蔡子颖,主要从事大气物理与大气环境方面的研究.Email:
在对比云高仪反演数据和中尺度模式不同边界层方案模拟数据的基础上,构建天津地区混合层厚度数据集,并收集2009—2015年天津地区PM2.5质量浓度和能见度资料,开展天津地区重污染天气混合层厚度阈值和相关规律研究。结果表明:2000—2015年期间天津地区混合层厚度呈现波动性逐年增加趋势,与255 m气象塔观测近年天津地区逆温层底升高以及夜间边界层高度增加有较强的一致性。统计显示PM2.5日均质量浓度和混合层厚度呈现指数关系,混合层厚度越低PM2.5质量浓度越高,其阈值天津地区可以以200、400、600和800 m作为界限判断大气污染垂直扩散能力,当日均混合层厚度 < 200 m时,天津地区重污染天气出现概率52%,中度以上霾出现概率46%,需要特别关注。PM2.5日均质量浓度和混合层厚度的负相关并不适用于所有过程,对于输送型过程由于大气污染的输送一般由高空影响地面,在污染的起始阶段,混合层厚度的增加,反而有利于上层大气污染物向下的传输,使得近地面PM2.5质量浓度升高,在运用混合层厚度阈值指标时需要特别考虑。
Based on ceilometers inversion data and simulation data, the dataset of mixed layer thickness in Tianjin were constructed, the data of PM2.5 mass concentration and visibility in Tianjin during 2009-2015 were collected, and the threshold and regularity of mixed layer thickness in heavy pollution weather in Tianjin were researched in this paper. The results show that the thickness of mixed layer kept increasing during 2000-2015, having a strong consistency with the increase of nocturnal boundary layer height and the increase of inversion base observed by meteorological tower. Statistics show that PM2.5 mass concentration has exponential relationship with the thickness of mixed layer. The lower the mixed layer thickness, the higher the PM2.5 mass concentration. The thresholds of mixed layer thickness can be 200 m, 400 m, 600 m and 800 m, which can be used as limits to determine the vertical diffusion of atmospheric pollution. When the thickness of mixed layer is less than 200 m, probability of heavy pollution weather is 52%, and probability of moderate haze is 46%. The negative correlation between PM2.5 average mass concentration and mixed layer thickness is not applicable to all pollution processes. For the transport of air pollution, the impact is from high altitude to ground surface. In the initial stage of pollution, the increase of mixed layer thickness is beneficial to pollutant transmission, causing the near-surface PM2.5 mass concentration to increase, which need to be considered carefully when the threshold of mixed layer thickness is used.
近年来,空气污染日益严重,霾和沙尘天气频繁出现,已严重影响到人民群众的健康,受到各级政府和气象部门的高度关注,党中央、国务院及地方政府把改善空气质量和控制空气污染作为重要任务。国务院于2013年9月10日公布了《大气污染防治行动计划》,力争逐步消除重污染天气,全国空气质量明显改善。经过3年努力,全国城市空气质量总体改善,PM2.5、PM10、NO2、SO2和CO年均浓度和超标率逐年下降,大多数城市重污染天数减少。但大气环境面临形势依旧严峻,冬季重污染问题突出,尤其京津冀及周边地区是全国重污染天气高发的地区,占全国重污染总天数44.1%。为减轻重污染天气影响,确保重污染天气应急高效有序进行,消减污染峰值,降低污染频次,保障公众健康,国务院和各地方政府积极推动重污染天气预警工作开展。中国气象局要求到2020年实现重污染天气和霾预警时效提前至48 h,天津市政府要求市环保局和气象局联合组织开展本市重污染天气监测预警和会商工作。提供本市空气污染物的监测预警及动态趋势分析,提供空气污染气象条件等级预报,大雾、霾和沙尘暴天气监测预警。基于上述的现实需求,重污染天气预报预警成为气象部门重要业务之一。重污染天气的预报技术大致可以分为四类:一是潜势预报技术,如建立PLAM(parameter linking air-quality to meteorological conditions)指数(
