蘭州夏季臭氧污染過程分析

張芊 祝祿祺 龐可 張鑫

摘要：利用國控點(diǎn)蘭州城市污染資料以及歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心的 ERA-interim 再分析資料，分析了16年7月2日、18年7月9日兩次臭氧污染過程，對蘭州地區(qū)污染天氣的特征和過程進(jìn)行了分析研究并總結(jié)了蘭州地區(qū)臭氧污染類型天氣的特點(diǎn)。研究結(jié)果表明：（1）通過分析夏季蘭州的臭氧污染，結(jié)合污染天氣當(dāng)天各污染物的濃度趨勢以及風(fēng)速場、溫度場變化，得出蘭州市臭氧污染與NO₂、CO 兩種主要污染物的濃度以及太陽輻射強(qiáng)度相互聯(lián)系，蘭州夏季臭氧污染時(shí)間周期短，持續(xù)污染能力較差，污染成分復(fù)雜，其污染過程主要集中在一天太陽輻射最強(qiáng)烈的時(shí)段。

關(guān)鍵詞：大氣環(huán)境;蘭州;臭氧;氣象場

中圖分類號：X511文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

0 引言[1]

臭氧是一種強(qiáng)氧化劑，比重為空氣的1.66倍，常集聚在下層空間，其強(qiáng)烈刺激人的呼吸道，造成咽喉腫痛、胸悶咳嗽，引發(fā)支氣管炎和肺氣腫;造成人的神經(jīng)中毒，頭暈頭痛、視力下降、記憶力衰退;對人體皮膚中的維生素E起到破壞作用;破壞人體的免疫機(jī)能，誘發(fā)淋巴細(xì)胞染色體病變，加速衰老，致使孕婦生畸形兒等一系列健康問題。因此，大氣環(huán)境中臭氧濃度上升所造成的污染天氣必須引起人們的高度重視。

對于蘭州地區(qū)的污染過程，已經(jīng)有不少學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究工作，并得到了很多有意義的結(jié)果。王穎等運(yùn)用CAMQ空氣質(zhì)量模式及WRF中尺度氣象模式，通過采用湍流閉合方案、混合層高度和湍流交換系數(shù)參數(shù)化方法等方面研究了WRF模式下不同邊界層參數(shù)化方案對模擬邊界層低層氣象要素特征的差異，驗(yàn)證了CAMQ模式模擬山谷地區(qū)城市中空氣污染物的輸送、擴(kuò)散、消亡以及轉(zhuǎn)化的能力，給出了適應(yīng)蘭州地區(qū)的污染數(shù)值模擬方案，分析了蘭州地區(qū)O₃、PM₁₀、CO等主要幾種污染物的時(shí)空變化分布特征，以及高架污染源對蘭州地區(qū)空氣質(zhì)量的貢獻(xiàn)率;楊雪玲利用 11-16 年蘭州地區(qū)的污染物濃度資料分析了蘭州污染物濃度的時(shí)空分布規(guī)律，探討了風(fēng)速風(fēng)向、氣溫、降水等氣象要素對污染物濃度分布的影響，并研究了重污染過程中環(huán)流形勢和氣象條件的變化特征。因此利用數(shù)值產(chǎn)品ERA-interim 再分析資料，定量分析蘭州地區(qū)年際范圍內(nèi)不同類型的污染過程，進(jìn)而研究不同環(huán)流場、溫度場、風(fēng)場以及層結(jié)穩(wěn)定度，對污染物濃度的空間分布和時(shí)間變化的影響，以及探究蘭州地區(qū)全年不同類型污染事件發(fā)生發(fā)展的規(guī)律及特點(diǎn)。

蘭州市空氣污染多發(fā)，分析 1999、2000 年兩年的空氣污染指數(shù)的結(jié)果表明，蘭州平均的空氣污染指數(shù) AQI 年平均達(dá)到 239，是我國 42 個(gè)主要城市里空氣污染最為嚴(yán)重的城市，在 42 個(gè)主要城市的 AQI 年平均指數(shù)中，蘭州是唯一一個(gè) AQI 年平均指數(shù)超過了200 的地區(qū)。蘭州地區(qū)的三大主要污染類型分布在不同季節(jié)，春季以沙塵暴和浮沉污染為主，夏季以臭氧等光化學(xué)煙霧污染為主，冬季以煤煙型污染為主。通過量化分析蘭州地區(qū)的空氣污染發(fā)生、發(fā)展及消亡的過程，得出蘭州地區(qū)空氣污染的主要形成原因及擴(kuò)散、消亡的特點(diǎn)，將對及時(shí)防災(zāi)減災(zāi)、提高人們生活質(zhì)量和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有重要現(xiàn)實(shí)意義;對空氣污染做出定量準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)和監(jiān)測，將對制定預(yù)防人體健康危害的措施，具有顯著的科學(xué)價(jià)值和十分重要的實(shí)際意義;同時(shí)，依照研究的結(jié)論也將對對城市污染的治理，城市的管理規(guī)劃起到重要的支撐作用。

