徐 敬 馬志強(qiáng)* 趙秀娟 張小玲

1)(中國(guó)氣象局北京城市氣象研究所，北京 100089)2)(京津冀環(huán)境氣象預(yù)報(bào)預(yù)警中心，北京 100089)

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邊界層方案對(duì)華北低層O3垂直分布模擬的影響

徐 敬1)2)馬志強(qiáng)1)2)*趙秀娟1)2)張小玲1)2)

1)(中國(guó)氣象局北京城市氣象研究所，北京 100089)2)(京津冀環(huán)境氣象預(yù)報(bào)預(yù)警中心，北京 100089)

利用WRF-Chem模式，采用3 種邊界層參數(shù)化方案(YSU,MYJ 和ACM2)，針對(duì)1個(gè)晴空、靜穩(wěn)日(2013年8月26日20:00—27日20:00(北京時(shí)))進(jìn)行模擬，著重分析不同邊界層參數(shù)化方案對(duì)夜間殘留層形成及日出前后O3濃度垂直分布形式的模擬效果，并與固城站地面及垂直同步觀測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：3種邊界層參數(shù)化方案均能夠模擬出溫度及風(fēng)速的區(qū)域分布形式以及風(fēng)溫垂直結(jié)構(gòu)的變化特征；相比之下，MYJ方案模擬的夜間邊界層高度較YSU方案和ACM2方案明顯偏高，該對(duì)比結(jié)果可能是導(dǎo)致近地面污染物濃度模擬差異的重要原因；在夜間穩(wěn)定層結(jié)至日出后穩(wěn)定狀態(tài)打破的邊界層結(jié)構(gòu)演變過(guò)程中，采用YSU方案和ACM2方案模擬的溫度和風(fēng)速垂直擴(kuò)線形式與觀測(cè)結(jié)果更為接近；同樣采用非局地閉合的YSU方案和同時(shí)考慮局地和非局地閉合的ACM2方案，對(duì)于邊界層高度內(nèi)O3濃度垂直分布形式的模擬效果具有明顯優(yōu)勢(shì)。

邊界層參數(shù)化方案; O3; 數(shù)值模擬

引 言

大氣邊界層位于受地面影響強(qiáng)烈的對(duì)流層底部，是地氣相互作用和大氣污染的主要發(fā)生地，湍流垂直交換顯著。邊界層湍流有利于污染物在邊界層內(nèi)擴(kuò)散，邊界層高度決定了污染物擴(kuò)散的有效空氣體積，邊界層結(jié)構(gòu)日變化規(guī)律影響著大氣污染物濃度的日變化特征[1]。邊界層參數(shù)化方案是數(shù)值模式解析大氣湍流運(yùn)動(dòng)、計(jì)算邊界層內(nèi)熱量、動(dòng)量等湍流脈動(dòng)物理量通常采用的方法，它不僅是氣象模式的重要組成部分[2-5]，也是空氣污染模式的重要基礎(chǔ)[6-7]。

因此，針對(duì)數(shù)值模式中不同邊界層參數(shù)化方案對(duì)污染物擴(kuò)散模擬的影響問(wèn)題受到了廣泛關(guān)注。如利用MRF(Medium-Range Forecast)[8],PC(Pleim-Chang)[9]以及GS(Gayno-Seaman)[10]方案對(duì)沿海城市光化學(xué)污染的模擬研究顯示，GS方案模擬的邊界層高度最低、氣溫最高且風(fēng)速最弱，導(dǎo)致O3濃度的模擬結(jié)果最高；楊貴成[11]利用WRF-Chem模式，采用YSU和MYJ兩種邊界層方案模擬研究了一次沙塵天氣過(guò)程中污染物濃度變化，指出在熱通量對(duì)整個(gè)過(guò)程不具決定性影響的情況下，MYJ方案對(duì)地面PM10隨時(shí)間變化特征的模擬與實(shí)況更接近；Cheng等[12]利用WRF模式中YSU和MYJ兩種參數(shù)化方案模擬的氣象場(chǎng)驅(qū)動(dòng)空氣質(zhì)量模式CMAQ，分析了不同參數(shù)化方案產(chǎn)生的氣象場(chǎng)對(duì)CMAQ 模擬結(jié)果的影響，結(jié)果表明:各邊界層方案對(duì)中國(guó)臺(tái)灣污染物濃度分布的影響在不同天氣系統(tǒng)條件下有很大差異；王穎等[13]采用同樣方法，對(duì)蘭州西固地區(qū)冬季污染物濃度進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明:WRF 模式的邊界層參數(shù)化方案選為局地與非局地閉合方案ACM2時(shí)，模擬的氣象場(chǎng)驅(qū)動(dòng)CMAQ 模式得到的空氣污染物濃度分布特征最優(yōu)。

