中卫市臭氧污染气象条件及环流特征分析

张泽瑾，李晓攀，高 媛，刘智贤

（1.中卫市气象局，宁夏中卫755000；2.宁夏气象台，宁夏银川750002；3.中卫市沙坡头区气象局，宁夏中卫755000）

臭氧层可以吸收地球外的紫外辐射，使人们免受其危害。可氮氧化物（NOx）和挥发性有机污染物（VOCs）通过光化学反应生成的近地面臭氧却严重威胁着地球生物。随着城市化、工业化进程的高速发展，挥发性有机物和氮氧化物等臭氧前体物排放量与日俱增，臭氧污染日趋严重。而近地面臭氧浓度除了取决于臭氧前体物和挥发性有机物的含量，也与气象条件密不可分。因此，分析研究气象条件和臭氧污染间的内在关系显得至关重要。

国内大量监测和研究表明，臭氧浓度有明显的季节性变化和日变化特征[1-4]，白天中午后浓度最高，夜间降低，呈明显的单峰型特征；臭氧质量浓度变化与温度呈正相关，与相对湿度呈负相关。高温低湿、强太阳辐射、近地面风速小均有利于局地臭氧的生成和累积。臭氧超标时段多对应高温、低湿、高压系统控制的天气条件[5]。

中卫市地处宁夏回族自治区中西部，西北部紧贴腾格里沙漠，气候干燥，日照充足，太阳辐射强，为臭氧前体物的转化提供了有利的气象条件。在高温、强光辐射的作用下，臭氧已然成为中卫市夏季大气环境的主要污染物。本文利用2019年中卫市区臭氧监测小时浓度数据和同期相关气象要素数据，分析中卫市臭氧变化特征以及气象影响因素，在对高浓度臭氧污染发生时段典型气象特征诊断分析的基础上，初步总结出中卫市高浓度臭氧污染气象要素及典型环流特征，以期为中卫市臭氧污染预测预报提供参考依据，对中卫市开展臭氧污染防治工作提供数据支撑。

1 数据资料来源

O3质量浓度数据来源于中卫市环境监测站，本文用官桥站、环保局站和沙坡头消防站3个国控站点2019年的小时监测数据进行分析，1 h浓度平均值是指该点在1 h内所测项目浓度的算术平均值。空气质量状况描述参照新国标及《环境空气质量评价技术规范(试行)》[6]的有关规定。

日照、气温、辐照度、相对湿度等气象要素数据来源于中卫国家基本气象观测站，500 hPa位势高度场及地面气压场数据来源于MICAPS4实况资料，用于分析臭氧质量浓度与气象条件及环流背景的关系。

2019年7月12日和7月13日为典型臭氧污染日，中卫市环境空气质量监测国控点均出现臭氧浓度超标，即O3最大1 h平均质量浓度＞200μg/m3。

2 结果与分析

2.1 中卫市臭氧污染时间分布特征

从图1可以看出，春夏季臭氧浓度明显高于秋冬季，O3月平均浓度较高的月份为4—8月，其峰值出现在7月。这是因为光化学烟雾多发生在阳光强烈的夏季，致使环境空气中的臭氧浓度迅速增加。

图1 中卫市臭氧浓度月变化特征

从图2可以看出，O3浓度日变化态势呈明显的“单峰型”。臭氧浓度白天明显高于夜间，变化也较为剧烈，08时以后臭氧浓度逐步增加，峰值出现在14—18时，19时之后臭氧浓度逐渐减少。这是由于中卫市夏季日出时间一般在6点之前，日落时间一般在19时之后，日照时间长；气温08时开始大幅上升，19时开始缓慢下降，气温较高时段拉长，下午时段的温度和太阳辐射均为整日最高，同时也是低湿时段，进而引发明显的光化学反应[7]。

图2 中卫市臭氧浓度日变化特征

综上所述，一年当中的夏季和一天当中的午后是臭氧浓度最高的时候。一是因为高温，二是因为光照和前体物比较充足。温度越高、日照时间越长，有机污染物挥发量越大、臭氧前体物发生光化学反应程度越充分，臭氧浓度也越高。在高温晴好的天气状况下，常对应出现较低的相对湿度条件[8]。故高温、低湿、强辐射的综合作用致使夏季午后臭氧浓度高值长时间维持。

2.2 高浓度臭氧污染日气象要素特征

从表1可以看出，温度越高、日照时间越长、紫外辐射越强、相对湿度越小，臭氧浓度越高，高值维持时间越长。余钟奇等[9]研究表明，温度越高，太阳辐射越强，光化学反应越剧烈，致使近地面层的臭氧含量增加。

