兰州夏季臭氧污染过程分析

张芊 祝禄祺 庞可 张鑫

摘要：利用国控点兰州城市污染资料以及欧洲中期天气预报中心的 ERA-interim 再分析资料，分析了16年7月2日、18年7月9日两次臭氧污染过程，对兰州地区污染天气的特征和过程进行了分析研究并总结了兰州地区臭氧污染类型天气的特点。研究结果表明：（1）通过分析夏季兰州的臭氧污染，结合污染天气当天各污染物的浓度趋势以及风速场、温度场变化，得出兰州市臭氧污染与NO₂、CO 两种主要污染物的浓度以及太阳辐射强度相互联系，兰州夏季臭氧污染时间周期短，持续污染能力较差，污染成分復杂，其污染过程主要集中在一天太阳辐射最强烈的时段。

关键词：大气环境;兰州;臭氧;气象场

中图分类号：X511文献标志码： A

0 引言[1]

臭氧是一种强氧化剂，比重为空气的1.66倍，常集聚在下层空间，其强烈刺激人的呼吸道，造成咽喉肿痛、胸闷咳嗽，引发支气管炎和肺气肿;造成人的神经中毒，头晕头痛、视力下降、记忆力衰退;对人体皮肤中的维生素E起到破坏作用;破坏人体的免疫机能，诱发淋巴细胞染色体病变，加速衰老，致使孕妇生畸形儿等一系列健康问题。因此，大气环境中臭氧浓度上升所造成的污染天气必须引起人们的高度重视。

对于兰州地区的污染过程，已经有不少学者进行了相关研究工作，并得到了很多有意义的结果。王颖等运用CAMQ空气质量模式及WRF中尺度气象模式，通过采用湍流闭合方案、混合层高度和湍流交换系数参数化方法等方面研究了WRF模式下不同边界层参数化方案对模拟边界层低层气象要素特征的差异，验证了CAMQ模式模拟山谷地区城市中空气污染物的输送、扩散、消亡以及转化的能力，给出了适应兰州地区的污染数值模拟方案，分析了兰州地区O₃、PM₁₀、CO等主要几种污染物的时空变化分布特征，以及高架污染源对兰州地区空气质量的贡献率;杨雪玲利用 11-16 年兰州地区的污染物浓度资料分析了兰州污染物浓度的时空分布规律，探讨了风速风向、气温、降水等气象要素对污染物浓度分布的影响，并研究了重污染过程中环流形势和气象条件的变化特征。因此利用数值产品ERA-interim 再分析资料，定量分析兰州地区年际范围内不同类型的污染过程，进而研究不同环流场、温度场、风场以及层结稳定度，对污染物浓度的空间分布和时间变化的影响，以及探究兰州地区全年不同类型污染事件发生发展的规律及特点。

兰州市空气污染多发，分析 1999、2000 年两年的空气污染指数的结果表明，兰州平均的空气污染指数 AQI 年平均达到 239，是我国 42 个主要城市里空气污染最为严重的城市，在 42 个主要城市的 AQI 年平均指数中，兰州是唯一一个 AQI 年平均指数超过了200 的地区。兰州地区的三大主要污染类型分布在不同季节，春季以沙尘暴和浮沉污染为主，夏季以臭氧等光化学烟雾污染为主，冬季以煤烟型污染为主。通过量化分析兰州地区的空气污染发生、发展及消亡的过程，得出兰州地区空气污染的主要形成原因及扩散、消亡的特点，将对及时防灾减灾、提高人们生活质量和国民经济建设具有重要现实意义;对空气污染做出定量准确的预报和监测，将对制定预防人体健康危害的措施，具有显著的科学价值和十分重要的实际意义;同时，依照研究的结论也将对对城市污染的治理，城市的管理规划起到重要的支撑作用。

1 方法介绍

1.1 资料选取

ERA-Interim再分析资料是ECMWF继ERA40资料之后推出的一套新的再分析资料，包含1979年至今的时段，与ERA40时段上有部分重叠（1989—2002年），但在资料同化处理上有很大的进步一是由原先的三维同化系统（3D VAR）变更为现今使用的四维同化系统（4D VAR）;二是更新了同化模型，最新的综合预报系统为IFS Cy45r1;三是提升了格网分辨率，水平格网能提供不高于0.75°×0.75°精度的数据;四是应用了更多的卫星数据包括：卫星亮温资料、GPS掩星资料、散射计资料，以及地面观测资料。其地面资料获取仍使用TESSEL过程（Tiled ECMWF Scheme for Surface Exchanges over Land）。ERA-Interim能够提供不同气压位的多种气象数据，由1000 hPa上升到1 h Pa高度，1000hPa至100 h Pa的压强间隔为25 h Pa。数据时段包括00时、06时、12时、18时（世界时），其中00时和12时为分析产品，06时和18时为预报产品。

