2018—2020年西北太平洋臺風(fēng)特征及其對福州市臭氧濃度的影響

龍小燕

(福建省福州環(huán)境監(jiān)測中心站，福建 福州 350100)

大量研究表明，不同區(qū)域的氣候特點(diǎn)和地理環(huán)境對本地的臭氧生成、積累和擴(kuò)散影響顯著。臺風(fēng)作為重要?dú)夂蛱卣髦唬赡茉斐蓺庀鬄?zāi)害的同時(shí)，又很大程度影響本地的空氣質(zhì)量，尤其是臭氧濃度。楊柳等[1]研究了臺風(fēng)對香港地區(qū)臭氧污染的影響，夏秋季尤其是秋季熱帶氣旋易引起臭氧高污染，熱帶氣旋越強(qiáng)，越容易引起臭氧高污染，臭氧濃度極值越大。魏曉琳等[2]用大氣化學(xué)模式模擬了香港地區(qū)一次夏季臭氧高污染事件，證明臺風(fēng)外圍低層環(huán)流為香港及鄰近地區(qū)帶來偏西北及偏南風(fēng)的風(fēng)場輻合，使污染物滯留，且高溫晴熱光化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)，造成臭氧高濃度。張智等[3]對2018年臺風(fēng)“安比”影響河北的一次臭氧污染過程生成、維持、清除進(jìn)行動(dòng)力分析，發(fā)現(xiàn)臺風(fēng)外圍下沉氣流有利于河北南部污染物的積聚，而臺風(fēng)降水對臭氧污染有非常好的清除作用。

福州市地處我國東南沿海，每年受臺風(fēng)影響頻繁。在臺風(fēng)影響期間，福州市受到不同路徑和強(qiáng)度臺風(fēng)的影響，臭氧濃度呈現(xiàn)不同變化特征。本文通過統(tǒng)計(jì)2018—2020年臺風(fēng)的時(shí)空分布特征，探索臺風(fēng)活動(dòng)規(guī)律，研究臺風(fēng)特征與臭氧濃度之間的相關(guān)性，為臺風(fēng)期間臭氧污染預(yù)報(bào)預(yù)警提供相關(guān)科學(xué)依據(jù)。

1 資料和方法

臺風(fēng)數(shù)據(jù)源自臺風(fēng)路徑實(shí)時(shí)發(fā)布系統(tǒng)(http://typhoon.zjwater.gov.cn/default.aspx)和溫州臺風(fēng)網(wǎng)(http://www.wztf121.com/)2018—2020年發(fā)生在太平洋上的臺風(fēng)統(tǒng)計(jì)資料。氣象資料源自福州市大氣超級站和大氣環(huán)境監(jiān)測綜合分析診斷系統(tǒng)(http://10.35.5.15:8089/pas2/login/init.html)2018年1月1日-2020年12月31日數(shù)據(jù)。參考《福建氣候》(第2版)[4]劃定福州自然天氣季節(jié)，春季為3～6月，夏季為7～9月，秋季為10～11月，冬季為12月～次年2月。

O3濃度資料選取2018年1月1日-2020年12月31日分布于福州市的5個(gè)國控站點(diǎn)(鼓樓區(qū)五四北路站點(diǎn)、楊橋西路站點(diǎn)、紫陽站點(diǎn)，倉山區(qū)師大站點(diǎn)，馬尾區(qū)九龍站點(diǎn))O3小時(shí)均值。

參照《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)，O3的日評價(jià)為日最大8小時(shí)滑動(dòng)平均濃度(以下簡稱O3-8h濃度)，超過160μg/m3即為臭氧超標(biāo)。