1 方法介紹

1.1 資料選取

ERA-Interim再分析資料是ECMWF繼ERA40資料之后推出的一套新的再分析資料，包含1979年至今的時(shí)段，與ERA40時(shí)段上有部分重疊（1989—2002年），但在資料同化處理上有很大的進(jìn)步一是由原先的三維同化系統(tǒng)（3D VAR）變更為現(xiàn)今使用的四維同化系統(tǒng)（4D VAR）;二是更新了同化模型，最新的綜合預(yù)報(bào)系統(tǒng)為IFS Cy45r1;三是提升了格網(wǎng)分辨率，水平格網(wǎng)能提供不高于0.75°×0.75°精度的數(shù)據(jù);四是應(yīng)用了更多的衛(wèi)星數(shù)據(jù)包括：衛(wèi)星亮溫資料、GPS掩星資料、散射計(jì)資料，以及地面觀測資料。其地面資料獲取仍使用TESSEL過程（Tiled ECMWF Scheme for Surface Exchanges over Land）。ERA-Interim能夠提供不同氣壓位的多種氣象數(shù)據(jù)，由1000 hPa上升到1 h Pa高度，1000hPa至100 h Pa的壓強(qiáng)間隔為25 h Pa。數(shù)據(jù)時(shí)段包括00時(shí)、06時(shí)、12時(shí)、18時(shí)（世界時(shí)），其中00時(shí)和12時(shí)為分析產(chǎn)品，06時(shí)和18時(shí)為預(yù)報(bào)產(chǎn)品。

1.2 資料使用方法

NCL（The NCAR Command Language）是一種專門為科學(xué)數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)的高級語言，很適合用在氣象數(shù)據(jù)的處理和可視化上。NCL 包含了現(xiàn)代編程語言的許多常見功能：條件語句、循環(huán)、數(shù)組運(yùn)算等。此外，NCL 還包括許多有用的內(nèi)置函數(shù)和過程用來進(jìn)行處理和操作數(shù)據(jù)，其中包括統(tǒng)計(jì)函數(shù)、插值、EOF 分析、波譜分析等

本文選用 ERA-interim 再分析資料提供的16年7月2日，18年7月9日的單日資料，運(yùn)用 NCL 進(jìn)行可視化處理。再分析資料提供了當(dāng)日世界時(shí) 0時(shí)、6時(shí)、12時(shí)、18時(shí)的四次觀測資料，本文運(yùn)用每個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)對影響蘭州地區(qū)的風(fēng)場、溫度場進(jìn)行分析。運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析軟件對蘭州市及各站點(diǎn)的O_3、CO_、NO₂濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)合NCL處理再分析資料得出的氣象場圖形資料，研究蘭州地區(qū)的各個(gè)污染過程。

2 16年7月2日臭氧污染過程分析

近年以來，臭氧污染頻繁發(fā)生，已經(jīng)成為主要環(huán)境污染的之一。臭氧是存在于大氣層中的抗氧化物和碳?xì)浠衔锏缺惶栒丈洌M(jìn)而發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)而形成的，其廣泛存在于人類生活的大氣層中，但是當(dāng)人類活動區(qū)域周邊的臭氧濃度超過一定范圍時(shí)，會造成光化學(xué)煙霧等污染。臭氧在空氣中的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他組成成分，對它的科學(xué)研究尚不充分。本文選取2016年7月2日和2018年7月9日兩次典型臭氧污染過程，對蘭州地區(qū)的夏季臭氧特點(diǎn)進(jìn)行分析。

