基于WRF-CHEM模式的连续雾霾过程数值模拟及其能见度参数化

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2010年12月在湖北荆州开展了雾的综合外场试验。利用获取的观测资料对其中的3天连续发生的辐射雾过程进行分析,通过分析天气形势及演变实况发现,由于荆州空气污染较重,雾过程中有霾的参与,雾霾共存及相互转化使能见度基本维持在10km以下。针对这次连续3天的雾霾过程,利用WRF-CHEM模式,开展包含和不包含大气化学过程的数值模拟对比试验,在此基础上探讨了辐射雾的动力条件、微物理特征和雾区的大气成分分布特征等。同时,开展能见度参数化方案研究,对能见度参数化方案进行改进,并对改进方案的能见度估算的效果进行评估。结果表明:雾霾过程是在水汽充沛、大气层结稳定的条件下发生,北方冷空气的南下使雾霾过程不再维持。辐射方案、边界层及近地面层方案对辐射雾的模拟较敏感,相比其他方案,长波和短波辐射均选择CAM方案,边界层和近地面层均选择QNSE方案,这种组合能够较好的模拟出荆州辐射雾的演变过程。对比不加入大气化学过程的雾霾过程的数值模拟试验,加入排放源及化学机制方案后模拟的雾区、2m气温、相对湿度和地面风速和实测结果较一致。在辐射雾形成和发展阶段,雾区呈不均匀分布,水汽的辐合、较小的风速有利于辐射雾的发展。成熟阶段初期,雾顶和逆温层顶较平直;成熟阶段后期,低空向高空输送的水汽辐合使雾层厚度增加,雾顶随逆温层的抬升而升高。雾区消散时,表现出贴地层的气流分布不均匀,从雾顶向地面下压的气流使雾层先消散的特征。雾区的分布与PM10、PM2.5细颗粒物、SO2、NO2的分布具有较好的一致性。大气能见度的消光因素,除考虑云雾降水粒子外,还需考虑空气污染物和气溶胶的消光。在辐射雾阶段,雾水是最大的消光因素,在雾霾共存和天气晴朗阶段,气溶胶(PM2.5和PM10等)的消光作用最明显。相比Vis-RH方案,Vis-Aerosol方案估算的能见度变化趋势和实测较一致。Vis-LWC和Vis-Qnfog参数化方案只适用于诊断辐射雾的能见度,但不能合理诊断雾霾过程的变化趋势。改进的能见度参数化方案对雾霾过程的能见度变化趋势诊断效果较Vis-RH和Vis-Aerosol方案好。雾霾共存阶段估算的能见度绝对误差为2.41km左右;在辐射雾阶段,绝对误差为0.62km;而在天气晴朗阶段,绝对误差达3.64km。
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