表1 7月13日日出到日落O3浓度与相关气象观测数据

根据《环境空气质量标准》（GB 3095-2012）规定，当“1小时均值”＞200μg/m3时，为臭氧超标。分析臭氧超标日三站臭氧浓度与气温、相对湿度、风速、风向的相关性特征，如图3、图4、图5、图6所示，臭氧浓度与温度和湿度线性相关，与温度呈正相关，与相对湿度呈负相关，且相关性好。当气温大于29℃时，相对湿度小于40%时，臭氧浓度易超标（见图3、图4）。这是因为温度较高、相对湿度偏低利于促进光化学反应和O3的生成[10]。臭氧浓度和风速没有明显的线性关系，但风对臭氧浓度的变化有着重要影响。风速小，反映出全天较稳定的大气环境，有利于臭氧浓度的积累，轻风或微风可以使大气边界层高度增加，上下层臭氧相混合，从而使近地层臭氧质量浓度增加[11]（见图5）；当风向为偏东风和偏南风时，臭氧浓度较高（见图6），在中卫市东至东偏北方向有化工厂分布，偏东风使得上述区域排放的污染物通过气团向中卫城区输送；而偏南风有利于近地面午后迅速升温，在高温和强太阳辐射作用下，易造成午后臭氧浓度出现高值[7]。

从以上分析可以看出，夏季午后是高浓度臭氧污染事件的易发时段，而午后典型气象要素特征体现为太阳辐射强、气温高、湿度低、风速较大（微风）。从高浓度臭氧污染发生时的气象条件来看：当午后近地面太阳紫外线辐射强度大于30 W/m2、气温大于29℃、相对湿度低于40%、风速小于4 m/s、风向为偏东或偏南风时，中卫市易发生以臭氧浓度高值为标志的光化学污染事件。

图3 O3-1 h浓度与气温的相关性特征

图4 O3-1 h浓度与相对湿度的相关性特征

图5 O3-1 h浓度与风速的相关性特征

图6 O3-1 h浓度与风向的相关性特征

2.3 典型臭氧污染日环流背景特征

通过对2019年中卫市区高浓度臭氧污染发生时段500 hPa及地面环流背景特征进行分析（见图7、图8），发现当500 hPa受较为强大的大陆高压控制、处于西北气流里，地面上受发展强大的热低压控制时，臭氧污染程度较严重。这是由于高压脊稳定，无冷空气入侵，暖高压控制下盛行下沉气流，天气晴朗少云，太阳辐射长时间作用于地面，使其存储了大量热能，利于近地层快速升温；当地面受热低压控制时，中卫市为正变温负变压区域，湿度降低，地面吹偏南风有利于温度升高。有利的环流背景使得近地层温度升高、湿度减小，强烈的太阳辐射使集聚的臭氧前体物光化学反应加快，造成中卫市臭氧污染。

图7 7月13日08时500 hPa环流形势

图8 7月13日08时地面环流形势

3 结论与不足

中卫市近地面O3浓度月变化和日变化都呈单峰型。春夏季高于秋冬季，月浓度峰值出现在夏季7月；臭氧浓度白天高于夜间，日臭氧浓度峰值出现在下午14—18时。

臭氧浓度与太阳辐射、温度和日照时间呈正相关，紫外辐射越强、温度越高、日照时间越长，臭氧浓度越大；与相对湿度呈负相关，相对湿度越小，臭氧浓度越大。从臭氧超标日的气象条件来看，当夏季午后近地面太阳紫外线辐射强度大于30 W/m2、气温大于29℃、相对湿度低于40%、风速小于4 m/s、风向为偏东或偏南风时，中卫市易发生以臭氧浓度高值为标志的光化学污染事件。

当环流形势为500 hPa受较为强大的大陆高压控制、处于西北气流里，地面上受发展强大的热低压控制时，中卫市天气以晴为主，气温较高，太阳辐射较强，相对小风，利于臭氧前体物浓度积聚并发生光化学反应，易出现高浓度臭氧污染。

因为条件限制，本文只选用了1年的数据，研究时间短且资料不全；加之受2019年气候的影响，中卫市夏季凉爽，高温日数少，降水偏多，日照时数偏少，副高影响小，且臭氧浓度不仅受气象条件影响，还与颗粒物及其前体物有密切关系。故所得到的结论是初步的，揭示气象条件及环流特征对中卫市臭氧污染的影响尚有大量的工作需要补充。