Hu等[14]評(píng)估了不同WRF-Chem版本中YSU參數(shù)化方案改進(jìn)對(duì)夜間邊界層結(jié)構(gòu)及O3濃度模擬效果的影響。這些研究工作主要集中在氣象模式中不同參數(shù)化方案對(duì)空氣質(zhì)量模式模擬地面污染物濃度的影響，對(duì)污染物濃度在邊界層內(nèi)垂直分布模擬效果影響的報(bào)道不多。此外，盡管在邊界層過(guò)程影響污染物濃度分布方面已經(jīng)達(dá)成了共識(shí)，但在不同方案的優(yōu)劣及適用性方面仍有待進(jìn)一步研究。

相比于一次排放污染物而言，O3作為光化學(xué)生成的二次產(chǎn)物，受太陽(yáng)輻射條件及大氣化學(xué)垂直過(guò)程的影響，其邊界層物理化學(xué)過(guò)程具有明顯的日變化特征。表現(xiàn)為白天地面O3化學(xué)生成，在湍流作用下向上傳輸；夜間地面O3受NO滴定消耗，在穩(wěn)定邊界層結(jié)構(gòu)的作用下地面以上形成O3殘留層，次日殘留層可以被下混運(yùn)動(dòng)帶到地面，使地面的O3濃度升高、影響近地層光化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程[15]。已有研究中，模式對(duì)于白天O3濃度高值模擬效果的改進(jìn)取得了重要進(jìn)展[16]，然而對(duì)于夜間O3低值的模擬偏高仍然是空氣質(zhì)量數(shù)值模式普遍面臨的問(wèn)題[17]，其中模式對(duì)于邊界層結(jié)構(gòu)模擬的偏差是導(dǎo)致這種情況的重要原因之一[18]。

本文著重研究不同邊界層參數(shù)化方案對(duì)于邊界層結(jié)構(gòu)模擬效果影響污染物濃度的角度，采用WRF-Chem區(qū)域化學(xué)傳輸模式中3種不同邊界層方案(局地MYJ方案、非局地YSU方案以及同時(shí)考慮局地和非局地閉合的ACM2方案)，針對(duì)污染物擴(kuò)散起關(guān)鍵作用的地面溫度場(chǎng)及風(fēng)場(chǎng)、熱力及動(dòng)力層結(jié)以及污染物濃度的垂直分布形式進(jìn)行模擬，并與觀測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比，分析模式中不同PBL參數(shù)化方案對(duì)近地面O3濃度分布的模擬效果，以期為空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報(bào)模式在區(qū)域性光化學(xué)污染預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 資料選取及模擬參數(shù)介紹

1.1 觀測(cè)資料

固城站(39°08′N，115°40′E，海拔為15.2 m)位于華北平原北部的河北省定興縣固城鎮(zhèn)境內(nèi)，其東北、西南和東面分別有北京、保定(西南方向更遠(yuǎn)有石家莊、太原)和天津等大中城市。其中，距離北京市區(qū)約110 km，距離保定市區(qū)約35 km，距離天津市區(qū)約130 km。有關(guān)站點(diǎn)的詳細(xì)信息以及地面O3觀測(cè)方法詳見(jiàn)文獻(xiàn)[19]，觀測(cè)站分布見(jiàn)圖1。

圖1 模擬區(qū)域及觀測(cè)站分布Fig.1 Spatial coverage of the WRF-Chem simulation and the location of monitoring stations

地面氣象要素觀測(cè)資料取自于華北區(qū)域地面自動(dòng)氣象站監(jiān)測(cè)結(jié)果，資料時(shí)間間隔為1 h；溫度、風(fēng)速及O3濃度的垂直廓線通過(guò)系留艇觀測(cè)獲得，具體觀測(cè)方法見(jiàn)文獻(xiàn)[20]。

