偏低氣溫下的O3污染特征及其主要?dú)庀蟪梢?/h1>
2021-10-26 13:29:50毛卓成許建明瞿元昊谷怡萱楊丹丹
中國(guó)環(huán)境科學(xué) 2021年10期
毛卓成,許建明,瞿元昊,潘 亮,谷怡萱,楊丹丹
偏低氣溫下的O3污染特征及其主要?dú)庀蟪梢?/p>
毛卓成1,2*,許建明1,2,瞿元昊1,2,潘 亮1,2,谷怡萱1,2,楊丹丹1,2
(1.長(zhǎng)江三角洲環(huán)境氣象預(yù)報(bào)預(yù)警中心,上海 200030；2.上海市健康氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200030)
針對(duì)2013～2019年上海地區(qū)氣溫相對(duì)偏低(25℃及以下)的一類(lèi)O3污染事件,從時(shí)間分布特征、天氣系統(tǒng)類(lèi)型、氣象成因等方面進(jìn)行了深入分析.結(jié)果表明:上海近7a偏低氣溫下的O3污染按小時(shí)標(biāo)準(zhǔn)和日標(biāo)準(zhǔn)分別出現(xiàn)45h和19d,占各自O(shè)3污染總次數(shù)的5.0%和7.3%,在春季則上升至20.6%和20.0%,是上海春季主要O3污染現(xiàn)象之一.當(dāng)氣壓介于1010.1～1017.1hPa、風(fēng)速介于2.1～3.2m/s、濕度介于40.0%～54.0%、輻射介于0.5～2.7MJ/m2,較易出現(xiàn)偏低氣溫下的O3污染;與高溫下的O3污染相比,出現(xiàn)偏低氣溫下的O3污染時(shí),氣壓、PM2.5和NO2濃度分別偏高了10.0hPa、26.0mg/m3和24.9mg/m3,輻射偏低了0.5MJ/m2.造成偏低氣溫下的O3污染天氣類(lèi)型可以分為弱高壓前部、弱高壓控制和海上高壓后部3種.3個(gè)典型污染個(gè)例分析顯示,上游輸送、本地靜穩(wěn)輻合和垂直逆溫條件分別是這3種類(lèi)型的主要?dú)庀蟪梢?
偏低氣溫；O3污染；天氣類(lèi)型；氣象成因
隨著大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃持續(xù)深入的推進(jìn)實(shí)施,顆粒物污染得到了顯著改善[1],但O3濃度仍然居高不下,已有統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,京津冀、長(zhǎng)江三角洲和珠江三角洲三大城市群的O3濃度超過(guò)了我國(guó)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的100%～200%[2].O3污染問(wèn)題[3-5]以及O3等光化學(xué)污染物所引起的一系列人群不良健康效應(yīng)[6-9]和不利生態(tài)效應(yīng)[10],引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注,O3污染治理正在成為大氣環(huán)境治理的熱點(diǎn)[11].
近些年來(lái),很多學(xué)者在O3的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)[12]、不同緯度[13]和不同城市群間的O3污染狀況[14-17]、重點(diǎn)城市的O3污染時(shí)空特征[18-24]等方面開(kāi)展了大量的統(tǒng)計(jì)分析工作;還有學(xué)者從O3的生成和傳輸[25-27]、顆粒物對(duì)O3的影響機(jī)理[28-29]、有機(jī)物成分對(duì)O3的影響[30-31]等化學(xué)機(jī)制上進(jìn)行了深入分析.在氣象條件對(duì)O3的影響研究上,按照空間范圍,陳希等[32]從全國(guó)的角度,統(tǒng)計(jì)了中國(guó)地區(qū)O3長(zhǎng)期變化趨勢(shì)與溫度的相關(guān)性;劉長(zhǎng)煥等[33]從區(qū)域的角度,建立了三大經(jīng)濟(jì)區(qū)太陽(yáng)輻射、溫度與O3的對(duì)應(yīng)關(guān)系;趙旭輝等[34]、謝祖欣等[35]、陳志青等[36]從城市的角度,研究了北京、合肥、福州、內(nèi)蒙古等地O3與氣壓、濕度、溫度等的相關(guān)性,并確定了各自城市最佳的O3污染氣象條件;杜云松等[37]從預(yù)報(bào)的角度,利用成都的最高溫和日溫差,分季節(jié)建立了單溫度因子的O3預(yù)報(bào)方程.在分析氣象條件時(shí),雖然都開(kāi)展了溫度與O3的分析,但多關(guān)注高溫(35℃以上)條件,尤其是夏季高溫下的O3污染過(guò)程,而對(duì)于春季和秋季氣溫相對(duì)偏低(25℃及以下)的這一類(lèi)O3污染關(guān)注較少,對(duì)偏低氣溫下的O3污染特征和氣象成因分析基本沒(méi)有.在近6a的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),上海和長(zhǎng)江三角洲地區(qū)在春、秋季節(jié)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)偏低氣溫下的O3污染.此類(lèi)O3污染往往因?yàn)闇囟认鄬?duì)偏低、污染成因不清楚而被漏報(bào),該類(lèi)型O3污染目前已經(jīng)成為O3預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)和服務(wù)的難點(diǎn)之一.
本文利用2013～2019年上海及周邊地區(qū)的氣象和環(huán)境數(shù)據(jù),從偏低氣溫下的O3污染現(xiàn)狀、時(shí)間分布特征、不同溫度區(qū)間氣象和環(huán)境要素對(duì)比、大氣環(huán)流和天氣系統(tǒng)特征等角度深入分析,以期客觀(guān)全面的認(rèn)識(shí)和理解此類(lèi)O3污染現(xiàn)象,并結(jié)合3種類(lèi)型的典型污染個(gè)例,探索形成偏低氣溫下O3污染的主要?dú)庀蟪梢?為此類(lèi)O3污染預(yù)報(bào)預(yù)警和服務(wù)提供科學(xué)的支撐.
1 數(shù)據(jù)與方法
1.1 資料來(lái)源和說(shuō)明
上海地區(qū)2013～2019年空氣質(zhì)量資料來(lái)源于上海市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,無(wú)錫、蘇州的O3監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自于全國(guó)城市空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布平臺(tái)(http://106.37. 208.233:20035).上海市11個(gè)地面氣象觀(guān)測(cè)站數(shù)據(jù)來(lái)源于上海市氣象局,其中寶山為國(guó)家基本站,其余為一般站,數(shù)據(jù)由上海市氣象局信息中心根據(jù)中國(guó)氣象局制定的臺(tái)站氣象資料審核規(guī)范軟件進(jìn)行嚴(yán)格質(zhì)量控制.地面天氣形式資料和嵊泗站氣象觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)采用中國(guó)氣象局下發(fā)的MICAPS(氣象信息綜合分析處理系統(tǒng))資料.各站點(diǎn)地理位置見(jiàn)圖1.
圖1 站點(diǎn)地理位置分布
1.2 O3污染標(biāo)準(zhǔn)
根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定》(HJ633-2012)[38],O3分指數(shù)達(dá)到污染的標(biāo)準(zhǔn)分為小時(shí)標(biāo)準(zhǔn)和日標(biāo)準(zhǔn)兩種:小時(shí)標(biāo)準(zhǔn)閾值為小時(shí)濃度大于200mg/m3,即O3-1h>200mg/m3;日標(biāo)準(zhǔn)閾值為日內(nèi)最大8h滑動(dòng)平均大于160mg/m3,即O3-8h>160mg/m3.
1.3 偏低氣溫說(shuō)明
本文中偏低氣溫是指與高溫(335℃)相比,在可能出現(xiàn)O3污染的溫度中相對(duì)偏低的那一部分溫度.基于此,為便于統(tǒng)計(jì)分析,將溫度￡25℃作為偏低氣溫的閾值,而介于偏低氣溫和高溫之間的則為中間溫度.