1.2 资料使用方法

NCL（The NCAR Command Language）是一种专门为科学数据处理以及数据可视化设计的高级语言，很适合用在气象数据的处理和可视化上。NCL 包含了现代编程语言的许多常见功能：条件语句、循环、数组运算等。此外，NCL 还包括许多有用的内置函数和过程用来进行处理和操作数据，其中包括统计函数、插值、EOF 分析、波谱分析等

本文选用 ERA-interim 再分析资料提供的16年7月2日，18年7月9日的单日资料，运用 NCL 进行可视化处理。再分析资料提供了当日世界时 0时、6时、12时、18时的四次观测资料，本文运用每个时间节点的观测数据对影响兰州地区的风场、温度场进行分析。运用统计分析软件对兰州市及各站点的O_3、CO_、NO₂浓度数据进行处理，结合NCL处理再分析资料得出的气象场图形资料，研究兰州地区的各个污染过程。

2 16年7月2日臭氧污染过程分析

近年以来，臭氧污染频繁发生，已经成为主要环境污染的之一。臭氧是存在于大气层中的抗氧化物和碳氢化合物等被太阳照射，进而发生光化学反应而形成的，其广泛存在于人类生活的大气层中，但是当人类活动区域周边的臭氧浓度超过一定范围时，会造成光化学烟雾等污染。臭氧在空气中的含量远远小于其他组成成分，对它的科学研究尚不充分。本文选取2016年7月2日和2018年7月9日两次典型臭氧污染过程，对兰州地区的夏季臭氧特点进行分析。

2.1 污染物浓度分析

兰州市7月2日臭氧浓度严重超标，根据图1（c）O₃实时浓度变化曲线反应的变化趋势，臭氧浓度在0时到7时维持在较低浓度水平，在8时开始增加，在9时到12时浓度剧烈增加达到峰值，此后直到20时呈现阶梯式下降趋势，20时后维持在150-200区间，达到峰值后虽有下降，但臭氧浓度始终保持在一个较高的浓度范围。依照图1（a）（b）反应的CO、NO₂逐小时浓度变化曲线，CO浓度在7时至12时达到最高，NO₂浓度在0时至12时始终维持在较高的水平，在当日13时CO、NO₂浓度均剧烈减少，且在13至23时两种污染物维持在較低的水平。由此可以判断，O₃进行光化学反应依赖于污染物NO₂、CO的浓度，NO₂、CO在早晨维持一个较高浓度的水平，在进行光化学反应后，浓度剧烈下降，而O₃在午间达到峰值，并随着NO₂、CO的浓度递减而减少。

2.2 兰州市气象场分析

图2（a、b）显示兰州市当日风向上午8时为西南风，下午2时为北风，由于兰州市河谷地形因素的影响，兰州市的污染物扩散能力弱，易于累积;图3（a、b、c、d）分别为当日2时、8时、14时、20时的温度场分布，2时温度为286K，8时温度升至298K，14时温度达到303K，20时温度回落至292K，当日温度峰值不低于30摄氏度，可判断当日太阳辐射在8时至14时强烈，并易于NO₂、CO参与的光化学反应的产生，起到催化作用。

3 18年7月9日臭氧污染程分析

3.1 污染物浓度分析

兰州市7月9日臭氧浓度超标，根据图4（c）O₃实时浓度变化曲线反应的变化趋势，臭氧浓度在0时到8时维持在较低浓度水平，在8时到16时浓度缓慢增加达到峰值，此后直到18时浓度维持在较高水平，18时后浓度剧烈下降，在当天23时达到较低水平。依照图4（a）（b）反应的CO、NO₂逐小时浓度变化曲线，CO浓度全天维持较高浓度的水平，在12时出现下滑，至23时达到最低值;NO₂浓度在0时至9时始终维持在较高的水平，在当日10时NO₂浓度缓慢减少，在10时至23时污染物始终维持在较低的水平。本次污染过程三种污染物浓度的变化情况与16年7月2日的污染物浓度变化相似，均为NO₂、CO在早晨维持一个较高浓度的水平，在进行光化学反应后，浓度剧烈下降，在下午维持较低水平，而O₃在午后达到峰值，并随着NO₂、CO的浓度递减而减少。