1.2 WRF-Chem模式設(shè)置

WRF 模式是由NCAR 及NOAA 聯(lián)合一些大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)的中尺度預(yù)報(bào)模式同化系統(tǒng)。在線大氣化學(xué)模式WRF-Chem 是將化學(xué)模塊與WRF 模式相耦合，模式中考慮了大氣污染物的平流輸送、湍流擴(kuò)散、干濕沉降、輻射傳輸?shù)戎饕髿馕锢磉^(guò)程，以及多相化學(xué)、氣溶膠演變等大氣化學(xué)過(guò)程。

本文研究采用WRF-Chem V3.5版本，氣相化學(xué)過(guò)程采用CBMZ方案[21]；光解過(guò)程由Fast-J 方法[22]在線計(jì)算，每半小時(shí)為氣相化學(xué)模塊更新1次光解率；氣溶膠過(guò)程采用包含了液相化學(xué)反應(yīng)的MOSAIC模型[23]。主要物理過(guò)程方案設(shè)置如下：積云對(duì)流參數(shù)化方案采用Kain[24]改進(jìn)方案；微物理過(guò)程采用Lin方案[25]；長(zhǎng)波輻射RRTM方案[26]；短波輻射Dudhia方案[27]；表面層方案需要和邊界層方案配合使用，對(duì)MYJ方案使用ETA表面層方案[28]，YSU方案和ACM2方案對(duì)應(yīng)MM5表面層方案[29]；模式陸面過(guò)程采用Noah 參數(shù)化方案[30]。

模式采用Lambert 地圖投影方式，水平分辨率為9 km，中心點(diǎn)經(jīng)緯度為39.2°N，116°E，經(jīng)向132個(gè)格點(diǎn)，緯向123個(gè)格點(diǎn)，模式層頂設(shè)置為50 hPa，垂直方向分37 層，模式低層σ值分別為1.0，0.995，0.990，0.985，0.980，0.970，0.960，0.950，0.940，0.930，0.920，0.910，0.900，0.895，0.890，0.880，0.865，0.850和0.800，對(duì)應(yīng)的模式層距地面高度分別約為21，63，105，149，213，300，388，477，567，657，748，839，908，954，1024，1142，1284，1478 m及1724 m。模擬區(qū)域及觀測(cè)站點(diǎn)如圖1所示。本文研究重點(diǎn)關(guān)注晴空、穩(wěn)定的天氣條件下邊界層結(jié)構(gòu)模擬效果對(duì)近地面O3濃度分布的影響。模擬時(shí)段為2013年8月24日20：00(北京時(shí)，下同)—27日20：00，選取26日20：00—27日20：00的模擬結(jié)果進(jìn)行分析。8月26—27日地面受較弱的氣壓場(chǎng)控制，天空云量較少，地面平均風(fēng)速為2.5 m/s，為晴空、穩(wěn)定的天氣條件。

模式采用的人為污染物排放源清單來(lái)自INTEX-B (Intercontinental Chemical Transport Experiment-Phase B)[31]計(jì)劃，該清單以2006年為基準(zhǔn)，分辨率為0.5°，本研究是在該清單基礎(chǔ)上，由該清單研發(fā)小組發(fā)展至2008年、水平分辨率為0.1°的排放源數(shù)據(jù)。模式所用生物源排放由MEGAN (Model of Emissions of Gases and Aerosols from Nature)[32]模型在線計(jì)算得出。氣象驅(qū)動(dòng)場(chǎng)的初始條件和邊界條件采用NCEPFNL全球1°×1°的再分析資料，時(shí)間分辨率為6 h。

1.3 邊界層參數(shù)化方案

本研究采用WRF V3.5中給出的YSU，MYJ和ACM2 3種邊界層方案。其中，YSU方案是非局地K理論方案，該方案由MRF(Medium Range Forecast)方案改進(jìn)得來(lái)，控制方程中加入了反梯度項(xiàng)表示非局地通量，通過(guò)理查遜數(shù)臨界值的增大提升穩(wěn)定邊界層的混合過(guò)程[33]，邊界層高度由理查遜數(shù)為零的臨界高度確定。MYJ方案是一種局地閉合方案，通過(guò)湍流閉合方法描述表面層以上的湍流運(yùn)動(dòng)，湍流擴(kuò)散系數(shù)依據(jù)湍流動(dòng)能計(jì)算，邊界層高度根據(jù)湍流動(dòng)能廓線確定[34]。ACM2 方案是一種同時(shí)考慮局地閉合和非局地閉合的參數(shù)化方案，它是在ACM1(Asymmetric Convective Model)方案基礎(chǔ)上，增加局地湍流輸送發(fā)展而來(lái)，可描述由浮力作用引起的氣塊向上輸送和局地湍流交換，該方案采用理查遜數(shù)方法確定邊界層高度，不穩(wěn)定條件下邊界層高度的確定考慮夾卷層的熱力穿透和風(fēng)切變。不同邊界層參數(shù)化方案處理方法的對(duì)比，詳見(jiàn)文獻(xiàn)[13]。

