朱 蓉,張存杰,梅 梅

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大氣自凈能力指數(shù)的氣候特征與應用研究

朱 蓉*,張存杰,梅 梅

(國家氣候中心,北京 100081)

為了定量地評估污染氣象條件對空氣污染的作用并實現(xiàn)對空氣污染潛勢的預報,本文在城市大氣污染數(shù)值預報系統(tǒng)(CAPPS)預報原理的基礎(chǔ)上,定義了大氣自凈能力指數(shù),并分別給出了采用氣象站觀測資料和通過數(shù)值模擬計算大氣自凈能力指數(shù)的方法.基于氣象站觀測資料的全國大氣自凈能力指數(shù)分析計算表明,全國大氣自凈能力最差的地區(qū)分布在四川盆地和新疆塔里木盆地,大氣自凈能力最強的地區(qū)分布在青藏高原、蒙古高原、云貴高原、以及東北平原和三江平原、山東半島和海南島;1961~2017年,京津冀、長三角和珠三角地區(qū)的大氣自凈能力指數(shù)呈下降的變化趨勢,全年低自凈能力日數(shù)呈上升的變化趨勢.采用大氣自凈能力指數(shù)評估2014年北京APEC會議期間大氣污染防控效果,表明在11月8~10日極端不利擴散氣象條件發(fā)生時,減排措施使北京市空氣質(zhì)量AQI平均降低77%,使京津冀平原地區(qū)11個城市的空氣質(zhì)量AQI平均降低37%.基于國家氣候中心月動力延伸氣候預測模式(DERF2.0)的預報產(chǎn)品和中尺度模式(WRF),建立了可以預測全國未來40d逐日大氣自凈能力指數(shù)的延伸期-月尺度大氣污染潛勢預測系統(tǒng),回報實驗表明,在大多數(shù)情況下可以提前15d預報出大氣重污染過程;月尺度的大氣重污染過程預報效果更大程度上取決于月動力延伸氣候預測模式(DERF2.0)的預報準確率.

污染氣象條件；大氣自凈能力指數(shù)；大氣污染防控效果評估；延伸期-月尺度大氣污染潛勢預測

除了大氣污染排放以外,不利氣象條件是導致大氣重污染的重要原因.當大氣污染排放量大到一定程度,空氣質(zhì)量就對氣象條件非常敏感,一旦出現(xiàn)不利擴散的靜穩(wěn)天氣條件,就很容易發(fā)生大氣重污染.在評估大氣污染防控措施的實施效果時,需要去除氣象條件對大氣污染物清除的貢獻.因此,需要對污染氣象條件給出具有物理意義的、量化的表達,以便定量評估氣象條件對大氣污染的清除作用,同時也便于開展污染氣象條件的數(shù)值預報.

自20世紀60年代開始,氣象條件對空氣污染作用的問題就一直備受關(guān)注,比較常見的研究方法有3種.第一種方法,直接采用污染監(jiān)測濃度和氣象觀測資料進行統(tǒng)計分析.很多的分析結(jié)果均表明[1-5],引起污染濃度日均值波動因素的70%是氣象條件變化;污染物濃度與風速、混合層高度和降水呈負相關(guān),O3濃度與溫度呈正相關(guān);氣象條件對氣態(tài)污染物的作用比顆粒物要大、對PM2.5的作用比對PM10要大.第二種方法,通過分析空氣污染過程對應的天氣形勢,歸納總結(jié)出容易導致空氣污染的局地天氣類型.例如:John等[6]研究了澳大利亞墨爾本地區(qū)的大氣環(huán)流類型與大氣污染的關(guān)系;Chen等[7]采用1873~ 1995年的海平面氣壓月均值資料,根據(jù)蘭姆天氣型分類法獲得了瑞典27個大氣環(huán)流型,隨后針對北歐地區(qū)空氣質(zhì)量的研究[8-10]表明,蘭姆天氣型與大氣顆粒物濃度和NO濃度有較好的對應關(guān)系;楊旭[11]利用T-mode主成分分析法建立了京津冀地區(qū)冬季9種污染天氣類型.第三種方法,建立綜合表達空氣污染氣象條件的量化指標,用于評估污染氣象條件的長、中、短期變化和對污染潛勢進行預測.徐大海等[12-14]基于箱模式理論提出了表征大氣污染擴散能力的大氣通風量和大氣環(huán)境容量的分析計算方法;國外也有類似的研究[15-17],將混合層高度內(nèi)風速乘以高度的積分定義為通風系數(shù),以此研究污染氣象條件的氣候分布特征;吳兌等[18]建立了矢量和方法,有效分析了珠江三角洲地區(qū)典型霾天氣和清潔對照過程形成的區(qū)域輸送條件;廖碧婷等[19]利用Micaps3.0系統(tǒng)的K指數(shù)、沙氏指數(shù)和L指數(shù)得出垂直交換系數(shù),對空氣污染物的垂直輸送能力進行評估,并嘗試了對灰霾天氣和無視程障礙天氣進行預報;Wang等[20]根據(jù)北京觀象臺2000~2007年7~9月的地面氣象觀測和PM10監(jiān)測資料,構(gòu)建了與空氣質(zhì)量相關(guān)的氣象因子PLAM指數(shù);張恒德[21]結(jié)合歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計和預報經(jīng)驗,挑選發(fā)生大氣污染時的氣象要素及其閾值條件,通過權(quán)重求和初步構(gòu)建了靜穩(wěn)天氣綜合指數(shù)(SWI).