4.2.2 兰州市气象场分析

图5（a、b）显示兰州市当日风向上午8时，下午2时均为北风，由于兰州市河谷地形因素的影响，兰州市的污染物扩散能力弱，易于累积;图6（a、b、c、d）分别为当日2时、8时、14时、20时的温度场分布，2时温度为286K，8时温度升至296K，14时温度达到298K，20时温度回落至286K，与16年7月2日的污染过程相比较，其最高温度较低，且剧图4（c）O₃浓度的峰值在15时才达到峰值，因此可判断太阳辐射的强烈程度与产生O₃的光化学反应的反应时间与剧烈程度呈正相关;7月2日当天的NO₂浓度是此次污染天气过程NO₂浓度的两倍，同时7月2日当天O₃的峰值浓度也约为此次污染过程O₃峰值浓度的一倍，因此可推断反应物浓度决定了生成物O₃的浓度。

3结论

在利用污染资料以对兰州地区发生的两种类型的三次污染过程进行污染物浓度及变化趋势的研究，以及结合欧洲中期天气预报中心的 ERAinterim 再分析资料，对污染时段内的气象场加以分析，我们得出以下结论：

夏季兰州的污染天气类型多为臭氧污染，结合污染天气当天各污染物的浓度变化及趋势和风速场、温度场等气象场要素，得出兰州市臭氧污染与NO₂、CO两种主要污染物的浓度以及太阳辐射强度相互联系;NO₂、CO浓度的高低是生成物O₃浓度高低的决定因素之一;当天太阳辐射的强弱与产生O₃的光化学反应的时间长短及反应剧烈程度相关;当天主要污染浓度呈现NO₂、CO在早晨达到峰值，在太阳辐射的催化作用下，参与光化学反应生成O₃并消耗，在当天午后呈现不断下降的趋势，而O₃在凌晨浓度稳定，在光化学反应发生后，在中午或者下午时段达到峰值，且浓度增长率与太阳辐射的强度正相关，在NO₂、CO反应停止后，由于产生源消失，O₃浓度呈不断下降趋势。兰州夏季臭氧污染时间周期短污染成分复杂，持续污染能力较差，其污染过程主要集中在一天太阳辐射最强烈的时段。

[参考文献] （References）

1. 张金贵. 河谷型城市风场及污染物扩散数值仿真研究[D].兰州大学，2017，57.
2. 宁贵财. 四川盆地西北部城市群冬季大气污染气象成因及其数值模拟研究[D].兰州大学，2018，136.
3. 杨雪玲. 兰州市重污染天气过程环流形势与气象条件研究[D].兰州大学，2018.
4. 王颖. 复杂下垫面下空气污染数值模拟研究[D].兰州大学，2010.
5. 王斌，舒争，顾卓良.夏季臭氧污染特征及来源分析[J].黑龙江环境通报，2018，42（03）：77-80.
6. 马秉吉. 兰州市近地面臭氧污染特征及影响因素分析[A]. 中国气象学会.第35届中国气象学会年会 S17 气候环境变化与人体健康[C].中国气象学会：中国气象学会，2018：1.
7. 陈超，严仁嫦，叶辉，林旭，金嘉佳，许凯儿，何曦，沈建东.杭州市臭氧污染特征研究[J].环境污染与防治，2019，41（03）：339-342.
8. 马敏劲，谭子渊，陈玥，丁凡.近15a兰州市空气质量变化特征及沙尘天气影响[J].兰州大学学报（自然科学版），2019，55（01）：33-41.
9. 叶香，何涛，夏京，李莉，雷正翠，王振，赵亚芳.一次非典型颗粒物与臭氧同时污染过程分析[J].环保科技，2017，23（03）：7-14.
10. 王颖，梁依玲，王丽霞.气象条件对污染物浓度分布影响的研究[J].沙漠与绿洲气象，2015，9（02）：69-74.
11. 刘晨. 半干旱区污染物浓度变化特征及其机理研究[D].兰州大学，2018.
12. [1]严铭，汪涛，徐丹瑶，杨佳，王璐.宁海县城区近地面臭氧污染特征分析[J].环境与发展，2019，31（11）：18-19.

基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金（No.lzujbky-2017-66）

作者简介：张芊，（1997-），男，硕士研究生，研究方向：大气物理与大气环境，环境影响评价