2 結(jié)果分析

2.1 溫度及風(fēng)速區(qū)域分布特征

2.1.1 模擬溫度與觀測(cè)對(duì)比

為了檢驗(yàn)不同PBL(planetary boundary layer,邊界層)參數(shù)化方案對(duì)地面氣象場(chǎng)的模擬效果，利用2013年8月27日00:00和15:00測(cè)點(diǎn)周邊區(qū)域124個(gè)自動(dòng)氣象站觀測(cè)資料以及8月26日20:00—27日20:00觀測(cè)溫度及風(fēng)速的連續(xù)監(jiān)測(cè)資料，將不同PBL參數(shù)化方案模擬結(jié)果與觀測(cè)進(jìn)行對(duì)比(圖2和圖3)。分析結(jié)果顯示，3種PBL參數(shù)化方案模擬的白天和夜間溫度場(chǎng)空間分布特征一致、分布形狀與觀測(cè)基本吻合；就區(qū)域范圍而言(圖2)，3種PBL參數(shù)化方案均對(duì)夜間及午后溫度模擬偏高；由固城站看，3種邊界層方案對(duì)站點(diǎn)溫度的模擬結(jié)果一致，與觀測(cè)接近(圖3)。

圖2 不同PBL參數(shù)化方案對(duì)2013年8月27日夜間(00:00)及午后(15:00)溫度場(chǎng)模擬結(jié)果與觀測(cè)對(duì)比(色階底圖為模擬結(jié)果，實(shí)心圓點(diǎn)代表觀測(cè)結(jié)果)Fig.2 Comparison of the near-surface temperature at 0000 BT and 1500 BT on 27 Aug 2013 simulated by different PBL schemes with observation(simulated and observed values are indicated by shaded base graphics and shaded circles, respectively)

續(xù)圖2

圖3 2013年8月固城站不同PBL參數(shù)化方案模擬溫度與觀測(cè)對(duì)比Fig.3 Comparison of temperature simulated by different PBL schemes with observation at Gucheng Station in Aug 2013

2.1.2 模擬風(fēng)場(chǎng)與觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)對(duì)比

3種PBL參數(shù)化方案模擬的白天和夜間地面風(fēng)速場(chǎng)分布一致，基本模擬出了白天海拔較低的平原地區(qū)地面風(fēng)速較小、海拔較高的地區(qū)地面風(fēng)速較大的分布特征(圖4)，與觀測(cè)對(duì)比，3種方案對(duì)于地面風(fēng)速的模擬普遍偏高(個(gè)別點(diǎn)偏低)，導(dǎo)致這種情況的主要原因是目前采用的模式未詳細(xì)考慮地表摩擦過(guò)程(如城市建筑物等)對(duì)風(fēng)速的影響，該結(jié)果與已有研究報(bào)道一致[2,13]。對(duì)比不同PBL參數(shù)化方案對(duì)測(cè)點(diǎn)10 m 風(fēng)速日變化的模擬結(jié)果(圖5)，YSU方案略優(yōu)于MYJ方案和ACM2方案。

圖4 不同PBL參數(shù)化方案對(duì)2013年8月27夜間(00:00)及午后(15:00)地面風(fēng)速場(chǎng)模擬結(jié)果與觀測(cè)對(duì)比(色階底圖為模擬結(jié)果，實(shí)心圓點(diǎn)代表觀測(cè)結(jié)果)Fig.4 Comparison of the near-surface wind speed at 0000 BT and 1500 BT on 27 Aug 2013 simulated by different PBL schemes with observation(simulated and observed values are indicated by shaded base graphics and shaded circles, respectively)

圖5 2013年8月固城站不同PBL參數(shù)化方案模擬地面風(fēng)速與觀測(cè)對(duì)比Fig.5 Comparison of the diurnal change of near-surface wind speed simulated by different PBL schemes with observation at Gucheng Station in Aug 2013

