偏低气温下的O3污染特征及其主要气象成因

毛卓成,许建明,瞿元昊,潘 亮,谷怡萱,杨丹丹

偏低气温下的O3污染特征及其主要气象成因

毛卓成1,2*,许建明1,2,瞿元昊1,2,潘 亮1,2,谷怡萱1,2,杨丹丹1,2

(1.长江三角洲环境气象预报预警中心,上海 200030；2.上海市健康气象重点实验室,上海 200030)

针对2013～2019年上海地区气温相对偏低(25℃及以下)的一类O3污染事件,从时间分布特征、天气系统类型、气象成因等方面进行了深入分析.结果表明:上海近7a偏低气温下的O3污染按小时标准和日标准分别出现45h和19d,占各自O3污染总次数的5.0%和7.3%,在春季则上升至20.6%和20.0%,是上海春季主要O3污染现象之一.当气压介于1010.1～1017.1hPa、风速介于2.1～3.2m/s、湿度介于40.0%～54.0%、辐射介于0.5～2.7MJ/m2,较易出现偏低气温下的O3污染;与高温下的O3污染相比,出现偏低气温下的O3污染时,气压、PM2.5和NO2浓度分别偏高了10.0hPa、26.0mg/m3和24.9mg/m3,辐射偏低了0.5MJ/m2.造成偏低气温下的O3污染天气类型可以分为弱高压前部、弱高压控制和海上高压后部3种.3个典型污染个例分析显示,上游输送、本地静稳辐合和垂直逆温条件分别是这3种类型的主要气象成因.

偏低气温；O3污染；天气类型；气象成因

随着大气污染防治行动计划持续深入的推进实施,颗粒物污染得到了显著改善[1],但O3浓度仍然居高不下,已有统计结果表明,京津冀、长江三角洲和珠江三角洲三大城市群的O3浓度超过了我国空气质量标准的100%～200%[2].O3污染问题[3-5]以及O3等光化学污染物所引起的一系列人群不良健康效应[6-9]和不利生态效应[10],引起了国内外学者的广泛关注,O3污染治理正在成为大气环境治理的热点[11].

近些年来,很多学者在O3的长期变化趋势[12]、不同纬度[13]和不同城市群间的O3污染状况[14-17]、重点城市的O3污染时空特征[18-24]等方面开展了大量的统计分析工作;还有学者从O3的生成和传输[25-27]、颗粒物对O3的影响机理[28-29]、有机物成分对O3的影响[30-31]等化学机制上进行了深入分析.在气象条件对O3的影响研究上,按照空间范围,陈希等[32]从全国的角度,统计了中国地区O3长期变化趋势与温度的相关性;刘长焕等[33]从区域的角度,建立了三大经济区太阳辐射、温度与O3的对应关系;赵旭辉等[34]、谢祖欣等[35]、陈志青等[36]从城市的角度,研究了北京、合肥、福州、内蒙古等地O3与气压、湿度、温度等的相关性,并确定了各自城市最佳的O3污染气象条件;杜云松等[37]从预报的角度,利用成都的最高温和日温差,分季节建立了单温度因子的O3预报方程.在分析气象条件时,虽然都开展了温度与O3的分析,但多关注高温(35℃以上)条件,尤其是夏季高温下的O3污染过程,而对于春季和秋季气温相对偏低(25℃及以下)的这一类O3污染关注较少,对偏低气温下的O3污染特征和气象成因分析基本没有.在近6a的监测和预报实践中发现,上海和长江三角洲地区在春、秋季节经常会出现偏低气温下的O3污染.此类O3污染往往因为温度相对偏低、污染成因不清楚而被漏报,该类型O3污染目前已经成为O3预报业务和服务的难点之一.

本文利用2013～2019年上海及周边地区的气象和环境数据,从偏低气温下的O3污染现状、时间分布特征、不同温度区间气象和环境要素对比、大气环流和天气系统特征等角度深入分析,以期客观全面的认识和理解此类O3污染现象,并结合3种类型的典型污染个例,探索形成偏低气温下O3污染的主要气象成因,为此类O3污染预报预警和服务提供科学的支撑.

1 数据与方法

1.1 资料来源和说明

上海地区2013～2019年空气质量资料来源于上海市环境监测中心,无锡、苏州的O3监测数据来自于全国城市空气质量实时发布平台(http://106.37. 208.233:20035).上海市11个地面气象观测站数据来源于上海市气象局,其中宝山为国家基本站,其余为一般站,数据由上海市气象局信息中心根据中国气象局制定的台站气象资料审核规范软件进行严格质量控制.地面天气形式资料和嵊泗站气象观测数据采用中国气象局下发的MICAPS(气象信息综合分析处理系统)资料.各站点地理位置见图1.

