承德市O3污染特征及天氣條件分析

陸 倩 王國輝 付 嬌 譚國明

(1. 承德市氣象局， 河北 承德 067000； 2. 承德石油高等?？茖W(xué)校， 河北 承德 067000；3. 河北省氣象局人工影響天氣辦公室， 石家莊 050021)

承德市O3污染特征及天氣條件分析

陸 倩1王國輝2付 嬌3譚國明1

(1. 承德市氣象局， 河北 承德 067000； 2. 承德石油高等?？茖W(xué)校， 河北 承德 067000；3. 河北省氣象局人工影響天氣辦公室， 石家莊 050021)

采用承德市環(huán)境監(jiān)測站的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對承德市的O3污染天氣進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：承德市的污染天氣主要由PM10、PM2.5和O3產(chǎn)生，近三年來，O3污染天數(shù)所占的比重呈逐年增加趨勢，到2016年超過一半以上；承德市的O3污染呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化，主要集中在4月到9月，污染強(qiáng)度以輕度到中度污染為主；承德市的O3污染日變化呈單峰型分布，午后濃度升高而夜間濃度下降；承德市O3污染的空間分布表現(xiàn)為O3濃度東北部低，西部及南部地區(qū)高的特征。O3連續(xù)污染過程出現(xiàn)的天氣形勢為500 hPa受高壓脊和脊后偏西氣流影響，850 hPa為暖脊和強(qiáng)暖平流，地面位于高壓后部和低壓前部之間的弱上升氣流中；當(dāng)經(jīng)向度大的西風(fēng)槽移過時(shí)，O3連續(xù)污染過程結(jié)束。O3連續(xù)污染過程的氣象要素為過程日平均氣溫21～26℃、海平面氣壓1005～1009 hPa、相對濕度50%～70%、平均風(fēng)速1.4～2.2 m/s、最小能見度4～10 km、天空總云量5～8成、混合層高度900～1500 m。

O3污染；時(shí)空分布；天氣形勢；氣象條件

1 引言

隨著工業(yè)發(fā)展，以O(shè)3為代表的光化學(xué)煙霧污染有愈演愈烈的趨勢，其中最有代表性的當(dāng)屬發(fā)生在上個(gè)世紀(jì)40年代初的美國洛杉磯光化學(xué)煙霧污染事件。與此類似的還有日本東京的光化學(xué)污染，希臘雅典的煙云，墨西哥城的嚴(yán)重污染等。光化學(xué)煙霧的成分有臭氧(O3)、過氧乙酞硝酸醋(PAN)、醛類(RCHO)等，其中臭氧為主要成分。自上個(gè)世紀(jì)80年代起，我國的一些城市如蘭州、北京也陸續(xù)地發(fā)生光化學(xué)煙霧污染。甚至近年來，區(qū)域性的光化學(xué)污染也出現(xiàn)在京津地區(qū)、長三角地區(qū)和珠三角地區(qū)等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，以O(shè)3為主的空氣污染防治也成為了大氣環(huán)境保護(hù)的重要議題。

近年來，眾多環(huán)境和氣象工作者對O3污染進(jìn)行了分析和研究，張?zhí)旌降萚1]對華東高海拔地區(qū)春夏季O3濃度的變化特征和來源進(jìn)行了分析，陳宜然等[2]對上海O3及前體物變化特征相關(guān)性進(jìn)行了研究，洪盛茂等[3]對杭州市區(qū)大氣O3濃度變化和氣象要素的影響進(jìn)行了研究，張世國等[4]對北京地區(qū)大氣O3與氮氧化物進(jìn)行了測量分析，劉建等[5]分析了前體物與氣象因子對珠江三角洲O3污染的影響，王占山等[6]對北京市的O3濃度的時(shí)空分布特征進(jìn)行了分析。承德地區(qū)地處河北省東北部，每年輕度以上污染天數(shù)占全年的三分之一左右，主要污染物秋冬季以PM2.5為主，而夏季則以O(shè)3為主。本文將對承德市的O3污染情況進(jìn)行分析，給出承德市O3污染的特征，為O3污染的防治提供可靠依據(jù)。

