陳鮑發(fā)，詹思玙

(1. 江西景德鎮(zhèn)市氣象局，333000，江西，景德鎮(zhèn)； 2. 中科院大氣物理研究所，100029，北京)

0 引言

大氣污染通常是指由于人類活動或自然過程引起某些物質(zhì)進入大氣達到足夠的濃度， 并對人類生活環(huán)境、生產(chǎn)和身體健康等方面產(chǎn)生危害的現(xiàn)象[1]。大氣污染會影響植物生理機能，造成植被產(chǎn)量下降，品質(zhì)變壞，甚至枯萎，還會降低能見度，破壞大氣臭氧層，減少太陽輻射，加速全球變暖，形成酸雨，從而腐蝕物體等。最重要的是，大氣污染嚴(yán)重威脅人體健康，它會刺激皮膚和眼睛，引起呼吸道疾病與生理機能障礙(例如哮喘)，濃度高時會造成急性污染中毒，或使病情惡化。因此，防治大氣污染是目前主要科學(xué)問題之一。

工業(yè)作為最重要的大氣污染源之一，其污染防治效率直接關(guān)系到大氣污染物的去除和大氣環(huán)境質(zhì)量[2]。數(shù)值模式預(yù)報具有科學(xué)性強、信息豐富等優(yōu)點，是大氣污染預(yù)報的發(fā)展方向[3]。發(fā)展大氣污染的數(shù)值預(yù)報模式，是有效預(yù)防污染產(chǎn)生，預(yù)報污染產(chǎn)生方向，及時治理大氣污染的必然趨勢[4-9]。因此，把高分辨率中尺度模式應(yīng)用于樂平市工業(yè)園區(qū)污染氣象保障中，完全符合時下對環(huán)境污染治理的要求和目標(biāo)。

高時空分辨率的中尺度天氣模式WRF已經(jīng)被國內(nèi)外廣泛地應(yīng)用于城市污染氣象的預(yù)報工作中。因此，試驗在借鑒這些工作的基礎(chǔ)上，采用WRF模式對樂平工業(yè)園及周邊地區(qū)進行污染氣象的預(yù)報服務(wù)?？紤]到景德鎮(zhèn)面積約為5 270 km2，樂平市約為1 973 km2，而樂平工業(yè)園的面積約為30 km2，試驗使用最高分辨率為600 m的三重嵌套網(wǎng)格，其中第3重嵌套網(wǎng)格的分辨率為600 m，其范圍涵蓋了整個景德鎮(zhèn)市以及南昌的東部地區(qū)。為了有效地預(yù)報邊界層的風(fēng)場和湍流活動，模式的垂直層在邊界層內(nèi)進行加密。此外，考慮到WRF模式系統(tǒng)自帶的地形數(shù)據(jù)和土地利用數(shù)據(jù)跟樂平工業(yè)園及其周邊地區(qū)的真實情況有著特別顯著的差異，不能真實地給出下墊面的狀況，且影響到邊界層各種通量的預(yù)報，利用最新的GIS(Geographic Information System)資料修正預(yù)報區(qū)域內(nèi)的這部分特征，從而更加有效地實現(xiàn)高分辨和高精度地預(yù)報氣象場預(yù)報。

試驗的預(yù)報基于NCEP(National Centers for Environmental Prediction)預(yù)報產(chǎn)品作為背景場開展預(yù)報，使用WRF的3DVAR變分同化系統(tǒng)同化進我國的探空觀測資料，常規(guī)和加密的地面站點觀測資料，以及樂平工業(yè)園的氣象觀測塔資料，用于改善預(yù)報。在基于對大量歷史個例回報試驗以及評估的條件下，設(shè)計出模式最優(yōu)的參數(shù)化方案(微物理方案、邊界層方案、輻射方案等)配置，用于實時的高分辨率高精度預(yù)報。由于中小尺度天氣系統(tǒng)的可預(yù)報時效較短，所以試驗的600 m網(wǎng)格的預(yù)報時效為3 d左右。但模式的第2重和第1重網(wǎng)格對于天氣形勢場的預(yù)報，時效可以達到5 d左右。得到高分辨率的WRF預(yù)報結(jié)果后，結(jié)合CALPUFF污染物輸送模式對預(yù)報區(qū)域內(nèi)的污染物輸送、擴散、濃度分布和沉降進行預(yù)報，從而得到高精度的樂平工業(yè)園及其周邊地區(qū)的污染物預(yù)報。