2 結(jié)果與討論
2.1 偏低氣溫下的O3污染狀況
2013～2019年上海地區(qū)按照1.2節(jié)中O3的小時(shí)標(biāo)準(zhǔn)、日標(biāo)準(zhǔn)均出現(xiàn)了偏低氣溫下的O3污染現(xiàn)象(圖2),分布在29d里,其中有6d同時(shí)出現(xiàn)了小時(shí)污染和日污染現(xiàn)象.按照小時(shí)標(biāo)準(zhǔn)共出現(xiàn)45h,分布在16d內(nèi),占總O3污染時(shí)數(shù)的比例為5.0%;按照日標(biāo)準(zhǔn)為19d,占總O3污染天數(shù)的比例為7.3%.從污染濃度上看,小時(shí)標(biāo)準(zhǔn)的最大濃度為271.1mg/m3,日標(biāo)準(zhǔn)的最大濃度為228.0mg/m3(中度污染);從最低溫度上看,日標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)污染的最低溫度為20.9℃,而小時(shí)標(biāo)準(zhǔn)中,2019年3月17日首次出現(xiàn)了20℃以下的O3污染現(xiàn)象,溫度僅為16.6℃,為上海近7a以來(lái)出現(xiàn)O3污染的最低溫度值.
圖3 偏低氣溫下的O3污染月分布
春、秋季的O3濃度偏高現(xiàn)象已經(jīng)引起了很多學(xué)者的關(guān)注[39-41].從月分布上看(圖3),偏低氣溫下的O3污染主要出現(xiàn)在3～6月和10～11月,如果僅分析春季(3～5月)O3污染事件,則小時(shí)標(biāo)準(zhǔn)和日標(biāo)準(zhǔn)占比顯著上升,分別達(dá)到20.6%和20.0%,這意味著偏低氣溫下的O3污染是春季的主要O3污染現(xiàn)象之一,偏低氣溫下的O3污染在春季較易出現(xiàn),可能也是造成春季O3濃度偏高的重要原因之一.由此可見(jiàn),對(duì)于此類(lèi)偏低氣溫下的O3污染事件的研究具有重要意義.
2.2 不同溫度區(qū)間O3污染時(shí)的要素對(duì)比
氣壓、濕度、風(fēng)速和輻射是影響O3的重要?dú)庀笠豙33-37].表1列出了不同溫度區(qū)間O3與上述氣象參數(shù)的Pearson相關(guān)系數(shù),均通過(guò)0.01水平(雙側(cè))顯著性檢驗(yàn).由表1可見(jiàn),當(dāng)溫度在35℃以下時(shí), O3與風(fēng)速、輻射在各個(gè)溫度區(qū)間均呈正相關(guān),與濕度均呈負(fù)相關(guān);氣壓較為復(fù)雜,在15℃以下時(shí)為負(fù)相關(guān),而15℃及以上時(shí)是正相關(guān).當(dāng)溫度在35℃及以上時(shí), O3與氣壓、濕度沒(méi)有顯著的相關(guān)性,與風(fēng)速、輻射呈負(fù)相關(guān),這是由于在高溫情況下,本地濃度較高,風(fēng)速增加不利于高濃度O3在本地積累,反而起到降低作用;對(duì)于輻射而言,可能是由于上海地區(qū)輻射較強(qiáng)時(shí)往往風(fēng)速同樣較大有關(guān).從相關(guān)系數(shù)看,偏低氣溫條件下O3與濕度的相關(guān)系數(shù)最高,其次為風(fēng)速,氣壓最低.
表1 不同溫度區(qū)間O3和氣象參數(shù)的Pearson相關(guān)系數(shù)(P<0.01)
圖4是不同溫度區(qū)間O3污染時(shí)的氣象和環(huán)境要素對(duì)比,從中可以看出,偏低氣溫時(shí)的氣壓集中區(qū)域(25～75百分位)為1010.1～1017.1hPa,較中間溫度時(shí)的1002.6～1009.3hPa和高溫時(shí)的1003.1～ 1006.2hPa明顯偏高,從中位數(shù)上看,同樣也偏高了10.0hPa.氣壓高低直接決定了大氣環(huán)流的性質(zhì)[42],這說(shuō)明偏低氣溫時(shí)的O3污染事件與高壓系統(tǒng)密切相關(guān).對(duì)于風(fēng)速而言,偏低氣溫時(shí)的風(fēng)速集中區(qū)域?yàn)?.1～3.2m/s,風(fēng)速略偏小于其他兩個(gè)區(qū)間,但差異不大.對(duì)于濕度而言,3個(gè)溫度區(qū)間的濕度集中區(qū)間均在40%～60%之間,均處于較有利于O3污染的區(qū)間[43].對(duì)于輻射而言,從中位線(xiàn)上看,偏低氣溫時(shí)的輻射強(qiáng)度中位線(xiàn)為1.5MJ/m2,較其他2個(gè)區(qū)間偏低(1.9和2.3MJ/m2),此外輻射強(qiáng)度隨著溫度上升而增強(qiáng),但集中區(qū)域反而逐漸收窄.總體而言,與高溫區(qū)間相比,偏低氣溫的O3污染氣壓偏高,風(fēng)速略偏低,輻射偏低,濕度相差不大.從環(huán)境要素上看,偏低氣溫的PM2.5濃度集中區(qū)間為69.3～98.7mg/m3,基本處于輕度污染的級(jí)別(75mg/m3),遠(yuǎn)高于中間溫度(48.8～80.6mg/m3)和高溫下(44.6～62.7mg/m3)的PM2.5濃度,這與弱氣壓場(chǎng)容易出現(xiàn)PM2.5-O3復(fù)合污染的結(jié)論相一致[44];與其他兩個(gè)區(qū)間相比,偏低氣溫下NO2的集中區(qū)間同樣最高(41.2～63.1mg/m3).
圖4 不同溫度區(qū)間O3污染時(shí)的氣象和環(huán)境要素對(duì)比分析
2.3 偏低氣溫下的O3污染大氣環(huán)流和要素特征
天氣系統(tǒng)對(duì)O3的形成和分布有著重要影響.Tie等[45]發(fā)現(xiàn)夏季弱天氣系統(tǒng)通過(guò)影響上海的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)而導(dǎo)致O3污染發(fā)生,Santurtún等[46]和常爐予等[47]通過(guò)客觀(guān)分型方法分別研究了天氣系統(tǒng)對(duì)西班牙和上海的O3影響機(jī)制.通過(guò)查閱08,11,14, 20h的實(shí)況地面天氣系統(tǒng)演變,發(fā)現(xiàn)29個(gè)偏低氣溫下的O3污染個(gè)例均與弱高壓系統(tǒng)密切相關(guān),這印證了2.2節(jié)中關(guān)于氣壓的統(tǒng)計(jì)結(jié)論.在前期基礎(chǔ)分析時(shí),針對(duì)29個(gè)偏低氣溫的O3污染個(gè)例,分別開(kāi)展了主觀(guān)分型和客觀(guān)分型(主成分分析法)[47],比較后發(fā)現(xiàn)客觀(guān)分型結(jié)果與其他溫度區(qū)間的分型結(jié)果有重疊,同時(shí)考慮對(duì)于業(yè)務(wù)應(yīng)用,客觀(guān)分型沒(méi)有主觀(guān)分型分出來(lái)的3種類(lèi)型在空間和天氣形勢(shì)上的特征辨識(shí)度高,因此本文最終選用主觀(guān)分型.將29個(gè)個(gè)例的海平面氣壓場(chǎng),按照1hPa間隔進(jìn)行繪制,最內(nèi)圈閉合等壓線(xiàn)的中心近似作為高壓中心在圖上標(biāo)注(高壓中心位置如圖5所示),然后根據(jù)高壓中心位置與上海的空間距離、下墊面性質(zhì)、上海地區(qū)地面風(fēng)場(chǎng)特征3個(gè)指標(biāo),按照主觀(guān)分型,可以將其劃分為弱高壓前部、弱高壓控制和海上高壓后部3種天氣類(lèi)型.其中有5個(gè)個(gè)例雖然沒(méi)有閉合的中心,但根據(jù)系統(tǒng)演變和風(fēng)場(chǎng)情況,仍然可以進(jìn)行歸類(lèi)分析.3種天氣類(lèi)型說(shuō)明如下:
圖5 24個(gè)個(gè)例高壓中心(G)和上海位置(☆)對(duì)應(yīng)示意
虛線(xiàn)框內(nèi)的日期為弱高壓控制型,右側(cè)的為海上高壓后部型,左側(cè)的為弱高壓前部型
弱高壓前部型:移動(dòng)路徑偏西的大陸高壓,當(dāng)中心東移南落至四川、湖南湖北一帶時(shí),受下墊面性質(zhì)等環(huán)境影響,氣團(tuán)性質(zhì)發(fā)生改變,中心強(qiáng)度明顯減弱[42],同時(shí)高壓控制區(qū)向東延伸至長(zhǎng)江下游地區(qū),上海處于該弱高壓的前部,受其影響,弱高壓前部主導(dǎo)風(fēng)向多為西至西北風(fēng),少數(shù)弱高壓中心南落至江西、福建等地,主導(dǎo)風(fēng)向轉(zhuǎn)為西到西南風(fēng).
