影響汾渭平原地區臭氧污染的地面環流形勢研究

劉 慧，王建鵬，黃 鑫，祁春娟，李培榮

(1.陜西省氣象臺，西安 710014；2.陜西省氣象局秦嶺和黃土高原生態環境氣象重點實驗室，西安 710016；3.西安市氣象局，西安 710016；4.陜西省氣象信息中心，西安 710014)

臭氧(O3)是大氣光化學污染的產物，具有強氧化性，對人體健康和生態系統有重要影響[1-2]。近年來城市化進程不斷加速，O3污染問題日益凸顯[3-5]。對流層中的O3主要由氮氧化物和揮發性有機物等前體物在光照條件下生成[6-8]。除了受排放源影響外，氣象條件也影響O3的時空分布，大氣環流對云量、降水、風、氣溫、濕度等氣象條件有直接影響[9]，不同的大氣環流背景可導致不同的光化學反應效率及O3和其前體物的區域輸送過程[10]。目前國內分別針對北京、福州、上海、杭州、寧波、武漢等地在天氣型與O3污染方面已經進行了一系列研究[11-15]。大氣環流分型包括主觀分型和客觀分型。主觀分型主要依據預報經驗來分類，主觀性明顯，不利于推廣應用。客觀分型方法基于數學方法進行分類，具有可重復性，適用于長時段、數據量大的情況。Jenkinson等通過定義指數及分類標準將Lamb分類方法客觀化[16-17]，該方法操作性強，天氣氣候學意義明確，已被廣泛應用于研究大氣環流分型。Santurtún等基于Lamb-Jenkinson(L-J)環流分型方法研究了西班牙2001—2010年O3的變化趨勢及與環流型的關系[18]，結果表明反氣旋環流下O3質量濃度的中位數值較低；Liao等基于L-J分型方法分析了長三角地區大氣環流形勢及其與 O3的關系并指出，西風直流形勢對應較高的O3質量濃度[19]。

汾渭平原地形狹長且周邊山脈眾多，這種相對封閉的地形條件使得污染物不易擴散。2018年汾渭平原被列為國務院《打贏藍天保衛戰三年行動計劃》(國發〔2018〕22號)，成為持續開展大氣污染防治行動的三大重點區域之一。近年來該區域大氣污染方面的相關研究主要側重于顆粒物方面[20-23]，圍繞O3的研究主要局限在部分重點城市[24-25]，針對汾渭平原城市群的研究較少。本研究基于L-J分型方法探討汾渭平原大氣環流形勢及不同環流形勢下氣象要素的分布特點，剖析O3質量濃度對不同環流類型的響應，為研究污染形成機理、評估政府減排措施及O3預報業務提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 站點及數據介紹

汾渭平原包括山西省呂梁、晉中、臨汾、運城，河南省洛陽、三門峽，陜西省西安、寶雞、渭南、咸陽、銅川等11個城市(圖1)。所用O3和氣象要素觀測數據為2014—2018年O3污染季(4—10月)資料。O3數據來源于全國城市空氣質量實時發布平臺，每個城市至少有3個觀測站點，汾渭平原區域共62個站(圖1中的三角形)。參照《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)，一日內(08—24時)O3最大 8 h滑動平均質量濃度(用C8 h(O3)表示)，超過160 μg/m3即為超標，該日即為O3污染日[26]。氣溫、相對濕度、風速、風向、露點溫度等數據來自于中國氣象局國家氣象觀測站逐小時地面常規觀測資料，汾渭平原區域共113個站(圖1中十字)，日值由小時值求平均獲得。用于進行客觀分型的海平面氣壓數據來自歐洲中心ERA-Interim再分析資料，時間間隔6 h，空間分辨率為1.0°×1.0°，海平面氣壓場日值由ERA-Interim逐6 h值求日平均獲得。地轉風和地轉渦度由鄰近格點的海平面氣壓值計算獲得。

圖1 汾渭平原環境觀測站和氣象觀測站的地理位置分布(審圖號為GS(2018)1432號)

1.2 L-J環流分型方法

L-J環流分型法由Lamb提出，后經Jenkinson等發展成為一種比較成熟的環流分型方法。具體方法是在設定的計算范圍內，在每隔10個經度、5個緯度的網格上取一個差分格點，共計16個點(圖2)。以西安(34.45°N，108.98°E)為區域中心點，以25°N～45°N、94°E～124°E的范圍為研究區域，根據公式(1)～(6)計算區域中心點的地轉風及地轉渦度，并根據表1把環流類型分為平直氣流型、旋轉型和混合型3大類。平直型分為8小類，分別為偏北氣流、東北氣流、偏東氣流、東南氣流、偏南氣流、西南氣流、偏西氣流、西北氣流；旋轉型分為反氣旋型和氣旋型；混合型由平直型和旋轉型組合而成，共16小類。基于該方法得到的分型結果具有物理意義，例如A型表示區域被反氣旋控制，C型表示區域被氣旋控制，N型表示區域被偏北地轉風控制，AN型表示區域被高壓系統下的偏北地轉風控制，即高壓前部，其他型的物理意義以此類推。