1 WRF-CALPUFF污染預(yù)報模型模式介紹

1.1 RAPS系統(tǒng)介紹

RAPS是基于美國國家環(huán)境預(yù)報中心(NCEP)的業(yè)務(wù)快速同化循環(huán)更新預(yù)報系統(tǒng)(Rapid Refresh，簡稱RAP)以及業(yè)務(wù)高分辨率快速同化循環(huán)更新預(yù)報系統(tǒng) (High-Resolution Rapid Refresh，簡稱HRRR)，水平分辨率為13 km，是一個循環(huán)同化預(yù)報系統(tǒng)，每個時刻首先以上一個時次的預(yù)報場為背景場，同化(GSI HYbrid)最近1 h窗口內(nèi)的所有觀測資料(PrepBUFR格式)，包括地面、探空、飛機、船舶等；HRRR的水平分辨率為3 km，可向內(nèi)嵌套分辨率更精細(xì)的指定區(qū)域以獲得更高精度的預(yù)報結(jié)果。

1.2 三重嵌套設(shè)計及方案配置

步驟1：近幾十年來，東亞區(qū)域的土地利用發(fā)生了很大的變化，因此，在模擬的時候有必要選擇對應(yīng)時段的土地利用數(shù)據(jù)，減小由于靜態(tài)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確所帶來的不確定性。利用MODIS提供的1 km分辨率的逐年土地利用數(shù)據(jù)替換WRF模式默認(rèn)的2001年的土地利用數(shù)據(jù)，生成新的Geog地形文件。

步驟2：選擇模擬區(qū)域。使用RAPS模式進行三重嵌套的天氣預(yù)報試驗。其中RAP的13 km分辨率覆蓋以我國為中心的東亞區(qū)域和西太平洋部分海域(圖1)，為第1重區(qū)域。HRRR的3 km分辨率覆蓋了我國東部以及渤海、黃海、東海和南海的部分海域(圖2)，為第2重區(qū)域。向下嵌套一個600 m分辨率的區(qū)域，覆蓋了景德鎮(zhèn)市和南昌市(圖3)。

圖1 RAP(13 km分辨率)覆蓋區(qū)域

圖中的方框為600 m分辨率的預(yù)報區(qū)域

圖3 HRRR(600m分辨率)覆蓋區(qū)域

步驟3：以全球數(shù)值預(yù)報模式(NCEP)預(yù)報結(jié)果作為RAP的驅(qū)動數(shù)據(jù)，并通過GSI模式將2170加密觀測資料、國際非交換站資料和探空資料同化進RAP模式，生成72 h預(yù)報結(jié)果。以RAP的預(yù)報結(jié)果作為HRRR的驅(qū)動場，生成初邊界條件，同化上述觀測資料，驅(qū)動模式進行預(yù)報，最終得到水平分辨率為600 m，預(yù)報時效為72 h的景德鎮(zhèn)及南昌地區(qū)的預(yù)報結(jié)果。

1.3 CALPUFF污染模式簡介

大氣擴散模型CALPUFF是由西格瑪研究公司(Sigma Research Corporation)開發(fā)，是美國環(huán)保局(USEPA)支持開發(fā)的法規(guī)模型，也是我國環(huán)境保護部頒布的《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 大氣導(dǎo)則》推薦的模式之一。CALPUFF模型主要由氣象模塊CALMET、煙團擴散模塊CALPUFF和后處理模塊CALPOST組成，具體流程見圖4，各模塊具體功能如下。

圖4 CALPUFF模型計算流程

CALMET：用于網(wǎng)格的三維氣象場模擬，以中尺度氣象模型WRF計算得到的氣象診斷數(shù)據(jù)作為初始猜想場，考慮地形和土地利用類型分布特點的影響，在計算區(qū)域生成逐時的風(fēng)場和溫度場，作為CALPUFF模塊的輸入條件。

CALPUFF：用于模擬污染物擴散，將CALMET模塊生成的逐時風(fēng)場和溫度場作為輸入條件，根據(jù)區(qū)域內(nèi)污染源(點源、面源、線源和體源等各種源)的排放情況，確定環(huán)境保護目標(biāo)和區(qū)域網(wǎng)格受體，模擬污染物煙團在區(qū)域內(nèi)的擴散、輸送和轉(zhuǎn)化過程。

