中衛市臭氧污染氣象條件及環流特征分析

張澤瑾，李曉攀，高 媛，劉智賢

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

臭氧層可以吸收地球外的紫外輻射，使人們免受其危害。可氮氧化物（NOx）和揮發性有機污染物（VOCs）通過光化學反應生成的近地面臭氧卻嚴重威脅著地球生物。隨著城市化、工業化進程的高速發展，揮發性有機物和氮氧化物等臭氧前體物排放量與日俱增，臭氧污染日趨嚴重。而近地面臭氧濃度除了取決于臭氧前體物和揮發性有機物的含量，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在關系顯得至關重要。

國內大量監測和研究表明，臭氧濃度有明顯的季節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；臭氧質量濃度變化與溫度呈正相關，與相對濕度呈負相關。高溫低濕、強太陽輻射、近地面風速小均有利于局地臭氧的生成和累積。臭氧超標時段多對應高溫、低濕、高壓系統控制的天氣條件[5]。

中衛市地處寧夏回族自治區中西部，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，臭氧已然成為中衛市夏季大氣環境的主要污染物。本文利用2019年中衛市區臭氧監測小時濃度數據和同期相關氣象要素數據，分析中衛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生時段典型氣象特征診斷分析的基礎上，初步總結出中衛市高濃度臭氧污染氣象要素及典型環流特征，以期為中衛市臭氧污染預測預報提供參考依據，對中衛市開展臭氧污染防治工作提供數據支撐。

1 數據資料來源

O3質量濃度數據來源于中衛市環境監測站，本文用官橋站、環保局站和沙坡頭消防站3個國控站點2019年的小時監測數據進行分析，1 h濃度平均值是指該點在1 h內所測項目濃度的算術平均值。空氣質量狀況描述參照新國標及《環境空氣質量評價技術規范(試行)》[6]的有關規定。

日照、氣溫、輻照度、相對濕度等氣象要素數據來源于中衛國家基本氣象觀測站，500 hPa位勢高度場及地面氣壓場數據來源于MICAPS4實況資料，用于分析臭氧質量濃度與氣象條件及環流背景的關系。

2019年7月12日和7月13日為典型臭氧污染日，中衛市環境空氣質量監測國控點均出現臭氧濃度超標，即O3最大1 h平均質量濃度＞200μg/m3。

2 結果與分析

2.1 中衛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，其峰值出現在7月。這是因為光化學煙霧多發生在陽光強烈的夏季，致使環境空氣中的臭氧濃度迅速增加。

圖1 中衛市臭氧濃度月變化特征

從圖2可以看出，O3濃度日變化態勢呈明顯的“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，峰值出現在14—18時，19時之后臭氧濃度逐漸減少。這是由于中衛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，進而引發明顯的光化學反應[7]。

圖2 中衛市臭氧濃度日變化特征

綜上所述，一年當中的夏季和一天當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，有機污染物揮發量越大、臭氧前體物發生光化學反應程度越充分，臭氧濃度也越高。在高溫晴好的天氣狀況下，常對應出現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，光化學反應越劇烈，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濃度與相關氣象觀測數據

根據《環境空氣質量標準》（GB 3095-2012）規定，當“1小時均值”＞200μg/m3時，為臭氧超標。分析臭氧超標日三站臭氧濃度與氣溫、相對濕度、風速、風向的相關性特征，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，與溫度呈正相關，與相對濕度呈負相關，且相關性好。當氣溫大于29℃時，相對濕度小于40%時，臭氧濃度易超標（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反應和O3的生成[10]。臭氧濃度和風速沒有明顯的線性關系，但風對臭氧濃度的變化有著重要影響。風速小，反映出全天較穩定的大氣環境，有利于臭氧濃度的積累，輕風或微風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量濃度增加[11]（見圖5）；當風向為偏東風和偏南風時，臭氧濃度較高（見圖6），在中衛市東至東偏北方向有化工廠分布，偏東風使得上述區域排放的污染物通過氣團向中衛城區輸送；而偏南風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時段，而午后典型氣象要素特征體現為太陽輻射強、氣溫高、濕度低、風速較大（微風）。從高濃度臭氧污染發生時的氣象條件來看：當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%、風速小于4 m/s、風向為偏東或偏南風時，中衛市易發生以臭氧濃度高值為標志的光化學污染事件。

圖3 O3-1 h濃度與氣溫的相關性特征

圖4 O3-1 h濃度與相對濕度的相關性特征

圖5 O3-1 h濃度與風速的相關性特征

圖6 O3-1 h濃度與風向的相關性特征

2.3 典型臭氧污染日環流背景特征

通過對2019年中衛市區高濃度臭氧污染發生時段500 hPa及地面環流背景特征進行分析（見圖7、圖8），發現當500 hPa受較為強大的大陸高壓控制、處于西北氣流里，地面上受發展強大的熱低壓控制時，臭氧污染程度較嚴重。這是由于高壓脊穩定，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；當地面受熱低壓控制時，中衛市為正變溫負變壓區域，濕度降低，地面吹偏南風有利于溫度升高。有利的環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反應加快，造成中衛市臭氧污染。

圖7 7月13日08時500 hPa環流形勢

圖8 7月13日08時地面環流形勢

3 結論與不足

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

臭氧濃度與太陽輻射、溫度和日照時間呈正相關，紫外輻射越強、溫度越高、日照時間越長，臭氧濃度越大；與相對濕度呈負相關，相對濕度越小，臭氧濃度越大。從臭氧超標日的氣象條件來看，當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%、風速小于4 m/s、風向為偏東或偏南風時，中衛市易發生以臭氧濃度高值為標志的光化學污染事件。

當環流形勢為500 hPa受較為強大的大陸高壓控制、處于西北氣流里，地面上受發展強大的熱低壓控制時，中衛市天氣以晴為主，氣溫較高，太陽輻射較強，相對小風，利于臭氧前體物濃度積聚并發生光化學反應，易出現高濃度臭氧污染。

因為條件限制，本文只選用了1年的數據，研究時間短且資料不全；加之受2019年氣候的影響，中衛市夏季涼爽，高溫日數少，降水偏多，日照時數偏少，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系。故所得到的結論是初步的，揭示氣象條件及環流特征對中衛市臭氧污染的影響尚有大量的工作需要補充。