2016—2019年夏半年成都市区臭氧污染天气特征分析

杨景朝， 赵晓莉， 陶 勇， 成 翔， 肖递祥， 张 超， 耿 蔚*

1.四川省气象灾害防御技术中心， 四川 成都 610072 2.高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室， 四川 成都 610072 3.贵州省气象服务中心， 贵州 贵阳 550002 4.四川省气象台， 四川 成都 610072 5.中国地质大学环境学院大气科学系， 湖北 武汉 430074

夏半年，随着太阳辐射加强，臭氧已取代PM2.5成为我国部分大气污染防治区域首要污染物[1]. 臭氧的产生通常受前体物排放和大气化学反应的影响，但区域臭氧浓度变化与气象背景场密切相关[2-3]. 我国东部降水、相对湿度和日照时数存在南北差异，是臭氧形成北高南低浓度分布的主导因素[4]. 受多种环境因素影响，不同区域诱发臭氧污染的气象因子会有所不同[5-6]. 处于不同地理位置、气候背景的城市，臭氧污染气象条件存在差异性[7].

环流形势是污染天气演变发展的重要因素，对区域污染物稀释扩散和输送堆积起至关重要的作用[8-9]. 高低空环流背景场若为平直西风气流和均压场，极易造成污染天气[10]. 天气分型是将相似海平面气压场、位势高度场等环流形势进行合成分析，通过识别不同天气型的大气环流特征，分析其对污染天气过程的影响，从而提高污染预报的准确性. 天气分型主要分为主观和客观两类以及二者的结合[11-12]，客观分型较主观分型可消除主观经验判断的影响. 近些年，国内外众多学者运用天气客观分型方法进行了污染天气研究，取得了很多有价值的结论. Lamb-Jenkinson环流客观分型方法在长三角地区的应用研究表明，该地区出现反气旋环流和西风型天气，易形成臭氧污染[13]. 利用客观天气分型方法对北京市海平面气压场的分型研究[14]表明，弱压力场等3种海平面气压场不利于北京及周边地区污染物的扩散.

国内关于臭氧污染天气的客观分型研究主要集中于华东地区[15]. 近年来，成都市工业排放量和汽车保有量持续增加，该地区已成为我国大气污染防治重点区域，夏季易受臭氧污染天气影响[16-17]；同时，已有研究[18]表明，臭氧污染已严重危害我国人体健康. 因此，该研究以成都市区为例，采用欧盟COST733天气客观分型软件和欧洲中期数值天气预报中心第五代再分析数据ERA5，归纳总结2016—2019年每年夏半年(5—9月)易形成臭氧污染的海平面气压场、500 hPa 位势高度场及其气象要素特征，分析臭氧污染成因和规律，以期为成都市区臭氧污染预报预警和科学防治提供参考.

1 数据与方法

1.1 数据来源

利用欧洲中期数值天气预报中心(ECMWF)官网(https:cds.climate.copernicus.eu)下载的2016年1月1日—2019年12月31日逐日14:00(BJT)第五代再分析数据ERA5，作为天气客观分型基础数据，空间分辨率为0.25°×0.25°. 选择海平面气压场和10 m 风场作为地面气象场分型对象，研究范围为20°N～40°N、90°E～115°E，包括四川省及其周边海陆区域. 选择500 hPa位势高度场和风场作为高空气象场分型对象，研究范围为20°N～50°N、90°E～120°E，包括中国大部及其周边海陆区域.

利用温江国家基准气候站(站号56187，30.75°N、103.86°E)2016—2019年每年5—9月逐时2 m气温、10 m风速风向、2 m相对湿度、总辐射曝辐量、降水量、逐日日照时数，作为臭氧污染天气型气象要素特征分析数据. 其中，风向以16方位对应符号记录.

大谷大学图书馆藏品共38件，均为写经。其中34件是东本愿寺前法主句佛上人捐赠，其余3件来自句佛上人之弟、晚年任大谷大学校长的大谷莹诚的秃庵文库旧藏，还有1件是原大谷大学教授舟桥水哉的三舟文库旧藏。

由图4可见，成都市区5月、6月、7月、8月、9月臭氧超标率分别为22.6%、23.3%、31.5%、45.2%、6.7%. 臭氧超标日主要集中于5—8月，符合成渝城市群臭氧污染的月变化特征[25]. 轻度污染、中度污染日数在8月达到峰值，分别为46、9 d，重度污染日数在各月均为0～2 d. 成都市区夏半年臭氧小时浓度及小时超标次数的日变化均呈单峰型分布，超标时段为12:00—20:00，主要集中在14:00—17:00，在15:00—16:00达到峰值(见图5). 15:00、16:00超标次数均为74次，15:00、16:00臭氧小时浓度平均值分别为134.9、136.2 μgm3.