CALPOST：用于數(shù)據(jù)的后處理，CALPUFF模塊的輸出文件經(jīng)其計算和處理，得到所需的濃度和干濕沉降通量等結(jié)果。

然后基于Linux系統(tǒng)，移植了WRF模式結(jié)果向CALMET輸入結(jié)果轉(zhuǎn)換的工具CALWRF。該工具可以實現(xiàn)WRF結(jié)果向CALMET所需輸入氣象數(shù)據(jù)格式的實時轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了預(yù)報時效為72 h的景德鎮(zhèn)及南昌地區(qū)的高分辨率數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)與CALPUFF模式預(yù)報系統(tǒng)的無縫銜接。

1.4 污染模式排放源設(shè)置

為了方便模擬效果的對比驗證，以污染來源較為單一大氣污染物SO2為例，以區(qū)域內(nèi)典型排放行業(yè)(藥廠)的實際空間分布、排氣筒高度、口徑、煙氣量、煙氣溫度、年排放小時數(shù)及SO2排放強度等排放源資料作為污染來源，研究污染過程預(yù)報情況。為了更好檢驗預(yù)報系統(tǒng)的模擬效果，選取SO2污染過程轉(zhuǎn)折特征較為顯著的時段(2019年4月15日00:00—4月18日00:00)進行分析(圖5)，開展模擬預(yù)報研究。預(yù)報模式中共納入排放源個數(shù)總計35個(如圖6中圓圈所示)。模式中輸入的排放源具體參數(shù)由各個藥廠提供，具體信息參見表1。

圖中為樂平市國土局觀測站觀測到的SO2/μg·m-3

圖6 CALPUFF污染模式的預(yù)報范圍(方框)及其中心點10 km半徑范圍(圓圈)

2 WRF-CALPUFF污染預(yù)報模型的實際應(yīng)用

由圖5所示，2019年4月15日00:00—2019年4月18日00:00樂平市國土局觀測站觀測到了一次嚴(yán)重的污染事件，大約1 d的時間內(nèi)污染物由谷底迅速攀升至峰值，SO2是主要的污染物之一。根據(jù)對樂平藥廠周邊環(huán)境觀測站的觀測結(jié)果以及對藥廠主要污染物的分析結(jié)果，SO2是本地區(qū)最主要的污染物之一，因此將以之為代表進行72 h的逐小時預(yù)報試驗。從2019年4月15日00:00起報的72 h SO2污染物逐小時分布及地面風(fēng)場(圖7)可知，本試驗所建立的WRF-CALPUFF污染預(yù)報模型對污染物(以SO2為例)的預(yù)報結(jié)果符合污染物常規(guī)的傳輸與擴散規(guī)律。其中，排放源附近，SO2的濃度達到極值，地面盛行風(fēng)向是污染物傳輸?shù)闹饕较?，沿著地面主?dǎo)風(fēng)向，污染物存在側(cè)向的擴散，但其傳輸速度遠遠慢于沿主導(dǎo)風(fēng)向的傳輸速度。此外，預(yù)報結(jié)果顯示，20 h由于風(fēng)向的轉(zhuǎn)變，污染影響范圍開始由中心點西側(cè)轉(zhuǎn)為東南側(cè)，25 h開始轉(zhuǎn)為南部，緊接著在28 h又轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)向的影響?？梢?，模式能較好地反映氣象條件的影響，模擬的污染物影響較顯著的范圍并不是對藥廠的周邊地區(qū)全部覆蓋，主要位于藥廠與盛行風(fēng)向的下游，這與樂平地區(qū)污染檢測資料所體現(xiàn)的規(guī)律是一致的。因此設(shè)計的天氣預(yù)報系統(tǒng)驅(qū)動下的空氣污染預(yù)報，對于精細(xì)化捕捉典型污染過程中污染物的顯著影響區(qū)域及最大地面濃度所在位置具有重要意義。

