2022年持续高温期四川盆地臭氧污染气象条件分析

成 翔，赵晓莉，曹 杨

(四川省气象灾害防御技术中心，成都 610072)

前 言

随着各级政府大气污染防控力度的不断加大，PM2.5浓度持续下降，然而大气臭氧污染呈现快速上升和蔓延态势，近几年更是多次出现大范围、长时间臭氧污染过程，已成为影响春夏季环境空气质量的重要因素[1～3]。对流层臭氧特别是近地面臭氧超过自然水平时，会对人体健康、植被生态、气候变化等产生不利影响[4～7]。四川盆地受复杂地形、特殊气象条件、前体物排放等多重因素影响，每年从四月开始，臭氧污染发生概率升高[8～11]。短期内排放源大致不变的情况下，气象条件是影响臭氧污染最重要的因素[12～16]。众多研究表明，臭氧浓度的高低与温度、湿度、辐射、边界层高度等气象要素密切相关，高温、低湿、光照充足的气象条件有利于臭氧污染发生[17～22]。

连续高温天气意味着高辐射、高温度、低湿度和较差的大气扩散程度，还可能存在逆温现象。人类排放的工业废气及化石燃料燃烧所排放的尾气中含有大量氮氧化物(NOX)和挥发性有机物(VOCs)，它们在高温的气象条件下，会发生一系列光化学反应生成臭氧，这可能就是高温天气助长臭氧污染的原因。前人研究臭氧污染与气象条件的关系更多集中在统计分析臭氧容易发生时段(如夏季)各气象要素与臭氧污染的相关性，确定有利于臭氧污染发生的气象条件，针对连续高温天气期间臭氧污染发生气象条件进行分析的研究较少。基于此，本文利用地面臭氧观测数据、地面气象观测站资料、全国智能网格实况融合分析产品(CLDAS)、卫星观测地表太阳入射辐射产品等，分析四川盆地2022年8月6日至28日持续高温期臭氧实况及相关气象条件，并与历史同期进行比较，了解气象条件对臭氧污染发生的影响，以期为区域臭氧污染防治和其他地区进行相关研究提供参考。

1 材料与方法

四川盆地位于中国西南部四川省内，总面积约26万多平方公里，西依青藏高原和横断山地，北靠秦岭山地与黄土高原相望，东接湘鄂西山地，南连云贵高原。四川盆地为丘陵性盆地，底部以丘陵为主，次为低山和平原。气候属于亚热带季风性湿润气候，气温东高西低，南高北低。如图1所示，将四川盆地分为成都平原、川南、川东北三个区域进行分析，其中，成都、德阳、绵阳、眉山、资阳、遂宁、乐山、雅安等8市合称为成都平原，自贡、内江、宜宾、泸州等4市合称为川南，广元、南充、巴中、达州、广安等5市合称为川东北。2022年8月，四川盆地出现了罕见高温天气过程，四川省气象台连续23天发布高温预警，8月6日发布高温蓝色预警，8月10日提升为高温橙色预警，一直持续到8月28日才解除高温橙色预警。在此期间，四川盆地部分典型臭氧污染易发城市出现了近几年最长时间的连续臭氧污染过程，如成都连续18天出现轻度以上臭氧污染，眉山连续14天出现轻度以上臭氧污染。

图1 四川盆地地理位置分布图Fig.1 Geographical distribution map of Sichuan Basin

地面臭氧和二氧化氮(NO2)观测数据来源于中国环境监测总站空气质量指数(AQI)小时报数据，本文使用的臭氧质量浓度日数据为日最大 8 小时滑动平均浓度，NO2质量浓度日数据为24小时平均浓度，根据《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》(HJ633-2012)和《环境空气质量标准》(GB3095-2012)，由小时数据计算而来。本文使用时间序列为2019年至2022年的每年8月6～28日。

地面气象观测站资料和CLDAS产品中的气温、相对湿度、降水等气象要素为逐小时数据，日最高气温为日产品，一天 2 次(08 和 20 时)。四川省共156个国家级地面气象观测站，CLDAS产品的空间分辨率为 5km。本文使用CLDAS产品的时间序列为2019年至2022年的每年8月6～28日，地面气象观测站资料的时间序列为2013年至2022年的每年8月6～28日。

