浙江臭氧污染特征及与气象条件关系分析*

胡 晓 董 群 涂小萍 徐 璐 常婉婷 张国超

(1.宁波市镇海区气象局，浙江 宁波 315202；2.宁波市北仑区气象局，浙江 宁波 315806；3.宁波市气象台，浙江 宁波 315012)

臭氧(O3)是大气中一种重要的微量气体，具有强氧化性，浓度较高时会对人体健康造成伤害[1-2]；近地面大气中高浓度O3会影响植物生长，导致农作物减产[3-4]。随着城市发展，能源结构转变，城市汽车保有量迅速增加，我国城市光化学污染频发，高浓度O3污染已成为大气污染中的突出问题[5-8]。

近年来，长三角区域经济活动发展迅速，城市空气中O3浓度呈逐年加重趋势[9-10]。许多学者针对该地区O3生成机理、变化特征及影响O3浓度的气象条件和控制对策等进行了分析。王会祥等[11]发现长三角区域春末夏初会出现全年最高的O3浓度，9月也有O3高值事件；郑向东等[12]对长三角春季低空大气O3垂直分布特征分析发现，O3浓度在2 km以下变化幅度很大，明显的东风分量伴随O3高值；GENG等[13-14]研究表明，上海地面O3浓度的区域差异非常明显，呈中心城区低、郊区高的特点。近地面O3浓度高低除了与局地光化学反应有关，还与天气系统和气象条件有着密切联系。研究表明，O3的产生主要出现在高压后部和高压控制等天气类型[15-17]，因此晴天少云的天气下O3浓度明显高于阴雨天；高温也利于O3生成[18-20]，此外，相对湿度、风向、风速[21-23]都会影响近地面O3浓度。

上述研究对了解长三角地区O3污染特征及形成机理和预测有极大帮助，但对于浙江来说，全省范围内近地面O3污染特征，气象条件对O3浓度影响的研究仍较缺乏。因此开展浙江地区O3浓度特征变化分析，加强对城市污染形成机制的认识，对治理、改善环境，为政府提供决策参考，服务区域社会经济的可持续发展有重要意义。

1 资 料

O3观测资料包括：2014年1月至2019年12月全省112个国控及省控站点O3日最大8 h平均浓度，代表站点2018年1月1日至12月31日O3时均浓度。气象资料包括：2018年1—12月各代表站点对应的国家气象站风向、风速资料，欧洲中期数值预报中心高分辨率ERA-Interim再分析资料，水平分辨率为0.125°×0.125°，主要用于典型O3污染天气形势分析。

2 结果与分析

2.1 浙江O3时空分布特征

2.1.1 空间变化特征

分析2014—2019年浙江O3污染形势(见图1)。从各季节空间分布看，春、夏季全省O3污染均较重，特别是环杭州湾地区的嘉兴、湖州、杭州东北部、绍兴北部及宁波中北部，其O3日均质量浓度为120～140 μg/m3；浙西南地区(包括衢州西部、丽水南部、温州西南部)O3日均质量浓度仅40～80 μg/m3。秋季O3浓度较春夏季明显下降，其中浙西南地区O3仍维持在40～<80 μg/m3，其余地区O3以80～<120 μg/m3为主；冬季O3日均质量浓度最低，全省基本均处于40～<80 μg/m3。可以发现，浙中北地区城市人口密集，特别是杭州湾区域，周边工业污染较严重，区域性传输也更为严重，春夏季高温晴热天气下，更有助于O3二次污染物生成，因此污染最严重；而浙西南地区由于多森林覆盖，城市区域周边工业发展较少，O3前体物排放较少，因此污染最轻。

图1 2014—2019年浙江不同季节O3日均质量浓度分布Fig.1 Distributions of O3 average daily concentrations in different seasons in Zhejiang

