2020年春季廣東一次臭氧污染過(guò)程的氣象條件分析

陳靖揚(yáng)，謝維斯，李婷苑，洪瑩瑩，鄧思欣

（1.廣東省生態(tài)氣象中心，廣東廣州 510640；2.廣東省氣象公共服務(wù)中心，廣東廣州 510640；3.國(guó)家環(huán)境保護(hù)區(qū)域空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510308）

近年來(lái)隨著廣東減排工作的落實(shí)，空氣質(zhì)量狀況逐年好轉(zhuǎn)，PM2.5污染天數(shù)顯著減少［1］。然而，臭氧（O3）污染日益嚴(yán)重，已超越PM2.5成為珠三角地區(qū)的首要污染物［2-3］。O3作為一種強(qiáng)氧化劑，對(duì)人體呼吸系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生一定傷害，當(dāng)近地面O3質(zhì)量濃度過(guò)高時(shí)，會(huì)對(duì)人類及生態(tài)環(huán)境造成損害［4］。因此，目前對(duì)于O3污染的研究備受國(guó)內(nèi)外關(guān)注。O3質(zhì)量濃度高低除了與相關(guān)前體物濃度有關(guān)外，還與氣象條件有著密切的聯(lián)系［5］，其變化與多個(gè)氣象要素有關(guān)［6］。但在不同情況下，主導(dǎo)的氣象要素有所不同：安俊琳等［7］發(fā)現(xiàn)北京地區(qū)的O3質(zhì)量濃度與氣象要素的關(guān)系存在季節(jié)性變化，在夏季與溫度相關(guān)性較高，在冬季與風(fēng)速相關(guān)性較高；Liao等［8］利用客觀天氣分型方法研究長(zhǎng)三角在不同天氣型下O3質(zhì)量濃度和PM2.5時(shí)空分布特征，發(fā)現(xiàn)在盛行西風(fēng)型下O3質(zhì)量濃度最高。學(xué)者們針對(duì)廣東地區(qū)O3質(zhì)量濃度的變化與氣象條件關(guān)系也做了不少研究，黃俊等［9］研究發(fā)現(xiàn)，廣州O3質(zhì)量濃度與氣溫呈正相關(guān)，與相對(duì)濕度和氣壓呈負(fù)相關(guān)，當(dāng)風(fēng)力為2～3級(jí)吹西北偏西至西南偏西風(fēng)時(shí)，O3質(zhì)量濃度最高；甘泉等［5］發(fā)現(xiàn)，惠州春季O3污染在偏西風(fēng)下出現(xiàn)的概率更高；夏冬等［10］發(fā)現(xiàn)，在高空槽、副高和熱帶氣旋共同影響下，東莞更容易發(fā)生O3污染。

對(duì)O3典型過(guò)程研究是O3污染治理的基礎(chǔ)，本研究以2020年4月9日的O3污染過(guò)程為例，基于氣象資料和空氣質(zhì)量資料，從高空天氣形勢(shì)、地面氣象要素、邊界層風(fēng)場(chǎng)特征等多個(gè)方面對(duì)該次過(guò)程氣象條件進(jìn)行分析，為廣東O3污染的預(yù)報(bào)和防控提供氣象條件方面的參考。

1 資料與方法

本研究使用的數(shù)據(jù)主要是2020年4月8—10日的氣象資料和空氣質(zhì)量資料，包括該次O3污染過(guò)程以及前后各1 d，其中，氣象資料包括廣東省86個(gè)國(guó)家氣象站資料、廣州黃埔和江門新會(huì)兩部風(fēng)廓線雷達(dá)資料以及歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心的大氣再分析資料ERA5（空間分辨率0.25°×0.25°）［11］，空氣質(zhì)量資料為廣東省102個(gè)國(guó)控站的污染物質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)。

通風(fēng)量（VI）是表征邊界層內(nèi)大氣對(duì)污染物的擴(kuò)散能力的有效工具，本研究的通風(fēng)量基于風(fēng)廓線雷達(dá)資料進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式［12］為

其中，i是該時(shí)刻風(fēng)速對(duì)應(yīng)的高度層；hi是i層的高度（m）；vi是i層的風(fēng)速（m／s）；MH是該時(shí)刻邊界層高度（m）；VI的單位為m2／s。由于珠三角清潔日最大混合層高度可以達(dá)到2 000 m左右［13］，因此取MH為2 000 m。

