北京2013年1月一次空气重污染过程分析

1、解析评价 北京市 2013年 1 月一次空气重污染过程分析 程念亮 1, 高尚银 2, 李云婷 1, 程兵芬 3, 苑魁魁 2 (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 摘 要 :采用数值模式与观测资料相结合的方式 , 对北京市 2013年 1月 9 15日一 次空气重污染过程的大气环境背景 、 气 象条件和形成原因进行了初步分析 。 结果表明 , 此次重污染过程北京市空气质量从 9日的二级跳至 10日五级重度污染 , 11日 13日空气质量维持连续 3d 严重污染 ,

2、 14日降为重度污染 , 15 日转为轻度污染 ; 重污染过程期间 10 14日 (PM 25 平均值为 323g /m3,平 均风速为 147m /s, 平均相对湿度为 736%, 24h 变温基本为 272 268? , 24h 平均变压为 365 263hPa 。指出 , 此次重污染过程与当地气象条件密切相关 , 稳定的大气环 流形势为污染的持续提供了大气 环流背景 , 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 , 地面风场辐合及边界层下沉运动是造成 重污染的重要原因 。 关键词 :重污染 ; 可入肺颗粒物 ; 天气预报模式 ; 逆温 ; 北京市 中图分

3、类 号 :X511 文献标识码 :B 文章编号 :16746732(2014 05003605 Analysis about the Characteristics and Formation Mechanism of a Serious Pollution Event in January 2013in Beijing CHENG Nian-liang 1, GAO Shang-ying 2, LI Yun-ting 1, CHENG Bing-fen 3, YUAN Kui-kui 2 (1Bejing Municipal Environmental Monitoring , Beijin

4、g 100048, China ; 2Tsinghua Holdings Human Settle-ments Environment Institute , Beijing 100083, China ; 3Shanxi Academy for Environmental Planning , Taiyuan , Shanxi 030002, China Abstract :In this paper , the meteorology of a typical air pollution episode in Beijing City was investigated by combini

5、ng observed data and the W Fmeteorology model from January 9th to 15th , 2013The weather conditions , atmospheric environmental back-ground and mechanism of formation about this heavy air pollution were all analyzed The results showed that during this serious air pollution incident , the air quality

6、 index in Beijing jumped to the level five from 9th to 10th , maintained level six from 11th to 13th , reduced to level five in 14th and ended in 15th with level three The average concentration of PM25was 323 g /m3from January 10th to 14th ; the ground meteorological elements characterized mainly as

7、 average wind (1 47m /s , average humidity (73 6% , 24h average temperature transformer ( 272 268? and 24h average pressure transformer ( 3 65 263hPa The situation was closely related to the local meteorological conditions ; the stable atmospheric circulation continuously provided favorable environ-

8、mental field for this heavy air pollution Small wind speed , high humidity , low PBL , lasting inversion layer were the main reasons for this heavy air pollution incident and ground wind convergence , sinking motion in the boundary layer were the important causes of this heavy air pollution incident

9、 Key words :Serious pollution ; WF; Inversion ; Beijing 收稿日期 :20140509; 修订日期 :20140709 作者简介 :程念亮 (1987 , 男 , 工程师 , 硕士 , 主要从事大气 环境模拟研究 。 2013年 1月份我国中东部 、西南 10省区市约 100万 km 2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 12 。 1月 份北京发生 4 次连续重污染过程 (AQI 200连续 2d 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

10、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 63 第 6卷 第 5期 2014年 10月 环境监控与预警 Environmental Monitoring and Forewarning Vol 6, No5October 2014 代中 尺 度 数 值 模 式 , W F(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 WF气象模式数值模拟相结合 的方

11、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 (PM 25 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 。 WF模式初始及边界资料为 NCA和 NCEP 的再分析逐日资料 FNL , 分辨 率为 1? 1? , 时间分 辨率是 6h (00:00、 06:00、 12:00、 18:00 ; 地形和 下垫面输入 资料分别来自 USGS 30s 全球地形和 MODIS 下垫面分类资料 。 2WF模

12、式简介及设置 WF模 式 12是 由美 国美 国大气研 究中 心 (NCA 、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 。 W F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 AWWF32模拟气象场 , 水平

13、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 15km ; 设 置双层嵌套 , 水平分辨率分别为 36及 12km , 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 :1000, 0995, 0990, 0 983, 0970, 0 954, 0934, 0909, 0880, 0845, 0

14、807, 0765, 0719, 0672, 0622, 0571, 0520, 0468, 0420, 0376, 0335, 0298, 0263, 0231, 0202, 0175, 0150, 0127, 0106, 0088, 0070, 0055, 0040, 0020, 0; 最下面 8层分别约为 0, 75, 150, 255, 450, 690, 990和 1365m , 代表边界层的特征 。 WF数值模式模拟所选用的参 数化方案见表 1。 表 1WF 模式所选用的参数化方案 项目 区域 1区域 2 网格数 210? 200130? 112 水平分辨率 /km 3612 积分