以管委會所在地的SO2實時監(jiān)測數(shù)據(jù)為準(zhǔn)(圖8中深色實線)，本試驗所建立的WRF-CALPUFF污染預(yù)報模型能夠有效地抓住本次污染事件的主要特征，包括SO2濃度的峰值大小、峰值時間、發(fā)展過程、持續(xù)過程、轉(zhuǎn)折時刻等。然而，對比部分的峰值也存在高估(如第34 h附近的預(yù)報結(jié)果)或低估(如第61 h和71 h附近的預(yù)報結(jié)果)的情況。根據(jù)相關(guān)系數(shù)的計算結(jié)果，預(yù)報結(jié)果與觀測結(jié)果的相關(guān)系數(shù)可達0.8以上，且超過95%的信度，平均濃度預(yù)報偏差低于10 μg/m3。因此，本試驗所建立的WRF-CALPUFF污染預(yù)報模型具有較優(yōu)的預(yù)報性能，可以用于實際的污染物預(yù)報。

表1 輸入模式的排放源參數(shù)

t=1-9 h、20 h、25 h、28 h；陰影是SO2的小時平均地面濃度(單位：μg/m3)，箭頭代表地面風(fēng)場

深色實線，淺色實線(單位：μg/m3)

逐小時平均濃度填色圖表征的是隨著氣象條件的變化，35家企業(yè)排放源對地表SO2濃度值的實時影響情況，所反映的是35家企業(yè)對環(huán)境空氣質(zhì)量的實時影響狀況。由72 h實時回報結(jié)果(圖7)可見，精細(xì)化的氣象場模擬資料所驅(qū)動的大氣擴散模式模擬結(jié)果，能實時給出污染物的主要影響范圍、最大影響濃度所在位置以及發(fā)生時間等信息，對于評估企業(yè)大氣污染物排放的實時環(huán)境影響具有重要意義，可為大氣污染防治提供有效預(yù)報參考。

進一步，通過對72 h回報結(jié)果的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)(圖8)，35家企業(yè)在這3 d(2019年4月15—17日)內(nèi)對地面濃度的最大貢獻值約為7.8 μg/m3，根據(jù)樂平市2個監(jiān)測站(老環(huán)保局站和國土局站)的平均監(jiān)測結(jié)果可知，3 d平均的SO2日均濃度值約為12.3 μg/m3(圖9)，因此，35家企業(yè)地面SO2日均濃度對本地的最大貢獻率約為63.4%，因而35家企業(yè)的SO2污染防控不容忽視。但從影響范圍來看，最大濃度貢獻點位于企業(yè)聚集區(qū)內(nèi)，即處于可控范圍內(nèi)。

圖9 2019年4月15日00:00—4月18日00:00平均的SO2最大24 h平均地面濃度空間分布/μg·m-3

3 結(jié)論

本文介紹了高分辨率中尺度模式在樂平工業(yè)園區(qū)污染氣象保障中預(yù)報試驗，主要結(jié)論如下。

1)試驗采用高時空分辨率的中尺度天氣模式WRF，最新的GIS(Geographic Information System)資料及3DVAR變分同化系統(tǒng)，實現(xiàn)高分辨率和高精度地氣象要素預(yù)報場。結(jié)合CALPUFF污染物輸送模式，得到高精度的樂平工業(yè)園及其周邊地區(qū)的污染物預(yù)報。

2)選取SO2污染過程轉(zhuǎn)折特征較為顯著的時段開展模擬預(yù)報研究，結(jié)果符合污染物常規(guī)的傳輸與擴散規(guī)律：排放源附近，SO2的濃度達到極值，地面盛行風(fēng)向是污染物傳輸?shù)闹饕较?，沿著地面主?dǎo)風(fēng)向，污染物存在側(cè)向的擴散，污染物影響較顯著的范圍主要位于藥廠與盛行風(fēng)向的下游，與樂平地區(qū)污染檢測資料所體現(xiàn)的規(guī)律是一致的。

3)精細(xì)化的氣象場模擬資料所驅(qū)動的大氣擴散模式模擬結(jié)果，能實時給出污染物的主要影響范圍、最大影響濃度所在位置以及發(fā)生時間等信息，對于評估企業(yè)大氣污染物排放的實時環(huán)境影響具有重要意義。預(yù)報結(jié)果與觀測結(jié)果的相關(guān)系數(shù)可達0.8以上，且超過95%的信度，平均濃度預(yù)報偏差低于10 μg/m3，35家企業(yè)地面SO2日均濃度對本地的最大貢獻率約為63.4%，但從影響范圍來看，最大濃度貢獻點位于企業(yè)聚集區(qū)內(nèi)，即處于可控范圍內(nèi)。