2 污染過(guò)程概述

該次臭氧污染過(guò)程發(fā)生在2020年4月9日，持續(xù)時(shí)間為1 d。全省共7市次O38 h（O3的日最大8 h滑動(dòng)平均）超標(biāo)：佛山、廣州中度污染，江門、肇慶、東莞、清遠(yuǎn)、中山輕度污染。當(dāng)天O3質(zhì)量濃度的大值區(qū)主要集中在珠三角中部偏西的地區(qū)，其中佛山三水云東海站、廣州花都師范站和佛山高明孔堂站達(dá)重度污染，日最大O38 h質(zhì)量濃度在265μg／m3以上。

圖1為2020年4月9日13：00（北京時(shí)，下同）、15：00、17：00和19：00的O3小時(shí)質(zhì)量濃度分布圖，由圖1可見(jiàn)當(dāng)天污染物O3的生消情況。13：00，廣州、佛山、東莞、江門的O3質(zhì)量濃度開始上升；15：00，珠三角中部、西部、西南部O3污染區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大；17：00，珠三角及粵北西南部持續(xù)上升，在佛山北部和廣州南部出現(xiàn)了O3小時(shí)質(zhì)量濃度超過(guò)300μg／m3的站點(diǎn)觀測(cè)，該次過(guò)程的O3小時(shí)質(zhì)量濃度最高值也出現(xiàn)在該時(shí)次的三水云東海站，為358μg／m3；19：00起污染物開始逐漸消散。

圖1 廣東2020年4月9日13：00（a）、15：00（b）、17：00（c）和19：00（d）O3小時(shí)質(zhì)量濃度分布（單位：μg·m-3）

3 氣象成因分析

3.1 高空天氣形勢(shì)

圖2為基于再分析數(shù)據(jù)ERA5的4月9日14：00的500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)與風(fēng)場(chǎng)疊加以及925 hPa風(fēng)場(chǎng)分布，以分析污染期間高空天氣形勢(shì)。4月9日，500 hPa弱高空槽東移出海，副高略有增強(qiáng)，廣東高空受平直西風(fēng)氣流影響，風(fēng)速較前一日有所減弱，925 hPa廣東中部地區(qū)受明顯的反氣旋環(huán)流控制，以下沉氣流為主，不利于污染物的垂直擴(kuò)散，云量較少，較強(qiáng)的太陽(yáng)輻射有利于O3生成。

圖2 2020年4月8—10日500 hPa高度場(chǎng)（單位：gpm）（a）和925 hPa（單位：m·s-1）（b）風(fēng)場(chǎng)分布

3.2 地面氣象條件

該次O3污染過(guò)程的重污染區(qū)域在廣州和佛山，因此選取4月8—10日的廣州蘿崗觀測(cè)站和佛山南海觀測(cè)站的單站氣溫、風(fēng)向風(fēng)速進(jìn)行分析。從圖3可知，4月9日午后氣溫高于4月8和10日，兩個(gè)站點(diǎn)觀測(cè)均超過(guò)了28℃，較高的氣溫有利于生成；而在9日13：00—17：00，兩個(gè)站點(diǎn)的風(fēng)速較小，基本小于2 m／s，此外可見(jiàn)兩個(gè)站點(diǎn)在13：00—16：00存在連續(xù)的南北風(fēng)向轉(zhuǎn)換，有利于污染物回流堆積，18：00起南風(fēng)加大，污染物擴(kuò)散條件逐漸好轉(zhuǎn)，10日午后風(fēng)速有所加大，且轉(zhuǎn)為較一致的偏南風(fēng)，水平擴(kuò)散條件較9日明顯好轉(zhuǎn)。

圖3 2020年4月8—10日廣州蘿崗觀測(cè)站（a）和佛山南海觀測(cè)站（b）溫度、風(fēng)向風(fēng)速時(shí)間序列

太陽(yáng)輻射強(qiáng)度是影響光化學(xué)反應(yīng)生成O3的關(guān)鍵因素之一，從4月8—10日的日照時(shí)數(shù)分布（圖4）可知，8日全省的日照時(shí)數(shù)大值區(qū)基本集中在粵北和粵東沿海地區(qū)，珠三角地區(qū)的日照時(shí)數(shù)除廣州北部外，基本在6 h以下；9日全省日照時(shí)數(shù)較前1天明顯增加，珠三角大部基本在8 h以上，較長(zhǎng)的日照時(shí)數(shù)更有利于光化學(xué)反應(yīng)生成O3；10日日照時(shí)數(shù)較9日有所減少，珠三角日照時(shí)數(shù)大值區(qū)主要集中在南部沿海地區(qū)，其余地區(qū)日照時(shí)數(shù)在8 h以下。

