京津冀地区秋季一次大气污染过程的模拟研究
1 引言
最近，中国政府提出了京津冀一体化的概念和构想，希望通过加强环渤海及京津冀地区经济协作，使京津冀地区成为继长江三角洲和珠江三角洲之后的另一个中国经济快速发展的推动引擎。京津冀地区位于我国华北平原，面积约为 216,000 平方公里，有超过 1 亿的常住人口。要实现京津冀一体化，不仅要实现京津冀地区经济和产业的一体化，更要建立健全京津冀联防联控协作机制，着力改善京津冀空气质量。近 30 年来，京津冀地区工业化和城市化发展迅速，随之而来的环境问题也日趋严重；大气污染已经成为京津冀地区亟待解决的一个重大问题，频繁出现且长时间持续的大气污染过程会对城市居民的身体健康造成重大的威胁。因此，对京津冀地区的大气污染的一些个例进行研究和分析，尝试找出这些污染过程的形成原因，对于科学治理该地区的大气污染具有重要的意义。
整个京津冀地区东临渤海湾，北面和西面背靠燕山山脉和太行山脉；复杂的地形和下垫面情况使得京津冀地区的低层受到了海陆风、山谷风和城市热岛环流的共同影响；这些局地大气边界层环流能对京津冀地区的大气边界层结构和大气环境都产生了很大的影响。然而，目前绝大多数的关于京津冀大气污染的研究都是在关注大气中的污染化学过程，很少有学者关注局地大气边界层环流与大气污染之间的相互关系。
2011 年 9 月 20 日至 27 日，在北京出现了一次重污染天气过程；大气污染物 PM2.5、NO、 NO2、 SO2、 O3和 CO 的浓度均超过了国家规定的重污染的标准。在整个污染过程中，京津冀地区都是在弱天气系统的控制下，这种弱天气背景条件很有利于局地大气边界层环流的出现和发展。本研究中，我们将利用先进的大气数值模式探究局地大气边界层环流（海陆风环流、山谷风环流和城市热岛环流）和大气边界层结构对此次大气污染过程的影响。本文将在第 2 部分对数值模拟试验的设计进行介绍，第 3 部分将会对模拟得到的结果进行讨论和分析。最后，会在第 4 部分对全文进行总结。
2 数值模拟试验设计
在本研究中，我们首先使用北京市地面观测站的观测资料对 WRF（Weather Research andForecasting model）模式的模拟结果进行检验；然后，利用大气扩散模对京津冀地区的大气污染扩散过程的模拟，以揭示该地区大气污染物的输送和扩散路径。
2.1 WRF 模式
本文所使用的是 WRF 模式的 3.5.1 版本，并设计了三层双向嵌套的计算网格来模拟京津冀地区的大气边界层环流（如图 1 和表 1 所示），三层网格的水平分辨率分别为 27 km、9km 和 3 km。在垂直方向上，从地面到 50-hPa 的高空共设置了 55 层，最底下一层距离地面的高度约为 10 m。表 1 给出了 WRF 模拟所采用的物理过程参数化方案。另外，为了更真实地模拟出城市下垫面的对局地大气边界层环流的影响，在本次研究中，我们利用了欧洲航天局发布的最新的GlobCover 2009地表利用类型数据更新了WRF模式中原有的城市地表利用类型的分布。
2.2 FLEXPART 模式
本文所使用的大气扩散模式为 FLEXPART（The FLEXible-PARTicle dispersion model）模式，是一个拉格朗日大气扩散模型（Lagrangian Particle Dispersion Model, LPDM）。FLEXPART 模式在垂直方向上，使用的是追随地形的笛卡尔垂直坐标系；该模式不仅可以利用全球的气象资料进行驱动计算，还可以利用一些中尺度大气模式（如 WRF 和 MM5）的模拟结果进行驱动。更多有关 FLEXPART 模式的详细信息，可以通过访问以下网站来获得：
为了了解 2011 年 9 月 23 日至 27 日大气污染过程中，京津冀地区局地大气边界层环流对污染物扩散过程的影响，我们利用 WRF 模拟得到的高分辨率三维大气场（3 km 水平分辨率）设计了一个 48 小时的数值扩散试验从 9 月 23 日 00 时开始模拟，积分至 9 月 25日 00 时。FLEXPART 模拟的水平网格与 WRF 最内层的网格完全相同，在垂直方向上设置了 38 层，分别为 5、15、25、35、50、70、90、125、175、225、275、325、375、425、475、525、575、625、675、725、775、900、1100、1350、1750、2250、2750、3250、3750、4250、4750、5250、5750、6500、7500、9000、12500 和 17500 m。如图 2a 所示，我们在京津冀地区的主要城市区域设置了一系列持续排放的污染源（面源），排放源强为 2.2 10-6g m-2h-1。另外，本研究主要关注的是此次污染天气过程中的物理环流输送过程，因此在模拟中设置的污染物为一种与干空气密度相同的示踪剂（Air Tracer），不会参与大气中的化学反应过程。
3 模拟结果分析与讨论