2.1.2 时间分布特征

根据全省O3空间分布特征，分别选取8个代表站点，分析时间变化特征。从月变化来看(见图2)，杭州滨江站和嘉兴清河小学站(分别代表杭州、嘉兴)O3浓度月均值呈现出明显的季节差异，1—4月两站O3浓度呈逐渐上升趋势，5—9月O3质量浓度在128～145 μg/m3，10月O3浓度明显下降，12月O3质量浓度在40～55 μg/m3。东北部沿海的宁波市环境监测中心站和舟山普陀东港站(分别代表宁波、舟山)O3浓度月变化特征与杭州、嘉兴有较大差异。宁波1—3月O3质量浓度从50 μg/m3左右升至100 μg/m3左右，4、5月达到一年最高值(115 μg/m3左右)，6—9月O3质量浓度在90～100 μg/m3。舟山各月之间O3浓度差异较小，1—5月O3质量浓度呈上升趋势，从90 μg/m3左右升至125 μg/m3左右，6—8月O3浓度下降，9—10月O3浓度略回升，12月O3质量浓度约80 μg/m3，总体上舟山冬季O3浓度较其他各站点偏高。中部和西部的金华十五中站和衢州学院站(分别代表金华、衢州)O3浓度月变化趋势与杭州、嘉兴相似，1—4月两站O3浓度逐渐上升，5月O3浓度最高，6—10月O3质量浓度仍保持在100 μg/m3以上，11月O3浓度明显下降。丽水景宁站(代表丽水)位于浙西南地区，O3质量浓度全年均维持在较低值，基本处于50～65 μg/m3。温州安阳新区站(代表温州)位于浙东南，O3浓度月变化总体较小，1、2、11、12月O3质量浓度处于55～75 μg/m3，其余各月基本在80～95 μg/m3。

图2 浙江各代表站点O3质量浓度月变化Fig.2 The monthly variation of O3 concentrations at the representative stations in Zhejiang

为进一步分析不同地区O3浓度变化特征，利用8个代表站点2018年逐时O3观测资料分析各季节O3浓度日变化特征，发现各站点在春、夏、秋季变化特征更为明显，因此着重讨论这三季。杭州0：00—7：00的O3质量浓度均维持在30～40 μg/m3，8：00后O3浓度逐渐上升，14：00前后达到最高值(夏季O3质量浓度最高，为140 μg/m3)，15：00后O3浓度逐渐下降。嘉兴春、夏季O3浓度日变化几乎一致，8：00后O3质量浓度逐渐上升，14：00最高，在145～155 μg/m3；秋季白天O3浓度较春、夏季明显降低。宁波春季各时次O3浓度均高于夏、秋季；春季14：00的O3质量浓度最高，为115 μg/m3，夏季12：00的O3质量浓度最高，为100 μg/m3。舟山O3浓度日变化较小，夏季夜间O3浓度最低；春、秋季14：00的O3质量浓度最高，在100～110 μg/m3；夏季O3质量浓度白天最高维持在80 μg/m3左右。金华、衢州各季节O3浓度日变化特征与嘉兴相似，春、夏季各时次O3浓度相差不大，最高值均出现在14：00，质量浓度可达130 μg/m3；秋季白天时段O3浓度明显降低。丽水O3质量浓度也有明显的日变化特征，最高出现在14：00(85 μg/m3)，春、夏、秋三季各时次O3浓度变化范围不大，说明丽水各季节O3浓度变化较稳定。温州春季午后O3浓度较夏、秋季偏高，春季14：00时O3质量浓度最高，为90 μg/m3；夏、秋季O3浓度日变化曲线较一致。

2.2 聚类分析

对于O3预报来说，了解不同季节O3空间分型，对O3污染高发期浓度预报具有一定的指导意义。利用2014—2019年全省环境监测站点春、夏季O3日最大8 h平均浓度资料，若当日全省70%站点O3质量浓度超过100 μg/m3，则将其选取为全省性O3高浓度日，将挑选后的O3高浓度日O3日最大8 h平均浓度资料，利用K均值聚类法对空间分布特征进行划分，并检验其有效性。

2014—2019年春、夏季O3高浓度日分型结果见图3。从图3可以看出春、夏两季有两种分布类型，Ⅰ型为浙东北型，Ⅱ型为全省型。Ⅰ型春季O3质量浓度聚类中心值超过120 μg/m3的区域集中在浙东北地区，并以120～140 μg/m3为主；夏季浙中南偶有站点O3质量浓度聚类中心值超过120 μg/m3，但总体仍以浙东北站点超120 μg/m3居多，集中在120～170 μg/m3。Ⅱ型较Ⅰ型O3质量浓度聚类中心值超120 μg/m3站点明显增加，特别是杭州湾区域O3质量浓度聚类中心值超180 μg/m3站点较集中。春季Ⅰ型出现194例，占70.3%，Ⅱ型82例，占29.7%；夏季Ⅰ型132例，占67.7%，Ⅱ型63例，占32.3%。

