气象条件对银川市区近地面臭氧质量浓度的影响

杨 婧，朱海斌，刘建军，严晓瑜，纳 丽，刘玉兰

(1.宁夏气象防灾减灾重点实验室，宁夏 银川 750002；2.宁夏回族自治区气象台，宁夏 银川 750002； 3.宁夏银川市气象局，宁夏 银川 750002；4.宁夏回族自治区气象局，宁夏 银川 750002； 5.宁夏气象服务中心，宁夏 银川 750002)

引 言

近地面臭氧主要是由人类活动产生的氮氧化物、挥发性有机物等经光化学反应生成的二次污染物[1]，高浓度臭氧对生态环境、人体健康、农作物生长等会产生不利影响[2-3]。近年来，臭氧已经成为继PM2.5后又一重要污染物[4-5]，是各级政府环境治理工作的又一侧重点。因此，深入开展不同地区臭氧的时空分布与成因机制研究，对提升臭氧污染预报预警能力具有重要意义。

气象条件直接影响臭氧的光化学反应、扩散和传输，是引起近地面臭氧浓度变化极为重要的因素[6-8]。研究表明，臭氧浓度与太阳辐射、气温、相对湿度、云量、风等局地气象要素存在显著的相关关系，高浓度臭氧往往对应着强辐射、高温、低湿、少云的气象条件[9-13]，而臭氧与风的关系则因地域特征不同而存在差异[14-19]。臭氧的生消和扩散传输都是在一定的天气系统(尺度在几百至几千千米)下完成，热带气旋外围和高压控制区域盛行大规模的下沉气流，造成珠三角[20-21]、长三角地区[22]和华北地区[23]晴晒、弱风的气象条件，容易引发大范围的臭氧污染，但处于地面高压、低压系统的不同位置，其臭氧浓度变化不尽相同[24-26]。可见，采用环流分型技术，总结分析污染天气下的天气系统或环流形势，能够更深入地理解污染天气特征和形成机制。比如，福建福州在高压后部、地面倒槽等6种天气系统下臭氧浓度值较高，而在低涡锋面、台风等4种天气系统下臭氧浓度值较低[27]；上海臭氧污染的环流形势都与副高有关，不利于触发臭氧污染的环流形势都和低值系统相关[28]。银川市作为宁夏回族自治区的首府城市，近年来臭氧浓度持续上升，臭氧污染居全区之首[29]。党的十八大以来，在“绿水青山就是金山银山”理念引领下，我国绿色发展成就举世瞩目，但当前污染防治攻坚形势依旧严峻。为此，本文以宁夏银川市区为例，通过分析气象要素与臭氧质量浓度的关系，对臭氧超标日的环流形势进行分型，进一步揭示气象条件对臭氧污染发生发展的促进作用，为银川市臭氧污染预报预警提供科学依据。

1 数据和方法

1.1 资料来源

宁夏银川市位于我国西北地区东部，属于温带干旱半干旱气候，西侧是南北向的贺兰山。使用2014—2016年银川市区6个国控环境监测站点(简称“国控站”)逐时臭氧质量浓度监测数据，其中贺兰山马莲口站、宁化生活区站、学院路站分布在西夏区，贺兰山东路站、宁安大街站分布在金凤区，银湖巷站分布在兴庆区，站点分布及地形见图1[文中涉及的行政边界均基于国家基础地理信息中心标准地图服务网站下载的审图号为GS(2019)1719的标准地图制作，底图无修改]。国家基准气候站银川站逐小时地面气象观测资料、亚欧范围内地面气象观测站逐3 h气象要素(气温、气压、风向风速、相对湿度等)观测数据和探空观测站每日08:00(北京时，下同)、20:00高空气象要素(温度、温度露点差、风向风速等)观测数据。

图1 银川市区及周边地形高度(单位：m)和 国家基准气候站与国控环境监测站分布Fig.1 The distribution of elevation (Unit: m) and national reference climatological station, national environmental monitoring sites in Yinchuan and its surroundings

1.2 分析方法

2 结果与分析

2.1 银川市区O3质量浓度年变化特征

2014—2016年银川市区6个国控站逐日O3质量浓度的相关系数在0.66～0.89之间，表现出很强的相关性，用6站平均O3质量浓度能较好地表征银川市区臭氧浓度的整体特征。从2014—2016年平均O3质量浓度逐日变化(图2)看出，银川市区日平均O3质量浓度为7.35～208.44 μg·m-3，平均为84.08 μg·m-3，具有明显的单峰型年变化特征。其中，11月到次年1月O3质量浓度值较低，普遍为20～60 μg·m-3，2—4月浓度逐渐上升，至6—7月达到峰值，普遍在100～160 μg·m-3之间，8月开始逐渐下降。2014年与2015年相比，O3质量浓度年平均值相当，分别为76.45、77.61 μg·m-3，大于160 μg·m-3(轻度污染)的日数分别为4、13 d；2016年O3质量浓度年平均值为98.14 μg·m-3，大于160 μg·m-3的日数为25 d，明显高于2014年和2015年。