2.1 污染物濃度分析

蘭州市7月2日臭氧濃度嚴(yán)重超標(biāo)，根據(jù)圖1（c）O₃實(shí)時(shí)濃度變化曲線反應(yīng)的變化趨勢，臭氧濃度在0時(shí)到7時(shí)維持在較低濃度水平，在8時(shí)開始增加，在9時(shí)到12時(shí)濃度劇烈增加達(dá)到峰值，此后直到20時(shí)呈現(xiàn)階梯式下降趨勢，20時(shí)后維持在150-200區(qū)間，達(dá)到峰值后雖有下降，但臭氧濃度始終保持在一個(gè)較高的濃度范圍。依照圖1（a）（b）反應(yīng)的CO、NO₂逐小時(shí)濃度變化曲線，CO濃度在7時(shí)至12時(shí)達(dá)到最高，NO₂濃度在0時(shí)至12時(shí)始終維持在較高的水平，在當(dāng)日13時(shí)CO、NO₂濃度均劇烈減少，且在13至23時(shí)兩種污染物維持在較低的水平。由此可以判斷，O₃進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)依賴于污染物NO₂、CO的濃度，NO₂、CO在早晨維持一個(gè)較高濃度的水平，在進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)后，濃度劇烈下降，而O₃在午間達(dá)到峰值，并隨著NO₂、CO的濃度遞減而減少。

2.2 蘭州市氣象場分析

圖2（a、b）顯示蘭州市當(dāng)日風(fēng)向上午8時(shí)為西南風(fēng)，下午2時(shí)為北風(fēng)，由于蘭州市河谷地形因素的影響，蘭州市的污染物擴(kuò)散能力弱，易于累積;圖3（a、b、c、d）分別為當(dāng)日2時(shí)、8時(shí)、14時(shí)、20時(shí)的溫度場分布，2時(shí)溫度為286K，8時(shí)溫度升至298K，14時(shí)溫度達(dá)到303K，20時(shí)溫度回落至292K，當(dāng)日溫度峰值不低于30攝氏度，可判斷當(dāng)日太陽輻射在8時(shí)至14時(shí)強(qiáng)烈，并易于NO₂、CO參與的光化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)生，起到催化作用。

3 18年7月9日臭氧污染程分析

3.1 污染物濃度分析

蘭州市7月9日臭氧濃度超標(biāo)，根據(jù)圖4（c）O₃實(shí)時(shí)濃度變化曲線反應(yīng)的變化趨勢，臭氧濃度在0時(shí)到8時(shí)維持在較低濃度水平，在8時(shí)到16時(shí)濃度緩慢增加達(dá)到峰值，此后直到18時(shí)濃度維持在較高水平，18時(shí)后濃度劇烈下降，在當(dāng)天23時(shí)達(dá)到較低水平。依照圖4（a）（b）反應(yīng)的CO、NO₂逐小時(shí)濃度變化曲線，CO濃度全天維持較高濃度的水平，在12時(shí)出現(xiàn)下滑，至23時(shí)達(dá)到最低值;NO₂濃度在0時(shí)至9時(shí)始終維持在較高的水平，在當(dāng)日10時(shí)NO₂濃度緩慢減少，在10時(shí)至23時(shí)污染物始終維持在較低的水平。本次污染過程三種污染物濃度的變化情況與16年7月2日的污染物濃度變化相似，均為NO₂、CO在早晨維持一個(gè)較高濃度的水平，在進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)后，濃度劇烈下降，在下午維持較低水平，而O₃在午后達(dá)到峰值，并隨著NO₂、CO的濃度遞減而減少。

4.2.2 蘭州市氣象場分析

圖5（a、b）顯示蘭州市當(dāng)日風(fēng)向上午8時(shí)，下午2時(shí)均為北風(fēng)，由于蘭州市河谷地形因素的影響，蘭州市的污染物擴(kuò)散能力弱，易于累積;圖6（a、b、c、d）分別為當(dāng)日2時(shí)、8時(shí)、14時(shí)、20時(shí)的溫度場分布，2時(shí)溫度為286K，8時(shí)溫度升至296K，14時(shí)溫度達(dá)到298K，20時(shí)溫度回落至286K，與16年7月2日的污染過程相比較，其最高溫度較低，且劇圖4（c）O₃濃度的峰值在15時(shí)才達(dá)到峰值，因此可判斷太陽輻射的強(qiáng)烈程度與產(chǎn)生O₃的光化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間與劇烈程度呈正相關(guān);7月2日當(dāng)天的NO₂濃度是此次污染天氣過程N(yùn)O₂濃度的兩倍，同時(shí)7月2日當(dāng)天O₃的峰值濃度也約為此次污染過程O₃峰值濃度的一倍，因此可推斷反應(yīng)物濃度決定了生成物O₃的濃度。