FY-4A卫星地表太阳入射辐射产品覆盖范围为全圆盘、无投影，空间分辨率为4 km，时间分辨率一般为1 h，最高可达15 min(全天共40个观测时次，除每个整点时次的观测外，每3 h整点前后15 min各有一次观测)。本文使用产品输出要素为总辐照度，单位为 W/m2。本文使用时间序列为2019年至2022年的每年8月6～28日。

研究时段各参数的平均值采用该时段小时或者日数据平均得到，臭氧污染日是指该日首要污染物为臭氧且AQI超过100，研究时段的臭氧污染日数计算累计值。区域平均值采用区域内有效观测站点或格点数据计算平均得到。

2 结果与分析

2.1 臭氧污染实况分析

2.1.1 臭氧污染日数分布

2019～2022年8月6～28日历年同期四川盆地各城市臭氧污染日数分布如图2，分区域统计见表1。整体看，统计时段内四川盆地臭氧污染日数出现较多的年份是2019年(6.9天)和2022年(5.5天)。2019年，成都平原、川南、川东北的平均臭氧污染日数分别为7.8天、9.8天、3.4天，成都平原和川南两个区域的污染状况相差不大，出现臭氧污染日数较多的城市为成都和泸州，均为13天；2022年，成都平原、川南、川东北的平均臭氧污染日数分别为8.9天、5.5天、0天，成都平原的臭氧污染日数明显多于川南，分城市看，成都、眉山、乐山、宜宾、德阳的臭氧污染日数较多，分别为19天、17天、14天、10天和9天，其余城市的臭氧污染日数均为5天及以下。此外，2022年统计时段内，成都和眉山均出现了长时间的连续臭氧污染过程，分别为18天和14天，这是2019年至2021年从未出现过的情况。

表1 2019～2022年8月6～28日历年同期四川盆地臭氧污染日数统计Tab.1 Statistics of ozone pollution days in Sichuan Basin during the same period of the calendar years from August 6 to 28，2019 to 2022 (d)

图2 2019～2022年8月6～28日历年同期四川盆地臭氧污染日数分布图Fig.2 Distribution of ozone pollution days in Sichuan Basin during the same period of the calendar years from August 6 to 28，2019 to 2022

2.1.2 臭氧和NO2浓度分布

利用2019～2022年8月6～28日历年同期四川盆地空气质量监测日报数据，统计分析地面臭氧和NO2浓度分布特征。2019～2022年8月6～28日四川盆地平均臭氧浓度和NO2浓度及与2019～2020年历年同期差值分布如图3和图4，分区域统计见表2。整体来看，四川盆地在2019年(139.3 μg/cm3)和2022年(140.9 μg/cm3)统计时段内的平均臭氧浓度明显高于2020年(106.7 μg/cm3)和2021年(95.5 μg/cm3)同期，2022年平均臭氧浓度最高，平均NO2浓度则表现为2019年>2020年>2022年>2021年。2022年统计时段内各区域平均臭氧浓度分布趋势为成都平原>川南>川东北，平均NO2浓度三个区域均为17.0 μg/cm3，2019～2021年历年同期各区域平均臭氧浓度分布趋势均为川南>成都平原>川东北，平均NO2浓度则表现为成都平原和川东北略高于川南，但差异较小。分区域看，成都平原2022年统计时段内的平均臭氧浓度高于2019年同期，偏高13.4 μg/cm3，但平均NO2浓度偏低9 μg/cm3，川南和川东北2022年统计时段内的平均臭氧浓度低于2019年同期，分别偏低10.0 μg/cm3和8.0 μg/cm3，平均NO2浓度分别偏低8 μg/cm3和9 μg/cm3。臭氧污染的发生受气象条件和前体物含量共同影响，结合臭氧和前体物之一的NO2分布可见，2022年持续高温期间连续臭氧污染过程的发生受气象条件的影响较大。