将2014—2016年银川市区日平均O3质量浓度数据分为周末节假日和非周末节假日两组，发现周末节假日平均O3质量浓度(85.17 μg·m-3)稍大于非节假日(84.07 μg·m-3)，且两组数据经t检验无显著差异，说明银川市区近地面臭氧浓度无显著的周末节假日效应。

2.2 银川市区气象要素与平均O3质量浓度的关系

2.2.1 最高气温与平均O3质量浓度的关系

由图3可见，银川市区2014—2016年日最高气温普遍在-10～37 ℃之间，随着最高气温的升高，平均O3质量浓度呈指数上升，拟合优度为0.5855，这与成都市[12]、南京市[13]近地面臭氧浓度与气温的分布关系相似。当银川市区日最高气温在-5～15 ℃之间时，每升高1 ℃，O3质量浓度平均上升1.75 μg·m-3；日最高气温在15～35 ℃之间时，每升高1 ℃，O3质量浓度平均上升3.39 μg·m-3。统计发现，日最高气温小于30 ℃时，只有不到3%的日数O3质量浓度大于160 μg·m-3；当日最高气温介于30～35 ℃之间时，O3质量浓度超过160 μg·m-3的日数迅速上升到22%，而日最高气温为35～40 ℃时，O3污染日数达到38%。这是由于气温越高，太阳辐射越强，光化学反应强度越大，二次生成的臭氧浓度越高[30]。另外发现，当日最高气温在0～30 ℃之间时，在日最高气温相同条件下，相对湿度较低的环境臭氧浓度更高，即“干热”的气象条件更有利于近地面臭氧浓度上升，这与齐冰等[31]的研究结果相一致。

图2 2014—2016年银川市区平均O3质量浓度日变化Fig.2 Daily changes of average O3 mass concentration in Yinchuan from 2014 to 2016

图3 2014—2016年银川市区日平均 O3质量浓度与最高气温的分布关系 (散点颜色表示日平均相对湿度，单位：%)Fig.3 The distribution relation between daily average O3 mass concentration and maximum temperature from 2014 to 2016 in Yinchuan (The color of dots indicates daily average relative humidity, Unit: %)

2.2.2 相对湿度与平均O3质量浓度的关系

由图4可见，银川市区平均O3质量浓度与日均相对湿度之间表现出微弱的负相关关系，整体上，随着相对湿度的增加，平均O3质量浓度呈现下降趋势。这主要由三方面原因造成：一是紫外辐射是光化学反应的重要条件，大气中水汽的消光机制会衰减紫外辐射；二是水汽所含的自由基(OH、HO2)等会消耗臭氧[32]；三是相对湿度的增加有利于臭氧的湿清除。银川市区近地面臭氧浓度与相对湿度的负相关分布特征与南京市[13]极为相似，而在成都市两者的负相关表现出指数拟合关系[12]。这种差异一方面是地理位置不同造成的，另一方面银川市区和南京市80%以上数据样本的相对湿度在30%～70%之间，而成都市80%以上样本的相对湿度在70%～96%之间，样本分布不同造成这种差异。另外发现，在日均相对湿度相同的条件下，最高气温越高的环境臭氧浓度越高。

图4 2014—2016年银川市区日平均O3 质量浓度与平均相对湿度的分布关系 (散点颜色表示日最高气温，单位：℃)Fig.4 The distribution relation between daily average O3 mass concentration and relative humidity from 2014 to 2016 in Yinchuan (The color of dots indicates daily maximum temperature, Unit: ℃)

2.2.3 日最大风速和风向与平均O3质量浓度的关系

为方便讨论日最大风速的风向与平均O3质量浓度的关系，将风向划分为北风(315°～360°和0°～45°)、东风(45°～135°)、南风(135°～225°)和西风(225°～315°)(图5)。经统计，2014—2016年银川市区日最大风速普遍在2～8 m·s-1之间，北风占45%，南风占24%，东风占17%，西风占14%，超过6 m·s-1的最大风速主要出现在西风270°～315°区间。