弱高壓控制型:上海位于大陸弱高壓中心附近或者上海周邊為無(wú)閉合中心的均壓場(chǎng)控制,受其影響,整個(gè)風(fēng)場(chǎng)較弱,由于無(wú)明顯的背景風(fēng),局地風(fēng)場(chǎng)和海陸風(fēng)作用較明顯,容易形成輻合.
海上高壓后部型:即高壓中心位于上海外海,但距離相對(duì)較近,上海處于海上高壓后部,主導(dǎo)風(fēng)向多為東向風(fēng).
表2 三種類(lèi)型偏低氣溫O3污染個(gè)例情況統(tǒng)計(jì)
從表2可以看出,海上高壓后部型最多,共出現(xiàn)15次,春秋季節(jié)均有出現(xiàn);弱高壓控制型最少,共出現(xiàn)6次,主要分布在3～5月,10月也出現(xiàn)了1次;弱高壓前部型次數(shù)居中為8次,僅出現(xiàn)在3～6月.由于3種類(lèi)型均為偏低氣溫下的O3污染,且發(fā)生的季節(jié)比較相似,因此從觀(guān)測(cè)結(jié)果上看,氣象要素存在一定的共性,3種類(lèi)型的輻射差異不大,溫度和濕度略有差異,差異主要體現(xiàn)在風(fēng)速和主導(dǎo)風(fēng)場(chǎng)上,弱高壓前部型和海上高壓后部型的風(fēng)速明顯高于弱高壓控制型.環(huán)境要素中,弱高壓控制型的PM2.5和NO2平均濃度分別為94.2mg/m3(輕度污染)和65.7mg/m3(接近輕度污染),在3種類(lèi)型中均為最高,并且遠(yuǎn)高于其他兩種類(lèi)型,其次為弱高壓前部型,最低為海上高壓后部型.從3種類(lèi)型的O3-8h濃度平均看,最高的是弱高壓控制型,達(dá)224.4mg/m3,弱高壓前部型和海上高壓后部型較為接近,分別為191.1和192.9mg/m3,雖然弱高壓控制型濃度最高,但從占偏低氣溫O3污染濃度比重上看,由于海上高壓后部型出現(xiàn)次數(shù)較多,因此比重最大,達(dá)到50.2%.因此在業(yè)務(wù)中對(duì)于偏低氣溫O3污染,需要特別關(guān)注弱高壓控制型的污染程度和海上高壓后部型的污染概率.
2.4 典型污染個(gè)例分析
偏低氣溫下的O3污染過(guò)程,在天氣類(lèi)型、氣象和環(huán)境要素上均存在一定的差異,由此可見(jiàn)在氣象成因機(jī)制上3種類(lèi)型間也存在不同.本節(jié)結(jié)合3個(gè)具體的典型污染個(gè)例做進(jìn)一步的研究.
表3 三個(gè)典型個(gè)例情況統(tǒng)計(jì)
2.4.1 典型污染個(gè)例選取 從表3中日最高溫度、O3日內(nèi)小時(shí)最高濃度和日內(nèi)最大8小時(shí)濃度3個(gè)指標(biāo)可以看出,3個(gè)污染個(gè)例的小時(shí)和日標(biāo)準(zhǔn)均出現(xiàn)了偏低氣溫下的O3污染現(xiàn)象,因此所選的3個(gè)個(gè)例較有代表性.結(jié)合環(huán)流形勢(shì)圖分析(圖6),2016年4月21日影響上海的高壓中心位于重慶市附近,與上海相距較遠(yuǎn),上海處于高壓前部的西北氣流中,主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng);2015年10月13日影響上海的高壓中心位于上海西北側(cè),距離上海較近,整個(gè)上海均處于閉合高壓中心控制;2018年4月19日影響上海的高壓中心位于上海外海,主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng).根據(jù)2.3節(jié)中的分類(lèi),3個(gè)個(gè)例分別代表了弱高壓前部型、弱高壓控制型和海上高壓后部型.
2.4.2 典型污染個(gè)例日變化特征 3個(gè)個(gè)例在日內(nèi)O3、PM2.5和NO2逐小時(shí)變化上存在明顯差異.對(duì)于2016年4月21日過(guò)程(圖7a),受弱高壓前的西北風(fēng)影響,呈現(xiàn)出典型的輸送特征,表現(xiàn)為從中午開(kāi)始,O3和PM2.5在輸送作用下出現(xiàn)了同步上升現(xiàn)象,15:00二者同時(shí)達(dá)到了輕度污染級(jí)別;不僅如此,O3快速上升時(shí)間和峰值出現(xiàn)時(shí)間也明顯受到傳輸時(shí)間影響,與張小娟等[48]給出的O3日變化最大值平均出現(xiàn)時(shí)間(14:00)相比,整體偏晚了2h左右,即在16:00才達(dá)到峰值濃度224.8mg/m3;對(duì)于2015年10月13日過(guò)程(圖7b),受弱高壓中心控制影響,呈現(xiàn)出典型的靜穩(wěn)特征:一方面PM2.5和NO2在早晨至上午時(shí)段濃度較高,峰值分別達(dá)到130.7mg/m3(中度污染級(jí)別)和137.8mg/m3(中度污染級(jí)別),從中午開(kāi)始又迅速下降,在下午出現(xiàn)了谷值,這是典型的靜穩(wěn)天氣條件下的日變化型態(tài);另一方面O3與NO2在下午時(shí)段呈現(xiàn)明顯的反相關(guān),且O3的高值時(shí)間維持較長(zhǎng),雖然污染程度無(wú)法與夏季副高控制下高溫、靜穩(wěn)引起的O3污染過(guò)程相比,但型態(tài)較為相似,O3峰值濃度出現(xiàn)時(shí)間也較為一致.對(duì)于2018年4月19日而言(圖7c),在海上東南風(fēng)氣流作用下,PM2.5和NO2呈現(xiàn)出清潔特征:全天維持在相對(duì)較低值,且變化較為平穩(wěn),即使在下午邊界層影響時(shí)段,也未出現(xiàn)較大的變化幅度.O3雖然出現(xiàn)了污染,但在3個(gè)過(guò)程中,驟升驟降最明顯,污染程度也最輕.