2 承德市空氣質(zhì)量概況

按照《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)，2014年承德市城區(qū)環(huán)境空氣達(dá)標(biāo)天數(shù)為249天，占總天數(shù)的68.2%，三級(輕度污染)及以上天數(shù)為116天，占總監(jiān)測天數(shù)的31.8%；2015年承德市城區(qū)環(huán)境空氣達(dá)標(biāo)天數(shù)為260天，占總天數(shù)的71.2%，三級(輕度污染)及以上天數(shù)為105天，占總監(jiān)測天數(shù)的28.8 %；2016年承德市城區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)天數(shù)為275天，占總天數(shù)的75.1%，三級(輕度污染)及以上天數(shù)為91天，占總監(jiān)測天數(shù)的24.9%。

可見，三年以來，隨著節(jié)能減排力度的增加，承德市的空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)天數(shù)呈增加趨勢，污染天數(shù)逐漸減少，空氣質(zhì)量逐漸好轉(zhuǎn)。

3 承德市O3污染時(shí)間變化特征

3.1 總體變化

從圖1可以看出，承德市的輕度污染及以上天氣，主要由首要污染物PM10、PM2.5和O3產(chǎn)生。以PM10為首要污染物的天數(shù)，2014年為21天，2015年和2016年為17天，比2014年減少4天。以PM2.5為首要污染物的天數(shù)，2014年為54天，2015年為39天，2016年為25天，呈逐年遞減趨勢，節(jié)能減排治理成效顯著。以O(shè)3為首要污染物的天數(shù)，2014年為43天，2015年為52天，2016年為51天，2015年和2016年與2014年相比呈增加趨勢；且2014年O3污染天數(shù)占全年污染天數(shù)的36%,2015年O3污染天數(shù)占全年污染天數(shù)的48%，2016年O3污染天數(shù)占全年污染天數(shù)的55%。

圖1 近3年來承德輕度污染以上各首要污染物天數(shù)

從每年O3污染的輕重程度來看，承德市的O3污染主要以輕度污染為主，其次為中度污染：2014年承德O3輕度污染38天，占O3污染總天數(shù)的88.4%，中度污染5天，占O3污染總天數(shù)的11.6%；2015年承德O3輕度污染37天，占O3污染天數(shù)的71.2%，中度污染14天，占O3污染天數(shù)的27%，重度污染1天，占O3污染天數(shù)的1.8%；2016年承德市O3輕度污染39天，占O3污染天數(shù)的76.5%，中度污染12天，占污染天數(shù)的23.5%。

承德市的O3污染占污染總天數(shù)的比重呈逐年增加趨勢，O3污染強(qiáng)度主要以輕度到中度污染為主，O3污染問題越來越突出。

3.2 O3污染的季節(jié)變化

圖2為承德市近3年三級(輕度污染)以上O3污染逐月日數(shù)，可以看到11月到次年2月無O3污染日數(shù)，3月份和10月份各在2016年出現(xiàn)了1天的輕度污染。O3污染主要出現(xiàn)在4月到9月，污染日數(shù)較多的主要集中在5月到8月,污染出現(xiàn)最多的月份為5月和7月。O3中度污染(圖略)以上天氣2014年4月出現(xiàn)一天，2014年和2015年8月各出現(xiàn)一天，而主要的中度污染以上天氣集中出現(xiàn)在5月到7月。

圖2 承德近3年三級以上O3污染逐月日數(shù)

圖3為近3年逐月O3濃度(折線)及O3的AQI分指數(shù)(柱狀)，可以看到O3的月平均濃度呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化，冬季濃度低，最低濃度出現(xiàn)在12月份為47 μg/m3，夏季濃度高，在每年的5月和7月出現(xiàn)了兩個(gè)峰值，月平均濃度達(dá)到了188 μg/m3，4-8月的O3月平均濃度均在135 μg/m3以上。從O3的AQI分指數(shù)可以看到4-8月O3的AQI月平均分指數(shù)均在50以上，而11月到1月的AQI月平均分指數(shù)均在20以下。

圖3 近3年逐月O3濃度(折線)及O3的AQI分指數(shù)(柱狀)

由以上分析可以發(fā)現(xiàn)，O3污染呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化，集中出現(xiàn)在4-8月，而中度污染以上的天數(shù)以及O3濃度的峰值則主要集中在5月和7月。這主要是由于夏季太陽光照充足，強(qiáng)度大且持續(xù)時(shí)間長，太陽輻射較強(qiáng)，近地層溫度較高，具有很好的O3生成條件。6月O3濃度反而比5月下降，則主要是因?yàn)?月份受大氣環(huán)流轉(zhuǎn)換的影響，承德地區(qū)多冷渦天氣活動，日照較少，氣溫較低，不利于O3的生成。

