基于WRF/CALMET的關中盆地中部典型風場模擬

張 俠，程 路，王 琦，吳 瓊

(1.陜西省氣候中心，西安 710014；2.旬陽縣氣象局，安康旬陽 725700)

改革開放40周年來經濟的高速發展，城市進程的不斷加快，使我國各地區大氣環境問題頻發。學者們對我國大氣環境問題開展了許多研究，其中通過數值模擬來分析大氣污染過程已成為研究大氣污染機理的有效手段之一。大氣污染物的對流擴散作用主要是靠風的作用來完成的，風場在對流擴散求解中是一個非常重要的輸入量，對風場模擬的準確度是污染物擴散計算中至關重要的[1]。近年來國內外學者利用數值模式對風場的模擬研究越來越多。姜金華等采用中尺度大氣動力模式RAMS與大氣擴散模式HYPACT相結合的方法，對蘭州市復雜地形條件下冬季大氣污染過程進行了數值模擬研究，分析了模擬風場與污染物濃度分布的關系[2]。蔣寧潔等采用MM5中尺度氣象模式和CALMET氣象診斷模型模擬了武漢市邊界層氣象要素場，并對大氣污染物的擴散進行了模擬分析[3]。張弛等利用WRF中尺度動力模式和CALMET診斷模型對瓊州海峽的兩次冷空氣過程的近地層風場進行了模擬和診斷[4]。王文勇等利用WRF/CALMET耦合模式對某山谷工業園區的風場進行了模擬，結果表明模擬值與實測值比較接近，模擬結果比較符合實際[5]。

以西安為中心的陜西關中盆地，持續性霾天氣多發重發，并和京津冀共發。由陜西關中、晉西南和豫西北地區組成的汾渭平原在2018年2月全國環境保護工作會議上已被列為國家大氣污染防治重點區域。不少學者對關中地區霾天氣特征及形成機制開展了一些研究，周輝等利用霾天氣現象數據對關中地區1983—2012年霾天氣時空分布特征進行了分析[6]，劉瑞芳等利用高空探測、自動站觀測、激光雷達等對2013年12月17—25日關中地區持續性霾天氣的氣象條件進行了診斷分析[7]，而對霾天氣過程發生時近地面風場的數值模擬研究相對較少。本文通過對關中盆地典型風場的模擬研究，為進一步開展大氣污染研究工作提供可靠的氣象背景場，從而為政府大力實施“鐵腕治霾、科學治霾”提供科學依據。

1 模擬方案設計

1.1 模式設計

WRF模式是美國多所科研機構的科學家們共同研發的業務與研究共用的新一代高分辨率中尺度預報模式，本研究中使用的是當前較新且比較穩定的3.6版本。CALMET模式是美國環保局推薦的空氣質量擴散模式CALPUFF中的氣象診斷模型，是一個網格化氣象風場模式，利用質量守恒原理對風場進行診斷。為得到高空間分辨率模擬結果，采用多重嵌套耦合降尺度方法，WRF模式利用NCEP的1°×1°的FNL再分析資料，采用2重區域嵌套，再耦合CALMET模式降尺度到1 km×1 km空間分辨率。為了充分保證模式初始條件和側邊界條件更為客觀化，WRF模式的第一層包含青藏高原及沿海等影響天氣系統的地理區域，模式的第二層覆蓋了整個陜西省。CALMET模式的覆蓋區域為陜西關中盆地120 km×120 km范圍。模式中引入關中地區13個氣象臺站的觀測數據，通過客觀分析過程，得到最終的氣象場。

1.2 典型天氣過程選取

由于關中地區一年四季中冬季霾天氣頻次最多[8]，持續時間較長且影響范圍較大，為進行針對性的模擬，選擇關中地區2016年12月—2017年2月進行逐小時地面風場的數值模擬。再以地面氣象臺站觀測的風速、風向、氣溫和空氣質量指數資料為選擇依據，選取2017年1月20—28日大氣擴散條件由好轉差的典型天氣過程進行近地面風場分析。

2 模擬結果分析

2.1 實測模擬對比

研究模擬了關中盆地中部2016年12月—2017年2月每日逐時的風場，為了了解WRF/CALMET模擬風場與實測風場的相關性，提取涇河氣象站點位置的模擬值，與涇河站同期觀測值進行對比分析。2016年12月—2017年2月模擬風速平均值為2.8 m/s，觀測風速平均值為2.1 m/s，模擬值比觀測值略大。圖1為逐日模擬風速與觀測值對比，可見模擬值與觀測值較為一致。圖2為模擬與實測風向頻率圖。由圖1可見：模擬值出現頻率較多的三種風向是NE、ENE和SW，風向頻率分別為17.9%、17.7%和9.1%；實測值出現頻率較多的三種風向是ENE、NE和SW，風向頻率分別為16.9%、15.3%和10.8%。對比可見，模擬值與觀測值風向分布基本一致。經過風速與風向的對比發現，采用WRF/CALMET耦合模式進行風場模擬，模擬結果與實測風場比較接近，模擬結果可以代表關中地區的真實風場。