倾斜T模态主成分分析方法(PCT)是将原始高维矩阵Z分解为2个低维矩阵F和A的乘积. 其中，Z的每一行代表一个格点，每一列代表一个时次；F为主成分元矩阵；A为载荷矩阵. 保留方差贡献较大的主成分用于后续分析，其中主成分个数应不大于观测时次数，主成分按照对应特征值大小进行排序，选取累计贡献率超过85%的特征值. 将保留的主成分斜交旋转，最后依据载荷大小对每个时次的天气形势进行分类[22]. 该研究采用欧盟COST733项目开发的天气客观分型软件[23]，结合倾斜T模态主成分分析方法，分别对海平面气压场及10 m风场、500 hPa位势高度场及风场进行逐日天气分型，以成都市区为研究中心，分析2016—2019年夏半年(5—9月)天气形势与臭氧污染之间的统计特征.

臭氧日滑动8 h平均最大值来源于中国环境监测总站发布的空气质量监测数据，臭氧日超标是指其浓度高于160 μgm3. 臭氧小时平均值来源于城市内所有有效环境空气质量监测站(排除城市清洁站)的小时数据平均值，臭氧小时超标是指其浓度高于200 μgm3[20-21].

在传统大学普通化学教学的过程中，教师只是根据教材内容一味地传授学生知识，教学过程是枯燥的。学生也只能无意识情绪不加区分地全盘接受，学习过程是被动的。在这种状态下学习，学生是很难激发学习兴趣的，同时也不利于培养学生的发散思维。将多媒体应用在大学教学中，可以充分发挥多媒体的作用，既强化了教师与学生间的互动，又提高了学生的学习热情，还调动了学生的主观能动性。

1.2 分型方法

(1)不同灌溉模式、施肥量对水稻全生育期ETc影响较大，而不同施肥次数对ETc的影响较小。底肥过多或多次施肥的情况会造成水稻贪青使得水稻需水强度峰值延后。

2 结果与讨论

2.1 天气客观分型

基于ERA5再分析数据，利用欧盟COST733天气客观分型软件，得到影响成都市区的5种地面环流形势和3种高空环流形势，其方差贡献率均超过85%. 从海平面气压场和10 m风场分析(见图1)：①高压底部型. 成都市区位于华北冷高压底部，高压中心为 1 017.5 hPa，受偏东北气流影响，风速约为4 ms，引导北方冷空气进入成都市区. ②高压后部型. 陕西省南部为一弱高压中心，高压中心为 1 015 hPa，成都市区位于高压后部，受偏东南气流影响，风速约为2 ms. ③低压型. 四川盆地为一低压中心，低压中心为 1 002.5 hPa，成都市区位于低压边缘，四川盆地以南地区为较强的偏南风，盆地内存在明显的气流辐合. ④弱低压型. 四川盆地为一低压中心，成都市区位于低压内部，但中心气压值较低压型偏高，为 1 007.5 hPa，盆地内风速普遍较小. ⑤低压前部型. 我国大部为低压环流控制，低压中心位于河套地区，成都市区位于低压前部，广西壮族自治区-四川盆地-河套地区为一致的偏南风，四川盆地西部存在气旋性辐合.

从500 hPa位势高度场和风场分析(见图2)：①平直西风气流型. 我国中纬度地区为纬向环流，青藏高原-四川盆地气流较为平直，成都市区位于副热带高压北部边缘，处于西风气流控制，风场较弱.

注：图中绿点为成都市区位置.图1 2016—2019年成都市区夏半年海平面气压场和10 m风场天气分型Fig.1 The distributions of sea level pressures and 10 m winds for each circulation types in Chengdu during summer-time from 2016 to 2019

注： 图中绿点为成都市区位置.图2 2016—2019年成都市区夏半年500 hPa位势高度场和风场天气分型Fig.2 The distributions of 500 hPa geopotential heights and wind vectors for each circulation types in Chengdu during summer-time from 2016 to 2019

②青藏高压型. 成都市区位于青藏高压内部，整体处于反气旋控制，风场较弱. ③副热带高压型. 成都市区位于副热带高压西部边缘，处于西南风气流控制，风场较弱.