3.3 O3污染的日變化

承德地區(qū)的O3污染天氣可出現(xiàn)1天或者2天，大部分時(shí)間是連續(xù)出現(xiàn)，持續(xù)時(shí)間在3天以上，最長可達(dá)11天。

圖4為O3濃度的日變化曲線，可以看出O3濃度值在一天中呈單峰型分布，O3濃度的最低值出現(xiàn)在早晨8時(shí)為65.3 μg/m3，上午9時(shí)開始急速上升為105.5 μg/m3，O3濃度峰值出現(xiàn)在下午15時(shí)為280.8 μg/m3，濃度值較高的時(shí)間段分布在11時(shí)到20時(shí)，甚至持續(xù)到晚上21時(shí)，之后夜間濃度值開始緩慢下降。O3濃度的日變化與氣溫的太陽輻射強(qiáng)度的日變化相符合。

圖4 O3濃度的日變化

4 承德O3及其前體物NO2年平均濃度的空間變化

如圖5(a)所示，承德市及各縣區(qū)的年平均O3濃度在135 μg/m3到164 μg/m3之間，O3濃度的空間分布表現(xiàn)為東北部低和西部及南部地區(qū)高。低值中心位于承德市東北部的圍場縣，年平均O3濃度為135 μg/m3，這與圍場縣工業(yè)不發(fā)達(dá)，氣象條件氣溫低關(guān)系密切；高值中心位于承德市的灤平縣，年平均O3濃度為164 μg/m3，位于承德西北部的豐寧縣和興隆縣O3的年平均濃度也呈現(xiàn)較高的分布，與北京地區(qū)的污染物輸送有一定關(guān)系；在承德市的東南部地區(qū)的平泉縣、承德縣和寬城縣，O3的年平均濃度呈現(xiàn)較高的分布，與這一地區(qū)工業(yè)發(fā)達(dá)，O3污染前體物的排放較多關(guān)系密切。

圖5(b)為O3前體物NO2的空間分布，承德市及各縣區(qū)的年平均NO2濃度在25 μg/m3到35 μg/m3之間，呈現(xiàn)北高南低的空間分布。承德市北部的圍場、豐寧和隆化縣較低，為25 μg/m3到26 μg/m3，這與承德市北部縣區(qū)工業(yè)相對中南部地區(qū)欠發(fā)達(dá)，機(jī)動車輛較少有關(guān)；承德市區(qū)和中南部縣區(qū)的年平均濃度在33 μg/m3到35 μg/m3之間，這與承德中南部縣區(qū)工業(yè)發(fā)達(dá)、機(jī)動車輛較多有關(guān)。

圖5 2016年承德年平均(a)O3濃度和(b)NO2濃度的空間分布

5 承德O3污染的天氣形勢

對近三年來承德市發(fā)生O3污染時(shí)的天氣形勢進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)O3濃度開始達(dá)到輕度污染時(shí)，高空500 hPa(圖6a)主要受高壓脊影響，O3污染過程持續(xù)到500 hPa轉(zhuǎn)為脊后偏西氣流，當(dāng)西風(fēng)槽較淺且移動較快時(shí)，下一個(gè)高壓脊繼續(xù)影響承德，則承德地區(qū)將出現(xiàn)持續(xù)時(shí)間較長的O3污染天氣；當(dāng)脊后的槽較深，西南氣流較強(qiáng)時(shí)，則O3污染天氣結(jié)束,偶爾轉(zhuǎn)為以PM2.5為主要污染物的天氣。對850 hPa(圖略)形勢場進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)臭氧污染過程中，在我國內(nèi)蒙古西部和中部地區(qū)有暖中心，受偏西氣流影響，有較強(qiáng)的暖平流向承德市輸送，在暖平流的作用下，承德地區(qū)增溫明顯，并有弱上升運(yùn)動。對海平面氣壓場(圖6b)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)O3污染過程持續(xù)時(shí)段內(nèi)，承德市多位于高壓后部和低壓前部之間的弱氣壓場內(nèi)，由于在這一位置有弱的上升運(yùn)動，天空會有一定量的云出現(xiàn)。