本文統(tǒng)計(jì)分析選用SigmaPlot 10.0和Excel 2003等軟件分析處理數(shù)據(jù)。

2 臺風(fēng)特征分析

2.1 臺風(fēng)月變化和季節(jié)變化特征

統(tǒng)計(jì)資料表明，西北太平洋上2018年和2019年發(fā)生臺風(fēng)數(shù)量均為29個(gè)，2020年為23個(gè)，減少了20.7%，三年共統(tǒng)計(jì)臺風(fēng)數(shù)量81個(gè)(表1)。孫一妹等[5]研究1977—2012年西北太平洋上生成的臺風(fēng)，年平均生成25個(gè)臺風(fēng)，可見2018年和2019年高于此平均值，2020年低于此平均值。根據(jù)楊學(xué)祥[6]等研究資料，2018年10月-2019年7月和2019年11月-2020年5月出現(xiàn)兩次厄爾尼諾現(xiàn)象，而美國氣候預(yù)測中心發(fā)布數(shù)據(jù)表明，2020年5月至年底出現(xiàn)拉尼娜現(xiàn)象。厄爾尼諾現(xiàn)象表現(xiàn)為熱帶太平洋中東部海溫大范圍持續(xù)異常增暖的現(xiàn)象，拉尼娜現(xiàn)象緊隨其后，正好相反。所以2018年和2019年臺風(fēng)數(shù)量高于2020年，可能與2018年、2019年夏秋季出現(xiàn)厄爾尼諾現(xiàn)象，而2020年夏秋季出現(xiàn)拉尼娜現(xiàn)象有關(guān)。2018年和2019年海溫更高[7]，能為臺風(fēng)的生成和發(fā)展提供更多的能量[5]。

從表1可見，2018年臺風(fēng)數(shù)量最多的月份為8月，生成8個(gè)臺風(fēng)，其次為7月，2019年8月和9月臺風(fēng)數(shù)量最多，而2020年8月和10月最多。2019年和2020年臺風(fēng)集中發(fā)生的月份相比2018年推遲了一個(gè)月，這可能和2018年夏季季風(fēng)槽偏強(qiáng)有關(guān)[2]?？傮w看三年臺風(fēng)數(shù)據(jù)，8月臺風(fēng)數(shù)量最多，為20個(gè)，占24.7%，1～5月臺風(fēng)數(shù)量較少，其中4月均未出現(xiàn)臺風(fēng)。臺風(fēng)集中生成期為7月到11月，共生成67個(gè)臺風(fēng)，占總數(shù)的82.7%，而孫一妹等[5]研究發(fā)現(xiàn)，1977—2012年西北太平洋上臺風(fēng)集中生成期為7月到9月，占臺風(fēng)總數(shù)的56.6%。

表1 2018—2020年西北太平洋臺風(fēng)數(shù)量月分布

圖1為不同季節(jié)臺風(fēng)生成頻數(shù)變化，表現(xiàn)出了與月份變化相同的規(guī)律。2018—2020年，每年均是夏季生成臺風(fēng)數(shù)最多，這和呂心艷等[7]的統(tǒng)計(jì)結(jié)果相似，其次是秋季，春季和冬季較少。三年總體來看，春季、夏季、秋季和冬季生成的臺風(fēng)數(shù)分別占總數(shù)的8.6%、54.3%、28.4%和8.6%，可見臺風(fēng)主要在夏秋季生成。

圖1 2018—2020年西北太平洋不同季節(jié)臺風(fēng)生成頻數(shù)變化

2.2 不同路徑臺風(fēng)生成情況月際變化

臺風(fēng)移動(dòng)路徑主要受大尺度環(huán)流的引導(dǎo)[7]，受西風(fēng)槽和副熱帶高壓等天氣系統(tǒng)影響。參考楊柳等[1]的研究，結(jié)合2018—2020年西北太平洋臺風(fēng)活動(dòng)軌跡，將臺風(fēng)路徑分為a、b、c、d四類，每類分成兩種(如圖2)。(1)a類(南海型)多數(shù)生成于南海，少數(shù)生成于菲律賓以東洋面并西進(jìn)穿過菲律賓群島進(jìn)入南海。a1多從南海西北而上在海南省或廣東省登陸，a2多繼續(xù)西行在越南登陸，部分偏南，離我國大陸較遠(yuǎn)。(2)b類(閩浙滬蘇登陸型)多生成于西北太平洋洋面，再西北而上前進(jìn)登陸，b1登陸福建省，b2在我國浙江省、上海市和江蘇省登陸。(3)c類(朝鮮半島和日本登陸型)多生成于西北太平洋洋面，西北而上繞一個(gè)半弧。c1先西北而上，從臺灣以東海域到東海海域近我國大陸，再繼續(xù)北上在朝鮮半島登陸，或穿過對馬海峽進(jìn)入日本海。c2半弧比較明顯，先西北而上再東北而上，在日本登陸。(4)d類(太平洋遠(yuǎn)大陸型)生成于西北太平洋近加羅林群島附近洋面[3]，距我國大陸較遠(yuǎn)且不登陸。d1半弧比較明顯，且距我國大陸相對d2更近，d2路徑接近太平洋中部。