图1 站点地理位置分布

1.2 O3污染标准

根据《环境空气质量指数(AQI)技术规定》(HJ633-2012)[38],O3分指数达到污染的标准分为小时标准和日标准两种:小时标准阈值为小时浓度大于200mg/m3,即O3-1h>200mg/m3;日标准阈值为日内最大8h滑动平均大于160mg/m3,即O3-8h>160mg/m3.

1.3 偏低气温说明

本文中偏低气温是指与高温(³35℃)相比,在可能出现O3污染的温度中相对偏低的那一部分温度.基于此,为便于统计分析,将温度£25℃作为偏低气温的阈值,而介于偏低气温和高温之间的则为中间温度.

2 结果与讨论

2.1 偏低气温下的O3污染状况

2013～2019年上海地区按照1.2节中O3的小时标准、日标准均出现了偏低气温下的O3污染现象(图2),分布在29d里,其中有6d同时出现了小时污染和日污染现象.按照小时标准共出现45h,分布在16d内,占总O3污染时数的比例为5.0%;按照日标准为19d,占总O3污染天数的比例为7.3%.从污染浓度上看,小时标准的最大浓度为271.1mg/m3,日标准的最大浓度为228.0mg/m3(中度污染);从最低温度上看,日标准出现污染的最低温度为20.9℃,而小时标准中,2019年3月17日首次出现了20℃以下的O3污染现象,温度仅为16.6℃,为上海近7a以来出现O3污染的最低温度值.

图3 偏低气温下的O3污染月分布

春、秋季的O3浓度偏高现象已经引起了很多学者的关注[39-41].从月分布上看(图3),偏低气温下的O3污染主要出现在3～6月和10～11月,如果仅分析春季(3～5月)O3污染事件,则小时标准和日标准占比显著上升,分别达到20.6%和20.0%,这意味着偏低气温下的O3污染是春季的主要O3污染现象之一,偏低气温下的O3污染在春季较易出现,可能也是造成春季O3浓度偏高的重要原因之一.由此可见,对于此类偏低气温下的O3污染事件的研究具有重要意义.

2.2 不同温度区间O3污染时的要素对比

气压、湿度、风速和辐射是影响O3的重要气象要素[33-37].表1列出了不同温度区间O3与上述气象参数的Pearson相关系数,均通过0.01水平(双侧)显著性检验.由表1可见,当温度在35℃以下时, O3与风速、辐射在各个温度区间均呈正相关,与湿度均呈负相关;气压较为复杂,在15℃以下时为负相关,而15℃及以上时是正相关.当温度在35℃及以上时, O3与气压、湿度没有显著的相关性,与风速、辐射呈负相关,这是由于在高温情况下,本地浓度较高,风速增加不利于高浓度O3在本地积累,反而起到降低作用;对于辐射而言,可能是由于上海地区辐射较强时往往风速同样较大有关.从相关系数看,偏低气温条件下O3与湿度的相关系数最高,其次为风速,气压最低.

表1 不同温度区间O3和气象参数的Pearson相关系数(P<0.01)

图4是不同温度区间O3污染时的气象和环境要素对比,从中可以看出,偏低气温时的气压集中区域(25～75百分位)为1010.1～1017.1hPa,较中间温度时的1002.6～1009.3hPa和高温时的1003.1～ 1006.2hPa明显偏高,从中位数上看,同样也偏高了10.0hPa.气压高低直接决定了大气环流的性质[42],这说明偏低气温时的O3污染事件与高压系统密切相关.对于风速而言,偏低气温时的风速集中区域为2.1～3.2m/s,风速略偏小于其他两个区间,但差异不大.对于湿度而言,3个温度区间的湿度集中区间均在40%～60%之间,均处于较有利于O3污染的区间[43].对于辐射而言,从中位线上看,偏低气温时的辐射强度中位线为1.5MJ/m2,较其他2个区间偏低(1.9和2.3MJ/m2),此外辐射强度随着温度上升而增强,但集中区域反而逐渐收窄.总体而言,与高温区间相比,偏低气温的O3污染气压偏高,风速略偏低,辐射偏低,湿度相差不大.从环境要素上看,偏低气温的PM2.5浓度集中区间为69.3～98.7mg/m3,基本处于轻度污染的级别(75mg/m3),远高于中间温度(48.8～80.6mg/m3)和高温下(44.6～62.7mg/m3)的PM2.5浓度,这与弱气压场容易出现PM2.5-O3复合污染的结论相一致[44];与其他两个区间相比,偏低气温下NO2的集中区间同样最高(41.2～63.1mg/m3).