3.1 WRF 模拟结果的验证
分别给出了模拟和观测得到的不同站点的 2 m 温度、10 m 风速和 10 m 风速的时间序列图。通过对比 2 m 温度的观测值和模拟值，可以发现 WRF 模式可以很好地模拟出地表温度的日变化过程，只有海淀和丰台站点在夜间的模拟值略高于模拟值（图 3b 和图 3f）。
在整个模拟研究时段内，由于京津冀地区处于弱天气系统的控制下，近地面的风速都比较小，绝大多数时刻的 10 m 风速都小于 4 m s-1。比较模拟值和观测值，可以发现风速的模拟值在海淀和丰台站会略高于实测值，除此之外，WRF 模式可以很好地模拟出风速的整体变化趋势。
通过 10 m 风向的时间序列图，可以发现北京地区存在明显的山谷风环流。在清晨，在山区还没有被太阳辐射加热之前，北京地区是由山风（由山顶吹向平原）控制着；随后，随着山区被太阳辐射加热，北京地区逐渐被谷风（由平原向山顶吹）控制；夜间，由于地表的辐射冷却作用，北京地区的谷风环流逐渐减弱并转变为山风环流。北京地区山谷风环流的演变过程不仅可以从气象站的观测中发现，也可以很好地被 WRF 模式模拟出来。
3.2 局地大气边界层环流的影响
如上文所述，在本文研究的大气污染天气过程中，京津冀地区都是处在弱天气系统的控制下，很有利于局地大气边界层环流的发展。 给出了 10 m 高度上的水平风矢量场的分布图，可以很清楚地看到山谷风环流的演变过程。日出前（图 8a 和 8d），山区是处在山风的
控制下；日出后，由于太阳辐射的加热作用，山风环流逐渐减弱，并被谷风环流所替代；日落后，由于地表的辐射冷却作用，谷风又一次会被山风所替代。
除了山谷风环流以外，海陆风环流有可以在渤海湾附近出现。对比 9 月 23 日与 24 日的水平风矢量场，可以发现海风环流向内陆推进的过程和强度对于天气系统很敏感。如图 7a所示，在 23 日的 05 时，京津冀地区是处在两个海平面的高压系统的控制下一个高压系统处于北京的东面，另一个高压系统处于北京的西南面；在这两个高压系统的影响下，渤海湾的陆风环流（由陆地吹向海面）受到了抑制。相反的，在白天，这种天气系统的配置，又会加强海风向内陆的推进（图 8b 和 8c）；在 23 日的傍晚时分，海风锋（海风在内陆的最前沿，在大气的低层会表现为水平辐合带和垂直上升带）已推进到了北京的城区。
为了更好地了解局地大气边界层环流对地表大气污染物扩散过程的影响，图 10 和图 11给出了不同时刻从海面至山区（图 1c）的垂直截面上的风矢量和污染物浓度的分布图。在 9月 24 日 16 时，陆地上的大气边界层高度都超过了 1 km，在垂直截面图（图 10a）上可以看到一个逆时针谷风环流；谷风从平原向山上吹，在山区可以被抬升到 2-3 km 的高度，同时山区高空会出现一支谷风的补偿气流。补偿气流在高空从山区往平原吹，会在北京的郊区下沉，并补偿到低空的谷风中。
如上文所述，夜间陆地上的大气边界层高度会迅速下降至几百米（图 10b），大气的垂直输送作用减弱，会使大量的污染物被控制在浅薄的夜间大气边界层内（图 11b）。此时，在山区上空，可以看到两层高空污染层；这两层高空污染层是由白天的谷风环流沿山体向上输送而形成的。当污染物被抬升至 2-2.5 km 高度时，高空的水平气流，可以将污染物向下游地区输送，进而减轻局地的大气污染；而当污染物在山区仅仅能被抬升到 1 km 左右的高度时，这时形成的高空污染层有可能只是作为污染物一个临时储库，可能会被谷风环流的高空补偿气流带回地面，也有可能会被晚些时候山风环流带回地面。由此可知，山谷风环流发展的高度和强度会在很大程度上决定地表大气污染的严重程度。
4 总结
为了了解京津冀地区的局地大气边界层环流对区域大气污染过程的影响，本文利用WRF 模式和 FLEXPART 模式模拟研究了京津冀地区 2011 年 9 月 23 日至 25 日的一次大气污染过程。首先，通过利用北京市的气象观测数据验证了 WRF 模式和本文所设计的数值试验在京津冀地区的大气边界层环流模拟研究中的适用性。随后，利用高分辨率的 WRF 模拟结果驱动 FLEXPART 大气扩散模式进行了大气污染过程的模拟，研究发现：
（1）渤海湾附近的海陆风环流的强度对于天气系统很敏感;因此，即使关注的是弱天气背景下的大气污染过程，依然不能忽略天气背景强迫的作用。
（2）大气边界层高度决定了污染物在垂直方向上的输送和扩散。在水平方向上，污染物的空间分布则直接由近地层的水平风场决定；而近地层的水平风场主要是由局地的热力作用（局地大气边界层环流）和大气尺度的天气背景的强迫（大尺度的天气系统）共同决定的。
（3）海风锋对大气边界层高度的抬高作用有利于局地的大气污染物的垂直输送，会在一定程度上减轻地表处的大气污染（图 11a）。海风的推进过程不仅会加强海风锋附近的污染物
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