圖4 廣東2020年4月8日（a）、9日（b）和10日（c）日照時(shí)數(shù)分布（單位：h）

污染區(qū)域O3質(zhì)量濃度除受本地光化學(xué)反應(yīng)影響，還會(huì)受近地面風(fēng)場(chǎng)的傳輸、擴(kuò)散影響。從4月9日13：00、15：00、17：00和19：00的風(fēng)場(chǎng)分布（圖5）可知，13：00廣州南部、佛山、東莞存在弱風(fēng)向輻合，對(duì)應(yīng)地區(qū)的O3質(zhì)量濃度較周邊地區(qū)有上升；15：00廣州、佛山存在明顯的東西風(fēng)弱輻合帶，肇慶、江門存在局部弱輻合，珠三角中東部以偏東風(fēng)為主，西部以偏西風(fēng)為主，污染物無(wú)法擴(kuò)散，污染區(qū)域主要集中在珠三角中部及偏西的地區(qū)；17：00，珠三角大部轉(zhuǎn)受弱偏南風(fēng)影響，但南風(fēng)控制區(qū)域僅到達(dá)珠三角中部偏北地區(qū)，在廣州北部、肇慶北部仍受偏北風(fēng)影響，存在南北風(fēng)弱輻合，使污染物進(jìn)一步累積，且偏南風(fēng)傳輸作用，使珠三角中南部地區(qū)的污染物往北輸送，佛山、廣州的O3質(zhì)量濃度繼續(xù)上升，且在該時(shí)次達(dá)到峰值；19：00，日落后O3無(wú)法繼續(xù)生成，且南風(fēng)控制區(qū)域進(jìn)一步北推，來(lái)自海上持續(xù)的南風(fēng)對(duì)污染物有較好的清除作用，珠三角南部沿海地區(qū)的污染物濃度下降較為明顯，其余污染區(qū)域的污染物質(zhì)量濃度也有不同程度下降。

圖5 廣東2020年4月9日13：00（a）、15：00（b）、17：00（c）和19：00（d）風(fēng)場(chǎng)分布（單位：m／s）

3.3 邊界層風(fēng)場(chǎng)特征

為進(jìn)一步研究污染過(guò)程中風(fēng)場(chǎng)的垂直特征，本研究基于廣州黃埔和江門新會(huì)的風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算邊界層通風(fēng)量。從圖6可知，8日廣州和江門白天的通風(fēng)量呈減小趨勢(shì)，且午后通風(fēng)量較小，基本維持在2 500～3 000 m2／s，但由于8日日照時(shí)數(shù)在6 h以下，O3生成條件一般，因此未造成O3污染；9日廣州和江門的通風(fēng)量在白天仍是呈減小趨勢(shì)，且在午后達(dá)到當(dāng)天最低水平，通風(fēng)量較小，污染物難以擴(kuò)散，有利于污染物的堆積，使O3質(zhì)量濃度升高，夜間2個(gè)站點(diǎn)的通風(fēng)量均有明顯增加，且在10日通風(fēng)量較前兩天明顯增大，有利于污染物的擴(kuò)散，污染過(guò)程結(jié)束。

圖6 2020年4月9日廣州黃埔（a）和江門新會(huì)（b）邊界層通風(fēng)量

4 結(jié)論

1）該次污染過(guò)程出現(xiàn)在高層弱高空槽東移出海，低層弱切變線減弱消失后，廣東高層轉(zhuǎn)受平直西風(fēng)氣流影響，低層反氣旋環(huán)流控制的天氣形勢(shì)下。在此天氣形勢(shì)下以下沉氣流為主，天氣晴好、氣溫較高、日照時(shí)數(shù)較長(zhǎng)，午后近地層通風(fēng)量較小。較好的輻射條件和不利的邊界層擴(kuò)散條件是導(dǎo)致該次污染過(guò)程的主要?dú)庀笠蛩亍?/p>

2）4月10日，通風(fēng)量明顯增大，擴(kuò)散條件有所好轉(zhuǎn)。日照時(shí)數(shù)減少，午后氣溫較前一日有所下降，不利于光化學(xué)反應(yīng)生成O3，污染過(guò)程結(jié)束。