图4 不同温度区间O3污染时的气象和环境要素对比分析

2.3 偏低气温下的O3污染大气环流和要素特征

天气系统对O3的形成和分布有着重要影响.Tie等[45]发现夏季弱天气系统通过影响上海的风场进而导致O3污染发生,Santurtún等[46]和常炉予等[47]通过客观分型方法分别研究了天气系统对西班牙和上海的O3影响机制.通过查阅08,11,14, 20h的实况地面天气系统演变,发现29个偏低气温下的O3污染个例均与弱高压系统密切相关,这印证了2.2节中关于气压的统计结论.在前期基础分析时,针对29个偏低气温的O3污染个例,分别开展了主观分型和客观分型(主成分分析法)[47],比较后发现客观分型结果与其他温度区间的分型结果有重叠,同时考虑对于业务应用,客观分型没有主观分型分出来的3种类型在空间和天气形势上的特征辨识度高,因此本文最终选用主观分型.将29个个例的海平面气压场,按照1hPa间隔进行绘制,最内圈闭合等压线的中心近似作为高压中心在图上标注(高压中心位置如图5所示),然后根据高压中心位置与上海的空间距离、下垫面性质、上海地区地面风场特征3个指标,按照主观分型,可以将其划分为弱高压前部、弱高压控制和海上高压后部3种天气类型.其中有5个个例虽然没有闭合的中心,但根据系统演变和风场情况,仍然可以进行归类分析.3种天气类型说明如下:

图5 24个个例高压中心(G)和上海位置(☆)对应示意

虚线框内的日期为弱高压控制型,右侧的为海上高压后部型,左侧的为弱高压前部型

弱高压前部型:移动路径偏西的大陆高压,当中心东移南落至四川、湖南湖北一带时,受下垫面性质等环境影响,气团性质发生改变,中心强度明显减弱[42],同时高压控制区向东延伸至长江下游地区,上海处于该弱高压的前部,受其影响,弱高压前部主导风向多为西至西北风,少数弱高压中心南落至江西、福建等地,主导风向转为西到西南风.

弱高压控制型:上海位于大陆弱高压中心附近或者上海周边为无闭合中心的均压场控制,受其影响,整个风场较弱,由于无明显的背景风,局地风场和海陆风作用较明显,容易形成辐合.

海上高压后部型:即高压中心位于上海外海,但距离相对较近,上海处于海上高压后部,主导风向多为东向风.

表2 三种类型偏低气温O3污染个例情况统计

从表2可以看出,海上高压后部型最多,共出现15次,春秋季节均有出现;弱高压控制型最少,共出现6次,主要分布在3～5月,10月也出现了1次;弱高压前部型次数居中为8次,仅出现在3～6月.由于3种类型均为偏低气温下的O3污染,且发生的季节比较相似,因此从观测结果上看,气象要素存在一定的共性,3种类型的辐射差异不大,温度和湿度略有差异,差异主要体现在风速和主导风场上,弱高压前部型和海上高压后部型的风速明显高于弱高压控制型.环境要素中,弱高压控制型的PM2.5和NO2平均浓度分别为94.2mg/m3(轻度污染)和65.7mg/m3(接近轻度污染),在3种类型中均为最高,并且远高于其他两种类型,其次为弱高压前部型,最低为海上高压后部型.从3种类型的O3-8h浓度平均看,最高的是弱高压控制型,达224.4mg/m3,弱高压前部型和海上高压后部型较为接近,分别为191.1和192.9mg/m3,虽然弱高压控制型浓度最高,但从占偏低气温O3污染浓度比重上看,由于海上高压后部型出现次数较多,因此比重最大,达到50.2%.因此在业务中对于偏低气温O3污染,需要特别关注弱高压控制型的污染程度和海上高压后部型的污染概率.

2.4 典型污染个例分析

偏低气温下的O3污染过程,在天气类型、气象和环境要素上均存在一定的差异,由此可见在气象成因机制上3种类型间也存在不同.本节结合3个具体的典型污染个例做进一步的研究.

