張麗 梁碧玲 李磊
(1 深圳市氣象局,深圳 518040;2 深圳市國家氣候觀象臺,深圳 518040)
隨著城市化和工業(yè)化的不斷發(fā)展,全國各大城市群大氣污染問題日益凸顯,臭氧成為首要污染物的頻率越來越高,大量研究圍繞光化學煙霧和臭氧污染展開。在短期內排放源大致不變的情況下,眾多學者認為氣象條件是影響臭氧污染最重要的因素[1-4]。北方地區(qū)如嚴茹莎[5]指出,北京地區(qū)O3分布與溫度、風速及風向3個氣象要素密切相關,同時穩(wěn)定邊界層對大氣擴散的不利影響也是形成O3污染的重要原因;閆雨龍[6]指出影響太原市城區(qū)臭氧濃度變化的主要因素是臭氧前驅物和氣象條件(太陽輻射、溫度等)的變化。長三角地區(qū)也開展了城市臭氧污染特征及成因分析[7-14],如王磊[15]指出高濃度臭氧污染是多因子綜合作用的結果,典型氣象條件表現(xiàn)為:太陽輻射強、低云量少、相對濕度適宜、地面小風速及特定的風向。由于臭氧與其前體物揮發(fā)性有機物(VOCs)和氮氧化物(NOx)呈顯著的非線性相關,且受氣象條件、排放源分布和土地利用類型等影響[16-26],臭氧污染也是珠三角地區(qū)大氣污染控制研究的重點和難點之一。全國多地區(qū)開展了臭氧氣象條件成因分析,但是業(yè)務化運用較少。本文在前期研究臭氧污染與氣象條件關系的基礎上[26],從高影響的氣象因子著手,建立了本地化的臭氧污染氣象條件指數(shù),經(jīng)檢驗可實現(xiàn)對O3污染氣象條件監(jiān)測,為臭氧預報預警提供了科學的參考依據(jù)。
2015—2017年深圳市環(huán)保部門14個監(jiān)測點的O3小時平均濃度逐小時數(shù)據(jù)及對應區(qū)域最近的自動氣象站逐小時數(shù)據(jù)。氣象站選擇的原則是每區(qū)至少1個距離環(huán)保站最近站點,西部污染嚴重地區(qū)選1~2個氣象站點(圖1)。
圖1 全市14個空氣質量站點(黑色三角形)及鄰近的14個氣象站(黑色圓點) Fig. 1 14 air quality sites (black triangle) and the 14 closest meteorological stations (black dots) in Shenzhen
臭氧超標率(E)定義:根據(jù)環(huán)境空氣質量指數(shù)(AQI)技術規(guī)定(試行)(2016年實施)臭氧二級標準為1小時平均濃度大于200 μg/m3。
式中,t1是某個時間段內臭氧濃度超出200 μg/m3的時次,t是總時次,E為臭氧的超標率。
選取溫度、相對濕度、風速風向、降雨量等氣象因子,分析氣象因子對臭氧污染的貢獻,同時考慮氣象因子之間相關性,對研究方法進行了創(chuàng)新設計,分別將氣溫與其他氣象因子聯(lián)立,統(tǒng)計聯(lián)立后的臭氧超標率。即以氣溫為參照,研究其他氣象因子對臭氧超標率的影響,從而確定所有氣象因子的影響權重,最后得出指數(shù)總評分標準。
深圳市隨著產(chǎn)業(yè)結構優(yōu)化和大氣環(huán)境治理的深入開展,首要污染物的格局近幾年有了明顯改變,細顆粒物作為首要污染物出現(xiàn)的頻率呈逐年下降趨勢,臭氧作為首要污染物出現(xiàn)的天數(shù)卻逐年上升。根據(jù)深圳市環(huán)境監(jiān)測站的數(shù)據(jù)統(tǒng)計,2015年臭氧作為首要污染物的日數(shù)只有67 d,2016年上升至88 d,2017年更高達109 d(圖2)。
圖2 2015—2017年深圳市大氣首要污染物分布情況 Fig. 2 Distribution of atmospheric primary pollutants from 2015 to 2017 in Shenzhen
通過分類統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),氣溫、相對濕度、風速、風向、1 h累計雨量對臭氧濃度超標率都有影響(圖3)。臭氧是二次污染物,由NOx、CO和NMHC在太陽輻射的作用下進行光化學反應產(chǎn)生,所以溫度是光化學反應生成臭氧的一個高敏感的氣象因子。臭氧超標概率隨著氣溫升高而升高,小時平均氣溫超過35 ℃,臭氧超標率可達33.8%(圖3a)。較干燥的環(huán)境(相對濕度30%~60%)有利于臭氧超標,最大超標率為5%,80%以上高濕度環(huán)境下臭氧超標率很低,超標率小于0.6%(圖3b)。風速對臭氧污染的影響也存在最優(yōu)區(qū)間,1~4 m/s的風速條件超標概率略高,超標率最高為1.46%;較大風速或者靜風條件下都不利于臭氧超標,超標率小于1%。偏西風影響下臭氧超標概率較高,最高為4.9%;偏東風超標概率較低,小于0.5%(圖3c)。1 h累計雨量對臭氧污染的影響不明顯,無雨時臭氧超標概率略高,超標率為1.2%(圖3d)。
