中衛(wèi)市臭氧污染氣象條件及環(huán)流特征分析

張澤瑾，李曉攀，高 媛，劉智賢

（1.中衛(wèi)市氣象局，寧夏中衛(wèi)755000；2.寧夏氣象臺，寧夏銀川750002；3.中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)氣象局，寧夏中衛(wèi)755000）

臭氧層可以吸收地球外的紫外輻射，使人們免受其危害?？傻趸铮∟Ox）和揮發(fā)性有機污染物（VOCs）通過光化學(xué)反應(yīng)生成的近地面臭氧卻嚴(yán)重威脅著地球生物。隨著城市化、工業(yè)化進程的高速發(fā)展，揮發(fā)性有機物和氮氧化物等臭氧前體物排放量與日俱增，臭氧污染日趨嚴(yán)重。而近地面臭氧濃度除了取決于臭氧前體物和揮發(fā)性有機物的含量，也與氣象條件密不可分。因此，分析研究氣象條件和臭氧污染間的內(nèi)在關(guān)系顯得至關(guān)重要。

國內(nèi)大量監(jiān)測和研究表明，臭氧濃度有明顯的季節(jié)性變化和日變化特征[1-4]，白天中午后濃度最高，夜間降低，呈明顯的單峰型特征；臭氧質(zhì)量濃度變化與溫度呈正相關(guān)，與相對濕度呈負(fù)相關(guān)。高溫低濕、強太陽輻射、近地面風(fēng)速小均有利于局地臭氧的生成和累積。臭氧超標(biāo)時段多對應(yīng)高溫、低濕、高壓系統(tǒng)控制的天氣條件[5]。

中衛(wèi)市地處寧夏回族自治區(qū)中西部，西北部緊貼騰格里沙漠，氣候干燥，日照充足，太陽輻射強，為臭氧前體物的轉(zhuǎn)化提供了有利的氣象條件。在高溫、強光輻射的作用下，臭氧已然成為中衛(wèi)市夏季大氣環(huán)境的主要污染物。本文利用2019年中衛(wèi)市區(qū)臭氧監(jiān)測小時濃度數(shù)據(jù)和同期相關(guān)氣象要素數(shù)據(jù)，分析中衛(wèi)市臭氧變化特征以及氣象影響因素，在對高濃度臭氧污染發(fā)生時段典型氣象特征診斷分析的基礎(chǔ)上，初步總結(jié)出中衛(wèi)市高濃度臭氧污染氣象要素及典型環(huán)流特征，以期為中衛(wèi)市臭氧污染預(yù)測預(yù)報提供參考依據(jù)，對中衛(wèi)市開展臭氧污染防治工作提供數(shù)據(jù)支撐。

1 數(shù)據(jù)資料來源

O3質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)來源于中衛(wèi)市環(huán)境監(jiān)測站，本文用官橋站、環(huán)保局站和沙坡頭消防站3個國控站點2019年的小時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，1 h濃度平均值是指該點在1 h內(nèi)所測項目濃度的算術(shù)平均值?？諝赓|(zhì)量狀況描述參照新國標(biāo)及《環(huán)境空氣質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范(試行)》[6]的有關(guān)規(guī)定。

日照、氣溫、輻照度、相對濕度等氣象要素數(shù)據(jù)來源于中衛(wèi)國家基本氣象觀測站，500 hPa位勢高度場及地面氣壓場數(shù)據(jù)來源于MICAPS4實況資料，用于分析臭氧質(zhì)量濃度與氣象條件及環(huán)流背景的關(guān)系。

2019年7月12日和7月13日為典型臭氧污染日，中衛(wèi)市環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測國控點均出現(xiàn)臭氧濃度超標(biāo)，即O3最大1 h平均質(zhì)量濃度＞200μg/m3。