圖9 2016年4月21日上游(無(wú)錫、蘇州)和上海O3濃度逐小時(shí)變化
2.4.3 主要?dú)庀蟪梢蚍治?在決定大氣污染變化的氣象條件中,外來(lái)輸送、水平擴(kuò)散和垂直擴(kuò)散是其中最重要的3個(gè)條件[49-51],因此對(duì)于3種污染類(lèi)型的氣象成因主要從這3個(gè)條件進(jìn)行分析.根據(jù)2.4.2節(jié)初步分析可知,2016年4月21日的日變化呈現(xiàn)出典型的輸送特征,因此選取2016年4月21日上游沿線(xiàn)站點(diǎn)O3濃度變化情況進(jìn)行分析,如圖8所示,在O3快速上升時(shí)段內(nèi)(11:00和14:00),上海及上游均處于一致的西北風(fēng)控制,且風(fēng)速較大,在西北風(fēng)輸送路徑上, O3濃度沿著無(wú)錫-蘇州-上海3個(gè)站點(diǎn)空間先后順序,呈現(xiàn)同樣的先后上升順序(圖9),由此可見(jiàn),在溫度相對(duì)偏低的情況下,上游輸送是造成此次O3污染的主要?dú)庀蟪梢?
虛線(xiàn)為地面輻合線(xiàn)大致位置
同樣對(duì)于2015年10月13日過(guò)程,受弱高壓中心控制影響,日變化呈現(xiàn)出典型的靜穩(wěn)特征,因此選取2015年10月13日水平風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行分析.圖10顯示,上海地區(qū)水平風(fēng)力不僅較弱,而且在12:00初步形成了2個(gè)風(fēng)向的輻合風(fēng)場(chǎng),至15:00進(jìn)一步發(fā)展成為3個(gè)風(fēng)向的輻合,輻合時(shí)間共維持8h,長(zhǎng)時(shí)間的輻合風(fēng)場(chǎng)較靜穩(wěn)形勢(shì)更有利于污染物的聚集上升.由此可見(jiàn),本地靜穩(wěn)輻合是造成此次O3污染的主要?dú)庀蟪梢?
與上述2個(gè)個(gè)例相比,2018年4月19日由于受到持續(xù)的東南風(fēng)影響,不存在上游輸送和本地水平靜穩(wěn)輻合條件,因此垂直擴(kuò)散條件的影響就顯得尤為重要.從圖11可以看出,寶山站垂直方向在150～ 450m之間形成了300m深厚的懸浮逆溫,溫度梯度同樣顯示在該層變率最大,達(dá)到0.04℃/m.深厚的低空懸浮逆溫不僅不利于污染物在垂直方向的擴(kuò)散,還將污染壓制在很低的高度范圍內(nèi).從逆溫形成機(jī)制上看,這是由于在4月份,受海陸熱力差異影響,白天海上溫度高于陸地,夜間則相反,且隨著深入內(nèi)陸溫差越大,白天在東向風(fēng)的作用下,溫度相對(duì)較低的海洋氣流吹向陸地,導(dǎo)致內(nèi)陸上偏暖空氣上升至空中,容易在垂直結(jié)構(gòu)上形成逆溫結(jié)構(gòu)[52].從當(dāng)日嵊泗-浦東-青浦的海陸溫差演變可以看出(圖12),嵊泗和青浦的溫差在14:00可以達(dá)到9.8℃.由于水平方向的風(fēng)場(chǎng)較一致,水平擴(kuò)散條件相對(duì)較為有利,因此與前面兩個(gè)過(guò)程相比,該過(guò)程O(píng)3濃度峰值較低,污染時(shí)間較短.由此可見(jiàn),垂直逆溫條件是造成此次O3污染的主要?dú)庀笤?
圖11 2018年4月19日寶山站08h溫度和溫度梯度垂直廓線(xiàn)
通過(guò)以上分析,發(fā)現(xiàn)雖然溫度相對(duì)于高溫下的污染明顯偏低,但從3個(gè)個(gè)例的環(huán)流和要素特征可以看出,3種偏低氣溫下的O3污染類(lèi)型分別在上游輸送、本地靜穩(wěn)輻合和垂直逆溫條件上形成了各自有利的污染條件,一定程度從氣象條件上彌補(bǔ)了溫度在O3光化學(xué)反應(yīng)中的不足.需要說(shuō)明的是,除了水平輸送和擴(kuò)散條件、垂直擴(kuò)散條件之外, O3在垂直方向上的傳輸和分布也是一個(gè)重要條件,例如對(duì)流層折疊[53]、O3殘留層下傳[54]、不同高度風(fēng)場(chǎng)差異對(duì)O3的影響等等,都會(huì)對(duì)地面O3濃度產(chǎn)生重要影響,由于受O3垂直觀(guān)測(cè)條件的限制,這方面的分析有待于后續(xù)通過(guò)風(fēng)廓線(xiàn)、激光雷達(dá)和O3探空氣球等特種觀(guān)測(cè)資料做進(jìn)一步的完善.
圖12 2018年4月19日寶山和嵊泗2m氣溫逐3h變化
3 結(jié)論
3.1 2013～2019年上海地區(qū)按照小時(shí)標(biāo)準(zhǔn)、日標(biāo)準(zhǔn)均出現(xiàn)了偏低氣溫下的O3污染現(xiàn)象,是上海春季主要O3污染現(xiàn)象之一.
3.2 與高溫區(qū)間相比,偏低氣溫的O3污染氣壓偏高,風(fēng)速略偏低,輻射偏低,濕度相差不大.PM2.5和NO2濃度分別偏高26.0,24.9mg/m3.
3.3 偏低氣溫下的O3污染可以分為弱高壓前部、弱高壓控制和海上高壓后部3種天氣類(lèi)型,海上高壓后部型最多,其次為弱高壓前部型,弱高壓控制型最少.
3.4 同樣偏低氣溫下的O3污染由于天氣類(lèi)型不同,氣象成因各不相同,上游輸送、本地靜穩(wěn)輻合和垂直逆溫條件分別是3種類(lèi)型的主要?dú)庀蟪梢?
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Characteristics and main meteorological causes of ozone pollution under relatively low temperature conditions.
MAO Zhuo-cheng1,2*, XU Jian-ming1,2, QU Yuan-hao1,2, PAN Liang1,2, GU Yi-xuan1,2, YANG Dan-dan1,2
(1.Yangtze River Delta Center for Environmental Meteorology Prediction and Warning, Shanghai 200030, China；2.Shanghai Key Laboratory of Meteorology and Health, Shanghai 200030, China)., 2021,41(10)：4507～4517
The temporal distribution, weather system types and meteorological causes of ozone (O3) pollution events under relatively low temperature (below 25℃) were analyzed in Shanghai from 2013 to 2019. The results show that O3pollution under relatively low temperature occurred 45hours and 19days, respectively according to the hourly and daily standard in Shanghai in recent seven years, accounting for 5.0% and 7.3%, respectively of the total O3pollution. The percentage increased to 20.6% and 20.0% in spring, indicating that the O3pollution under relatively low temperature was one of the main O3pollution phenomena in Shanghai in spring. The O3pollution under relatively low temperature was more likely to occur with pressure of 1010.1～1017.1hPa, wind speed of 2.1～3.2m/s, relative humidity of 40.0%～54.0%, and radiation of 0.5～2.7MJ/m2. Compared wieh the O3pollution under high temperature, the air pressure, PM2.5and NO2concentrations were 10.0hPa, 26.0mg/m3and 24.9mg/m3higher, and the radiation was 0.5MJ/m2lower when the O3pollution under relatively low temperature occurred.The O3pollution under relatively low temperature can be mainly attributed to three weather system types: the front of weak high pressure, the control of weak high pressure and the rear of offshore high pressure. Analysis of three typical pollution cases showed that upstream transport, local static convergence and vertical temperature inversion conditions were the main meteorological causes of these three types of pollution respectively.
relatively low temperature；O3pollution；weather types；meteorological causes
X513
A
1000-6923(2021)10-4507-11
毛卓成(1983-),男,浙江衢州人,高級(jí)工程師,碩士,主要從事環(huán)境氣象預(yù)報(bào)研究工作.發(fā)表論文10余篇.