相對其他污染氣象條件指數(shù),大氣通風量物理意義明確,與大氣污染排放無關(guān),表示了一段時間邊界層內(nèi)大氣平流輸送所清除的大氣污染物的總量.本文將在此基礎(chǔ)上,根據(jù)大氣自身所具有的對大氣污染物的通風稀釋和濕清除能力,定義大氣自凈能力指數(shù),給出基于常規(guī)氣象觀測的計算方法,并應用于對大氣污染防控措施的效果評估.此外,考慮到有效的污染氣象條件預報有助于大氣污染的防控,這不但要求有較高的預報準確率,還需要有足夠的可實施大氣污染防控措施的預報時效.因此,本文還嘗試將大氣自凈能力指數(shù)用于月尺度大氣污染潛勢預測.

1 大氣自凈能力指數(shù)及其計算方法

1.1 大氣自凈能力指數(shù)的定義

大氣自身的運動對大氣中的污染物有清除作用,如冷空氣過境造成的大風具有擴散和稀釋作用;降水對大氣污染物有濕清除作用.類似于水的凈化能力,將大氣自身運動對大氣中污染物的擴散、稀釋和濕清除能力定義為大氣自凈能力.由于大氣自凈能力與大氣污染源排放沒有關(guān)系,一方面可用于量化氣象條件變化對空氣污染的貢獻,評估大氣污染防治措施的實施效果;另一方面可用于對未來大氣污染潛勢的預測,為提早實施大氣污染防控措施提供依據(jù).

城市大氣污染數(shù)值預報系統(tǒng)(CAPPS)[22-24]通過有限體積法求解大氣平流擴散方程,得到的平均濃度預報方程為:

干沉降與大氣湍流狀況、污染物化學性質(zhì)和下墊面特性有關(guān),由于常規(guī)氣象觀測中還沒有湍流特性測量,本文為了根據(jù)歷史氣象觀測數(shù)據(jù)分析大氣對污染物清除作用的長年變化,因此暫時不考慮大氣湍流擴散和干沉降作用.根據(jù)箱模式原理,式(2)可轉(zhuǎn)變?yōu)?

式中:E為大氣通風量,定義為:

式中:()為大氣邊界層內(nèi)的風速,它隨距離地面的高度而變化,是高度的函數(shù).式(4)中濕沉降速度v表達為雨洗常數(shù)r與降水率的乘積,即w=r,為底面積.假設(shè)典型污染物的空氣質(zhì)量控制濃度為C,則由式(3)和(4)可得到箱體內(nèi)典型污染物最大允許排放總量為:

式中:雨洗常數(shù)r取6×105;為降水率,即單位時間內(nèi)的降水量[25].在s為PM2.5達標濃度0.075mg/m3的約束條件下,定義單位時間、單位面積上大氣平流擴散和降水所能清除的最大污染物總量為大氣自凈能力指數(shù)ASI,即

因此,大氣自凈能力指數(shù)與大氣污染排放量和空氣質(zhì)量都沒有任何關(guān)系,僅僅表示大氣自身運動對大氣污染物的通風擴散和降水清除能力.大氣自凈能力指數(shù)值越大,表示大氣對污染物的清除能力較強,大氣自凈能力強;反之,表示大氣自凈能力弱.