2 結(jié)果與分析

2.1 中衛(wèi)市臭氧污染時間分布特征

從圖1可以看出，春夏季臭氧濃度明顯高于秋冬季，O3月平均濃度較高的月份為4—8月，其峰值出現(xiàn)在7月。這是因為光化學(xué)煙霧多發(fā)生在陽光強烈的夏季，致使環(huán)境空氣中的臭氧濃度迅速增加。

圖1 中衛(wèi)市臭氧濃度月變化特征

從圖2可以看出，O3濃度日變化態(tài)勢呈明顯的“單峰型”。臭氧濃度白天明顯高于夜間，變化也較為劇烈，08時以后臭氧濃度逐步增加，峰值出現(xiàn)在14—18時，19時之后臭氧濃度逐漸減少。這是由于中衛(wèi)市夏季日出時間一般在6點之前，日落時間一般在19時之后，日照時間長；氣溫08時開始大幅上升，19時開始緩慢下降，氣溫較高時段拉長，下午時段的溫度和太陽輻射均為整日最高，同時也是低濕時段，進而引發(fā)明顯的光化學(xué)反應(yīng)[7]。

圖2 中衛(wèi)市臭氧濃度日變化特征

綜上所述，一年當(dāng)中的夏季和一天當(dāng)中的午后是臭氧濃度最高的時候。一是因為高溫，二是因為光照和前體物比較充足。溫度越高、日照時間越長，有機污染物揮發(fā)量越大、臭氧前體物發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)程度越充分，臭氧濃度也越高。在高溫晴好的天氣狀況下，常對應(yīng)出現(xiàn)較低的相對濕度條件[8]。故高溫、低濕、強輻射的綜合作用致使夏季午后臭氧濃度高值長時間維持。

2.2 高濃度臭氧污染日氣象要素特征

從表1可以看出，溫度越高、日照時間越長、紫外輻射越強、相對濕度越小，臭氧濃度越高，高值維持時間越長。余鐘奇等[9]研究表明，溫度越高，太陽輻射越強，光化學(xué)反應(yīng)越劇烈，致使近地面層的臭氧含量增加。

表1 7月13日日出到日落O3濃度與相關(guān)氣象觀測數(shù)據(jù)

根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095-2012）規(guī)定，當(dāng)“1小時均值”＞200μg/m3時，為臭氧超標(biāo)。分析臭氧超標(biāo)日三站臭氧濃度與氣溫、相對濕度、風(fēng)速、風(fēng)向的相關(guān)性特征，如圖3、圖4、圖5、圖6所示，臭氧濃度與溫度和濕度線性相關(guān)，與溫度呈正相關(guān)，與相對濕度呈負(fù)相關(guān)，且相關(guān)性好。當(dāng)氣溫大于29℃時，相對濕度小于40%時，臭氧濃度易超標(biāo)（見圖3、圖4）。這是因為溫度較高、相對濕度偏低利于促進光化學(xué)反應(yīng)和O3的生成[10]。臭氧濃度和風(fēng)速沒有明顯的線性關(guān)系，但風(fēng)對臭氧濃度的變化有著重要影響。風(fēng)速小，反映出全天較穩(wěn)定的大氣環(huán)境，有利于臭氧濃度的積累，輕風(fēng)或微風(fēng)可以使大氣邊界層高度增加，上下層臭氧相混合，從而使近地層臭氧質(zhì)量濃度增加[11]（見圖5）；當(dāng)風(fēng)向為偏東風(fēng)和偏南風(fēng)時，臭氧濃度較高（見圖6），在中衛(wèi)市東至東偏北方向有化工廠分布，偏東風(fēng)使得上述區(qū)域排放的污染物通過氣團向中衛(wèi)城區(qū)輸送；而偏南風(fēng)有利于近地面午后迅速升溫，在高溫和強太陽輻射作用下，易造成午后臭氧濃度出現(xiàn)高值[7]。