表1 L-J環流分型表

圖2 L-J環流分型方法16個差分格點分布圖

Fs=1.305[0.25(P5+2P9+P13)-0.25(P4+2P8+P12)]，

(1)

Fw=0.5(P12+P13)-0.5(P4+P5)，

(2)

Zs= 0.85[0.25(P6+2P10+P14)-0.25(P5+2P9+P13)-0.25(P4+2P8+P12)+0.25(P3+2P7+P11)]，

(3)

Zw=1.12[0.5(P15+P16)-0.5(P8+P9)]-0.91[0.5(P8+P9)-0.5(P1+P2)]，

(4)

F=(Fs2+Fw2)1/2，

(5)

Z=Zs+Zw。

(6)

式中，F為地轉風，Fs為地轉風經向分量，Fw為地轉風緯向分量，Z為地轉渦度，Zs為地轉渦度的緯向梯度，Zw為地轉渦度的經向梯度。以上6個量的單位均為 0.1 hPa/(°)，P1～P16為16個格點上的海平面氣壓日值，單位為hPa。

2 汾渭平原臭氧分布特點

從2014—2018年4—10月汾渭平原C8 h(O3)平均值的空間分布看(圖3)，處在三省交界的運城、三門峽及河南與山西交界處的洛陽O3污染較重，三市C8 h(O3)平均值分別為122.8 μg/m3、118.6 μg/m3、121.3 μg/m3，主要與人口分布和地理位置有關[27]。銅川地區O3污染程度僅次于這三個城市，主要由于銅川第二產業較高，前體物排放較其他區域突出，而處于汾渭平原城市群邊界區域的呂梁和寶雞O3污染程度最輕[27]。C8 h(O3)值超過160 μg/m3時定義為一個超標日， O3超標率的分布與其質量濃度分布基本一致，運城和洛陽的超標率均達到20%以上。

圖3 2014—2018年4—10月汾渭平原C8 h(O3)平均值(a)及超標率(b)空間分布(審圖號為GS(2018)1432號)

從2014—2018年4—10月C8 h(O3)的逐日變化來看(圖4)，O3污染程度呈波動增加趨勢，2017年污染最為嚴重，臨汾、運城、洛陽的超標日數達到90 d以上，其中運城超標日為116 d，臨汾重度以上日數達8 d。西安涇河站4—10月2017年35 ℃以上的高溫日數達42 d，高于其他年份，其中O3污染最重的6—7月日最高氣溫平均值為34.2 ℃，高于其他年份，這也是導致2017年污染最重的一個原因。

圖4 2014—2018年4—10月汾渭平原各地市C8 h(O3)逐日變化圖

3 汾渭平原環流型特點及與污染物質量濃度和氣象要素的關系

3.1 汾渭平原環流型特點

在O3前體物排放量變化不大的情況下，O3質量濃度的變化主要受氣象條件制約，而區域O3污染的發生與環流形勢密切相關，因此對環流分型的研究有重要意義。基于2014—2018年4—10月ERA-Interim海平面氣壓再分析資料，對汾渭平原的環流形勢進行分類。環流型頻率為某環流型出現日數與總日數的比值，頻率超過5%的環流型為NE型(15%)、C型(13%)、A型(12%)、E型(10%)、S型(7%)、SE型(6%)、N型(6%)，這七種環流型即為影響汾渭平原地區的主要環流背景。

3.2 環流型與污染物質量濃度的關系

為了更好地研究環流型對C8 h(O3)的影響，以西安為例，用某環流型下O3污染日所占比例(R1)與所有環流型下O3污染日所占比例(R2)的比值來分析。當比值大于1時，表示某環流型出現時，易造成O3污染；當比值小于1時，不易造成污染[28]。C8 h(O3)值超過160 μg/m3時，即對應的空氣質量分指數超過100時記為一個O3污染日。R1/R2大于1時從大到小對應的環流型依次為CNW型、CW型、C型、CNE型、CN型、ANW型、CE型、NW型、W型、N型、NE型(圖5)，表明這些環流型出現時較易造成O3污染事件。其中CNW型和CW型雖然極易造成O3污染，但2014—2018年的O3污染季出現次數很少；A型雖然不是最易造成O3污染的天氣型，但出現次數達132次。由于不同環流型出現的頻率不同，且各環流型控制下的C8 h(O3)值有所差異；因此，以各環流型出現的頻率與對應的污染日數的乘積來分析影響汾渭平原區域O3污染的主要環流型，從大到小依次為C型、NE型、E型、N型、A型、S型及CNE型(圖5)。其中C型出現的頻率較高，且對應的C8 h(O3)值較高；NE型、E型、A型、S型出現的頻率較高，但對應的C8 h(O3)值較低；CNE型出現的頻率較少，但對應的C8 h(O3)值最高。綜上分析，R1/R2大于1且環流型出現頻率與對應的污染日數的乘積較大的環流型為C型、NE型、N型及CNE型。