上述无论哪种重污染预报技术的发展,都离不开对边界层指标的把握,边界层是贴近地球表面、受地面摩擦阻力影响的大气区域,是地气相互作用和大气污染主要发生地,湍流垂直交换是其最显著的特征。作为大气污染主要发生的气层,边界层对大气污染的扩散、积累和反应影响显著。边界层内湍流的强弱(
本文通过构建云高仪的反演算法,获取相对准确的混合层厚度监测数据,以此为基础对WRF/Chem四种边界层方案进行分析比对,选取最优结果构建天津地区混合层厚度的数据集。收集2009—2015年7年天津地区PM2.5质量浓度资料,在大数据样本的基础上,统计分析天津地区污染天气分析中混合层厚度的阈值指标,并结合具体过程探寻构建指标的适用性及需要特别考虑的污染过程,研究结果与天津边界层物理量预报系统结合,为天津市气象局重污染天气预报预警业务提供支撑。
本文使用资料包括三部分:(1)云高仪监测数据:2015年1月14日至2月3日天津边界层观测站(39.04°N、117.12°E)CL31云高仪监测数据,其中云高仪直接监测数据为大气后向散射系数,混合层厚度为根据大气后向散射系数廓线反演产品,具体方法见2.1节;(2)数值模式模拟输出混合层厚度:模型以WRF/Chem3.5版本为核心,气相化学过程采用CBMZ机制(
混合层厚度是指对流边界层的高度,与上层自由大气相比具有较高的湿度和丰富的气溶胶,因此边界层顶处激光信号回波强度往往表现出明显的突变,由此通过查找这个返回信号衰减最快的高度,就可以识别出混合层厚度,并通过连续探测来反演混合层发展的时空变化。选用中国气象局天津大气边界层观测站维萨拉云高仪CL31,并基于梯度法反演混合层厚度(
基于CL31云高仪反演的混合层厚度(单位:m)
The mixed layer thickness retrieved by CL31 ceilometers (unit: m)
式中,云高仪输出的信号
为提高数据的信噪比,需要进行时间和空间平均:时间平滑以8 min为平滑移动窗口,取16 min的数据进行平均空间(高度方向)采用5点滑动平均。
基于CL31云高仪数据反演天津城区2015年1月14日至2月3日的混合层厚度,并采用中尺度模式的四种边界层方案模拟同期相关数据,确定构建天津地区混合层厚度数据集的模拟参数。考虑CL31云高仪夜间混合层厚度反演误差较大(低空存有盲区,观测数据易受到干扰),选取白天混层厚度(每日09—15时)作为研究对象。由
2015年1月14日至2月2日天津城区CL31云高仪反演的混合层厚度和四种边界层方案模拟的混合层厚度趋势变化
The mixed layer thickness retrieved by CL31 ceilometers and the variation of thicknesses simulated by four boundary layer schemes from 14 January to 2 February 2015
不同边界层方案模拟混合层厚度与CL31云高仪反演数据比较
Comparison of different boundary layer simulation and the CL31 ceilometer retrieved thickness of mixed layer
相关系数 | 相对误差/% | |
MYJ | 0.70 | 35.81 |
YSU | 0.79 | 29.26 |
BouLac | 0.73 | 30.38 |
MYNN3 | 0.72 | 33.51 |
为进一步确定构建天津地区混合层厚度数据集的模式边界层参数方案,基于WRF/Chem模型模拟四种边界层方案条件下2015年全年(1月1日至12月31日)数据。
四种边界层方案下天津地区混合层厚度和PM2.5质量浓度关系
Relationships between the mixed layer thickness and the PM2.5 mass concentration in Tianjin under four boundary layer schemes
2015年全年天津地区在不同边界层方案下的混合层厚度逐时分布
Diurnal variation of the mixed layer thickness under different boundary layer schemes in Tianjin in 2015
综合而言,YSU方案模拟混合层厚度与云高仪反演数据的相关性最高,相对误差最小,其模拟混合层厚度与近地面PM2.5质量浓度相关系数仅次于BouLac方案,与MYJ方案持平,但BouLac方案夜间混合层厚度与其他方案相比明显偏低,MYJ方案作为局地闭合的边界层方案,在09—10时模拟的混合层厚度有时显著地偏低于云高仪反演数值,基于上述原因确定基于YSU边界层方案进行模拟,建立天津地区混合层厚度数据集,并开展天津地区重污染天气混合层厚度阈值和相关规律的研究。