圖2 西北太平洋臺風(fēng)不同路徑示意圖

統(tǒng)計(jì)三年臺風(fēng)活動(dòng)軌跡，a路徑臺風(fēng)發(fā)生最多，共33個(gè)，占總數(shù)的40.7%；b路徑臺風(fēng)發(fā)生最少，為10個(gè)，占12.3%；c路徑臺風(fēng)23個(gè)，占28.4%；d路徑臺風(fēng)15個(gè)，占18.5%。

如圖3所示，a路徑臺風(fēng)主要發(fā)生在10月和11月，各為7個(gè)，其中 2020年10～12月發(fā)生9個(gè)a路徑臺風(fēng)；b路徑臺風(fēng)只發(fā)生在7～9月，8月最多，為6個(gè)；c路徑臺風(fēng)主要發(fā)生在8月，為7個(gè)；d路徑臺風(fēng)主要發(fā)生在9月，為4個(gè)。由圖3可見，a路徑、c路徑和d路徑臺風(fēng)主要發(fā)生在夏秋季，b路徑臺風(fēng)只發(fā)生在夏季，中秋后臺風(fēng)不再在閩浙滬蘇登陸。冬春季臺風(fēng)較少，且冬季主要生成a路徑臺風(fēng)，這可能是因?yàn)槎竞剌^低，臺風(fēng)適合在南部溫暖海域生成發(fā)展。

圖3 西北太平洋各月不同路徑臺風(fēng)生成情況

3 臺風(fēng)與臭氧濃度的關(guān)系

3.1 臺風(fēng)對福州市臭氧濃度影響的基本判斷

臺風(fēng)對臭氧的影響主要分為兩種，一種是登陸或近大陸臺風(fēng)帶來風(fēng)雨影響，大風(fēng)大雨的清除作用使各項(xiàng)污染物濃度迅速降至低值，空氣質(zhì)量明顯好轉(zhuǎn)。a1和b1、b2等路徑臺風(fēng)登陸我國，部分c1路徑臺風(fēng)在距我國大陸較近時(shí)，易對大陸產(chǎn)生風(fēng)雨影響[3]。另一種影響為處于臺風(fēng)外圍區(qū)的地區(qū)受到下沉氣流的影響，形成局地垂直環(huán)流[2]，一次和二次污染物聚集后難擴(kuò)散，且受臺風(fēng)外圍水平氣流影響，期間常存在弱偏北到東北氣流[1,2]，產(chǎn)生長三角地區(qū)的污染物水平輸送，在高溫和強(qiáng)輻射影響下，光化學(xué)反應(yīng)活躍，臭氧生成增強(qiáng)而擴(kuò)散較差[2]，導(dǎo)致臭氧積累超標(biāo)，空氣質(zhì)量變差。而這兩種影響可能先后協(xié)同出現(xiàn)，表現(xiàn)出不同的影響特點(diǎn)。