从图5看出，在北风、东风、南风以及西风225°～270°区间，随着日最大风速的增大，平均O3质量浓度呈上升趋势，而在西风270°～315°区间，平均O3质量浓度则随着日最大风速的增大而减小，轻度污染及以上天气的日最大风速普遍小于6 m·s-1。这是因为风同时具有垂直混合和水平扩散的作用，当风速较小时，垂直混合强于水平扩散，引起臭氧及其前体物在近地面不断累积，有利于臭氧浓度上升[33]。北风、东风、南风以及西风225°～270°区间的日最大风速普遍在2～6 m·s-1之间，随着风速的增大，垂直混合增强，平均O3质量浓度呈上升趋势，而西风270°～315°区间平均风速最大，风速大于6 m·s-1的日数最多，风的水平扩散作用占主导，随着风速增大水平扩散能力增强，平均O3质量浓度呈下降趋势，表明较大的风速不利于产生高浓度的O3污染天气。

图5 2014—2016年银川市区日平均O3质量浓度(单位：μg·m-3)与最大风速和风向的关系 (散点颜色表示日平均O3质量浓度)Fig.5 The distribution relation between daily average O3 mass concentration (Unit: μg·m-3) and maximum wind speed and wind direction from 2014 to 2016 in Yinchuan (The color of dots indicates daily average O3 mass concentration)

从风向来看，南风及具有南风分量的东风90°～135°区间、西风225°～270°区间，平均O3质量浓度大于其他无南风分量的点，180°风向附近O3浓度较高，这是因为当银川市区出现偏南风时，往往伴有较强的暖平流，有利于气温升高、臭氧质量浓度增大。另外，在相同南风分量的南风135°～180°区间和180°～225°区间，前者平均O3质量浓度明显大于后者，这是由于西侧贺兰山的地形阻挡抑制了对流层低层臭氧向偏西、偏北方向的水平传输，使得臭氧在银川市区近地面堆积，造成臭氧质量浓度上升；东风90°～135°区间的南风分量少于南风180°～225°区间，但前者平均O3质量浓度略大于后者，这是因为前者的风向与贺兰山的交角更接近垂直，地形阻挡作用更为明显。对比发现，银川市区风力与臭氧质量浓度的关系与成都市[12]、南京市[13]相似，但由于贺兰山地形的阻挡作用，使得朝着贺兰山的风向有利于臭氧质量浓度的上升。

2.3 银川市区臭氧污染日环流特征

2014—2016年银川市区最大O3质量浓度达到轻度污染及以上的日数163 d，对臭氧污染日500 hPa环流场进行分型，大致分为5类：槽脊型72 d(44%)、宽广低槽型35 d(21%)、副高型26 d(16%)、东北高脊型13 d(8%)，由于剩余的17个臭氧污染日的环流形势出现次数较少，统一归为其他型。

2.3.1 环流形势分型

图6是银川市区臭氧污染日不同分型的500 hPa位势高度场合成。槽脊型[图6(a)]，500 hPa我国东北、华北地区及其以东洋面上空存在一深厚的低槽或低涡，低涡中心位于黑龙江至长江三角洲纬度范围内，与低涡相配合的冷槽或单独的低槽可以影响到华中和华东地区。低值系统上游新疆至宁夏银川一带受广阔的高压脊或一槽一脊控制(少数情况受多个短波槽控制)，青藏高原地区常伴有高原槽或南支槽发展，银川市区处于槽后脊前或脊中。宽广低槽型[图6(b)]，500 hPa我国北方、蒙古及中西伯利亚大面积区域存在广阔的低值系统，常伴随有1～2个低涡，银川市区处于低值系统底部较为平直的西风气流中，少数情况受短波槽影响，新疆至宁夏银川一带无明显脊存在。副高型[图6(c)]，此类臭氧污染主要出现在7—8月，500 hPa银川市区上空受副热带高压(西太平洋副高或我国大陆高压单体)控制，或者距离副高较近且位势高度大于584 dagpm。东北高脊型[图6(d)]，500 hPa我国东北至华北地区上空受高压脊控制，新疆至华北地区西部为一脊一槽或两槽一脊，银川市区处于低槽中或脊前槽后。

2.3.2 臭氧污染日影响系统

在银川市区163个臭氧污染日中(表1)，近地层逆温出现比例最高为79%，海平面低压(或倒槽)比例次之，为64%，700、850 hPa温度脊(或暖区)分别为50%和55%；除副高型中逆温层的比例低于低压(或倒槽)和700、850 hPa温度脊(或暖区)外，其余4种类型中逆温层的比例(74%以上)均高于其他影响系统。另外，同时不受低压(或倒槽)以及逆温层影响的臭氧污染日有14 d，只占总数的9%。