從以上分析可以看出，夏季午后是高濃度臭氧污染事件的易發(fā)時段，而午后典型氣象要素特征體現(xiàn)為太陽輻射強、氣溫高、濕度低、風(fēng)速較大（微風(fēng)）。從高濃度臭氧污染發(fā)生時的氣象條件來看：當(dāng)午后近地面太陽紫外線輻射強度大于30 W/m2、氣溫大于29℃、相對濕度低于40%、風(fēng)速小于4 m/s、風(fēng)向為偏東或偏南風(fēng)時，中衛(wèi)市易發(fā)生以臭氧濃度高值為標(biāo)志的光化學(xué)污染事件。

圖3 O3-1 h濃度與氣溫的相關(guān)性特征

圖4 O3-1 h濃度與相對濕度的相關(guān)性特征

圖5 O3-1 h濃度與風(fēng)速的相關(guān)性特征

圖6 O3-1 h濃度與風(fēng)向的相關(guān)性特征

2.3 典型臭氧污染日環(huán)流背景特征

通過對2019年中衛(wèi)市區(qū)高濃度臭氧污染發(fā)生時段500 hPa及地面環(huán)流背景特征進行分析（見圖7、圖8），發(fā)現(xiàn)當(dāng)500 hPa受較為強大的大陸高壓控制、處于西北氣流里，地面上受發(fā)展強大的熱低壓控制時，臭氧污染程度較嚴(yán)重。這是由于高壓脊穩(wěn)定，無冷空氣入侵，暖高壓控制下盛行下沉氣流，天氣晴朗少云，太陽輻射長時間作用于地面，使其存儲了大量熱能，利于近地層快速升溫；當(dāng)?shù)孛媸軣岬蛪嚎刂茣r，中衛(wèi)市為正變溫負(fù)變壓區(qū)域，濕度降低，地面吹偏南風(fēng)有利于溫度升高。有利的環(huán)流背景使得近地層溫度升高、濕度減小，強烈的太陽輻射使集聚的臭氧前體物光化學(xué)反應(yīng)加快，造成中衛(wèi)市臭氧污染。

圖7 7月13日08時500 hPa環(huán)流形勢

圖8 7月13日08時地面環(huán)流形勢

3 結(jié)論與不足

中衛(wèi)市近地面O3濃度月變化和日變化都呈單峰型。春夏季高于秋冬季，月濃度峰值出現(xiàn)在夏季7月；臭氧濃度白天高于夜間，日臭氧濃度峰值出現(xiàn)在下午14—18時。

臭氧濃度與太陽輻射、溫度和日照時間呈正相關(guān)，紫外輻射越強、溫度越高、日照時間越長，臭氧濃度越大；與相對濕度呈負(fù)相關(guān)，相對濕度越小，臭氧濃度越大。從臭氧超標(biāo)日的氣象條件來看，當(dāng)夏季午后近地面太陽紫外線輻射強度大于30 W/m2、氣溫大于29℃、相對濕度低于40%、風(fēng)速小于4 m/s、風(fēng)向為偏東或偏南風(fēng)時，中衛(wèi)市易發(fā)生以臭氧濃度高值為標(biāo)志的光化學(xué)污染事件。

當(dāng)環(huán)流形勢為500 hPa受較為強大的大陸高壓控制、處于西北氣流里，地面上受發(fā)展強大的熱低壓控制時，中衛(wèi)市天氣以晴為主，氣溫較高，太陽輻射較強，相對小風(fēng)，利于臭氧前體物濃度積聚并發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，易出現(xiàn)高濃度臭氧污染。

因為條件限制，本文只選用了1年的數(shù)據(jù)，研究時間短且資料不全；加之受2019年氣候的影響，中衛(wèi)市夏季涼爽，高溫日數(shù)少，降水偏多，日照時數(shù)偏少，副高影響小，且臭氧濃度不僅受氣象條件影響，還與顆粒物及其前體物有密切關(guān)系。故所得到的結(jié)論是初步的，揭示氣象條件及環(huán)流特征對中衛(wèi)市臭氧污染的影響尚有大量的工作需要補充。