福州市位于臺灣海峽西岸，臭氧濃度易受到不同路徑和強(qiáng)度臺風(fēng)的影響。當(dāng)a路徑和b路徑臺風(fēng)登陸時(shí)，臭氧得以清除。當(dāng)處于臺風(fēng)外圍下沉氣流控制時(shí)，臭氧濃度升高，甚至超標(biāo)。當(dāng)a1、b1、b2等路徑臺風(fēng)出現(xiàn)時(shí)，有可能隨著臺風(fēng)移動(dòng)，處在臺風(fēng)外圍時(shí)，臭氧濃度升高，臺風(fēng)登陸時(shí)，臭氧被風(fēng)雨清除。當(dāng)c1路徑出現(xiàn)時(shí)，有一種可能性為臺風(fēng)距離較近時(shí)，風(fēng)力較大，臭氧濃度偏低，隨著臺風(fēng)北移，受到下沉氣流的影響，臭氧濃度升高。目前臺風(fēng)對臭氧濃度的影響，缺乏統(tǒng)一判斷標(biāo)準(zhǔn)，還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

2018—2020年，有36個(gè)臺風(fēng)對福州市臭氧濃度產(chǎn)生影響，占總數(shù)的44.4%。從表2可見，因風(fēng)雨產(chǎn)生清除作用的臺風(fēng)為18個(gè)，占到有影響臺風(fēng)數(shù)量的一半，a、b、c路徑均有可能，主要有10個(gè)a路徑臺風(fēng)，6個(gè)b路徑臺風(fēng)。因外圍下沉氣流導(dǎo)致臭氧生成積累的臺風(fēng)有11個(gè)，占30.6%，主要為c路徑臺風(fēng)。先積累后清除的臺風(fēng)有5個(gè)，主要是b和c路徑。先清除后積累的臺風(fēng)只有2個(gè)，均為c路徑?？梢奱路徑和b路徑臺風(fēng)多數(shù)對臭氧具有清除作用，不易造成臭氧污染，c路徑臺風(fēng)大多對臭氧有生成積累作用，易造成臭氧高值。

表2 臺風(fēng)對臭氧濃度的影響類別

3.2 典型影響臺風(fēng)剖析

2018年08號臺風(fēng)“瑪利亞”為17級超強(qiáng)臺風(fēng)，其路徑如圖4(a)，在美國關(guān)島以東洋面生成，于7月11日9時(shí)在福州市連江縣登陸，屬于b路徑臺風(fēng)?，斃麃喌顷憰r(shí)福州市區(qū)降水達(dá)到大暴雨級別(圖4b)，小時(shí)降水達(dá)22.3mm，風(fēng)力10-11級。隨著臺風(fēng)登陸并逐漸向內(nèi)陸深入，福州市在7月11-19日均為陰雨天氣，因風(fēng)雨的清除作用，期間福州市O3-8h濃度為29～65μg/m3，其他污染物濃度也較低，AQI保持在18～36。

(a) (b)

(a) (b)

2018年25號臺風(fēng)“康妮”、2019年17號臺風(fēng)“塔巴”以及2020年10號臺風(fēng)“海神”均發(fā)生在9～10月，均為c路徑臺風(fēng)(圖5a)，均導(dǎo)致臭氧濃度不同程度升高。從表3看出，3個(gè)臺風(fēng)對福州市臭氧濃度影響為6～8天，影響程度與臺風(fēng)路徑、臺風(fēng)強(qiáng)度、臺風(fēng)中心和福州距離相關(guān)。“海神”強(qiáng)度高、距離偏遠(yuǎn)，“塔巴”距離較近、但強(qiáng)度偏低，“康妮”臺風(fēng)強(qiáng)度高、距離較近(圖5b)，對福州市臭氧濃度影響較大。“康妮”臺風(fēng)影響期間，福州市O3-8h濃度為139～181μg/m3，2018年9月30日-10月2日“康妮”臺風(fēng)前期同時(shí)還受到c路徑臺風(fēng)“潭美”的共同影響。