表2 2022年8月6～28日四川盆地臭氧和NO2浓度及与2019～2021年历年同期差值统计Tab.2 Statistics of ozone and NO2 concentrations in Sichuan Basin from August 6 to 28，2022 and its difference with the same period in 2019～2021

图3 2019～2022年8月6～28日历年同期四川盆地臭氧浓度空间分布图Fig.3 Distribution of ozone concentrations in Sichuan Basin during the same period of the calendar years from August 6 to 28，2019 to 2022

图4 2019～2022年8月6～28日历年同期四川盆地NO2浓度空间分布图Fig.4 Distribution of NO2 concentrations in Sichuan Basin during the same period of the calendar years from August 6 to 28，2019 to 2022

2.2 气象条件分析

2.2.1 气温分布

气温能较好地反映太阳辐射的变化，太阳辐射增强时气温升高，有利于生成臭氧的大气光化学反应发生。利用2019～2022年8月6～28日历年同期四川盆地地面气温产品分析其空间分布及时间变化特征(图5)。整体来看，四川盆地的地面气温呈东高西低特征。从盆地各区域看，分析时段内历年同期均表现为川南>川东北>成都平原。从时间变化来看，2022年8月6～28日四川盆地的地面气温明显高于2019～2021年同期，变化趋势为2022年>2019年>2020年>2021年，与臭氧浓度时间变化特征一致，表现为地面气温越高的年份臭氧浓度越高。2022年统计时段内，成都平原、川南、川东北三个区域的气温平均值分别为28.2℃、32.3℃和30.9℃，表现为川南>川东北>成都平原，与臭氧污染分布情况(成都平原>川南>川东北)略有差异。可能原因有两点：一是地形差异造成各城市间气温分布差异较大；二是气象条件是臭氧污染发生的重要影响因素之一，但不是唯一影响因素，臭氧污染的发生还受前体物排放等因素影响，有研究发现臭氧前体物之一的NO2在四川盆地的高值区主要分布在成都市及其周边的眉山市和德阳市[23]。

图5 2019～2022年8月6～28日历年同期四川盆地气温空间分布图Fig.5 Distribution of temperature in Sichuan Basin during the same period of the calendar years from August 6 to 28，2019 to 2022

2.2.2 辐射分布

利用2019～2022年8月6～28日历年同期四川盆地FY-4A卫星观测地表太阳入射辐射产品，分析辐射的空间分布及时间变化特征(图6)。整体来看，四川盆地的地表太阳入射辐射呈东高西低的空间分布特征。区域分布特征及时间演变规律表现为与地面气温分布一致。2022年统计时段内，成都平原、川南、川东北三个区域的气温平均值分别为708.3 W/m2、785.3 W/m2和722.3 W/m2，也表现为川南高于其他两个区域。

图6 2019～2022年8月6～28日历年同期四川盆地地表太阳入射辐射空间分布图Fig.6 Distribution of global irradiance in Sichuan Basin during the same period of the calendar years from August 6 to 28，2019 to 2022

2.2.3 降水分布

图7为2019～2022年8月6～28日历年同期四川盆地累积降水量空间分布图。2019年、2020年和2022年四川盆地累积降水量空间特征表现为西高东低，2021年盆地各区域的累积降水量相差不大。从时间变化来看，2022年统计时段内四川盆地的累积降水量明显低于2019～2021年同期，变化趋势为2022年<2019年<2021年<2020年，与臭氧浓度的时间演变规律相关性较高，表现为累积降水量较多的年份臭氧浓度较低，主要是因为降水发生时，一般云层较多，会吸收太阳辐射，不利于大气光化学反应和臭氧的转化与生成，此外，降水会清除臭氧前体物，影响臭氧生成[24]。2022年统计时段内，成都平原、川南、川东北三个区域的累积降水量平均值分别为52.5 mm、9.9 mm和14.9 mm，表现为川南<川东北<成都平原。

图7 2019～2022年8月6～28日历年同期四川盆地累积降水量空间分布图Fig.7 Distribution of accumulated precipitation in Sichuan Basin during the same period of the calendar years from August 6 to 28，2019 to 2022