表3 三个典型个例情况统计

2.4.1 典型污染个例选取 从表3中日最高温度、O3日内小时最高浓度和日内最大8小时浓度3个指标可以看出,3个污染个例的小时和日标准均出现了偏低气温下的O3污染现象,因此所选的3个个例较有代表性.结合环流形势图分析(图6),2016年4月21日影响上海的高压中心位于重庆市附近,与上海相距较远,上海处于高压前部的西北气流中,主导风向为西北风;2015年10月13日影响上海的高压中心位于上海西北侧,距离上海较近,整个上海均处于闭合高压中心控制;2018年4月19日影响上海的高压中心位于上海外海,主导风向为东南风.根据2.3节中的分类,3个个例分别代表了弱高压前部型、弱高压控制型和海上高压后部型.

2.4.2 典型污染个例日变化特征 3个个例在日内O3、PM2.5和NO2逐小时变化上存在明显差异.对于2016年4月21日过程(图7a),受弱高压前的西北风影响,呈现出典型的输送特征,表现为从中午开始,O3和PM2.5在输送作用下出现了同步上升现象,15:00二者同时达到了轻度污染级别;不仅如此,O3快速上升时间和峰值出现时间也明显受到传输时间影响,与张小娟等[48]给出的O3日变化最大值平均出现时间(14:00)相比,整体偏晚了2h左右,即在16:00才达到峰值浓度224.8mg/m3;对于2015年10月13日过程(图7b),受弱高压中心控制影响,呈现出典型的静稳特征:一方面PM2.5和NO2在早晨至上午时段浓度较高,峰值分别达到130.7mg/m3(中度污染级别)和137.8mg/m3(中度污染级别),从中午开始又迅速下降,在下午出现了谷值,这是典型的静稳天气条件下的日变化型态;另一方面O3与NO2在下午时段呈现明显的反相关,且O3的高值时间维持较长,虽然污染程度无法与夏季副高控制下高温、静稳引起的O3污染过程相比,但型态较为相似,O3峰值浓度出现时间也较为一致.对于2018年4月19日而言(图7c),在海上东南风气流作用下,PM2.5和NO2呈现出清洁特征:全天维持在相对较低值,且变化较为平稳,即使在下午边界层影响时段,也未出现较大的变化幅度.O3虽然出现了污染,但在3个过程中,骤升骤降最明显,污染程度也最轻.

图9 2016年4月21日上游(无锡、苏州)和上海O3浓度逐小时变化

2.4.3 主要气象成因分析 在决定大气污染变化的气象条件中,外来输送、水平扩散和垂直扩散是其中最重要的3个条件[49-51],因此对于3种污染类型的气象成因主要从这3个条件进行分析.根据2.4.2节初步分析可知,2016年4月21日的日变化呈现出典型的输送特征,因此选取2016年4月21日上游沿线站点O3浓度变化情况进行分析,如图8所示,在O3快速上升时段内(11:00和14:00),上海及上游均处于一致的西北风控制,且风速较大,在西北风输送路径上, O3浓度沿着无锡-苏州-上海3个站点空间先后顺序,呈现同样的先后上升顺序(图9),由此可见,在温度相对偏低的情况下,上游输送是造成此次O3污染的主要气象成因.

虚线为地面辐合线大致位置

同样对于2015年10月13日过程,受弱高压中心控制影响,日变化呈现出典型的静稳特征,因此选取2015年10月13日水平风场进行分析.图10显示,上海地区水平风力不仅较弱,而且在12:00初步形成了2个风向的辐合风场,至15:00进一步发展成为3个风向的辐合,辐合时间共维持8h,长时间的辐合风场较静稳形势更有利于污染物的聚集上升.由此可见,本地静稳辐合是造成此次O3污染的主要气象成因.

与上述2个个例相比,2018年4月19日由于受到持续的东南风影响,不存在上游输送和本地水平静稳辐合条件,因此垂直扩散条件的影响就显得尤为重要.从图11可以看出,宝山站垂直方向在150～ 450m之间形成了300m深厚的悬浮逆温,温度梯度同样显示在该层变率最大,达到0.04℃/m.深厚的低空悬浮逆温不仅不利于污染物在垂直方向的扩散,还将污染压制在很低的高度范围内.从逆温形成机制上看,这是由于在4月份,受海陆热力差异影响,白天海上温度高于陆地,夜间则相反,且随着深入内陆温差越大,白天在东向风的作用下,温度相对较低的海洋气流吹向陆地,导致内陆上偏暖空气上升至空中,容易在垂直结构上形成逆温结构[52].从当日嵊泗-浦东-青浦的海陆温差演变可以看出(图12),嵊泗和青浦的温差在14:00可以达到9.8℃.由于水平方向的风场较一致,水平扩散条件相对较为有利,因此与前面两个过程相比,该过程O3浓度峰值较低,污染时间较短.由此可见,垂直逆温条件是造成此次O3污染的主要气象原因.