圖5 2014—2018年4—10月汾渭平原不同環流型下R1/R2及環流型出現頻率與污染日數的乘積

將R1/R2大于1且環流型出現頻率與對應的污染日數的乘積較大的四種流型下的海平面氣壓場和C8 h(O3)分別進行平均，即得到不同環流型下海平面氣壓場(圖6)和C8 h(O3)(圖7)分布圖。CNE型和C型對應的C8 h(O3)值較高，這是由于低壓輻合運動容易導致周邊O3向汾渭平原區域輸送，同時氣壓梯度力較弱，靜穩小風天氣不利于污染物的水平擴散，易造成O3積累。

圖6 2014—2018年4—10月汾渭平原四種環流型下海平面氣壓合成場(n為樣本數)

圖7 2014—2018年4—10月汾渭平原四種環流型下C8 h(O3)分布圖(n為樣本數；審圖號為GS(2018)1432號)

3.3 環流型與氣象要素的關系

污染過程與環流型密切相關，但各環流型控制下的氣象要素有所差異。太陽輻射為O3光化學過程提供了能量來源，而氣溫的高低能夠反映太陽輻射的強弱，云量會散射或者吸收太陽輻射，從而影響近地面太陽輻射強弱；濕度較高時利于O3干沉降，同時濕度較高時光化學反應中消耗O3的反應過程占主導，水汽中所含的OH和HO2等自由基迅速將O3分解為O2，降低大氣中的O3質量濃度[29]；風速對O3生成的作用比較復雜，當風速較小時利于O3及其前體物的光化學生成和積聚，隨著風速的增大，一方面會對O3前體物及O3產生擴散和稀釋，降低O3質量濃度，另一方面利于邊界層高度的抬升，促進上層大氣中的O3向近地層輸送[5]。以西安為例，探討不同環流型下O3和氣象要素的特征(圖8)。C型及與C型混合的環流型控制時C8 h(O3)值均較高，這幾種環流型控制時利于O3及其前體物的輻合，同時對應的日平均氣溫和日最高氣溫均較高，利于光化學反應的發生，促進O3生成。A型及與A型混合的環流型控制時C8 h(O3)值均較低，對應的日平均氣溫和日最高氣溫也較低，不利于光化學反應的發生，同時對應的相對濕度及云量均較高，減弱太陽輻射強度，不利于O3的累積。風速與C8 h(O3)的相關性較差。日最高氣溫、日平均氣溫、相對濕度、風速及云量與C8 h(O3)的相關系數分別為0.94、0.87、-0.82、-0.33、-0.70。

圖8 2014—2018年4—10月西安不同環流型下C8 h(O3)及日最高氣溫、日平均氣溫、相對濕度、風速、云量的箱線圖

4 結論

(1) 2014—2018年4—10月運城、三門峽、洛陽 O3污染較重，C8 h(O3)值分別為122.8、118.6、121.3 μg/m3，呂梁和寶雞O3污染程度最輕。運城和洛陽的超標率均達到20%以上。2014—2018年4—10月O3污染程度呈波動增加趨勢，2017年污染最為嚴重。.

(2)頻率超過5%的環流型為NE型(15%)、C型(13%)、A型(12%)、E型(10%)、S型(7%)、SE型(6%)、N型(6%)，其中CN型、CNE型、CE型、CW型及CNW型對應的C8 h(O3)值較高。不同環流型出現的頻率不同，且各環流型控制下的C8 h(O3)有所差異，R1/R2大于1且環流型出現頻率與對應的污染日數的乘積較大的環流型為C型、NE型、N型及CNE型，這四個環流型是影響汾渭平原地區O3污染的主要環流形勢。

(3)C型及與C型混合的環流型控制時西安C8 h(O3)值較高，對應的日平均氣溫和日最高氣溫均較高。A型及與A型混合的環流型控制時C8 h(O3)值較低，對應的日平均氣溫和日最高氣溫也較低，同時對應的相對濕度及云量均較高。日最高氣溫、日平均氣溫、相對濕度、風速及云量與C8 h(O3)的相關系數分別為0.94、0.87、-0.82、-0.33、-0.70。