影响汾渭平原地区臭氧污染的地面环流形势研究

刘 慧，王建鹏，黄 鑫，祁春娟，李培荣

(1.陕西省气象台，西安 710014；2.陕西省气象局秦岭和黄土高原生态环境气象重点实验室，西安 710016；3.西安市气象局，西安 710016；4.陕西省气象信息中心，西安 710014)

臭氧(O3)是大气光化学污染的产物，具有强氧化性，对人体健康和生态系统有重要影响[1-2]。近年来城市化进程不断加速，O3污染问题日益凸显[3-5]。对流层中的O3主要由氮氧化物和挥发性有机物等前体物在光照条件下生成[6-8]。除了受排放源影响外，气象条件也影响O3的时空分布，大气环流对云量、降水、风、气温、湿度等气象条件有直接影响[9]，不同的大气环流背景可导致不同的光化学反应效率及O3和其前体物的区域输送过程[10]。目前国内分别针对北京、福州、上海、杭州、宁波、武汉等地在天气型与O3污染方面已经进行了一系列研究[11-15]。大气环流分型包括主观分型和客观分型。主观分型主要依据预报经验来分类，主观性明显，不利于推广应用。客观分型方法基于数学方法进行分类，具有可重复性，适用于长时段、数据量大的情况。Jenkinson等通过定义指数及分类标准将Lamb分类方法客观化[16-17]，该方法操作性强，天气气候学意义明确，已被广泛应用于研究大气环流分型。Santurtún等基于Lamb-Jenkinson(L-J)环流分型方法研究了西班牙2001—2010年O3的变化趋势及与环流型的关系[18]，结果表明反气旋环流下O3质量浓度的中位数值较低；Liao等基于L-J分型方法分析了长三角地区大气环流形势及其与 O3的关系并指出，西风直流形势对应较高的O3质量浓度[19]。

汾渭平原地形狭长且周边山脉众多，这种相对封闭的地形条件使得污染物不易扩散。2018年汾渭平原被列为国务院《打赢蓝天保卫战三年行动计划》(国发〔2018〕22号)，成为持续开展大气污染防治行动的三大重点区域之一。近年来该区域大气污染方面的相关研究主要侧重于颗粒物方面[20-23]，围绕O3的研究主要局限在部分重点城市[24-25]，针对汾渭平原城市群的研究较少。本研究基于L-J分型方法探讨汾渭平原大气环流形势及不同环流形势下气象要素的分布特点，剖析O3质量浓度对不同环流类型的响应，为研究污染形成机理、评估政府减排措施及O3预报业务提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 站点及数据介绍

汾渭平原包括山西省吕梁、晋中、临汾、运城，河南省洛阳、三门峡，陕西省西安、宝鸡、渭南、咸阳、铜川等11个城市(图1)。所用O3和气象要素观测数据为2014—2018年O3污染季(4—10月)资料。O3数据来源于全国城市空气质量实时发布平台，每个城市至少有3个观测站点，汾渭平原区域共62个站(图1中的三角形)。参照《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)，一日内(08—24时)O3最大 8 h滑动平均质量浓度(用C8 h(O3)表示)，超过160 μg/m3即为超标，该日即为O3污染日[26]。气温、相对湿度、风速、风向、露点温度等数据来自于中国气象局国家气象观测站逐小时地面常规观测资料，汾渭平原区域共113个站(图1中十字)，日值由小时值求平均获得。用于进行客观分型的海平面气压数据来自欧洲中心ERA-Interim再分析资料，时间间隔6 h，空间分辨率为1.0°×1.0°，海平面气压场日值由ERA-Interim逐6 h值求日平均获得。地转风和地转涡度由邻近格点的海平面气压值计算获得。

图1 汾渭平原环境观测站和气象观测站的地理位置分布(审图号为GS(2018)1432号)

1.2 L-J环流分型方法

L-J环流分型法由Lamb提出，后经Jenkinson等发展成为一种比较成熟的环流分型方法。具体方法是在设定的计算范围内，在每隔10个经度、5个纬度的网格上取一个差分格点，共计16个点(图2)。以西安(34.45°N，108.98°E)为区域中心点，以25°N～45°N、94°E～124°E的范围为研究区域，根据公式(1)～(6)计算区域中心点的地转风及地转涡度，并根据表1把环流类型分为平直气流型、旋转型和混合型3大类。平直型分为8小类，分别为偏北气流、东北气流、偏东气流、东南气流、偏南气流、西南气流、偏西气流、西北气流；旋转型分为反气旋型和气旋型；混合型由平直型和旋转型组合而成，共16小类。基于该方法得到的分型结果具有物理意义，例如A型表示区域被反气旋控制，C型表示区域被气旋控制，N型表示区域被偏北地转风控制，AN型表示区域被高压系统下的偏北地转风控制，即高压前部，其他型的物理意义以此类推。