2.2 夜間及日出前后邊界層垂直結(jié)構(gòu)

圖6顯示了3種PBL參數(shù)化方案模擬的8月26日夜間至27日上午溫度及風(fēng)速垂直廓線變化與觀測(cè)對(duì)比。26日20:00出現(xiàn)接地逆溫，3種PBL參數(shù)化方案均模擬出這種溫度廓線結(jié)構(gòu)；日出后， 27日07:00接地逆溫逐漸消失， 地面至200 m為等溫層，200～300 m仍為逆溫層；此后，隨著太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)，加熱了低層大氣，地表不斷增溫，27日09:00貼地等溫層消失，地面至300 m溫度隨高度遞減，但溫度梯度較小，此時(shí)300～600 m為等溫層，其上600～700 m為淺薄的逆溫層；盡管27日10:00低層逆溫消失，但大氣垂直溫度遞減率很小，且在600～800 m仍存在等溫層，表明盡管低層大氣隨著地面的加熱出現(xiàn)擾動(dòng)，但垂直方向上仍維持較為穩(wěn)定的狀態(tài)。風(fēng)速的垂直分布特征與溫度結(jié)構(gòu)吻合，26日20:00—27日07:00， 1000 m以下近乎為等風(fēng)速層，風(fēng)速很小，維持在2 m·s-1左右；27日09:00和10:00 800 m以上風(fēng)速明顯增強(qiáng)，800 m以下仍為小風(fēng)速層。3種PBL參數(shù)化方案均能近似模擬出穩(wěn)定邊界層夜間及日出前后熱力層結(jié)的變化特征，相比而言，YSU方案和ACM2方案的模擬結(jié)果與觀測(cè)的溫度層結(jié)結(jié)構(gòu)更為接近，風(fēng)速擴(kuò)線形式的模擬同樣略顯優(yōu)勢(shì)。表明在穩(wěn)定的邊界層條件下，物質(zhì)和能量的交換以局地為主，此時(shí)考慮非局地閉合方案MYJ的模擬優(yōu)勢(shì)則不明顯。需要指出的是，與觀測(cè)溫度及風(fēng)速垂直廓線相比，3種PBL參數(shù)化方案對(duì)溫度的模擬整體偏低，對(duì)風(fēng)速的模擬整體偏高。

2.3 近地面O3濃度垂直分布特征變化

O3作為光化學(xué)生成的二次污染物，其在邊界層大氣中的物理化學(xué)過(guò)程在白天與夜間截然不同，白天以近地面O3光化學(xué)生成并向高空傳輸為主，夜間以近地面NO滴定效應(yīng)導(dǎo)致的O3消耗以及高層向下沉降補(bǔ)充為主。這一顯著的物理化學(xué)過(guò)程日變化特征，使數(shù)值模式對(duì)于近地層O3濃度的模擬效果強(qiáng)烈依賴于邊界層結(jié)構(gòu)模擬的優(yōu)劣。

圖7顯示8月26日20夜間至27日上午邊界層O3垂直分布形式的模擬與觀測(cè)對(duì)比。26日20：00由于逆溫層的形成，近地面氣團(tuán)與上層空氣隔絕，逆溫層內(nèi)部O3在NO的滴定作用下濃度迅速降低，逆溫層上部，由于地面排放的NO向上擴(kuò)散被抑制，滴定作用減弱，對(duì)O3的消耗降低。因此，穩(wěn)定邊界層條件下，夜間O3濃度垂直廓線表現(xiàn)為近地面O3濃度隨高度的上升而升高，在逆溫層以上形成O3殘留層。圖7顯示，3種PBL參數(shù)化方案都模擬出了26日20：00近地面O3濃度隨高度遞增的垂直分布特征。這種情況一直維持至次日日出后，至27日07：00， O3濃度垂直分布觀測(cè)顯示，地面至100 m為O3等濃度層，其濃度水平與夜間地面O3濃度接近(約20×10-9)。此時(shí)，由于短暫日出對(duì)地表的加熱作用，地表附近出現(xiàn)了輕微擾動(dòng)，使近地面的O3在垂直方向出現(xiàn)微弱混合。此后，隨著太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)，地面增溫、擾動(dòng)增強(qiáng)，從27日09:00和10:00觀測(cè)得到的O3垂直分布形式看，近地面O3等濃度層不斷升高，從07:00的100 m及09:00的300 m，至10:00達(dá)到500 m左右，這種日出前后O3濃度垂直分布的特征與3.2節(jié)大氣相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)吻合。3種PBL參數(shù)化方案的模擬結(jié)果對(duì)比顯示，YSU方案和ACM2方案的模擬效果優(yōu)于MYJ方案，特別對(duì)日出后(09:00和10:00)近地面O3等濃度層的模擬效果明顯優(yōu)于MYJ方案。