統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),除氣溫以外單個氣象因子對臭氧超標率的影響較小,主要是因為臭氧超標受氣溫影響最大,為了突出各氣象因子的影響程度,考慮在將氣溫和其他因子聯(lián)合一起分類,同一溫度區(qū)間下各因子對臭氧污染的影響分析。如同等溫度條件下,不同的相對濕度對臭氧超標概率有明顯差別(圖4a)。氣溫在30~35 ℃且相對濕度在35%~65%最適宜臭氧生成,超標概率最高達31%。濕度越大超標率越小,濕度大于75%,不利于臭氧的生成,超標概率小于5%。通過氣溫和相對濕度組合分類,可以分析出濕度和溫度對臭氧超標率的影響。
風速對于臭氧的影響,在不同的溫度等級下表現(xiàn)不一樣(圖4b)。在30 ℃以下,風速的變化幾乎不會引起臭氧污染的形成,超標率均小于5%;當溫度大于32 ℃時,風速增加會減少臭氧的超標率。
圖3 不同氣溫、相對濕度、風速、風向、 1 h累計雨量條件下臭氧小時平均濃度超標概率 Fig. 3 Exceeding probability of average hourly concentration of ozone under different temperature, relative humidity, wind and 1 h rainfall
圖4 不同氣溫和相對濕度、風速、風向、1 h累計雨量聯(lián)合分類下臭氧超標率 Fig. 4 Ozone exceeding probability under different temperature classification with relative humidity, wind and 1 h rainfall
風向對于臭氧超標率的影響也與溫度密切相關(圖4c)。溫度在30 ℃以下,風向對臭氧超標率的影響很小,超標率在5%以內;當氣溫增加至32 ℃時,偏北風、偏西風有利于臭氧超標率的增加,偏南風可減少臭氧的超標概率。
雨量對臭氧超標概率的影響不明顯(圖4d)。1 h累計雨量在5 mm以上,臭氧超標率很小,在6%以內;1 h雨量5 mm以下且溫度34 ℃以上,雨強越大超標率越小。
氣溫基礎分(Ts):按照臭氧超標率大小進行評分,超標率越高,評分愈大。超標率小于1%為0分,每增加5%增加1分,根據(jù)各等級氣溫下臭氧的超標率大小,給出氣溫基礎分(表1)。氣溫在30℃以下,臭氧超標率E小于1%,都為0分;當30 ℃≤T<33 ℃時,臭氧超標率E=2.9%,評分為1分;當T≥35℃時,E=33.8%,評分為7分。從表1可見,氣溫對臭氧超標率的影響很大,各等級下評分在0~7分,差異大,可作為基礎評分因子。其他氣象因子和氣溫聯(lián)立時的評分減去基礎分,就得到各氣象因子單獨的評分。
表1 氣溫基礎分(Ts) Table 1 Grading standard score for the temperature (Ts)
風速、氣溫聯(lián)合評分:計算風速與氣溫聯(lián)合等級下的臭氧超標率可得出風速、氣溫聯(lián)合評分表(表2)。表2表明了在同樣的氣溫條件下,不同風速對臭氧形成貢獻不一樣。例如溫度在33~35 ℃時,風速≥4 m/s,評分為2分,小于氣溫基礎分3分,說明該等級下風速≥4 m/s對臭氧超標有削弱的作用。同理,溫度≥35 ℃時,風速≥5 m/s,對臭氧超標也有削弱的作用。
風速、風向評分: 將風速、氣溫聯(lián)合等級下的評分減去氣溫基礎分(Ts),得到風速單獨的評分(表3)。從風速評分表3可以明顯看出風速對臭氧超標情況的作用,正值表示對臭氧生成有促進作用,負值表示對臭氧的生成有減弱作用。氣溫在25~30 ℃時,風速在1~3 m/s有利于臭氧的生成;當溫度升高至30 ℃以上時,風速在4 m/s以上不利于對臭氧的生成。
表2 氣溫與風速聯(lián)合評分表 Table 2 Grading standard for the temperature and wind speed