图6 2014—2016年银川市区O3污染日不同分型的500 hPa位势高度场合成(单位：dagpm) (点线表示脊线，点划线表示槽线) (a) 槽脊型，(b) 宽广低槽型，(c) 副高型，(d) 东北高脊型Fig.6 The composed 500 hPa geopotential height fields (Unit: dagpm) with different patterns on O3 pollution days in Yinchuan during 2014-2016 (The dotted and dot-dashed lines indicate ridge and trough lines, respectively) (a) trough and ridge pattern, (b) wide trough pattern, (c) subtropical high pattern, (d) northeast ridge pattern

表1 2014—2016年银川市区污染日不同环流形势下700、850 hPa 温度脊、低压(或倒槽)及逆温层出现的日数和比例Tab.1 The number of days and proportion of thermal ridge on 700 hPa and 850 hPa, low pressure (or inverted trough) and inversion layer under five circulation patterns in Yinchuan during 2014-2016

从物理机制上看，700、850 hPa温度脊(或暖区)表征了大气中低层受暖性气团影响，暖性气团距离地面较远，仅利于近地面气温升高；海平面低压(或倒槽)不仅有利于近地面气温升高，还对近地层臭氧有汇集作用，且距离低压中心越近辐合汇集作用越强；逆温层的存在可使臭氧及其前体物无法向高空扩散，致使污染物在近地层不断累积，导致臭氧浓度持续上升。

综上所述，与700、850 hPa温度脊(或暖区)相比，近地层的低压(或倒槽)和逆温层更直接利于近地面臭氧浓度上升，是产生银川市区臭氧污染的主要天气系统。在东北高脊型环流形势中，700、850 hPa温度脊(或暖区)和低压(或倒槽)出现的比例最低，逆温层的比例最高为92%，说明逆温层更有利于产生臭氧污染天气。在副高型环流形势中，由于副热带高压是深厚的暖性系统，银川市上空整层为暖性气团控制，700、850 hPa多为温度脊(或暖区)控制，地面多为低压控制，三系统出现的比例在5种环流形势类型中均为最高，而逆温层的比例为最低，说明暖性气团足够强，以至于未有逆温层的存在，也能够产生臭氧污染。另外，在副高型环流形势下没有低压(或倒槽)系统影响的3个臭氧污染日中，均存在逆温层，说明逆温层对臭氧污染的产生非常重要。在槽脊型臭氧污染日中，出现3次连续5 d的臭氧污染(2015年4月21—25日，2016年5月29日至6月2日，2016年6月10—14日)；在副高型臭氧污染日中，出现1次连续8 d的臭氧污染(2016年7月24—31日)，1次连续6 d的臭氧污染(2016年8月3—8日)。这两种环流形势下，影响银川市的高空天气系统分别是高空脊和副高，与之相配合的海平面气压场通常为低压(或倒槽)，在这两种高空系统影响下，银川市多为晴朗少云天气，整层受下沉气流控制，近地面容易产生下沉逆温。高空脊和副高影响系统的持续，使得低压(或倒槽)和逆温层连续出现，进而造成连续多日的臭氧污染，臭氧质量浓度最高时段往往出现在低压中心距离银川市区最近时期。

3 结 论

促使近地面臭氧污染产生的天气系统都是在一定的大尺度环流形势背景下孕育的，天气系统制约和影响着臭氧在垂直和水平方向上的输送、聚集和扩散，进而决定着臭氧污染的持续时间。本文研究结论如下：

(1)2014—2016年，银川市区臭氧质量浓度的年变化表现为单峰型特征，6—7月达到峰值；2016年臭氧质量浓度较2014、2015年明显增加。

(2)高温低湿的气象条件有利于银川市区臭氧污染的发生，最高气温与臭氧质量浓度呈指数正相关关系，而与相对湿度呈负相关关系。

(3)臭氧污染与风向、风速均有关，且地形在其中也起到非常重要的作用。风速较小时，垂直混合起主导作用，臭氧质量浓度与风力呈正相关；风速较大时，水平扩散占主导作用，臭氧质量浓度与风力呈负相关。偏南风有利于臭氧浓度上升，受贺兰山地形阻挡作用的影响，朝向贺兰山的风向也有利于臭氧浓度上升。

(4)银川市区易出现臭氧污染的环流形势主要有槽脊型、宽广低槽型、副高型和东北高脊型，700、850 hPa温度脊(或暖区)、海平面低压(或倒槽)以及近地层逆温层均有利于臭氧浓度上升，其中低压(或倒槽)和近地层逆温层的作用更为重要，是臭氧污染预报最应关注的系统。