该研究得到的5种地面分型结果与成都地区海平面气压场清洁型和污染型天气类型[24]基本一致. 我国北方受冷高压控制，成都市区位于高压底部，偏北气流通常会引导北方冷空气进入成都市区，有利于空气污染物扩散. 成都市区位于高压后部、低压内部、低压前部，通常气压梯度较小，风速较小，不利于近地层空气污染物扩散. 根据3种高空分型结果可知，成都市区基本处于高压控制，属于辐散场，有利于大气下沉；风力相对较弱，其北侧西风相对较大，存在风向辐散作用，与高压辐散场叠加，进一步加强了辐散作用，更有利于大气下沉.

2.2 天气客观分型与臭氧污染的相关性分析

众所周知，科学研究不能没有抽象。上述经典作家对时代划分的四种思路，就是尺度不同的四种抽象。而只要细心比较就会发现，与前三种划分思路相比，“五形态”说是最合理最适度的抽象。

《标准化法》第25条规定：“不符合强制性标准的产品、服务，不得生产、销售、进口或者提供”。对于此条应当如何抽象界定主旨、如何进行解释，《中华人民共和国标准化法释义》（以下简称《标准化法释义》）的回答极为有趣且简短，不妨照录如下：

2.2.2不同天气型对臭氧污染的影响分析

夏半年通常指5—10月，而四川盆地5—9月臭氧污染较为严重[25-26]，故该研究选择夏半年代表月份为5—9月，重点分析该时段臭氧污染天气特征. 由图3可见：2016—2019年夏半年，成都市区共出现臭氧超标日数为159 d，超标率为26.0%，其中，轻度污染、中度污染、重度污染日数分别为133、22、4 d. 臭氧超标日数呈逐年递减趋势，2018年较2017年减少了12 d，减幅最大；轻度污染日数减少了16 d，但中度污染日数增加了4 d，重度污染日数没有变化.

该研究选取国家气象信息中心发布的逐小时总云量实况分析产品，作为臭氧污染天气型气象要素特征分析数据. 该数据以GFS数值预报产品作为背景场，基于LAPS系统，融合了Himawari-8静止气象卫星观测数据、雷达反射率观测数据、地面云量观测数据，水平分辨率为5 km×5 km，经纬度范围为0°N～60°N、70°E～140°E. 该研究预先提取出四川省范围内的数据，再利用双线性插值法计算指定经纬度(30.67°N、104.06°E)格点的总云量数据，以百分数记录. 由于该数据在2017年底已进入业务化试运行，故该研究只选取2018—2019年每年夏半年(5—9月)的总云量实况分析产品[19]进行分析研究.

图3 2016—2019年成都市区夏半年臭氧超标日数Fig.3 Annual O3 extreme days in Chengdu during summer-time from 2016 to 2019

图4 2016—2019年成都市区夏半年逐月臭氧超标日数Fig.4 Monthly O3 extreme days in Chengdu during summer-time from 2016 to 2019

图5 2016—2019年成都市区夏半年臭氧小时浓度及小时超标次数的日变化特征Fig.5 Diurnal variation of hourly O3 non-attainment frequency and average concentration in Chengdu during summer-time from 2016 to 2019

根据钻探揭示，依据岩土体的成因、时代、埋藏分布等特征，结合室内土工试验综合分析，场地勘察深度范围内岩土层自上而下可划分3大工程地质层，现分述如下：

由成都市区海平面气压场分析(见表1)可知：高压底部型未出现臭氧污染天气，总日数为32 d，出现频率为5.2%；其余4种海平面气压场型均有臭氧污染天气出现，出现频率由高到低依次为45.4%(弱低压型)、

24.3%(低压型)、18.8%(低压前部型)和6.2%(高压后部型). 海平面气压场为高压后部型时，高空配合型只有平直西风气流型；其余3种海平面气压场型均有3种高空位势高度场配合，且出现频率特征相同，依次为平直西风气流型、副热带高压型和青藏高压型. 臭氧污染日数最多的海平面气压场为弱低压型，其后依次为低压前部型、低压型、高压后部型. 臭氧超标率最高的海平面气压场为低压前部型(37.4%)，其后依次为弱低压型(27.0%)、低压型(24.2%)、高压后部型(13.2%). 由高空500 hPa位势高度场3种高空型可知，平直西风气流型、副热带高压型、青藏高压型出现的总日数依次为476、106、30 d. 平直西风气流型臭氧超标日数(103 d)最多，青藏高压型(16 d)最少；臭氧超标率分析显示，青藏高压型臭氧超标率最高(53.3%)，平直西风气流型最低(21.6%).