基于中尺度大气化学模式WRF/Chem,并采用YSU边界层方案模拟构建天津地区2000—2015年混合层厚度数据集。由
2000—2015年天津地区混合层厚度逐年(a)和逐月变化趋势(b)
Annual variation (a) and monthly variation (b) of the mixed layer thickness in Tianjin during 2000-2015
1996—2012年天津255 m气象塔监测冬季(11月至次年2月)夜间逆温层底高度(a)和边界层高度(b)变化趋势
Diurnal variations of the height of inversion temperature base (a) and the thickness of boundary layer (b) in Tianjin in winters from 1996 to 2012
天津地区混合层厚度与PM2.5质量浓度(a),重污染天气发生概率(b),中度以上污染发生概率(c)和中度以上霾发生概率(d)之间的关系
Relationships between the mixed layer thickness and the PM2.5 mass concentration (a), probability of heavy pollution (b), probability of moderate pollution (c) and probability of moderate haze (d) in Tianjin
天津地区混合层厚度分布与近地面PM2.5质量浓度的关系
Relationship between thickness of mixed layer and the near-surface PM2.5 mass concentration
混合层厚度/m | < 200 | [200,400) | [400,600) | [600,800) | ≥800 | 均值(500) |
描述 | 不利于污染物扩散 | 较不利于污染扩散 | 扩散条件一般 | 较有利于污染物扩散 | 非常有利于污染扩散 | |
PM2.5质量浓度/μg·m-3 | 173 | 98 | 73 | 60 | 48 | 84 |
上述研究的基于WRF/Chem3.5构建天津边界层物理量预报系统,每日短期提供0~96 h逐小时预报,中长期提供0~10 d逐日的物理量预报产品,混合层厚度是其重要产品之一。其运用基本可遵循混合层厚度与近地面PM2.5质量浓度呈现指数变化关系,随着混合层厚度的减小近地面PM2.5质量浓度呈现增加趋势的规律,并以200、400、600和800 m作为阈值划线,判断混合层厚度反映的垂直扩散条件是否有利于近地面细颗粒物的稀释和扩散。该规律可以普遍适用于天津主要的细颗粒污染物过程,但对于输送型污染则反之。
华北平原每年的10月至11月初以及2—3月易形成持续入海高压后部的连续污染天气,此时尚未进入深冬季节,气象扩散条件在平原地区转向不利于污染物扩散(即扩散较慢),但太行山前背风坡区域风速明显小于平原,夜间逆温频繁出现于平原地区,往往在重污染天气初始阶段,先于平原地区出现重度甚至严重污染天气。在重污染天气的开始阶段,西南气流使得大气污染气团有自南向北输送的特征。由于大气污染的输送一般由高空影响地面,所以当夜间边界层未打开时,高空易形成高污染区(
2016年10月13日255 m气象塔监测的200 m和地面PM2.5质量浓度变化
Changes of surface PM2.5 mass concentration and 200 m height at 255 m Tianjin Tower Tianjin on 13 October 2016
2014年10月6—11日天津城区混合层厚度与近地面PM2.5质量浓度演变趋势
Changing trends of mixed layer thickness and near-surface PM2.5 mass concentration in Tianjin during 6-11 October 2014
(1) 2000—2015年天津地区平均混合层厚度为476 m,呈现波动性逐年增加趋势,2010—2015年相比2000—2005年平均增加33 m,与255 m气象塔观测的近年天津地区逆温层底升高和夜间边界层高度增加有较强的一致性。统计数据表明PM2.5日均质量浓度和混合层日均厚度呈现指数关系,混合层厚度越低PM2.5质量浓度越高,在天津地区污染天气分析时,可以以混合层厚度200、400、600和800 m作为阈值判断大气污染垂直扩散能力,当日均混合层厚度 < 200 m时,天津地区重污染天气出现概率52%,中度以上霾出现概率46%。
(2) 输送型污染相比一般积累型的大气污染过程,在混合层厚度阈值运用时需要特别考虑,由于大气污染的输送一般由高空影响地面,所以当夜间边界层未打开时,高空易形成高污染区,近地面空气质量却相对清洁,类似高架源在稳定层结中的扩散。直到白天边界层不断发展,上下层充分混合,近地面PM2.5质量浓度持续升高,类似高架源在不稳定层结中的扩散。此类过程中近地面PM2.5质量浓度与混合层厚度呈现正相关,直到上下游大气污染浓度差基本消除,近地面PM2.5质量浓度与混合层厚度恢复负相关。
(3) 从云高仪反演的混合层厚度分析,基于数值模式和YSU方案构建的混合层厚度数据趋势合理,数值接近,可以为预报员在污染天气分析预报中提供参考。
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