從風向評分可以看出來,溫度T≤20 ℃時,臭氧超標與風向無關;當30 ℃≤T<33 ℃時,偏西風有利于臭氧生成;當33 ℃≤T<35 ℃,評分為負值,偏東、偏南風均不利于臭氧的生成,偏西和偏北風,評分為正值,有利于臭氧的生成。深圳市夏季一般以偏東和偏南風為主,夏季大氣邊界層高,對流旺盛,加上偏南風來自海上,空氣潔凈,對污染物有明顯的稀釋作用;冬季以偏西和偏北風影響為主,一方面大氣邊界層高度低,污染物容納能力小,一方面有外來污染源的影響,有利于臭氧的生成。
相對濕度評分:濕度對臭氧的影響也受氣溫的影響,在不同等級氣溫下,濕度的作用大小不一,當溫度25 ℃≤T<30 ℃較低時,濕度<70%,有利于臭氧的生成,濕度增大不利于臭氧的生成。當溫度33 ℃≤T<35 ℃較高時,相對濕度為30%~50%時有利于臭氧生成,濕度增大不利于臭氧的生成。
雨量評分:各等級雨量對臭氧超標的評分均為0分,因為降雨時溫度較低,云量多,太陽輻射少,無法獲得充足的輻射能量,臭氧超標率都很小。所以雨量不計入總評分。
總評分:綜合以上各要素評分,給出臭氧污染氣象條件指數(shù)(OPMCI)為
OPMCI=Ts+WDs+WSs+Rs, (2)
式中,Ts為氣溫基礎評分,WDs為風向評分,WSs為風速評分,Rs為相對濕度評分。
從表4可見,OPMCI從小到大分為六級,從不易臭氧污染到極易臭氧污染,從而實現(xiàn)了定量化的臭氧污染氣象條件監(jiān)測。
用2015—2017年歷史數(shù)據(jù)計算的臭氧污染氣象條件等級范圍1~5級,歷史數(shù)據(jù)未出現(xiàn)六級極易污染的情況,為最嚴重的臭氧污染預留一個等級(表5)。檢驗結果表明,各等級下臭氧超標有明顯差異,級別越高,臭氧超標率和平均濃度都明顯增大??梢娫撛u分是可行的。
基于產(chǎn)品特征和用戶需求,臭氧污染氣象條件指數(shù)開發(fā)項目采用基于GIS組件的二次開發(fā)模式,地理信息系統(tǒng)平臺采用通用地理信息系統(tǒng)平臺,項目數(shù)據(jù)庫平臺擬采用OEacle10G以上,WEB系統(tǒng)平臺擬采用ASP.NET或HTML5技術。網(wǎng)絡架構采用B/S和C/S混合體系結構,C/S結構程序(后臺程序)運行于服務端,以多線程并發(fā)的方式執(zhí)行,用于數(shù)據(jù)的解析計算以及各類產(chǎn)品的生成、入庫等(圖6)??蛻舳俗鳛锽/S結構程序(前臺程序),為用戶的操作平臺,用于信息的綜合展示以及人機交互操作等。將臭氧污染氣象條件指數(shù)的產(chǎn)品運用于實際業(yè)務中,對深圳市各區(qū)的臭氧污染條件進行實時監(jiān)測,為污染防治提供科學參考,產(chǎn)品在市相關部門共享,應用效果良好。
表3 風速、風向、相對濕度單獨評分(聯(lián)合評分-氣溫基礎分) Table 3 Grading standard score for wind speed, wind direction and relatively humidity
表4 臭氧污染氣象條件指數(shù)(OPMCI) Table 4 Grading standard score for ozone pollution meteorological condition index
表5 2015—2017年的臭氧污染氣象條件指數(shù)的檢驗結果 Table 5 The test result of OPMCI from 2015 to 2017
利用2015—2017年氣象要素和臭氧濃度數(shù)據(jù)研究臭氧污染指數(shù),基于概率統(tǒng)計提出了一種新的評分方法。
1)按照臭氧超標概率大小進行評分,臭氧超標率每增加5%則增加1分。
2)氣溫作為影響臭氧生成最大的因子,作為基礎評分因子。根據(jù)不同氣溫等級下臭氧的超標率大小,給出氣溫基礎分。
3)在此基礎上,考慮各氣象要素對臭氧超標的影響,得到各氣象因子在不同氣溫區(qū)間內的評分。
4)綜合以上各要素評分,得出臭氧污染氣象條件指數(shù)總評分標準。總評分從小到大分為六級,從不易臭氧污染到極易臭氧污染,從而實現(xiàn)了定量化的臭氧污染氣象條件監(jiān)測。
5)歷史數(shù)據(jù)檢驗結果表明,各指數(shù)等級下臭氧超標率有明顯差異,指數(shù)級別越高,臭氧超標率和平均濃度都明顯增大,可見該評分是符合實際情況的,同時該指數(shù)已經(jīng)進入業(yè)務運行。
圖6 臭氧污染氣象條件業(yè)務產(chǎn)品開發(fā) Fig. 6 Operational product of OPMCI
Advances in Meteorological Science and Technology2019年3期