1.2 計算方法

1.2.1 基于地面氣象觀測的大氣自凈能力指數(shù)計算方法 采用地面氣象站觀測資料計算大氣自凈能力指數(shù)的優(yōu)勢在于,可以對近幾十年大氣自凈能力指數(shù)的氣候和氣候變化特征進行分析.由式(7)和式(5)可知,大氣通風量VE是計算大氣自凈能力指數(shù)的關(guān)鍵,而計算大氣通風量首先需要計算混合層高度.根據(jù)國家標準《制定地方大氣污染物排放標準的技術(shù)方法》(GB/T 13201-91)[26],在已知云量和地面風速的前提下,通過計算太陽高度角,再查算出Pasquill大氣穩(wěn)定度等級,最終可計算出混合層高度和大氣通風量.由于氣象站在夜間的云量觀測資料十分有限,因此,可以只計算每日 14:00的大氣自凈能力指數(shù).其與一天中大氣對污染物的最大清除能力接近,分析每日14:00大氣自凈能力的長年變化,同樣可以得到大氣自凈能力的長年代變化特征.根據(jù)式(7)表征全天大氣對污染物總體清除能力的大氣自凈能力指數(shù)的計算公式為:

式中:ASI為大氣自凈能力指數(shù), t/(d·km2);為一天中降水的小時數(shù);為每小時降水量, mm/h;面積統(tǒng)一取值100km2.

1.2.2 基于中尺度數(shù)值模擬的大氣自凈能力指數(shù)計算方法 采用中尺度數(shù)值模擬結(jié)果計算大氣自凈能力的優(yōu)勢在于,可以計算出每天逐小時的大氣自凈能力指數(shù),還可考慮到持續(xù)較低的大氣自凈能力導致的大氣污染物累積效應,更加詳細地描述大氣重污染天氣過程,并可實現(xiàn)對大氣自凈能力指數(shù)的預報.

從城市大氣污染數(shù)值預報系統(tǒng)(CAPPS)的污染濃度預報方程式(1)可知,大氣污染濃度與大氣對污染物的清除能力呈指數(shù)函數(shù)的變化關(guān)系,因此基于逐時大氣邊界層氣象要素、考慮大氣污染累積效率的大氣自凈能力指數(shù)預報方程為:

計算大氣自凈能力所需的大氣邊界層氣象要素,如地面風速、混合層高度等,均可由中尺度數(shù)值模式WRF預報輸出.大氣穩(wěn)定度可以根據(jù)WRF模式輸出的地表感熱通量、地面溫度、地表粗糙度和摩擦速度首先計算莫寧-奧布霍夫長度,然后判斷大氣穩(wěn)定度[27].

采用中尺度氣象模式WRF,設(shè)置兩重嵌套網(wǎng)格,第一重和第二重網(wǎng)格距分別為45km和15km、網(wǎng)格數(shù)分別為180′160和361′301,第二重網(wǎng)格覆蓋了全部的中國大陸.模式垂直分層36層,并在近地層進行了加密,以保證200m高度以下有9層.用美國全球大氣環(huán)流模式再分析資料CFSR啟動WRF模式,進行了2013年10月~2017年2月的數(shù)值模擬,計算出所有網(wǎng)格點上每小時的大氣自凈能力指數(shù).考慮到本文定義的大氣自凈能力代表大氣通風擴散和降水對污染物的清除能力,沒有包含大氣污染物的化學轉(zhuǎn)化機制,對夏季臭氧污染氣象條件的代表性差.因此,本文重點研究京津冀地區(qū)秋冬季的大氣重污染過程,只將2013年10月~2017年2月期間10、11、12月和1、2月的逐日平均大氣自凈能力指數(shù)與相應的空氣質(zhì)量日指數(shù)AQI進行對比,剔除了2014年10月26日~11月15日北京APEC會議期間的數(shù)據(jù),因為這階段由于污染防控措施的實施,使大氣污染排放源強有較大變化.圖1為北京市和京津冀平原地區(qū)2013~2017年秋冬季逐日平均大氣自凈能力指數(shù)與相應的空氣質(zhì)量日指數(shù)AQI的對比,京津冀平原地區(qū)是指京津冀范圍內(nèi)海拔高度小于等于100m的地區(qū).圖1(b)中的大氣自凈能力指數(shù)為京津冀平原地區(qū)所有網(wǎng)格點上的大氣自凈能力指數(shù)平均值;其中的AQI值為北京、天津、廊坊、保定、石家莊、邢臺、邯鄲、衡水、滄州、唐山、秦皇島共11個城市的日AQI值的平均.可以看出,大氣自凈能力指數(shù)與空氣質(zhì)量AQI成冪指數(shù)的反相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)在0.6以上.大氣自凈能力指數(shù)值越大,AQI值越小;大氣自凈能力指數(shù)值越小,AQI值越大.說明大氣自凈能力指數(shù)能夠較好的反映出京津冀地區(qū)秋冬季氣象條件與空氣質(zhì)量的關(guān)系,抓住了這期間對大氣重污染過程起主要作用的氣象因素.