图3 浙江春、夏季O3污染分型Fig.3 O3 pollution distributions in spring and summer in Zhejiang

2.3 O3与风场相关性分析

风场是决定污染物浓度局地输送和扩散、跨界输送等的重要因素。风速主要影响局地污染物的输送和扩散，而风向与污染源的相对位置关系主要影响污染物的跨界输送。为了更进一步分析水平输送对浙江各区域O3浓度的影响，绘制了各代表站点O3浓度和风向风速的风玫瑰图(偏北部和偏南部代表站点分别见图4和图5)。可以看出，O3浓度受风向、风速的影响明显，说明O3浓度主要与本地浓度以及污染物的输送和扩散有关。杭州在西北风时有O3浓度的高值区，风速小于4 m/s时，O3质量浓度也可达200 μg/m3以上，东南风时也有较分散的O3浓度高值区。嘉兴在西南风控制下，风速在2～4 m/s时O3质量浓度有大片区域高于200 μg/m3；在东北风控制下，风速2 m/s左右O3质量浓度也会升至在170～200 μg/m3。宁波、舟山由于地处浙东北沿海，风速整体偏大，较利于O3污染的扩散，受海上东南风影响时，空气较清洁，O3浓度低；在偏北到东北偏东风控制下，会出现O3质量浓度超170 μg/m3的污染。金华、衢州地处浙江中西部，风速总体偏小，金华在西南、东南风时部分区域O3质量浓度高于200 μg/m3。衢州在偏西、东南风时O3质量浓度高于200 μg/m3。丽水、温州分别地处浙西南和浙东南，这两个区域由于总体上不是化工企业发展地，前体物排放量不高，因此无明显O3浓度高值区。

图4 偏北部代表站点O3质量浓度与风向、风速变化特征Fig.4 The variation characteristics of O3 concentration and wind direction and speed at each representative northern stations

图5 偏南部代表站点O3质量浓度与风向、风速变化特征Fig.5 The variation characteristics of O3 concentration and wind direction and speed at representative southern stations

2.4 O3高污染天气形势分析

对Ⅱ型的高浓度O3过程进行环流合成对比分析，可以发现：500 hPa高度场在我国大陆地区主要为宽广的正距平，说明东亚大槽偏弱，青藏高原北部脊偏强；在浙江以弱负距平为主，说明西太平洋副高深入内地；从风场上看，华东地区北部距平风场为东北偏北风，表明北风分量偏强，浙江上空距平风场为偏北风，表明西风分量偏弱。从850 hPa风场和湿度场来看，华中、华东地区及黄渤海海面上空的距平风场以偏北风为主；黄海和东海海面、华东、西北地区等相对湿度偏低。贝加尔湖及以北地区及我国的东北、西南、华北、华中北部为气压负距平，而我国华南、东南沿海、华东沿海地区为气压正距平，30°N、105°E附近为高值区，表明西太平洋副高深入内地，浙江处于弱正距平。同时从垂直速度距平可分析得出，110°E～135°E下沉运动偏强。因此可以得到，控制浙江的副高偏强，下沉速度偏大。

总体来看，当地面受低压辐合或均压场控制时，近地面大气非常静稳，风速小，以弱偏南风向为主，严重阻碍了空气的水平流通，空气污染扩散条件较差，有利于O3的迅速积累，造成超标；当地面受高压控制时，晴热高温有利于光化学反应加强，导致本地O3污染物的生成和累积，同时高压系统产生的下沉运动也有利于上层高浓度的O3向下输送。

3 结 论

(1) 全省春、夏季O3污染均较重，环杭州湾地区的O3日均质量浓度为120～140 μg/m3，浙西南O3日均质量浓度为40～80 μg/m3。

(2) 杭州、嘉兴、金华、衢州O3浓度季节差异明显，5—9月高，宁波4、5月高，丽水O3浓度全年均维持低值，舟山冬季O3浓度较其他各站点偏高。O3最高值大多出现在14：00左右；宁波春季各时次O3浓度均高于夏、秋季；舟山O3浓度日变化小；温州春季午后O3浓度较夏、秋季偏高。

(3) 利用K均值聚类法将浙江O3高浓度日进行分型，Ⅰ型为浙东北型，Ⅱ型为全省型。春季Ⅰ型出现194例，占70.3%，Ⅱ型82例，占29.7%；夏季Ⅰ型132例，占67.7%，Ⅱ型63例，占32.3%。

(4) O3浓度受风向、风速影响明显。杭州在西北风小于4 m/s时，嘉兴在西南风2～4 m/s时，金华处于西南、东南风时，衢州处于偏西、东南风时，O3质量浓度高于200 μg/m3。

(5) 浙江500 hPa高度场呈现弱负距平，850 hPa华中、华东地区距平风场以偏北风为主，华东地区相对湿度偏低，浙江气压场处于弱正距平，110°E～135°E下沉运动偏强，O3容易迅速积累。