2021-03-03
上海市科技計(jì)劃項(xiàng)目(19DZ1205003,20DZ1204006)
* 責(zé)任作者, 高級(jí)工程師, jlbbyhj002@163.com
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毛卓成,許建明,瞿元昊,潘 亮,谷怡萱,楊丹丹
偏低氣溫下的O3污染特征及其主要?dú)庀蟪梢?/p>
毛卓成1,2*,許建明1,2,瞿元昊1,2,潘 亮1,2,谷怡萱1,2,楊丹丹1,2
(1.長(zhǎng)江三角洲環(huán)境氣象預(yù)報(bào)預(yù)警中心,上海 200030；2.上海市健康氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200030)
針對(duì)2013～2019年上海地區(qū)氣溫相對(duì)偏低(25℃及以下)的一類(lèi)O3污染事件,從時(shí)間分布特征、天氣系統(tǒng)類(lèi)型、氣象成因等方面進(jìn)行了深入分析.結(jié)果表明:上海近7a偏低氣溫下的O3污染按小時(shí)標(biāo)準(zhǔn)和日標(biāo)準(zhǔn)分別出現(xiàn)45h和19d,占各自O(shè)3污染總次數(shù)的5.0%和7.3%,在春季則上升至20.6%和20.0%,是上海春季主要O3污染現(xiàn)象之一.當(dāng)氣壓介于1010.1～1017.1hPa、風(fēng)速介于2.1～3.2m/s、濕度介于40.0%～54.0%、輻射介于0.5～2.7MJ/m2,較易出現(xiàn)偏低氣溫下的O3污染;與高溫下的O3污染相比,出現(xiàn)偏低氣溫下的O3污染時(shí),氣壓、PM2.5和NO2濃度分別偏高了10.0hPa、26.0mg/m3和24.9mg/m3,輻射偏低了0.5MJ/m2.造成偏低氣溫下的O3污染天氣類(lèi)型可以分為弱高壓前部、弱高壓控制和海上高壓后部3種.3個(gè)典型污染個(gè)例分析顯示,上游輸送、本地靜穩(wěn)輻合和垂直逆溫條件分別是這3種類(lèi)型的主要?dú)庀蟪梢?
偏低氣溫；O3污染；天氣類(lèi)型；氣象成因
隨著大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃持續(xù)深入的推進(jìn)實(shí)施,顆粒物污染得到了顯著改善[1],但O3濃度仍然居高不下,已有統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,京津冀、長(zhǎng)江三角洲和珠江三角洲三大城市群的O3濃度超過(guò)了我國(guó)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的100%～200%[2].O3污染問(wèn)題[3-5]以及O3等光化學(xué)污染物所引起的一系列人群不良健康效應(yīng)[6-9]和不利生態(tài)效應(yīng)[10],引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注,O3污染治理正在成為大氣環(huán)境治理的熱點(diǎn)[11].
近些年來(lái),很多學(xué)者在O3的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)[12]、不同緯度[13]和不同城市群間的O3污染狀況[14-17]、重點(diǎn)城市的O3污染時(shí)空特征[18-24]等方面開(kāi)展了大量的統(tǒng)計(jì)分析工作;還有學(xué)者從O3的生成和傳輸[25-27]、顆粒物對(duì)O3的影響機(jī)理[28-29]、有機(jī)物成分對(duì)O3的影響[30-31]等化學(xué)機(jī)制上進(jìn)行了深入分析.在氣象條件對(duì)O3的影響研究上,按照空間范圍,陳希等[32]從全國(guó)的角度,統(tǒng)計(jì)了中國(guó)地區(qū)O3長(zhǎng)期變化趨勢(shì)與溫度的相關(guān)性;劉長(zhǎng)煥等[33]從區(qū)域的角度,建立了三大經(jīng)濟(jì)區(qū)太陽(yáng)輻射、溫度與O3的對(duì)應(yīng)關(guān)系;趙旭輝等[34]、謝祖欣等[35]、陳志青等[36]從城市的角度,研究了北京、合肥、福州、內(nèi)蒙古等地O3與氣壓、濕度、溫度等的相關(guān)性,并確定了各自城市最佳的O3污染氣象條件;杜云松等[37]從預(yù)報(bào)的角度,利用成都的最高溫和日溫差,分季節(jié)建立了單溫度因子的O3預(yù)報(bào)方程.在分析氣象條件時(shí),雖然都開(kāi)展了溫度與O3的分析,但多關(guān)注高溫(35℃以上)條件,尤其是夏季高溫下的O3污染過(guò)程,而對(duì)于春季和秋季氣溫相對(duì)偏低(25℃及以下)的這一類(lèi)O3污染關(guān)注較少,對(duì)偏低氣溫下的O3污染特征和氣象成因分析基本沒(méi)有.在近6a的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),上海和長(zhǎng)江三角洲地區(qū)在春、秋季節(jié)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)偏低氣溫下的O3污染.此類(lèi)O3污染往往因?yàn)闇囟认鄬?duì)偏低、污染成因不清楚而被漏報(bào),該類(lèi)型O3污染目前已經(jīng)成為O3預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)和服務(wù)的難點(diǎn)之一.
本文利用2013～2019年上海及周邊地區(qū)的氣象和環(huán)境數(shù)據(jù),從偏低氣溫下的O3污染現(xiàn)狀、時(shí)間分布特征、不同溫度區(qū)間氣象和環(huán)境要素對(duì)比、大氣環(huán)流和天氣系統(tǒng)特征等角度深入分析,以期客觀(guān)全面的認(rèn)識(shí)和理解此類(lèi)O3污染現(xiàn)象,并結(jié)合3種類(lèi)型的典型污染個(gè)例,探索形成偏低氣溫下O3污染的主要?dú)庀蟪梢?為此類(lèi)O3污染預(yù)報(bào)預(yù)警和服務(wù)提供科學(xué)的支撐.
1 數(shù)據(jù)與方法
1.1 資料來(lái)源和說(shuō)明
上海地區(qū)2013～2019年空氣質(zhì)量資料來(lái)源于上海市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,無(wú)錫、蘇州的O3監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自于全國(guó)城市空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布平臺(tái)(http://106.37. 208.233:20035).上海市11個(gè)地面氣象觀(guān)測(cè)站數(shù)據(jù)來(lái)源于上海市氣象局,其中寶山為國(guó)家基本站,其余為一般站,數(shù)據(jù)由上海市氣象局信息中心根據(jù)中國(guó)氣象局制定的臺(tái)站氣象資料審核規(guī)范軟件進(jìn)行嚴(yán)格質(zhì)量控制.地面天氣形式資料和嵊泗站氣象觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)采用中國(guó)氣象局下發(fā)的MICAPS(氣象信息綜合分析處理系統(tǒng))資料.各站點(diǎn)地理位置見(jiàn)圖1.
圖1 站點(diǎn)地理位置分布
1.2 O3污染標(biāo)準(zhǔn)
根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定》(HJ633-2012)[38],O3分指數(shù)達(dá)到污染的標(biāo)準(zhǔn)分為小時(shí)標(biāo)準(zhǔn)和日標(biāo)準(zhǔn)兩種:小時(shí)標(biāo)準(zhǔn)閾值為小時(shí)濃度大于200mg/m3,即O3-1h>200mg/m3;日標(biāo)準(zhǔn)閾值為日內(nèi)最大8h滑動(dòng)平均大于160mg/m3,即O3-8h>160mg/m3.
1.3 偏低氣溫說(shuō)明
本文中偏低氣溫是指與高溫(335℃)相比,在可能出現(xiàn)O3污染的溫度中相對(duì)偏低的那一部分溫度.基于此,為便于統(tǒng)計(jì)分析,將溫度￡25℃作為偏低氣溫的閾值,而介于偏低氣溫和高溫之間的則為中間溫度.
