 显示在环渤湾的东北部 东北气流较强 环渤海地区还会受到东北地区P M 输送的影响 图2 a 表明在8 月1 7 1 8 日 北京地区出现了一 次0 污染过程 0 峰值体积浓度接近1 2 0 1 0 9 因为O 体积浓度峰值出现在1 4 时前后 图4 分别给出8 月1 7 日1 4 时的近地面气象场 图 4 a O 体积浓度 图4 b P M 质量浓度分布 图 4 c 和P M 中二次气溶胶的比例 图4 d 由图4 a 可见 1 7 日1 4 时 北京 天津 河北大部分地区的气 温都在3 0 以上 同时 上述地区普遍处于偏东气 流的控制 其中北京和天津是偏东或东南风 风速在 1 2m s 河北南部以东北风为主 风速在2m s 左 右 此时气象条件有利于光化学反应的发生 图4 b 显示 O 体积浓度在研究区域的西部高于东部 此 时在北京地区 O 体积浓度为8 0 x1 0 一一1 1 0 1 0 天津地区O 体积浓度为5 0 1 0 一 9 0 1 0 一 河北大部分地区O 体积浓度在7 0 1 0 9 以 上 在北京和天津的下风向 即北京西北部地区 存 在一个O 高值中心 体积浓度超过1 0 0 1 0 q 这 是北京和天津地区一次污染物输送至下游地区经光 化学反应产生和上游地区产生的O 直接输送共同 作用的结果 由于太行山脉的阻挡O 在此堆积 在北京和天津的北部 渤海西岸部分地区 O 体积 浓度也比较高 为7 0 1 0 一 9 0 1 0 一 模式模拟 的北京城区O 体积浓度为8 0 1 0 一 9 0 1 0 一 而天津市区有O 低值中心5 0 x1 0 一 6 0 1 0 一 这与天津市区受到海风影响 海上O 体积浓度相 对较低有关 1 7E l 1 4 时近地面P M 质量浓度在研究区域 内的分布形势如图4 c 所示 在山东西南部 渤海周 边地区 辽宁西南部等地 P M 质量浓度很高 超过 1 2 0 斗g m 3 在石家庄 P M 2 5 质量浓度约为8 0 1 0 0 l L g m 3 而在北京和天津 P M 质量浓度在6 0 万方数据 6 8 0 大气科学学报第3 6 卷 赵 好 i 口 2 3 2 4 2 52 6 2 7 2 82 93 03 13 23 3 经度 工 二一 工 04 08 01 2 0 1 03 05 07 09 01 1 0 经度 41 62 84 05 26 4 图42 0 0 7 年8 月1 7 日1 4 时京津冀地区近地面气温 阴影 和风场 箭矢 m s a 0 体积浓度 b 1 0 9 P M 质量浓度 c 斗g m 3 以及二次气溶胶占总气溶胶比例 d 的分布 F i g 4 D i s t r i b u t i o n so f a t h en e a r s u r f a c ea i rt e m p e r a t u r e s h a d i n g s C a n dw i n d a l l O W S m s b 0 3v o l u m e c o n c e n t r a t i o n 1 0 9 c P M 2 5m a s sc o n c e n t r a t i o n 斗g m 3 a n d d t h es e c o n d a r yf r a c t i o no fP M 2 5 i n t h eB e i j i n g T i a n j i n H e b c ir e g i o na t1 4 0 0B S To nA u g u s t1 7 2 0 0 7 8 0 斗 m 3 渤海的西岸和北岸高浓度的P M 主要 是局地排放 化学反应产生和输送共同作用的结果 图4 a 显示在这个区域是东风和东北风控制 东北地 区 如沈阳 的一次和二次的气溶胶 以及气溶胶的 前体物被输送到渤海北岸经化学反应产生二次气溶 胶 还有局地排放的一次气溶胶和部分海盐都对这 一地区很高的P M 质量浓度有贡献 模拟结果显 示P M 2 5 中二次气溶胶质量浓度在5 0 一1 0 0 斗g m 3 一次人为气溶胶质量浓度为1 0 2 0 斗g m 3 海盐质 量浓度为1 7 斗g m 3 图略 图4 d 显示在渤海湾 地区二次气溶胶比例为4 0 一6 4 说明二次气溶 胶是该地区P M 中的主要贡献者 3 结论 1 与观测数据进行对比发现 模式较好地再现 了北京 天津 石家庄和沧州等地O 体积浓度的变 化 捕捉到其日变化特征 但与观测值相比 模式低 估了高峰值 相关系数为0 6 9 0 8 6 模式基本反 映了北京 天津P M 值的变化趋势 但总体高估了 其质量浓度水平 相关系数为0 4 4 0 4 8 模式合 万方数据 第6 期庞杨 等 利用W R F C h e m 模拟研究京津冀地区夏季大气污染物的分布和演变6 8 1 理反映了北京站N O 的体积浓度水平和变化趋势 但总体上高估了N O 体积浓度水平 相关系数为 0 2 7 0 4 3 网格分辨率 排放源以及二次气溶胶 机制上的不确定性是是造成模式偏差的主要原因 2 模拟结果显示 京津冀地区气象场 地形和 化学产生都对污染物的分布有影响 8 月平均白天 京津市区和石家庄O 体积浓度低于周边地区 而 在京津的西部和北部 O 体积浓度较高 可超过8 0 x1 0 一 白天在区域南部和环渤海地区 P M 质量 浓度很高 为1 0 0 1 