進(jìn)一步對(duì)8月26日20:00—27日20:00 3種PBL參數(shù)化方案模擬得到的固城站上空O3濃度垂直分布形式，以及邊界層高度的逐時(shí)變化進(jìn)行分析(圖8)，結(jié)果顯示：MYJ方案模擬的夜間邊界層高度高于YSU方案和ACM2方案，邊界層的升高會(huì)降低地面NO濃度，減弱滴定作用，從而導(dǎo)致采用該方案對(duì)夜間地面O3濃度模擬偏高(圖7中8月26日20:00)。YSU方案和ACM2方案模擬的夜間邊界層高度相近，但日出后，采用YSU方案模擬得到的邊界層高度發(fā)展較緩，且白天最大邊界層高度低于其余兩種方案。著重分析日出后測(cè)點(diǎn)上空O3濃度的垂直分布形式得到，觀測(cè)資料顯示8月27日09:00和10:00近地面O3等濃度層分別達(dá)到300 m和500 m左右，圖8顯示采用YSU方案和ACM2方案模擬得到的O3垂直分布形式與圖7中觀測(cè)吻合，而MYJ方案的模擬結(jié)果顯示至27日11:00左右，近地面O3濃度隨高度遞增的分布形式才得以打破。

圖6 2013年8月固城站不同PBL參數(shù)化方案模擬近地層溫度和風(fēng)速垂直廓線與觀測(cè)對(duì)比Fig.6 Comparison of temperature and wind speed profiles simulated by different PBL schemes with observations at Gucheng Station in Aug 2013

圖7 2013年8月固城站不同PBL參數(shù)化方案模擬近地層O3濃度垂直廓線與觀測(cè)對(duì)比Fig.7 Comparison of the vertical distribution of ozone concentrations simulated by different PBL schemes with observations at Gucheng Station in Aug 2013

圖8 2013年8月不同PBL參數(shù)化方案模擬固城站上空邊界層高度及O3濃度垂直分布Fig.8 Variation of planetary boundary layer height and O3 vertical distributions simulated by MYJ, YSU and ACM2 schemes at Gucheng Station in Aug 2013

續(xù)圖8

需要指出的是，YSU方案和ACM2方案對(duì)于日出后近地面O3濃度垂直分布形式的模擬效果優(yōu)于MYJ方案。主要原因在于日出后地表吸收太陽(yáng)輻射導(dǎo)致自由熱對(duì)流發(fā)展，物質(zhì)和能量的輸送不僅限于局地，非局地氣象條件在污染物的分布和擴(kuò)散中起到十分重要的作用，故此時(shí)采用非局地閉合的YSU方案和同時(shí)考慮局地和非局地閉合的ACM2方案，對(duì)于邊界層中污染物濃度分布的模擬具有明顯優(yōu)勢(shì)，而穩(wěn)定的夜間邊界層條件下,該方案模擬優(yōu)勢(shì)不明顯。本研究結(jié)果可能更適用于穩(wěn)定邊界層打破后的大氣層結(jié)條件，受邊界層垂直觀測(cè)資料欠缺的制約，特別是氣象和污染物同步加密探空資料的匱乏，對(duì)于復(fù)雜氣象條件下的各邊界層方案模擬效果的驗(yàn)證還有待進(jìn)一步開(kāi)展。

3 結(jié) 論

利用WRF-Chem模式，采用不同PBL參數(shù)化方案YSU，MYJ 和ACM2，對(duì)夏季晴空、靜穩(wěn)的天氣個(gè)例進(jìn)行模擬，并利用觀測(cè)資料對(duì)比檢驗(yàn)了不同PBL參數(shù)化方案對(duì)于地面及邊界層溫度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)的模擬效果，著重分析了各PBL參數(shù)化方案對(duì)于夜間殘留層及日出前后O3濃度垂直分布形式變化的模擬能力，得到以下結(jié)論：