圖1 北京市和京津冀平原地區(qū)日平均大氣自凈能力指數(shù)與空氣質(zhì)量指數(shù)AQI的對比 Fig.1 The comparison of daily ASI and AQI in Beijing and Jing-Jin-Ji region

2 大氣自凈能力指數(shù)的氣候特征

為了分析全國大氣自凈能力指數(shù)的分布規(guī)律和長期變化趨勢,本文采用1961~2017年全國700多個基準和基本氣象站的觀測資料,計算每日14:00大氣自凈能力指數(shù).從1961~2017年平均全國大氣自凈能力指數(shù)分布(圖2)可以看出,四川盆地和新疆塔里木盆地的大氣自凈能力是全國最差的;青藏高原、蒙古高原、云貴高原、以及東北平原和三江平原、山東半島和海南島的大氣自凈能力最強.大氣自凈能力的分布特征與中國地形密切相關(guān).四川盆地處于其西側(cè)的青藏高原、南側(cè)的云貴高原和北側(cè)的秦巴山脈的環(huán)抱之中,海拔高度落差1000~4000m,無論是在偏北的冬季風環(huán)流,還是在西南夏季風環(huán)流的背景下,都處于背風死水區(qū)內(nèi).因此,長年維持小風和靜風,大氣自凈能力極差.新疆塔里木盆地處于西風帶環(huán)流中,由于西側(cè)的帕米爾高原的阻擋,在塔里木盆地也同樣形成了背風死水區(qū),年平均風速小,大氣自凈能力差.青藏高原、蒙古高原和云貴高原由于日照充足且年平均風速較大,混合層得以充分發(fā)展,大氣通風擴散能力強,所以大氣自凈能力強.山東半島和海南島也具有日照充足和年平均風速大的特點,而且不但具有較好的通風擴散能力,還有一定的降水清除能力.東北平原和三江平原分別位于大、小興安嶺的東側(cè),由于大小興安嶺的坡度較緩,冬季風順坡而下,可以產(chǎn)生較大的風速;此外,由于夏季多雨,東北平原和三江平原就具有較好的大氣自凈能力.

由于大氣重污染是在極端不利的污染氣象條件下發(fā)生的,因此,有必要重點研究極端不利污染氣象條件的氣候變化特征.通過統(tǒng)計分析2013~2017年京津冀地區(qū)發(fā)生大氣重污染期間的大氣自凈能力指數(shù),總結(jié)出大氣自凈能力指數(shù)低于1.4t/(d·km2)時,容易出現(xiàn)AQI達到200的空氣質(zhì)量重污染等級.由此定義14:00大氣自凈能力指數(shù)低于1.4t/(d·km2)的當天為一個低自凈能力日.統(tǒng)計分析歷史不同時期全年低自凈能力日數(shù)的變化,可以認清重污染氣象條件的氣候變化特征.圖3是全國1961~2017年每10a平均全年低自凈能力總?cè)諗?shù)分布的演變,可以看出,東南和華南地區(qū)、京津冀地區(qū)的全年低自凈能力總?cè)諗?shù)有明顯增長的變化趨勢.華南和東南地區(qū)2000年以后增長較快,京津冀地區(qū)2011~2017年增長幅度較大.由于大氣自凈能力指數(shù)與大氣污染排放無關(guān),所以低自凈能力日數(shù)的長年變化反映的是重污染氣象條件的氣候變化.但是,一般地面氣象站都是位于城鎮(zhèn)的邊緣,受城市化發(fā)展的影響,地面風速觀測值呈下降的長年變化趨勢,因此,低自凈能力日數(shù)的長年變化反映的是城市污染氣象條件的氣候變化,這也是人口密集的華東和華南地區(qū)全年低自凈能力日數(shù)顯著增加的原因.