表1 L-J环流分型表

图2 L-J环流分型方法16个差分格点分布图

Fs=1.305[0.25(P5+2P9+P13)-0.25(P4+2P8+P12)]，

(1)

Fw=0.5(P12+P13)-0.5(P4+P5)，

(2)

Zs= 0.85[0.25(P6+2P10+P14)-0.25(P5+2P9+P13)-0.25(P4+2P8+P12)+0.25(P3+2P7+P11)]，

(3)

Zw=1.12[0.5(P15+P16)-0.5(P8+P9)]-0.91[0.5(P8+P9)-0.5(P1+P2)]，

(4)

F=(Fs2+Fw2)1/2，

(5)

Z=Zs+Zw。

(6)

式中，F为地转风，Fs为地转风经向分量，Fw为地转风纬向分量，Z为地转涡度，Zs为地转涡度的纬向梯度，Zw为地转涡度的经向梯度。以上6个量的单位均为 0.1 hPa/(°)，P1～P16为16个格点上的海平面气压日值，单位为hPa。

2 汾渭平原臭氧分布特点

从2014—2018年4—10月汾渭平原C8 h(O3)平均值的空间分布看(图3)，处在三省交界的运城、三门峡及河南与山西交界处的洛阳O3污染较重，三市C8 h(O3)平均值分别为122.8 μg/m3、118.6 μg/m3、121.3 μg/m3，主要与人口分布和地理位置有关[27]。铜川地区O3污染程度仅次于这三个城市，主要由于铜川第二产业较高，前体物排放较其他区域突出，而处于汾渭平原城市群边界区域的吕梁和宝鸡O3污染程度最轻[27]。C8 h(O3)值超过160 μg/m3时定义为一个超标日， O3超标率的分布与其质量浓度分布基本一致，运城和洛阳的超标率均达到20%以上。

图3 2014—2018年4—10月汾渭平原C8 h(O3)平均值(a)及超标率(b)空间分布(审图号为GS(2018)1432号)

从2014—2018年4—10月C8 h(O3)的逐日变化来看(图4)，O3污染程度呈波动增加趋势，2017年污染最为严重，临汾、运城、洛阳的超标日数达到90 d以上，其中运城超标日为116 d，临汾重度以上日数达8 d。西安泾河站4—10月2017年35 ℃以上的高温日数达42 d，高于其他年份，其中O3污染最重的6—7月日最高气温平均值为34.2 ℃，高于其他年份，这也是导致2017年污染最重的一个原因。

图4 2014—2018年4—10月汾渭平原各地市C8 h(O3)逐日变化图

3 汾渭平原环流型特点及与污染物质量浓度和气象要素的关系

3.1 汾渭平原环流型特点

在O3前体物排放量变化不大的情况下，O3质量浓度的变化主要受气象条件制约，而区域O3污染的发生与环流形势密切相关，因此对环流分型的研究有重要意义。基于2014—2018年4—10月ERA-Interim海平面气压再分析资料，对汾渭平原的环流形势进行分类。环流型频率为某环流型出现日数与总日数的比值，频率超过5%的环流型为NE型(15%)、C型(13%)、A型(12%)、E型(10%)、S型(7%)、SE型(6%)、N型(6%)，这七种环流型即为影响汾渭平原地区的主要环流背景。

3.2 环流型与污染物质量浓度的关系

为了更好地研究环流型对C8 h(O3)的影响，以西安为例，用某环流型下O3污染日所占比例(R1)与所有环流型下O3污染日所占比例(R2)的比值来分析。当比值大于1时，表示某环流型出现时，易造成O3污染；当比值小于1时，不易造成污染[28]。C8 h(O3)值超过160 μg/m3时，即对应的空气质量分指数超过100时记为一个O3污染日。R1/R2大于1时从大到小对应的环流型依次为CNW型、CW型、C型、CNE型、CN型、ANW型、CE型、NW型、W型、N型、NE型(图5)，表明这些环流型出现时较易造成O3污染事件。其中CNW型和CW型虽然极易造成O3污染，但2014—2018年的O3污染季出现次数很少；A型虽然不是最易造成O3污染的天气型，但出现次数达132次。由于不同环流型出现的频率不同，且各环流型控制下的C8 h(O3)值有所差异；因此，以各环流型出现的频率与对应的污染日数的乘积来分析影响汾渭平原区域O3污染的主要环流型，从大到小依次为C型、NE型、E型、N型、A型、S型及CNE型(图5)。其中C型出现的频率较高，且对应的C8 h(O3)值较高；NE型、E型、A型、S型出现的频率较高，但对应的C8 h(O3)值较低；CNE型出现的频率较少，但对应的C8 h(O3)值最高。综上分析，R1/R2大于1且环流型出现频率与对应的污染日数的乘积较大的环流型为C型、NE型、N型及CNE型。