1) WRF-Chem模式提供的3種PBL參數(shù)化方案(YSU，MYJ和ACM2)均能近似模擬出溫度場(chǎng)、風(fēng)速場(chǎng)的區(qū)域分布形式以及風(fēng)溫垂直結(jié)構(gòu)的變化特征，但3種方案對(duì)地面溫度模擬普遍偏高、風(fēng)速模擬普遍偏大。

2) 相比之下，MYJ方案模擬的夜間邊界層高度較YSU方案和ACM2方案明顯偏高，可能是導(dǎo)致近地面污染物濃度模擬差異的重要原因。

3) 在夜間穩(wěn)定邊界層及日出后邊界層穩(wěn)定狀態(tài)打破的大氣層結(jié)條件下，采用非局地閉合的YSU方案和同時(shí)考慮局地和非局地閉合的ACM2方案，對(duì)于邊界層演變過(guò)程影響O3濃度垂直分布形式的模擬具有明顯優(yōu)勢(shì)。對(duì)于復(fù)雜氣象條件下的各邊界層方案模擬效果的驗(yàn)證還有待進(jìn)一步開(kāi)展。

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The Effect of Different Planetary Boundary Layer Schemes on the Simulation of Near Surface O3Vertical Distribution

Xu Jing1)2)Ma Zhiqiang1)2)Zhao Xiujuan1)2)Zhang Xiaoling1)2)

1)(InstituteofUrbanMeteorology,CMA,Beijing100089)2)(EnvironmentalMeteorologyForecastCenterofBeijing-Tianjin-Hebei,Beijing100089)

Located at the base of the troposphere and affected strongly by ground surface, the planetary boundary layer (PBL) is the main passage of air-land interaction and air pollution. The PBL affects the momentum and heat exchange between the ground and atmosphere through the surface force and turbulence transport. The concentration of pollutants on the ground depends on the vertical mixing state of the atmosphere. Thus, the boundary layer parameterization scheme is not only the important part of numerical model for weather forecast, but also the important foundation of air pollution numerical model. A variety of boundary layer parameterization schemes of physical process are developed, which have different effects on the ground meteorological field and pollutant diffusion. To further understand how the boundary layer processes affect the mixing and transport of air pollutants, a sensitivity experiment is designed and the WRF-Chem model with different PBL schemes(MYJ, YSU and ACM2) is utilized to simulate the PBL structures and O3vertical distributions on a cloudless and steady day (26-27 Aug 2013). Simulations of temperature field and wind speed field using different PBL schemes are compared to observations. The analysis focuses on the difference of simulations of residual layer formation at night and O3vertical distribution after sunrise using different PBL schemes. Simulations are compared with the radiosonde data of ozone at Gucheng Station. Results show that the regional distribution characteristics and vertical structures of the temperature and wind speed can be well simulated by all these three PBL parameterization schemes, but the simulation of the ground temperature and wind speed are generally on the high side. The nighttime boundary layer height simulated by MYJ scheme is much higher than those simulated by YSU and ACM2 schemes, leading to the difference in near surface pollutants concentration. In the evolution process of the boundary layer structure from stable state in nighttime to slightly disturbance state after sunrise, the vertical temperature and wind structures simulated by YSU and ACM2 schemes are more consistent with observations. Simulations on effects of boundary layer process upon O3vertical distribution using YSU and ACM2 schemes also have obvious advantages over MYJ scheme. It should be noted that the simulation is only on a clear and steady weather case, and for complex weather conditions, effects of boundary layer schemes need further verification.

planetary boundary layer scheme; ozone; numerical simulation

10.11898/1001-7313.20150506

北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(8132025)，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41105092,41305130)，城市氣象科學(xué)研究基金項(xiàng)目(UMRF2013(LH)07)， 氣象關(guān)鍵技術(shù)集成與應(yīng)用(面上)項(xiàng)目(CMAGJ2014M01)，中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金項(xiàng)目(IUMKY201311PP0401)。

徐敬,馬志強(qiáng),趙秀娟,等. 邊界層方案對(duì)華北低層O3垂直分布模擬的影響. 應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2015，26(5)：567-577.

2015-01-09收到， 2015-05-25收到再改稿。

* 通信作者, email: mazhqsos@163.com