15、时间步长 /s 360120 微物理过程方案 WSM3WSM3 长波辐射方案 TM TM 短波辐射方案 Dudhia Dudhia 边界层方案 MYJ MYJ 陆面过程方案 UC UC 表面层方案 Monin Obukhov Monin Obukhov 积云参数化方案 Grell 方案 Grell 方案 3结果与分析 31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 日期 01 0901 1001 1101 1201 1301 1401 15 AQI 8

16、0267376473419287133 日均值 (PM 25 /( g 3m 5 9216325459378237101地面 大气压场 高压 均压转低压 低压转均压 高压底部 均压 高压底转低压 低压转高压前 500hPa 高度场 槽后 浅槽 偏西气流 浅槽 偏西北气流 浅槽 偏西北气流 地(面平均 /(m s 1 202139164146144141186 平均相对湿度 /%35686982737673 24h 降雨量 /mm00000001 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 3d 严重 污染 , 14日降为重度污染 , 15日

17、转为轻度污染 , 至此重污染过程 结束 。 此次重污染过程 (PM 25 为 73 323g /m3, 11 13日空气污染最为严重 , 12日(PM 25 达到了 459g /m。3 这 3d 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 500hPa 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 ,

18、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 。 32 气象要素与污染物浓度变化分析 10 15日北京市 (PM 25 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(PM 25 在 150g /m3 以上 , 12日夜间至 13日凌晨最高 , 最高值约 600g /m3; (PM 25 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

19、期间平均风速为 147m /s, 相对湿度较大 , 平均为 736%; 地面大 气压变化较为平稳 , 平均为 10215hPa , 24h平 均 变压为 365 263hPa , 平均为 071hPa ; 地面 温度平均温度为 488? , 24h 变温基本为 272 268? , 平均为 015? 。 期间以偏南风和偏东风为主 , 2者风频之和约 占80%, (PM 25 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

20、物呈现正相关关 系 , 相对湿度与 (PM 25 正相关系数最大 , 为 04; 地面气 压与 (PM 25 负相关系数最小 , 为 055, 负变压导致周边污染物的汇聚 ; 温度 与 (PM 25 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 ; 24h 变温 平均为 015? , 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 210 1

21、4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 28? /100m , 其他 4d 20:00均为高空逆温 , 平均 逆温强 度 089? /100m ; 1000m 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 800m , 结合 图 1, 该时间 段正 好对 应的 (PM 25 。 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

22、高度多在 800m 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 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 。 83 34 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 WF模式模拟 的北京市 11

23、 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 311 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 300m 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 ,

24、 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

25、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 。 35 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 93 图 413 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 , 900hPa 以上高度的风向为弱偏西北 风转弱偏南风 , 在 950 900hPa 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

26、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 1720 , 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 500g /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 3d 严重污染 , 14日降为重度污染 , 15日转为 轻度污染 。 10 14日 PM 25平均值为 323 g /m3 , 平均风速为 147m /s, 平均相对湿度为

27、736%; 24h 变温基本为 272 268? , 24h 平均变压为 365 263hPa ; (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 。 参考文献 1王从梅 , 杨永胜 , 李永占 , 等 2013年 1月河北省中南部严重 污染的气象条件及成因分析 J 环境科学研究 , 2013, 26(7 :695 700 2马小会 , 甘璐 , 张爱英 , 等北京 2013年 1

28、月持续雾霾天气成 因分析 J 环境保护前沿 , 2013(3 :29333王自发 , 庞成明 , 朱江 , 等 大气环境数 值模拟研究新进展 J 大气科学 , 2008, 32(4 :987995 4房小怡 , 蒋维楣 , 吴涧 , 等 , 城市空气质量数值预报模式系统 及其应用 J 环境科学学报 , 2004, 24(1 :1111155杨兴华 , 何清 , 刘涛 , 等乌鲁 木齐市冬季混合层厚度及对大 气污染影响的个例分析 J 沙漠与绿洲气象 , 2010, 4(4 :1821 6马锋敏 , 高庆先 , 周锁铨 , 等北京及周边地区一次典型大气污染 过程的模拟分析 J 环境科学研究 , 2008, 21(1 :30 367王艳 , 柴发合 , 刘厚凤 , 等长江 三角洲地区大气污染物水平 输送场特征分析 J 环境科学研究 , 2008, 21(1 :22298MMMD , NCA 2010Weather research and forecast AWver-sion 3modeling systems user s Guide EB /OL http :