圖2 1961~2017年全國平均大氣自凈能力指數(shù)分布

Fig.2 The distribution of annual mean ASI in China from 1961 to 2017

圖3 全國1961~2017年不同時期平均全年低自凈能力總?cè)諗?shù)分布的演變

在我國的冬季,不利污染物擴散的靜穩(wěn)天氣條件多發(fā),京津冀、長三角和珠三角等城市群地區(qū)的大氣污染形勢更加嚴峻.圖4分別給出了京津冀、長三角和珠三角地區(qū)1961~2017年冬季(當年12月和次年1~2月)平均大氣自凈能力指數(shù)和低自凈能力日數(shù)的長期變化,可以看出,京津冀和長三角地區(qū)冬季平均大氣自凈能力指數(shù)呈明顯下降的變化趨勢,而冬季低自凈能力日數(shù)呈明顯上升的變化趨勢,說明大氣對污染物的清除能力在降低,重污染氣象條件出現(xiàn)概率在增加.珠三角地區(qū)在20世紀60和70年代、以及2000年以后,冬季平均大氣自凈能力指數(shù)逐年降低,冬季低自凈能力日數(shù)逐年增加,20世紀80和90年代變化不明顯.

圖4 京津冀、長三角和珠三角1961~2017年冬季平均大氣自凈能力指數(shù)和低自凈能力日數(shù)的長期變化 Fig.4 The long-term change of mean ASI and the days with lower ASI in autumn and winter from 1996 to 2017 in Jing-Jin-Ji, Yangtze River Delta and Pearl River Delta

3 應用于大氣污染防控措施效果評估

亞太經(jīng)合組織(APEC)最高級別會議于2014年11月5日~11日在北京舉行.為此,北京市及周邊6省(區(qū)、市)統(tǒng)一啟動了APEC會議空氣質(zhì)量保障措施.根據(jù)環(huán)保部門分析[28],APEC會議期間北京市PM2.5、PM10、SO2、NO2的濃度分別較近5a降低45%、43%、64%和31%;APEC會議期間燃煤鍋爐貢獻2%左右、揚塵貢獻7%左右、機動車貢獻76%左右;北京市及周邊地區(qū)針對可能發(fā)生的污染過程采取的減排保障措施對PM2.5濃度具有明顯的削峰降速作用.