圖1 涇河氣象站2016年12月—2017年2月模擬與實測風速對比圖

圖2 涇河氣象站2016年12月—2017年2月模擬與實測風向頻率(每圈間隔為5%)對比圖

2.2 分區域風場分析

根據對關中地區2016年12月—2017年2月每日逐時風場的模擬結果，提取模擬區域中部、東部、西部、南部和北部共5個代表點的模擬值進行分析。經計算，模擬區域中部、東部、西部、南部和北部冬季平均風速分別為2.0 m/s、1.7 m/s、1.9 m/s、1.7 m/s和2.0 m/s。根據風力等級劃分標準，將風速劃分為6個風速區間(表1)。由表1可見，模擬區域除北部風速主要分布在1.6～3.3 m/s風速區間(出現頻率為53.3%)外，其余各地均主要分布在0.3～1.5 m/s風速區間，出現頻率分別為48.4%、50.3%、47.9%和51.0%。模擬區域各地5.5 m/s風速區間以上的風均較少出現(頻率均小于3%)。分析可見，關中地區冬季風速較小，主要為軟輕風。

表1 關中盆地中部2016年12月—2017年2月模擬區域各風速區間風速出現頻率 %

風速區間/(m/s)0～0.20.3～1.51.6～3.33.4～5.45.5～7.9≥8.0中部1.848.437.29.92.40.4東部2.050.341.16.30.20.0西部1.947.939.19.01.80.2南部3.051.039.75.80.40.0北部0.537.353.37.41.40.1

圖3為2016年12月—2017年2月模擬區域各地的風向頻率分布圖。南部風向主要分布在W—NW和S—SSE區間，風向頻率分別為27.5%和21.4%；而中部和北部風向主要分布在NNE—ENE區間，風向頻率分別為45.9%和48.5%；東部西南風增多，主要分布在NE—ENE和S—SSW區間，風向頻率分別為20.4%和16.7%；西部西北風增多，主要分布在ENE—E和W—WNW區間，風向頻率分別為26.9%和18.7%。整體來看關中地區除南部由于受秦嶺地形的影響以南風和西風為主，其余地區均以東北風為主。

風向頻率每圈間隔為5%；Cf為靜風頻率圖3 關中盆地中部2016年12月—2017年2月模擬區域風向頻率/%分布圖

2.3 典型天氣過程分析

2017年1月關中地區大氣擴散條件整體較差，其中1月20日大氣擴散條件較好，日平均風速較大，有利于大氣污染物擴散，空氣質量較好。圖4為2017年1月20日及22日的地面風場模擬圖，圖中色斑表示風速，矢量箭頭表示氣流方向。從圖4可以看出，20日關中地區整體風速較大，基本在1.6～5.5 m/s之間，尤其09—15時關中地區中部風速基本在3.4～5.5 m/s之間，對大氣污染物擴散較為有利。除08—10時由于受秦嶺山區山風的影響，關中南部平原與山區結合部有一條氣流輻合帶產生外，20日整體上關中地區風場相對均一，不存在明顯的輻散、輻合過程，這些對關中地區1月20日的良好空氣質量有較大貢獻。21日以后，關中地區的風速逐漸減小，22日01時開始，地面風場的均一性受到破壞，關中地區中部出現輻合過程，且風速變小，大氣擴散條件變差，由此導致關中大部分城市中度污染天氣的出現。

圖4 2017年1月20日及22日關中盆地中部地面風場模擬結果(UTM坐標)

1月22—28日期間，關中地區基本處于風速較小、大氣擴散條件較差的天氣狀況中，空氣質量持續較差，其中25日西安AQI指數高達420。圖5為2017年1月25日的地面風場模擬圖。25日風速整體較小，西安、咸陽等關中中部地區全天基本在0.3～1.6 m/s之間，且不同時次均有局部地區出現靜風。從流場上可以看出，04時在關中地區中南部有一較大范圍的氣流輻合區，25日全天除09—12時南部秦嶺山區為較弱的偏北風向的谷風外，其余時次均為偏南風向的山風，而關中平原地區全天基本風向為偏東北風及北風，從而造成大氣污染物在關中地區的堆積，形成污染天氣。

3 結論

(1)采用WRF/CALMET耦合模式對關中盆地中部進行風場模擬。以涇河站為代表站，分析發現：模擬時段風速平均值和觀測風速平均值分別為2.8 m/s和2.1 m/s，模擬值比觀測值略大；模擬風向和觀測風向出現頻率較多的三種風向均為NE、ENE和SW，風向分布基本一致。模擬值與實測值比較接近，說明模擬風場可代表關中地區的真實風場。

圖5 2017-01-25關中盆地中部地面風場模擬結果(UTM坐標)

(2)關中地區中部風速主要分布在1.6～3.3 m/s和0.3～1.5 m/s風速區間，5.5 m/s風速區間以上的風均較少出現；關中地區冬季風速較小，主要為軟輕風。關中地區除南部由于受秦嶺地形的影響以南風和西風為主，其余地區均以東北風為主。

(3)根據典型天氣過程分析結果表明，當風速較小、天氣形勢較為穩定時，容易在關中地區中南部出現氣流的輻合，不利于污染物的擴散；當風速較大、風場氣流較為平整時，擴散條件較好，有利于污染物的擴散。