2.2.4 相对湿度分布

图8为2019～2022年8月6～28日历年同期四川盆地相对湿度空间分布图。由图可见，相对湿度的时空分布特征与降水量的分布关系密切，表现为一致的分布趋势。2022年统计时段内，成都平原、川南、川东北三个区域的相对湿度平均值分别为69.5%、56.0%和58.6%，表现为川南<川东北<成都平原。由于高相对湿度也是形成湿清除的重要指标，影响臭氧前体物浓度，不利于臭氧浓度的积累，此外有研究表明当相对湿度大于90%时，臭氧分解速率会明显加快[25]，因此相对湿度的时空演变特征也能较好地对应臭氧浓度的时空分布特征。

2.2.5 近10年地面气象要素变化情况

利用2013～2022年8月6～28日历年同期四川盆地地面气象观测站资料，分析近10年气温、日最高气温、相对湿度、降水等地面气象要素的长时间变化情况。图9为近10年历年同期的各气象要素平均值时间序列图，图10为2022年8月6～28日各气象要素与2013～2021年历年同期差值的时间序列图。由图可知，2022年研究时段的气温和日最高气温平均值为近10年最高，与2013～2021年历年同期差值均为正值；累积降水量和相对湿度平均值为近10年同期最低，与2013～2021年历年同期差值均为负值。近10年气温和日最高气温在成都平原、川南、川东北三个区域的变化趋势基本一致，气温的最低值在三个区域均出现在2014年，日最高气温的最低值出现年份在三个区域略有不同，成都平原为2014年，川南和川东北均为2015年。近10年各个区域的累积降水量和相对湿度的变化趋势是一致的，三个区域的最低值均出现在2022年，成都平原的最高值出现在2020年，川南的最高值出现在2015年，川东北的最高值出现在2021年。2022年研究时段的气温和日最高气温的区域分布趋势为川南>川东北>成都平原，累积降水量和相对湿度的区域分布趋势为川南<川东北<成都平原，与前面的研究结论一致，原因同前面的分析，由于气象条件不是臭氧污染发生的唯一影响因素，还受臭氧前体物排放影响。

图9 2013～2022年8月6～28日历年同期四川盆地气象要素时间序列图Fig.9 Time series of meteorological elements in Sichuan Basin during the same period of the calendar years from August 6 to 28，2013 to 2022

图10 2022年8月6～28日四川盆地气象要素与2013～2021年历年同期差值时间序列图Fig.10 Time series of difference between meteorological elements in Sichuan Basin from August 6 to 28，2022 and the same period in 2013～2021

3 结 论

本文利用地面臭氧和气象要素观测数据分析四川盆地2022年8月6日至28日持续高温期的臭氧实况及相关气象条件，并与历史同期进行比较，得出以下结论：

(1)2022年分析时段内，四川盆地的平均臭氧浓度和臭氧污染日数高于2019～2021年同期，各区域平均臭氧浓度和臭氧污染日数分布趋势为成都平原>川南>川东北，成都和眉山均出现了长时间的连续臭氧污染过程，分别为连续18天和14天。

(2)对同时期四川盆地的地面气温、地表太阳入射辐射、降水、相对湿度等气象要素的时空分布特征进行分析发现，地面气温和辐射的分布特征一致，空间上呈东高西低特征，2022年为分析时段内历年峰值，降水和相对湿度的分布特征一致，空间上呈西高东低特征，2022年为分析时段内历年谷值，气象条件分布能较好的与臭氧实况分布对应。

(3)2022年分析时段的地面气温和辐射的区域分布趋势为川南>川东北>成都平原，累积降水量和相对湿度的区域分布趋势为川南<川东北<成都平原，与臭氧污染分布略有差异，这可能是因为气象条件是臭氧污染发生的重要影响因素之一，但不是唯一影响因素，臭氧污染的发生还受前体物排放等因素影响。

(4)对四川盆地典型的持续高温期臭氧污染过程及相关气象条件进行分析，有助于了解高温天气对臭氧污染发生的影响作用，可为区域臭氧污染防治提供理论和科学依据，同时为其他地区进行相关研究提供借鉴作用。