2.2.1成都市区夏半年臭氧污染统计分析

臭氧超标率分析显示：高空500 hPa位势高度场为青藏高压型、海平面气压场为低压型时，臭氧超标率最高(100%)；高空位势高度场为副热带高压型、海平面气压场为弱低压型时，臭氧超标率为54.4%；高空位势高度场为青藏高压型、海平面气压场为低压前部型时，臭氧超标率为50%；其余高空位势高度场和海平面气压场配合型下的臭氧超标率均低于50%. 分析臭氧超标浓度范围可知，除海平面气压场为高压后部型、高空500 hPa位势高度场为平直西风气流型下臭氧浓度上限值低于180 μgm3外，其余天气型下臭氧浓度上限值均大于180 μgm3，最大值为300 μgm3.

表1 2016—2019年成都市区夏半年各海平面气压场和500 hPa位势高度场配合型出现的总日数、臭氧超标日数、臭氧超标率及臭氧超标浓度范围

2.2.3易触发臭氧污染天气型的气象要素特征

根据成都市区夏半年臭氧超标日近地面气象要素日均值，分析臭氧污染日成都市区气象要素特征(见表2). 由表2可见：成都市区夏半年平均风速普遍较小，在1.2～1.6 ms之间，风向集中于西—西西北—西北(258.76°～326.25°)； 平均气温在22.1～28.3 ℃之间，多数高空、地面天气型对应的平均气温在25 ℃以上，气温较高；相对湿度平均值在68.4%～88.0%之间，多集中在70%左右，符合四川盆地夏季低湿特征[26]，说明成都市在低湿状态下，臭氧易超标. 降水量在0～31.3 mm之间，降水量0值对应的高空500 hPa位势高度场为青藏高压型、海平面气压场为低压前部型，只出现了1 d(晴天). 而最大降水量平均值为31.3 mm，对应的高空500 hPa位势高度场为副热带高压型、海平面气压场为低压前部型，臭氧超标日数仅为3 d；次大值为14.7 mm，对应的高空500 hPa位势高度场为副热带高压型、海平面气压场为低压型，臭氧超标日数为6 d；其余均在0.1～5.6 mm之间，降水量级偏小，其臭氧超标日数占臭氧超标总日数的94%，而3种特殊或相对极端情况的臭氧超标日数仅占臭氧超标总日数的6%. 降水概率多在25.0%～60.0%之间，产生降水的概率较小. 总云量一般在19.1%～80.5%之间，变幅相对较大，总云量大小与降水概率、降水量均有较好的对应关系. 总辐射值在18.2～28.0 MJm2之间，除在高空500 hPa位势高度场为青藏高压型、海平面气压场为低压前部型时总辐射最大值为28.0 MJm2(1 d，晴天)，以及在高空500 hPa位势高度场为青藏高压型、海平面气压场为低压型时总辐射最小值为18.2 MJm2以外，总辐射一般在20.5～23.2 MJm2之间，属强太阳辐射. 日照时数与总辐射值大小相对应，日照时数一般在6.0～7.8 h之间. 臭氧日滑动8 h平均最大浓度与近地面气象要素相关性结果(见表3)表明，臭氧浓度与气温、总辐射、日照时数均呈正相关，与风速、相对湿度、总云量、降水量均呈负相关，其中，臭氧浓度与日照时数、相对湿度、气温、总辐射相关系数绝对值较大，进一步验证了以上分析结果.

本研究还发现，术前矫形棒预弯弧度会影响AIS矢状面平衡的恢复，适当增加矫形棒的胸段预弯弧度能够更好地维持矢状面矫形效果，与文献报道一致［17-18］。但是当预弯弧度增加时，也会导致螺钉拔出应力增加，同时矫形棒的抗疲劳性会显著下降，增加了断棒的风险［15］。目前手术医师在确定弯棒弧度时多由自身经验决定，本研究初步探讨了采用基于金属棒性质的有限元模型预测矫形棒预弯弧度，为个体化设计矫形棒预弯弧度及矫形棒材料选择提供了新思路。但本研究采用的是仿真模型，无法纳入患者体质量、柔韧性、骨骼发育等情况，其可行性仍需进一步验证。

综上，成都市区在高温、低湿及强太阳辐射的气象条件下易发生臭氧污染. 整体来看，气温、相对湿度、总辐射和日照时数是影响夏季成都市区臭氧污染的四大主要气象因子，与影响四川盆地臭氧污染的气象因素基本相同[26]. 强太阳辐射往往可以使大气温度升高，相对湿度降低，催化加快臭氧光化学反应. 日照条件下，植物和人为排放的有机物与氮氧化物能快速反应生成臭氧[27].