图11 2018年4月19日宝山站08h温度和温度梯度垂直廓线

通过以上分析,发现虽然温度相对于高温下的污染明显偏低,但从3个个例的环流和要素特征可以看出,3种偏低气温下的O3污染类型分别在上游输送、本地静稳辐合和垂直逆温条件上形成了各自有利的污染条件,一定程度从气象条件上弥补了温度在O3光化学反应中的不足.需要说明的是,除了水平输送和扩散条件、垂直扩散条件之外, O3在垂直方向上的传输和分布也是一个重要条件,例如对流层折叠[53]、O3残留层下传[54]、不同高度风场差异对O3的影响等等,都会对地面O3浓度产生重要影响,由于受O3垂直观测条件的限制,这方面的分析有待于后续通过风廓线、激光雷达和O3探空气球等特种观测资料做进一步的完善.

图12 2018年4月19日宝山和嵊泗2m气温逐3h变化

3 结论

3.1 2013～2019年上海地区按照小时标准、日标准均出现了偏低气温下的O3污染现象,是上海春季主要O3污染现象之一.

3.2 与高温区间相比,偏低气温的O3污染气压偏高,风速略偏低,辐射偏低,湿度相差不大.PM2.5和NO2浓度分别偏高26.0,24.9mg/m3.

3.3 偏低气温下的O3污染可以分为弱高压前部、弱高压控制和海上高压后部3种天气类型,海上高压后部型最多,其次为弱高压前部型,弱高压控制型最少.

3.4 同样偏低气温下的O3污染由于天气类型不同,气象成因各不相同,上游输送、本地静稳辐合和垂直逆温条件分别是3种类型的主要气象成因.

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Characteristics and main meteorological causes of ozone pollution under relatively low temperature conditions.

MAO Zhuo-cheng1,2*, XU Jian-ming1,2, QU Yuan-hao1,2, PAN Liang1,2, GU Yi-xuan1,2, YANG Dan-dan1,2

(1.Yangtze River Delta Center for Environmental Meteorology Prediction and Warning, Shanghai 200030, China；2.Shanghai Key Laboratory of Meteorology and Health, Shanghai 200030, China)., 2021,41(10)：4507～4517

The temporal distribution, weather system types and meteorological causes of ozone (O3) pollution events under relatively low temperature (below 25℃) were analyzed in Shanghai from 2013 to 2019. The results show that O3pollution under relatively low temperature occurred 45hours and 19days, respectively according to the hourly and daily standard in Shanghai in recent seven years, accounting for 5.0% and 7.3%, respectively of the total O3pollution. The percentage increased to 20.6% and 20.0% in spring, indicating that the O3pollution under relatively low temperature was one of the main O3pollution phenomena in Shanghai in spring. The O3pollution under relatively low temperature was more likely to occur with pressure of 1010.1～1017.1hPa, wind speed of 2.1～3.2m/s, relative humidity of 40.0%～54.0%, and radiation of 0.5～2.7MJ/m2. Compared wieh the O3pollution under high temperature, the air pressure, PM2.5and NO2concentrations were 10.0hPa, 26.0mg/m3and 24.9mg/m3higher, and the radiation was 0.5MJ/m2lower when the O3pollution under relatively low temperature occurred.The O3pollution under relatively low temperature can be mainly attributed to three weather system types: the front of weak high pressure, the control of weak high pressure and the rear of offshore high pressure. Analysis of three typical pollution cases showed that upstream transport, local static convergence and vertical temperature inversion conditions were the main meteorological causes of these three types of pollution respectively.

relatively low temperature；O3pollution；weather types；meteorological causes

X513

A

1000-6923(2021)10-4507-11

毛卓成(1983-),男,浙江衢州人,高级工程师,硕士,主要从事环境气象预报研究工作.发表论文10余篇.

2021-03-03

上海市科技计划项目(19DZ1205003,20DZ1204006)

* 责任作者, 高级工程师, jlbbyhj002@163.com