3結(jié)論

在利用污染資料以對蘭州地區(qū)發(fā)生的兩種類型的三次污染過程進(jìn)行污染物濃度及變化趨勢的研究，以及結(jié)合歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心的 ERAinterim 再分析資料，對污染時(shí)段內(nèi)的氣象場加以分析，我們得出以下結(jié)論：

夏季蘭州的污染天氣類型多為臭氧污染，結(jié)合污染天氣當(dāng)天各污染物的濃度變化及趨勢和風(fēng)速場、溫度場等氣象場要素，得出蘭州市臭氧污染與NO₂、CO兩種主要污染物的濃度以及太陽輻射強(qiáng)度相互聯(lián)系;NO₂、CO濃度的高低是生成物O₃濃度高低的決定因素之一;當(dāng)天太陽輻射的強(qiáng)弱與產(chǎn)生O₃的光化學(xué)反應(yīng)的時(shí)間長短及反應(yīng)劇烈程度相關(guān);當(dāng)天主要污染濃度呈現(xiàn)NO₂、CO在早晨達(dá)到峰值，在太陽輻射的催化作用下，參與光化學(xué)反應(yīng)生成O₃并消耗，在當(dāng)天午后呈現(xiàn)不斷下降的趨勢，而O₃在凌晨濃度穩(wěn)定，在光化學(xué)反應(yīng)發(fā)生后，在中午或者下午時(shí)段達(dá)到峰值，且濃度增長率與太陽輻射的強(qiáng)度正相關(guān)，在NO₂、CO反應(yīng)停止后，由于產(chǎn)生源消失，O₃濃度呈不斷下降趨勢。蘭州夏季臭氧污染時(shí)間周期短污染成分復(fù)雜，持續(xù)污染能力較差，其污染過程主要集中在一天太陽輻射最強(qiáng)烈的時(shí)段。

[參考文獻(xiàn)] （References）

1. 張金貴. 河谷型城市風(fēng)場及污染物擴(kuò)散數(shù)值仿真研究[D].蘭州大學(xué)，2017，57.
2. 寧貴財(cái). 四川盆地西北部城市群冬季大氣污染氣象成因及其數(shù)值模擬研究[D].蘭州大學(xué)，2018，136.
3. 楊雪玲. 蘭州市重污染天氣過程環(huán)流形勢與氣象條件研究[D].蘭州大學(xué)，2018.
4. 王穎. 復(fù)雜下墊面下空氣污染數(shù)值模擬研究[D].蘭州大學(xué)，2010.
5. 王斌，舒爭，顧卓良.夏季臭氧污染特征及來源分析[J].黑龍江環(huán)境通報(bào)，2018，42（03）：77-80.
6. 馬秉吉. 蘭州市近地面臭氧污染特征及影響因素分析[A]. 中國氣象學(xué)會.第35屆中國氣象學(xué)會年會 S17 氣候環(huán)境變化與人體健康[C].中國氣象學(xué)會：中國氣象學(xué)會，2018：1.
7. 陳超，嚴(yán)仁嫦，葉輝，林旭，金嘉佳，許凱兒，何曦，沈建東.杭州市臭氧污染特征研究[J].環(huán)境污染與防治，2019，41（03）：339-342.
8. 馬敏勁，譚子淵，陳玥，丁凡.近15a蘭州市空氣質(zhì)量變化特征及沙塵天氣影響[J].蘭州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，55（01）：33-41.
9. 葉香，何濤，夏京，李莉，雷正翠，王振，趙亞芳.一次非典型顆粒物與臭氧同時(shí)污染過程分析[J].環(huán)?？萍?，2017，23（03）：7-14.
10. 王穎，梁依玲，王麗霞.氣象條件對污染物濃度分布影響的研究[J].沙漠與綠洲氣象，2015，9（02）：69-74.
11. 劉晨. 半干旱區(qū)污染物濃度變化特征及其機(jī)理研究[D].蘭州大學(xué)，2018.
12. [1]嚴(yán)銘，汪濤，徐丹瑤，楊佳，王璐.寧海縣城區(qū)近地面臭氧污染特征分析[J].環(huán)境與發(fā)展，2019，31（11）：18-19.

基金項(xiàng)目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（No.lzujbky-2017-66）

作者簡介：張芊，（1997-），男，碩士研究生，研究方向：大氣物理與大氣環(huán)境，環(huán)境影響評價(jià)