表3 臺風(fēng)對福州市臭氧濃度影響對比

福州市在“康妮”臺風(fēng)影響期間，臭氧濃度均較高，共出現(xiàn)9月30日、10月1日、10月2日、10月6日、10月7日5個(gè)超標(biāo)日，其中9月30日和10月7日白天最高小時(shí)值分別達(dá)到202μg/m3和203μg/m3。且夜間臭氧濃度仍居高不下，其中10月1日23時(shí)和10月6日23時(shí)臭氧濃度分別高達(dá)168μg/m3和141μg/m3。在此期間，福州市存在弱東北氣流，可能有臭氧前體物傳輸。從臭氧激光雷達(dá)(圖5c)可看出，期間因氣溫較高，輻射較強(qiáng)，臭氧本地生成能力強(qiáng)，且因?yàn)榕_風(fēng)外圍下沉氣流導(dǎo)致擴(kuò)散較差，出現(xiàn)夜間臭氧積累殘留。

(c)圖5 臺風(fēng)移動(dòng)路徑(a)、臺風(fēng)“康妮”中心與福州距離(b)、臺風(fēng)“康妮”期間福州市臭氧激光雷達(dá)(c)

2018年14號臺風(fēng)“摩羯”為10級強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，屬b路徑臺風(fēng)，見圖6(a)。從福州市臭氧小時(shí)濃度(圖6b)可知，8月10-12日臭氧濃度較高，O3-8h濃度范圍為139～181μg/m3，其中8月11臭氧超標(biāo)，這三日臺風(fēng)中心距離福州從1200km遞進(jìn)至500km。隨著“摩羯”在浙江溫嶺登陸，8月14日凌晨福州開始降水，到8月15日10時(shí)小時(shí)降水達(dá)12.7mm，8月13-15日風(fēng)力3-4級，14日和15日福州市O3-8h濃度分別降至60μg/m3和37μg/m3。由此可見，隨著“摩羯”臺風(fēng)在臺灣以東洋面西北而上，在福州距離臺風(fēng)中心500～1200km時(shí)，處在臺風(fēng)外圍下沉氣流控制區(qū)，臭氧生成能力強(qiáng)且擴(kuò)散較差，隨著臺風(fēng)距離更近和逐漸登陸，風(fēng)力漸大且出現(xiàn)降雨，臭氧濃度降至較低。

(a) (b)

4 結(jié)論

①2018年和2019年臺風(fēng)數(shù)量高于2020年，而2018年、2019年夏秋季出現(xiàn)厄爾尼諾現(xiàn)象，2020年夏秋季出現(xiàn)拉尼娜現(xiàn)象，彼此可能存在關(guān)聯(lián)。2018年和2019年海溫更高，能為臺風(fēng)的生成和發(fā)展提供更多的能量。

②總體看，2018—2020年期間，8月臺風(fēng)數(shù)量最多，其中2019年和2020年臺風(fēng)集中發(fā)生月份相比2018年推遲一個(gè)月。每年臺風(fēng)生成數(shù)量夏季最多，秋季次之。

③將臺風(fēng)路徑分為a類(南海型)、b類(閩浙滬蘇登陸型)、c類(朝鮮半島和日本登陸型)、d類(太平洋遠(yuǎn)大陸型)，三年發(fā)生數(shù)量a類>c類>d類>b類。a、c和d路徑臺風(fēng)主要發(fā)生在夏秋季，b路徑臺風(fēng)只發(fā)生在夏季，中秋后臺風(fēng)不再在閩浙滬蘇登陸。

④臺風(fēng)對臭氧的影響主要分為兩種，一種是登陸或近大陸臺風(fēng)帶來風(fēng)雨后清除臭氧，一種是處于臺風(fēng)外圍區(qū)的地區(qū)受到下沉氣流的影響，出現(xiàn)臭氧高值，兩種影響可能先后協(xié)同出現(xiàn)。

⑤臺風(fēng)對臭氧濃度影響程度與臺風(fēng)強(qiáng)度、臺風(fēng)路徑、臺風(fēng)中心和福州距離相關(guān)，臺風(fēng)越強(qiáng)影響越大，距離太近或太遠(yuǎn)影響均不同。a路徑、b路徑臺風(fēng)多對臭氧具有清除作用，不易造成臭氧污染，c路徑臺風(fēng)多對臭氧有生成積累作用，易造成臭氧高值，部分個(gè)例除外。