在APEC會議前的2014年10月,京津冀地區(qū)共經(jīng)歷了4次重污染天氣過程,圖5為2014年10月6日~11月12日京津冀平原地區(qū)11個城市日均空氣質(zhì)量指數(shù)AQI的平均值和大氣自凈能力指數(shù)較近10a(2003~2012年)同期的距平百分率的對比.可以看出,空氣質(zhì)量重污染等級與大氣自凈能力指數(shù)距平百分率的低值是對應的.例如,10月8~11日京津冀11個城市大氣自凈能力指數(shù)持續(xù)很低,較近10a同期平均偏低27%~41%,導致了持續(xù)4天的大氣重污染,11個城市平均AQI達到221~315;10月12日大氣自凈能力大幅度增加,較近10a同期偏高81%,相應的空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)橐患? 10月18~20、23~25和29~31日大氣自凈能力分別較近10年同期最大偏低32%、41%和36%,空氣質(zhì)量又達到重污染級別,11個城市平均AQI分別為225、303和238.11月3日開始,北京市及周邊6省(區(qū)、市)全面啟動大氣污染減排措施,并于11月6日起又加大了防控力度,因此,在8~10日11個城市連續(xù)3d大氣自凈能力較近10a同期平均偏低33%、45%和52%、比10月份4次重污染過程中大氣自凈能力都差的情況下,京津冀平原地區(qū)平均空氣質(zhì)量保持了2天良好,1天輕度污染,而且北京市8~10日的空氣質(zhì)量均保持在良好等級.因為大氣自凈能力指數(shù)與大氣污染排放無關(guān),僅僅反映大氣自身運動對污染物的通風擴散和降水清除能力,因此同樣在大氣自凈能力指數(shù)較近10a同期顯著偏低的情況下,10月份造成了4次大氣重污染過程,而APEC期間卻空氣質(zhì)量保持良好,這就充分說明了APEC會議期間的大氣污染防控措施的效果顯著.為了定量評估大氣污染防控措施的實施效果,按照圖1(a)給出的北京市大氣自凈能力指數(shù)與空氣質(zhì)量AQI的擬合關(guān)系,推算出11月8~10日的AQI分別為258、450和587,實際監(jiān)測的北京市AQI分別為93、80和95,減排措施使空氣質(zhì)量AQI分別降低64%、82%和84%.按照圖1(b)給出的京津冀平原地區(qū)平均大氣自凈能力指數(shù)與空氣質(zhì)量AQI的擬合關(guān)系,推算出11月8~10日11個城市的AQI分別為162、235和295.實際監(jiān)測的京津冀地區(qū)11個城市平均AQI分別為99、149和192,減排措施使空氣質(zhì)量AQI分別降低39%、37%和35%.

圖5 2014年10月6日~11月12日京津冀平原地區(qū)空氣質(zhì)量指數(shù)AQI的日平均值和大氣自凈能力指數(shù)距平百分率的對比

4 延伸期-月尺度大氣污染潛勢預測中的應用

在大氣污染排放源強變化較小的條件下,大氣重污染的發(fā)生就主要是不利的氣象條件造成的.上述研究表明大氣自凈能力指數(shù)能夠反映氣象條件對大氣污染的作用,因此考慮建立延伸期-月尺度大氣污染潛勢預測系統(tǒng),通過預測大氣自凈能力指數(shù),預測未來一個月內(nèi)大氣重污染過程可能發(fā)生的次數(shù)及其對應的時段.采用國家氣候中心月動力延伸氣候預測模式DERF2.0預測結(jié)果,驅(qū)動中尺度氣象模式WRF進行降尺度預報,并給出未來40d逐小時的低空大氣各層風速、溫度以及地表感熱通量、摩擦速度、混合層高度等相關(guān)大氣邊界層氣象要素場;再根據(jù)本文公式(9)計算大氣自凈能力指數(shù)(圖6).WRF模式采用雙重嵌套,外重網(wǎng)格距45km,內(nèi)重網(wǎng)格距15km,內(nèi)重網(wǎng)格覆蓋全國.延伸期-月尺度大氣污染潛勢預測系統(tǒng)每天運行一次,在IBM1600計算機上使用256個CPU的條件下,需運行4h.每5d進行一次集合平均,給出未來40d的集合預報結(jié)果.延伸期-月尺度大氣污染潛勢預測系統(tǒng)建成后,對2014~2016年京津冀地區(qū)主要空氣污染過程進行了回報實驗,對比采用氣象站觀測資料計算的大氣自凈能力指數(shù)和空氣質(zhì)量指數(shù)AQI,初步確定當連續(xù)2d發(fā)生大氣自凈能力指數(shù)相對于近10a同期的距平百分率偏低到5%時,可以預測一次大氣重污染過程.如下為一個預測成功個例和一個不成功個例.