2 結(jié)果與討論
2.1 偏低氣溫下的O3污染狀況
2013～2019年上海地區(qū)按照1.2節(jié)中O3的小時(shí)標(biāo)準(zhǔn)、日標(biāo)準(zhǔn)均出現(xiàn)了偏低氣溫下的O3污染現(xiàn)象(圖2),分布在29d里,其中有6d同時(shí)出現(xiàn)了小時(shí)污染和日污染現(xiàn)象.按照小時(shí)標(biāo)準(zhǔn)共出現(xiàn)45h,分布在16d內(nèi),占總O3污染時(shí)數(shù)的比例為5.0%;按照日標(biāo)準(zhǔn)為19d,占總O3污染天數(shù)的比例為7.3%.從污染濃度上看,小時(shí)標(biāo)準(zhǔn)的最大濃度為271.1mg/m3,日標(biāo)準(zhǔn)的最大濃度為228.0mg/m3(中度污染);從最低溫度上看,日標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)污染的最低溫度為20.9℃,而小時(shí)標(biāo)準(zhǔn)中,2019年3月17日首次出現(xiàn)了20℃以下的O3污染現(xiàn)象,溫度僅為16.6℃,為上海近7a以來(lái)出現(xiàn)O3污染的最低溫度值.
圖3 偏低氣溫下的O3污染月分布
春、秋季的O3濃度偏高現(xiàn)象已經(jīng)引起了很多學(xué)者的關(guān)注[39-41].從月分布上看(圖3),偏低氣溫下的O3污染主要出現(xiàn)在3～6月和10～11月,如果僅分析春季(3～5月)O3污染事件,則小時(shí)標(biāo)準(zhǔn)和日標(biāo)準(zhǔn)占比顯著上升,分別達(dá)到20.6%和20.0%,這意味著偏低氣溫下的O3污染是春季的主要O3污染現(xiàn)象之一,偏低氣溫下的O3污染在春季較易出現(xiàn),可能也是造成春季O3濃度偏高的重要原因之一.由此可見(jiàn),對(duì)于此類(lèi)偏低氣溫下的O3污染事件的研究具有重要意義.
2.2 不同溫度區(qū)間O3污染時(shí)的要素對(duì)比
氣壓、濕度、風(fēng)速和輻射是影響O3的重要?dú)庀笠豙33-37].表1列出了不同溫度區(qū)間O3與上述氣象參數(shù)的Pearson相關(guān)系數(shù),均通過(guò)0.01水平(雙側(cè))顯著性檢驗(yàn).由表1可見(jiàn),當(dāng)溫度在35℃以下時(shí), O3與風(fēng)速、輻射在各個(gè)溫度區(qū)間均呈正相關(guān),與濕度均呈負(fù)相關(guān);氣壓較為復(fù)雜,在15℃以下時(shí)為負(fù)相關(guān),而15℃及以上時(shí)是正相關(guān).當(dāng)溫度在35℃及以上時(shí), O3與氣壓、濕度沒(méi)有顯著的相關(guān)性,與風(fēng)速、輻射呈負(fù)相關(guān),這是由于在高溫情況下,本地濃度較高,風(fēng)速增加不利于高濃度O3在本地積累,反而起到降低作用;對(duì)于輻射而言,可能是由于上海地區(qū)輻射較強(qiáng)時(shí)往往風(fēng)速同樣較大有關(guān).從相關(guān)系數(shù)看,偏低氣溫條件下O3與濕度的相關(guān)系數(shù)最高,其次為風(fēng)速,氣壓最低.
表1 不同溫度區(qū)間O3和氣象參數(shù)的Pearson相關(guān)系數(shù)(P<0.01)
圖4是不同溫度區(qū)間O3污染時(shí)的氣象和環(huán)境要素對(duì)比,從中可以看出,偏低氣溫時(shí)的氣壓集中區(qū)域(25～75百分位)為1010.1～1017.1hPa,較中間溫度時(shí)的1002.6～1009.3hPa和高溫時(shí)的1003.1～ 1006.2hPa明顯偏高,從中位數(shù)上看,同樣也偏高了10.0hPa.氣壓高低直接決定了大氣環(huán)流的性質(zhì)[42],這說(shuō)明偏低氣溫時(shí)的O3污染事件與高壓系統(tǒng)密切相關(guān).對(duì)于風(fēng)速而言,偏低氣溫時(shí)的風(fēng)速集中區(qū)域?yàn)?.1～3.2m/s,風(fēng)速略偏小于其他兩個(gè)區(qū)間,但差異不大.對(duì)于濕度而言,3個(gè)溫度區(qū)間的濕度集中區(qū)間均在40%～60%之間,均處于較有利于O3污染的區(qū)間[43].對(duì)于輻射而言,從中位線(xiàn)上看,偏低氣溫時(shí)的輻射強(qiáng)度中位線(xiàn)為1.5MJ/m2,較其他2個(gè)區(qū)間偏低(1.9和2.3MJ/m2),此外輻射強(qiáng)度隨著溫度上升而增強(qiáng),但集中區(qū)域反而逐漸收窄.總體而言,與高溫區(qū)間相比,偏低氣溫的O3污染氣壓偏高,風(fēng)速略偏低,輻射偏低,濕度相差不大.從環(huán)境要素上看,偏低氣溫的PM2.5濃度集中區(qū)間為69.3～98.7mg/m3,基本處于輕度污染的級(jí)別(75mg/m3),遠(yuǎn)高于中間溫度(48.8～80.6mg/m3)和高溫下(44.6～62.7mg/m3)的PM2.5濃度,這與弱氣壓場(chǎng)容易出現(xiàn)PM2.5-O3復(fù)合污染的結(jié)論相一致[44];與其他兩個(gè)區(qū)間相比,偏低氣溫下NO2的集中區(qū)間同樣最高(41.2～63.1mg/m3).
圖4 不同溫度區(qū)間O3污染時(shí)的氣象和環(huán)境要素對(duì)比分析
2.3 偏低氣溫下的O3污染大氣環(huán)流和要素特征
天氣系統(tǒng)對(duì)O3的形成和分布有著重要影響.Tie等[45]發(fā)現(xiàn)夏季弱天氣系統(tǒng)通過(guò)影響上海的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)而導(dǎo)致O3污染發(fā)生,Santurtún等[46]和常爐予等[47]通過(guò)客觀(guān)分型方法分別研究了天氣系統(tǒng)對(duì)西班牙和上海的O3影響機(jī)制.通過(guò)查閱08,11,14, 20h的實(shí)況地面天氣系統(tǒng)演變,發(fā)現(xiàn)29個(gè)偏低氣溫下的O3污染個(gè)例均與弱高壓系統(tǒng)密切相關(guān),這印證了2.2節(jié)中關(guān)于氣壓的統(tǒng)計(jì)結(jié)論.在前期基礎(chǔ)分析時(shí),針對(duì)29個(gè)偏低氣溫的O3污染個(gè)例,分別開(kāi)展了主觀(guān)分型和客觀(guān)分型(主成分分析法)[47],比較后發(fā)現(xiàn)客觀(guān)分型結(jié)果與其他溫度區(qū)間的分型結(jié)果有重疊,同時(shí)考慮對(duì)于業(yè)務(wù)應(yīng)用,客觀(guān)分型沒(méi)有主觀(guān)分型分出來(lái)的3種類(lèi)型在空間和天氣形勢(shì)上的特征辨識(shí)度高,因此本文最終選用主觀(guān)分型.將29個(gè)個(gè)例的海平面氣壓場(chǎng),按照1hPa間隔進(jìn)行繪制,最內(nèi)圈閉合等壓線(xiàn)的中心近似作為高壓中心在圖上標(biāo)注(高壓中心位置如圖5所示),然后根據(jù)高壓中心位置與上海的空間距離、下墊面性質(zhì)、上海地區(qū)地面風(fēng)場(chǎng)特征3個(gè)指標(biāo),按照主觀(guān)分型,可以將其劃分為弱高壓前部、弱高壓控制和海上高壓后部3種天氣類(lèi)型.其中有5個(gè)個(gè)例雖然沒(méi)有閉合的中心,但根據(jù)系統(tǒng)演變和風(fēng)場(chǎng)情況,仍然可以進(jìn)行歸類(lèi)分析.3種天氣類(lèi)型說(shuō)明如下:
圖5 24個(gè)個(gè)例高壓中心(G)和上海位置(☆)對(duì)應(yīng)示意
虛線(xiàn)框內(nèi)的日期為弱高壓控制型,右側(cè)的為海上高壓后部型,左側(cè)的為弱高壓前部型
弱高壓前部型:移動(dòng)路徑偏西的大陸高壓,當(dāng)中心東移南落至四川、湖南湖北一帶時(shí),受下墊面性質(zhì)等環(huán)境影響,氣團(tuán)性質(zhì)發(fā)生改變,中心強(qiáng)度明顯減弱[42],同時(shí)高壓控制區(qū)向東延伸至長(zhǎng)江下游地區(qū),上海處于該弱高壓的前部,受其影響,弱高壓前部主導(dǎo)風(fēng)向多為西至西北風(fēng),少數(shù)弱高壓中心南落至江西、福建等地,主導(dǎo)風(fēng)向轉(zhuǎn)為西到西南風(fēng).