2 0 g m 3 这主要是经化学反 应产生的二次气溶胶的贡献 另外 一次气溶胶排放 和输送也有一定贡献 3 8 月1 7 日1 4 时 气象条件有利于光化学反 应 北京地区O 体积浓度是8 0 x1 0 一一1 1 0 1 0 一 天津地区为5 0 x1 0 一一9 0 1 0 一 此时渤海 西岸和北岸高质量浓度的P M 最大达到1 2 0 g m 3 是局地排放 化学反应和外来输送共同作用 的结果 其中二次气溶胶质量浓度约5 0 1 0 0 斗g m 3 是P M 25 的主要贡献者 4 通过敏感性数值试验 发现北京地区主要为 V O C 控制 减少V O C 排放可以控制该地区臭氧污 染 但对P M 质量浓度影响并不大 而当同时削减 S O N O X V O C 和N H 排放源时 二次气溶胶的质 量浓度会大幅下降 京津冀地区污染程度还受气象 条件 地形地貌和周边输送的影响 该地区大气污染 控制是复杂和困难的 需要今后进一步研究 参考文献 高岑 王体健 吴建军 2 0 1 2 2 0 0 9 年秋季南京地区一次持续性灰霾 天气过程研究 J 气象科学 3 2 6 2 4 6 2 5 2 高俊 郑有飞 陈书涛 2 0 1 2 2 0 0 7 2 0 0 8 年南京江北工业区大气降 水化学特征 J 大气科学学报 3 5 6 6 9 7 7 0 1 韩素芹 冯银厂 边海 等 2 0 0 8 天津大气污染物日变化特征的 W R F C h e m 数值模拟 J 中国环境科学 2 8 9 8 2 8 8 3 2 漏嗣佳 朱彬 廖宏 2 0 1 0 中国地区臭氧前体物对地面臭氧的影响 J 大气科学学报 3 3 4 4 5 1 4 5 9 宋娟 程婷 谢志清 2 0 1 2 江苏省快速城市化进程对雾霾日时空变化 的影响 J 气象科学 3 2 3 2 7 5 2 8 1 王红磊 朱彬 康汉青 2 0 1 1 南京市城市不同功能区P M l o 和P M 2l 质量浓度的季节变化特征 J 气象科学 3 1 增刊 1 6 2 3 向伟玲 安俊岭 王自发 等 2 0 1 0 北京奥运会期间C B M Z 化学机 制的模拟应用 J 气候与环境研究 1 5 5 5 5 1 5 5 9 银燕 崔振雷 张华 等 2 0 0 9 a 2 0 0 6 年中国地区大气气溶胶浓度分 布特征的模拟研究 J 大气科学学报 3 2 5 5 9 5 6 0 3 银燕 童尧青 魏玉香 2 0 0 9 b 南京市大气细颗粒物化学成分分析 J 大气科学学报 3 2 6 7 2 3 7 3 3 张敏 朱彬 王东东 2 0 0 9 南京北郊冬季大气S 0 2 N 0 2 和0 3 的变 化特征 J 大气科学学报 3 2 5 6 9 5 7 0 2 张远航 邵可声 唐孝炎 等 1 9 9 8 中国城市光化学烟雾污染研究 J 北京大学学报 自然科学版 3 4 2 3 3 9 2 4 0 0 朱敏 王体健 卢兆民 2 0 0 8 一次持续空气污染过程的气象条件分析 J 气象科学 2 8 6 6 7 3 6 7 7 A nJ u n l i n g L iY i n g C h e nY o n g e ta 1 2 0 1 3 E n h a n c e m e n t so fm a j o r a r o s o lc o m p o n e n t sd u et oa d d i t i o n a lH O N Os o u r c e si nt h eN o r t h C h i n aP l a i na n di m p l i c a t i o n sf o rv i s i b i l i t ya n dh a z e J A d vA t m o s S c i 3 0 1 5 7 6 6 B i a nH a l H a nS u q i n T i eX n e x i e ta 1 2 0 0 7 E v i d e n c eo fi m p a c to fa e r o s o l so ns u r f a c eo z o n ec o n c e n t r a t i o ni nT i a n j i n C h i n a J A t m o s E n v i r o n 4 1 4 6 7 2 4 6 8 1 E m m o n sL W a l t e r sS H e s sPG e ta 1 2 0 1 0 D e s c r i p t i o na n de v a l u a t i o n o ft h em o d e lf o ro z o n ea n dr e l a t e dc h e m i c a lt r a c e r s v e r s i o n4 M O Z A R T 4 J G e o s c iM 0 dD e v 3 4 3 6 7 G e n gF u h a i T i eX u e x i X uJ i a n m i n e ta 1 2 0 0 8 C h a r a c t e r i z a t i o n so fo z o n e N O x a n dV O C sm e a s u r e di nS h a n g h a i C h i n a J A t m o s E n v i r o n 4 2 6