表2 各海平面气压场和500 hPa位势高度场配合型下臭氧超标日的近地面气象要素日均值

表3 臭氧日滑动8 h平均最大浓度与近地面气象要素的相关性

气象要素是影响臭氧光化学反应速率和扩散传输的主要因素. 已有研究[28-29]表明，高温、低湿、少云、强辐射、特定风向的气象条件有利于中国主要城市群臭氧超标天气形成. 该研究使用温江站逐时2 m气温、10 m风向、2 m相对湿度、总辐射曝辐量以及逐小时总云量实况分析产品，分析成都市区12:00—20:00(2.2.1节显示成都市区夏半年臭氧小时浓度超标时段为12:00—20:00)触发臭氧小时浓度超标天气的气象要素特征.

由臭氧小时浓度超标对应时段的气温、总辐射曝辐量和相对湿度散点图(见图6)可知，臭氧超标时段，气温和总辐射曝辐量相对较高，主要位于30～36 ℃、0～3.5 MJm2之间，相对湿度相对偏低，相对湿度在60%以下的占比为93.1%. 高温、强辐射、低湿是促进成都市区光化学反应速率增加的主要因素. 已有研究[30]表明，成都市及其周边眉山市、德阳市等城市，工业区密集，路网发达，NOx和VOCS排放量较大. 风场对于污染物扩散传输有重要影响，成都市区臭氧小时浓度超标主要受偏南风影响，风向频率为39.8%(见图7). 成都市区臭氧日超标主要受偏西北风影响，偏西北风主要出现在臭氧小时浓度非超标时段(21:00—11:00)，风向频率为33.7%，该时段偏南风风向频率仅为15.2%，并且臭氧小时浓度非超标时段有效样本数(9 179个)几乎是超标时段有效样本数(5 508个)的2倍(见表4). 云天状况对于臭氧浓度也有重要影响[31-32]，成都市区总云量在20%～80%之间，总云量覆盖率越高，臭氧小时超标率越低(见图8). 但总云量在80%～100%区间时，臭氧小时超标率较60%～80%区间反而上升，出现这种情况的原因可能是受天气系统以及地形条件等影响，夏半年(5—9月)下午时段(15:00—20:00)是四川盆地短时强降水较活跃的时段[33]. 一方面，降水对臭氧前体物有清除作用，同时也会加快植被生长，促使植被排放的挥发性有机物增加，这些有机物不会被降水清除，而是转化为臭氧等污染物[34]；另一方面，中雨量级之后，臭氧浓度会随着降水量级的增加而增加[35].

图6 2016—2019年成都市区夏半年臭氧小时超标气温、总辐射与相对湿度特征Fig.6 Characteristics of hourly O3 non-attainment temperature, total radiation and relative humidity in Chengdu during summer-time from 2016 to 2019

图7 2016—2019年成都市区夏半年臭氧小时超标风向特征Fig.7 Characteristics of hourly O3 non-attainment wind direction in Chengdu during summer-time from 2016 to 2019

表4 2016—2019年成都市区夏半年臭氧小时超标时段、非超标时段的风向频率

图8 2018—2019年成都市区夏半年不同总云量区间小时臭氧平均浓度和超标率的变化情况Fig.8 The variation diagram of hourly O3 average concentration and the over standard rate in different total cloud amount ranges in Chengdu during summer-time from 2018 to 2019

3 结论

a) 成都市区2016—2019年夏半年共出现臭氧超标日数为159 d，超标率为26.0%；臭氧年超标日数呈逐年递减趋势；臭氧超标日主要集中于5—8月；臭氧小时超标次数及平均浓度均在15:00—16:00达到峰值.

b) 成都市区臭氧污染日数最多的海平面气压场为弱低压型，其后依次为低压前部型、低压型、高压后部型. 臭氧超标率最高的海平面气压场为低压前部型，其后依次为弱低压型、低压型、高压后部型. 高空500 hPa位势高度场平直西风气流型臭氧超标日数最多，青藏高压型臭氧超标日数最少. 青藏高压型是臭氧超标率最高的高空500 hPa位势高度场型，平直西风气流型臭氧超标率最低.

c) 成都臭氧超标日多出现在偏西北风下，近地面气象要素特征一般表现为风速在1.2～1.6 ms之间，气温在25 ℃以上，相对湿度多集中在70%左右，总云量和降水概率多低于60%，降水量级以小雨为主，太阳辐射和日照时数分别位于20.5～23.2 MJm2、6.0～7.8 h区间. 小时臭氧超标近地面气象要素特征为气温和总辐射曝辐量相对较高，分别在30～36 ℃和0～3.5 MJm2之间，相对湿度在60%以下，总云量低于40%，以偏南风影响为主.