圖6 (a)O3污染發(fā)生時(shí)的500hPa天氣形勢 (b)O3污染發(fā)生時(shí)的海平面氣壓場

對2014年和2015年承德市出現(xiàn)的13次以O(shè)3為主要污染物的污染天氣過程分析(表1)，可以發(fā)現(xiàn)O3污染的平均AQI指數(shù)有10次在100到200之間，為輕度污染和中度污染。對污染O3過程的氣溫、海平面氣壓、相對濕度、風(fēng)速、最小能見度、天空中總云量和混合層高度進(jìn)行分析， 發(fā)現(xiàn)O3為主要污染物時(shí)的氣象要素指標(biāo)為：過程日平均氣溫21～26℃、海平面氣壓1005～1009 hPa、相對濕度50%～70%、平均風(fēng)速1.4～2.2 m/s、最小能見度4～10 km、天空總云量5～8成、混合層高度900～1500 m。

表1 O3污染過程氣象條件分析

續(xù)表1

6 結(jié)論

(1)承德市的污染天氣主要由PM10、PM2.5和O3產(chǎn)生，近三年來，O3污染天數(shù)所占的比重呈逐年增加趨勢，到2016年超過一半以上。

(2)承德市的O3污染呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化，三級(輕度污染)以上污染天氣主要集中在4月到9月，中度污染以上天氣集中出現(xiàn)在5月到7月。

(3)承德市的O3污染日變化呈單峰型分布，午后濃度升高而夜間濃度下降。

(4)承德市O3污染的空間分布表現(xiàn)為O3濃度東北部低，西部及南部地區(qū)高的特征，與O3前體物NO2的排放關(guān)系密切。

(5)O3連續(xù)污染過程出現(xiàn)的天氣形勢：500 hPa受高壓脊和脊后偏西氣流影響，850 hPa為暖脊和強(qiáng)暖平流，地面位于高壓后部和低壓前部之間的弱上升氣流中；當(dāng)經(jīng)向度大的西風(fēng)槽移過時(shí)，O3連續(xù)污染過程結(jié)束。O3連續(xù)污染過程的氣象要素指標(biāo)：過程日平均氣溫21～26℃、海平面氣壓1005～1009 hPa、相對濕度50%～70%、平均風(fēng)速1.4～2.2 m/s、最小能見度4～10 km、天空總云量5～8成、混合層高度900～1500 m。

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O3pollutioninChengdeandanalysisofweatherconditions

Lu Qian1，Wang Guohui2，F(xiàn)u Jiao3，Tan Guoming1

(1. Chengde Meteorological Bureau, Chengde 067000;2. Chengde Petroleum College, Chengde 067000; 3. Hebei Weather Modification Office, Shijiazhuang 050021)

The pollution of O3in Chengde was analyzed based on the Chengde Environmental Monitoring Station's data, the conclusions are as follows: The polluted weather in Chengde is mainly produced by PM10, PM2.5and O3, the proportion of O3pollution days has increased year by year over the past three years,O3pollution days increased to more than half total pollution days in 2016. The pollution of O3in Chengde showed obvious seasonal change and mainly concentrated in April to September, the intensity of O3pollution in Chengde is dominated by mild pollution to moderate pollution. The diurnal variation of O3pollution in Chengde was a single peak type distribution, being increasing in the afternoon and decreased at night. The spatial distribution of O3pollution in Chengde is characterized by high O3concentration in the northeast and low O3concentration in the western and southern regions. The weather situation as continuous O3pollution process appeared was affected by the ridge of high pressure at 500 hPa ; while at 850 hPa, it was affected by strong warm advection and by weak pressure at sea level pressure field. When the strong westerly groove moved over, continuous O3

pollution process was then over. Meteorological elements for continuous O3pollution process were with average daily temperature from 21℃ to 26℃, sea level pressure from 1005hPa to 1009hPa, relative humidity from 50% to 70%, average wind speed from 1.4m/s to 2.2m/s, minimum visibility from 4km to 10km, the sky clouds from 50% to 80% and mixed layer height from 900m to 1500m.

O3pollution; spatial and temporal distribution; weather situation; weather condition

P431，X823

A

河北省氣象局面上項(xiàng)目(17ky14)資助

2017-10-20; 2017-11-07修回

陸倩(1989-)，女，滿族，工程師，學(xué)士，研究方向：環(huán)境氣象預(yù)報(bào)。E-mail：919357276@qq.com