圖6 延伸期-月尺度大氣污染潛勢預測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2015年12月京津冀地區(qū)發(fā)生了3次持續(xù)2d及以上的大氣重污染過程,一次是7~10日,11城市平均AQI連續(xù)4d超過200;一次是20~25日,11城市平均AQI連續(xù)6d超過200,其中21~23日連續(xù)3d超過300,另一次時29~30日.對于京津冀地區(qū),由于張家口和承德位于太行山山區(qū),海拔高度大,污染擴散條件比位于京津冀平原地區(qū)的11個城市強很多,京津冀地區(qū)大氣污染主要發(fā)生在位于平原地區(qū)的11個城市.因此,在進行大氣污染潛勢預測時,只將京津冀海拔高度小于等于100m的平原地區(qū)所有網(wǎng)格上的大氣自凈能力指數(shù)平均值,作為京津冀地區(qū)大氣自凈能力預測結(jié)果.圖7是分別于2015年11月21、22、23、24和25日起報的11月25日~12月31日京津冀地區(qū)逐日大氣自凈能力指數(shù)的集合平均預測結(jié)果.可以看出,系統(tǒng)成功地預測到了12月內(nèi)的2次大氣重污染過程.第1次過程中,大氣自凈能力指數(shù)距平百分率達到偏低5%標準的是11月7~13日,空報了11~12日的2d;第2次過程中,大氣自凈能力指數(shù)距平百分率達到偏低5%標準的是11月19~26日,空報了頭尾19日和26日2d.圖8是采用CFSR再分析資料驅(qū)動WRF模擬的大氣自凈能力指數(shù)與空氣質(zhì)量指數(shù)AQI的對比,可以看到相關(guān)系數(shù)達到了0.85.

圖7 2015年11月21~25日起報的12月1~31日京津冀地區(qū)逐日大氣自凈能力指數(shù)集合預測

圖8 采用WRF模式回算的2015年11月25日~12月31日京津冀平原地區(qū)逐日大氣自凈能力指數(shù)與空氣質(zhì)量指數(shù)AQI的對比

2016年12月京津冀地區(qū)大氣重污染過程頻繁發(fā)生,如果11城市平均AQI平均值連續(xù)2d達到200算一次過程的話,共發(fā)生了4次大氣重污染過程,分別是3~4日、11~12日、16~21日和30~31日.其中最后一次是比較嚴重的跨年度空氣污染過程的前2d,整個過程是從2016年12月30日~2017年1月8日.圖9是分別于2016年11月21~25日起報的12月1日~次年1月4日京津冀地區(qū)逐日大氣自凈能力指數(shù)的集合平均預測結(jié)果.可以看出,第1次3~4日的空氣污染過程預測準確,但預報時效性不強,屬于中期預報范疇;第2~3次過程的預測完全失敗;對第4次的跨年度空氣污染過程的預測能看出趨勢正確.總之,對2016年12月大氣自凈能力的預測總體偏高.圖10是采用CFSR再分析資料驅(qū)動WRF模擬的大氣自凈能力指數(shù)與空氣質(zhì)量指數(shù)AQI的對比,相關(guān)系數(shù)為0.63.

在延伸期-月尺度大氣污染潛勢預測中,月動力延伸氣候預測模式DERF2.0是決定預測效果的核心,WRF模式的作用是降尺度和為大氣自凈能力預測提供大氣邊界層氣象要素場.從以上2個預測實驗個例中的WRF模式數(shù)值模擬結(jié)果可以看出,大氣自凈能力指數(shù)與空氣質(zhì)量AQI的相關(guān)系數(shù)都在0.6以上,說明大氣自凈能力指數(shù)對污染氣象條件的表達還是比較準確的,對月尺度大氣污染潛勢預測的準確率更大程度上取決于動力延伸氣候預測模式.

由于大氣自凈能力指數(shù)計算中沒有考慮污染物化學轉(zhuǎn)化及其干沉降過程,這也是污染潛勢預測中誤差的主要來源之一.在空氣污染過程中,只要不是惰性物種,化學轉(zhuǎn)化過程就是不可避免的[29].因此,下一步需要研究包括近地面湍流和化學轉(zhuǎn)化作用的大氣自凈能力指數(shù)計算方法,完善基于大氣自凈能力的污染氣象條件評估與污染潛勢預測技術(shù)體系.

圖9 2016年11月21~25日起報的2016年12月1日~2017年1月4日京津冀地區(qū)逐日大氣自凈能力指數(shù)集合預測

圖10 采用WRF模式回算的2016年11月25日~2017年1月4日京津冀平原地區(qū)逐日大氣自凈能力指數(shù)與空氣質(zhì)量指數(shù)AQI的對比

5 結(jié)論

本文應用大氣自凈能力指數(shù)開展了對1961年以來全國大氣自凈能力的長年變化趨勢分析以及2014年北京APEC會議期間大氣污染防控效果分析和延伸期-月尺度大氣污染潛勢預測實驗,得到結(jié)論如下:

5.1 大氣自凈能力指數(shù)反映了空氣污染過程中的主要大氣物理過程機制,2013~2017年秋冬季京津冀平原地區(qū)的大氣自凈能力指數(shù)平均值與對應的11個城市的空氣質(zhì)量AQI平均值相關(guān)系數(shù)為0.63,說明大氣自凈能力指數(shù)能夠較好地定量表達污染氣象條件.