弱高壓控制型:上海位于大陸弱高壓中心附近或者上海周邊為無(wú)閉合中心的均壓場(chǎng)控制,受其影響,整個(gè)風(fēng)場(chǎng)較弱,由于無(wú)明顯的背景風(fēng),局地風(fēng)場(chǎng)和海陸風(fēng)作用較明顯,容易形成輻合.
海上高壓后部型:即高壓中心位于上海外海,但距離相對(duì)較近,上海處于海上高壓后部,主導(dǎo)風(fēng)向多為東向風(fēng).
表2 三種類(lèi)型偏低氣溫O3污染個(gè)例情況統(tǒng)計(jì)
從表2可以看出,海上高壓后部型最多,共出現(xiàn)15次,春秋季節(jié)均有出現(xiàn);弱高壓控制型最少,共出現(xiàn)6次,主要分布在3～5月,10月也出現(xiàn)了1次;弱高壓前部型次數(shù)居中為8次,僅出現(xiàn)在3～6月.由于3種類(lèi)型均為偏低氣溫下的O3污染,且發(fā)生的季節(jié)比較相似,因此從觀(guān)測(cè)結(jié)果上看,氣象要素存在一定的共性,3種類(lèi)型的輻射差異不大,溫度和濕度略有差異,差異主要體現(xiàn)在風(fēng)速和主導(dǎo)風(fēng)場(chǎng)上,弱高壓前部型和海上高壓后部型的風(fēng)速明顯高于弱高壓控制型.環(huán)境要素中,弱高壓控制型的PM2.5和NO2平均濃度分別為94.2mg/m3(輕度污染)和65.7mg/m3(接近輕度污染),在3種類(lèi)型中均為最高,并且遠(yuǎn)高于其他兩種類(lèi)型,其次為弱高壓前部型,最低為海上高壓后部型.從3種類(lèi)型的O3-8h濃度平均看,最高的是弱高壓控制型,達(dá)224.4mg/m3,弱高壓前部型和海上高壓后部型較為接近,分別為191.1和192.9mg/m3,雖然弱高壓控制型濃度最高,但從占偏低氣溫O3污染濃度比重上看,由于海上高壓后部型出現(xiàn)次數(shù)較多,因此比重最大,達(dá)到50.2%.因此在業(yè)務(wù)中對(duì)于偏低氣溫O3污染,需要特別關(guān)注弱高壓控制型的污染程度和海上高壓后部型的污染概率.
2.4 典型污染個(gè)例分析
偏低氣溫下的O3污染過(guò)程,在天氣類(lèi)型、氣象和環(huán)境要素上均存在一定的差異,由此可見(jiàn)在氣象成因機(jī)制上3種類(lèi)型間也存在不同.本節(jié)結(jié)合3個(gè)具體的典型污染個(gè)例做進(jìn)一步的研究.
表3 三個(gè)典型個(gè)例情況統(tǒng)計(jì)
2.4.1 典型污染個(gè)例選取 從表3中日最高溫度、O3日內(nèi)小時(shí)最高濃度和日內(nèi)最大8小時(shí)濃度3個(gè)指標(biāo)可以看出,3個(gè)污染個(gè)例的小時(shí)和日標(biāo)準(zhǔn)均出現(xiàn)了偏低氣溫下的O3污染現(xiàn)象,因此所選的3個(gè)個(gè)例較有代表性.結(jié)合環(huán)流形勢(shì)圖分析(圖6),2016年4月21日影響上海的高壓中心位于重慶市附近,與上海相距較遠(yuǎn),上海處于高壓前部的西北氣流中,主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng);2015年10月13日影響上海的高壓中心位于上海西北側(cè),距離上海較近,整個(gè)上海均處于閉合高壓中心控制;2018年4月19日影響上海的高壓中心位于上海外海,主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng).根據(jù)2.3節(jié)中的分類(lèi),3個(gè)個(gè)例分別代表了弱高壓前部型、弱高壓控制型和海上高壓后部型.
2.4.2 典型污染個(gè)例日變化特征 3個(gè)個(gè)例在日內(nèi)O3、PM2.5和NO2逐小時(shí)變化上存在明顯差異.對(duì)于2016年4月21日過(guò)程(圖7a),受弱高壓前的西北風(fēng)影響,呈現(xiàn)出典型的輸送特征,表現(xiàn)為從中午開(kāi)始,O3和PM2.5在輸送作用下出現(xiàn)了同步上升現(xiàn)象,15:00二者同時(shí)達(dá)到了輕度污染級(jí)別;不僅如此,O3快速上升時(shí)間和峰值出現(xiàn)時(shí)間也明顯受到傳輸時(shí)間影響,與張小娟等[48]給出的O3日變化最大值平均出現(xiàn)時(shí)間(14:00)相比,整體偏晚了2h左右,即在16:00才達(dá)到峰值濃度224.8mg/m3;對(duì)于2015年10月13日過(guò)程(圖7b),受弱高壓中心控制影響,呈現(xiàn)出典型的靜穩(wěn)特征:一方面PM2.5和NO2在早晨至上午時(shí)段濃度較高,峰值分別達(dá)到130.7mg/m3(中度污染級(jí)別)和137.8mg/m3(中度污染級(jí)別),從中午開(kāi)始又迅速下降,在下午出現(xiàn)了谷值,這是典型的靜穩(wěn)天氣條件下的日變化型態(tài);另一方面O3與NO2在下午時(shí)段呈現(xiàn)明顯的反相關(guān),且O3的高值時(shí)間維持較長(zhǎng),雖然污染程度無(wú)法與夏季副高控制下高溫、靜穩(wěn)引起的O3污染過(guò)程相比,但型態(tài)較為相似,O3峰值濃度出現(xiàn)時(shí)間也較為一致.對(duì)于2018年4月19日而言(圖7c),在海上東南風(fēng)氣流作用下,PM2.5和NO2呈現(xiàn)出清潔特征:全天維持在相對(duì)較低值,且變化較為平穩(wěn),即使在下午邊界層影響時(shí)段,也未出現(xiàn)較大的變化幅度.O3雖然出現(xiàn)了污染,但在3個(gè)過(guò)程中,驟升驟降最明顯,污染程度也最輕.