图5 2014—2018年4—10月汾渭平原不同环流型下R1/R2及环流型出现频率与污染日数的乘积

将R1/R2大于1且环流型出现频率与对应的污染日数的乘积较大的四种流型下的海平面气压场和C8 h(O3)分别进行平均，即得到不同环流型下海平面气压场(图6)和C8 h(O3)(图7)分布图。CNE型和C型对应的C8 h(O3)值较高，这是由于低压辐合运动容易导致周边O3向汾渭平原区域输送，同时气压梯度力较弱，静稳小风天气不利于污染物的水平扩散，易造成O3积累。

图6 2014—2018年4—10月汾渭平原四种环流型下海平面气压合成场(n为样本数)

图7 2014—2018年4—10月汾渭平原四种环流型下C8 h(O3)分布图(n为样本数；审图号为GS(2018)1432号)

3.3 环流型与气象要素的关系

污染过程与环流型密切相关，但各环流型控制下的气象要素有所差异。太阳辐射为O3光化学过程提供了能量来源，而气温的高低能够反映太阳辐射的强弱，云量会散射或者吸收太阳辐射，从而影响近地面太阳辐射强弱；湿度较高时利于O3干沉降，同时湿度较高时光化学反应中消耗O3的反应过程占主导，水汽中所含的OH和HO2等自由基迅速将O3分解为O2，降低大气中的O3质量浓度[29]；风速对O3生成的作用比较复杂，当风速较小时利于O3及其前体物的光化学生成和积聚，随着风速的增大，一方面会对O3前体物及O3产生扩散和稀释，降低O3质量浓度，另一方面利于边界层高度的抬升，促进上层大气中的O3向近地层输送[5]。以西安为例，探讨不同环流型下O3和气象要素的特征(图8)。C型及与C型混合的环流型控制时C8 h(O3)值均较高，这几种环流型控制时利于O3及其前体物的辐合，同时对应的日平均气温和日最高气温均较高，利于光化学反应的发生，促进O3生成。A型及与A型混合的环流型控制时C8 h(O3)值均较低，对应的日平均气温和日最高气温也较低，不利于光化学反应的发生，同时对应的相对湿度及云量均较高，减弱太阳辐射强度，不利于O3的累积。风速与C8 h(O3)的相关性较差。日最高气温、日平均气温、相对湿度、风速及云量与C8 h(O3)的相关系数分别为0.94、0.87、-0.82、-0.33、-0.70。

图8 2014—2018年4—10月西安不同环流型下C8 h(O3)及日最高气温、日平均气温、相对湿度、风速、云量的箱线图

4 结论

(1) 2014—2018年4—10月运城、三门峡、洛阳 O3污染较重，C8 h(O3)值分别为122.8、118.6、121.3 μg/m3，吕梁和宝鸡O3污染程度最轻。运城和洛阳的超标率均达到20%以上。2014—2018年4—10月O3污染程度呈波动增加趋势，2017年污染最为严重。.

(2)频率超过5%的环流型为NE型(15%)、C型(13%)、A型(12%)、E型(10%)、S型(7%)、SE型(6%)、N型(6%)，其中CN型、CNE型、CE型、CW型及CNW型对应的C8 h(O3)值较高。不同环流型出现的频率不同，且各环流型控制下的C8 h(O3)有所差异，R1/R2大于1且环流型出现频率与对应的污染日数的乘积较大的环流型为C型、NE型、N型及CNE型，这四个环流型是影响汾渭平原地区O3污染的主要环流形势。

(3)C型及与C型混合的环流型控制时西安C8 h(O3)值较高，对应的日平均气温和日最高气温均较高。A型及与A型混合的环流型控制时C8 h(O3)值较低，对应的日平均气温和日最高气温也较低，同时对应的相对湿度及云量均较高。日最高气温、日平均气温、相对湿度、风速及云量与C8 h(O3)的相关系数分别为0.94、0.87、-0.82、-0.33、-0.70。