5.2 對1961~2017年全國大氣自凈能力指數(shù)的分析表明:全國大氣自凈能力最差的地區(qū)分布在四川盆地和新疆塔里木盆地,大氣自凈能力最強的地區(qū)分布在青藏高原、蒙古高原、云貴高原、以及東北平原和三江平原、山東半島和海南島;1961年以來,京津冀、長三角和珠三角地區(qū)的大氣自凈能力指數(shù)呈下降的變化趨勢,全年低自凈能力日數(shù)呈上升的變化趨勢.

5.3 采用大氣自凈能力指數(shù)評估北京APEC會議期間大氣污染防控措施的實施效果得到,11月8~10日極端不利擴散氣象條件發(fā)生期間,減排措施使北京市空氣質(zhì)量AQI平均降低77%,使京津冀平原地區(qū)11個城市的空氣質(zhì)量AQI平均降低37%.

5.4 采用國家氣候中心月動力延伸氣候預測模式DERF2.0的40天預報產(chǎn)品和WRF模式的降尺度預報,建立了可以預測全國未來40d逐日大氣自凈能力指數(shù)的延伸期-月尺度大氣污染潛勢預測系統(tǒng).通過對2013~2016年主要大氣重污染過程的回報實驗表明,在大多是情況下可以提前15d預報出大氣重污染過程;月尺度的空氣污染過程預報效果更大程度上取決于月動力延伸氣候預測模式DERF2.0的預報準確率.

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致謝：感謝浙江省氣候中心張小偉高工幫助編制了動力延伸氣候預測模式DERF2.0與WRF模式的接口程序.

The climate characteristics of atmospheric self-cleaning ability index and its application in China.

ZHU Rong*, ZHANG Cun-jie, MEI Mei

(National Climate Center, Beijing 100081, China)., 2018,38(10)：3601~3610

In order to assess the effect of meteorological conditions on air pollution quantitatively and predict the air pollution potential, the Atmospheric Self-cleaning ability Index (ASI) was defined based on the prediction principle of city air pollution prediction system (CAPPS). Both computational methods of ASI using observational data of meteorological stations and the meso-scale modelling result were introduced. The analysis of ASI in China showed that the lowest ASI was located in Sichuan Basin and Talimu Basin in Xinjiang, and the highest ASI was located in Plateau, island and peninsula areas. The decrease of ASI and the increase of the low ASI days of a year were found in regions of Jing-Jin-Ji, Yangtze River Delta and Pearl River Delta from 1961 to 2017. The effect evaluation of air pollution prevention and control during the Beijing APEC conference using ASI showed that the AQI in Beijing decreased by 77% and the mean AQI of 11cities in Jing-Jin-Ji Plain decreased by 37% because of the emission reduction while the worst air pollution meteorological condition happened in 8th~10thNov. 2014. An air pollution potential prediction system on extended and monthly scales, which can predict nationwide daily ASI of 40 days in advance, was set up based on the combination of the production of the extended and monthly dynamical climate model (DERF2.0) and the downscaling of WRF model. The historical simulation experiment showed that the system could forecast the process of heavy air pollution events 15days in advance in most cases, and the forecast accuracy depended on the extended and monthly dynamical climate model (DERF2.0) to a considerable extent.

air pollution meteorological condition；atmospheric self-cleaning ability index；effect evaluation of air pollution prevention and control；prediction of air pollution potential on extended and monthly scales

X26

A

1000-6923(2018)10-3601-10

朱 蓉(1963-),女,北京人,研究員,碩士,主要從事大氣邊界層氣象、大氣湍流擴散和中尺度數(shù)值模擬研究.發(fā)表論文40余篇.

2018-03-26

大氣重污染成因與治理攻關(guān)項目(DQGG0302)

* 責任作者, 研究員, rongzhu@cma.gou.cn