圖9 2016年4月21日上游(無(wú)錫、蘇州)和上海O3濃度逐小時(shí)變化
2.4.3 主要?dú)庀蟪梢蚍治?在決定大氣污染變化的氣象條件中,外來(lái)輸送、水平擴(kuò)散和垂直擴(kuò)散是其中最重要的3個(gè)條件[49-51],因此對(duì)于3種污染類(lèi)型的氣象成因主要從這3個(gè)條件進(jìn)行分析.根據(jù)2.4.2節(jié)初步分析可知,2016年4月21日的日變化呈現(xiàn)出典型的輸送特征,因此選取2016年4月21日上游沿線(xiàn)站點(diǎn)O3濃度變化情況進(jìn)行分析,如圖8所示,在O3快速上升時(shí)段內(nèi)(11:00和14:00),上海及上游均處于一致的西北風(fēng)控制,且風(fēng)速較大,在西北風(fēng)輸送路徑上, O3濃度沿著無(wú)錫-蘇州-上海3個(gè)站點(diǎn)空間先后順序,呈現(xiàn)同樣的先后上升順序(圖9),由此可見(jiàn),在溫度相對(duì)偏低的情況下,上游輸送是造成此次O3污染的主要?dú)庀蟪梢?
虛線(xiàn)為地面輻合線(xiàn)大致位置
同樣對(duì)于2015年10月13日過(guò)程,受弱高壓中心控制影響,日變化呈現(xiàn)出典型的靜穩(wěn)特征,因此選取2015年10月13日水平風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行分析.圖10顯示,上海地區(qū)水平風(fēng)力不僅較弱,而且在12:00初步形成了2個(gè)風(fēng)向的輻合風(fēng)場(chǎng),至15:00進(jìn)一步發(fā)展成為3個(gè)風(fēng)向的輻合,輻合時(shí)間共維持8h,長(zhǎng)時(shí)間的輻合風(fēng)場(chǎng)較靜穩(wěn)形勢(shì)更有利于污染物的聚集上升.由此可見(jiàn),本地靜穩(wěn)輻合是造成此次O3污染的主要?dú)庀蟪梢?
與上述2個(gè)個(gè)例相比,2018年4月19日由于受到持續(xù)的東南風(fēng)影響,不存在上游輸送和本地水平靜穩(wěn)輻合條件,因此垂直擴(kuò)散條件的影響就顯得尤為重要.從圖11可以看出,寶山站垂直方向在150～ 450m之間形成了300m深厚的懸浮逆溫,溫度梯度同樣顯示在該層變率最大,達(dá)到0.04℃/m.深厚的低空懸浮逆溫不僅不利于污染物在垂直方向的擴(kuò)散,還將污染壓制在很低的高度范圍內(nèi).從逆溫形成機(jī)制上看,這是由于在4月份,受海陸熱力差異影響,白天海上溫度高于陸地,夜間則相反,且隨著深入內(nèi)陸溫差越大,白天在東向風(fēng)的作用下,溫度相對(duì)較低的海洋氣流吹向陸地,導(dǎo)致內(nèi)陸上偏暖空氣上升至空中,容易在垂直結(jié)構(gòu)上形成逆溫結(jié)構(gòu)[52].從當(dāng)日嵊泗-浦東-青浦的海陸溫差演變可以看出(圖12),嵊泗和青浦的溫差在14:00可以達(dá)到9.8℃.由于水平方向的風(fēng)場(chǎng)較一致,水平擴(kuò)散條件相對(duì)較為有利,因此與前面兩個(gè)過(guò)程相比,該過(guò)程O(píng)3濃度峰值較低,污染時(shí)間較短.由此可見(jiàn),垂直逆溫條件是造成此次O3污染的主要?dú)庀笤?
圖11 2018年4月19日寶山站08h溫度和溫度梯度垂直廓線(xiàn)
通過(guò)以上分析,發(fā)現(xiàn)雖然溫度相對(duì)于高溫下的污染明顯偏低,但從3個(gè)個(gè)例的環(huán)流和要素特征可以看出,3種偏低氣溫下的O3污染類(lèi)型分別在上游輸送、本地靜穩(wěn)輻合和垂直逆溫條件上形成了各自有利的污染條件,一定程度從氣象條件上彌補(bǔ)了溫度在O3光化學(xué)反應(yīng)中的不足.需要說(shuō)明的是,除了水平輸送和擴(kuò)散條件、垂直擴(kuò)散條件之外, O3在垂直方向上的傳輸和分布也是一個(gè)重要條件,例如對(duì)流層折疊[53]、O3殘留層下傳[54]、不同高度風(fēng)場(chǎng)差異對(duì)O3的影響等等,都會(huì)對(duì)地面O3濃度產(chǎn)生重要影響,由于受O3垂直觀(guān)測(cè)條件的限制,這方面的分析有待于后續(xù)通過(guò)風(fēng)廓線(xiàn)、激光雷達(dá)和O3探空氣球等特種觀(guān)測(cè)資料做進(jìn)一步的完善.
圖12 2018年4月19日寶山和嵊泗2m氣溫逐3h變化
3 結(jié)論
3.1 2013～2019年上海地區(qū)按照小時(shí)標(biāo)準(zhǔn)、日標(biāo)準(zhǔn)均出現(xiàn)了偏低氣溫下的O3污染現(xiàn)象,是上海春季主要O3污染現(xiàn)象之一.
3.2 與高溫區(qū)間相比,偏低氣溫的O3污染氣壓偏高,風(fēng)速略偏低,輻射偏低,濕度相差不大.PM2.5和NO2濃度分別偏高26.0,24.9mg/m3.
3.3 偏低氣溫下的O3污染可以分為弱高壓前部、弱高壓控制和海上高壓后部3種天氣類(lèi)型,海上高壓后部型最多,其次為弱高壓前部型,弱高壓控制型最少.
3.4 同樣偏低氣溫下的O3污染由于天氣類(lèi)型不同,氣象成因各不相同,上游輸送、本地靜穩(wěn)輻合和垂直逆溫條件分別是3種類(lèi)型的主要?dú)庀蟪梢?
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Characteristics and main meteorological causes of ozone pollution under relatively low temperature conditions.
MAO Zhuo-cheng1,2*, XU Jian-ming1,2, QU Yuan-hao1,2, PAN Liang1,2, GU Yi-xuan1,2, YANG Dan-dan1,2
(1.Yangtze River Delta Center for Environmental Meteorology Prediction and Warning, Shanghai 200030, China；2.Shanghai Key Laboratory of Meteorology and Health, Shanghai 200030, China)., 2021,41(10)：4507～4517
The temporal distribution, weather system types and meteorological causes of ozone (O3) pollution events under relatively low temperature (below 25℃) were analyzed in Shanghai from 2013 to 2019. The results show that O3pollution under relatively low temperature occurred 45hours and 19days, respectively according to the hourly and daily standard in Shanghai in recent seven years, accounting for 5.0% and 7.3%, respectively of the total O3pollution. The percentage increased to 20.6% and 20.0% in spring, indicating that the O3pollution under relatively low temperature was one of the main O3pollution phenomena in Shanghai in spring. The O3pollution under relatively low temperature was more likely to occur with pressure of 1010.1～1017.1hPa, wind speed of 2.1～3.2m/s, relative humidity of 40.0%～54.0%, and radiation of 0.5～2.7MJ/m2. Compared wieh the O3pollution under high temperature, the air pressure, PM2.5and NO2concentrations were 10.0hPa, 26.0mg/m3and 24.9mg/m3higher, and the radiation was 0.5MJ/m2lower when the O3pollution under relatively low temperature occurred.The O3pollution under relatively low temperature can be mainly attributed to three weather system types: the front of weak high pressure, the control of weak high pressure and the rear of offshore high pressure. Analysis of three typical pollution cases showed that upstream transport, local static convergence and vertical temperature inversion conditions were the main meteorological causes of these three types of pollution respectively.
relatively low temperature；O3pollution；weather types；meteorological causes
X513
A
1000-6923(2021)10-4507-11
毛卓成(1983-),男,浙江衢州人,高級(jí)工程師,碩士,主要從事環(huán)境氣象預(yù)報(bào)研究工作.發(fā)表論文10余篇.
2021-03-03
上海市科技計(jì)劃項(xiàng)目(19DZ1205003,20DZ1204006)
* 責(zé)任作者, 高級(jí)工程師, jlbbyhj002@163.com
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