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)域的氣候特點和地理環(huán)境對本地的臭氧生成、積累和擴散影響顯著。臺風作為重要氣候特征之一,可能造成氣象災害的同時,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,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的風場輻合,使污染物滯留,且高溫晴熱光化學反應強,造成臭氧高濃度。張智等[3]對2018年臺風“安比”影響河北的一次臭氧污染過程生成、維持、清除進行動力分析,發(fā)現(xiàn)臺風外圍下沉氣流有利于河北南部污染物的積聚,而臺風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,每年受臺風影響頻繁。在臺風影響期間,福州市受到不同路徑和強度臺風的影響,臭氧濃度呈現(xiàn)不同變化特征。本文通過統(tǒng)計2018—2020年臺風的時空分布特征,探索臺風活動規(guī)律,研究臺風特征與臭氧濃度之間的相關(guān)性,為臺風期間臭氧污染預報預警提供相關(guān)科學依據(jù)。
臺風數(shù)據(jù)源自臺風路徑實時發(fā)布系統(tǒng)(http://typhoon.zjwater.gov.cn/default.aspx)和溫州臺風網(wǎng)(http://www.wztf121.com/)2018—2020年發(fā)生在太平洋上的臺風統(tǒng)計資料。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個國控站點(鼓樓區(qū)五四北路站點、楊橋西路站點、紫陽站點,倉山區(qū)師大站點,馬尾區(qū)九龍站點)O3小時均值。
參照《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB3095-2012),O3的日評價為日最大8小時滑動平均濃度(以下簡稱O3-8h濃度),超過160μg/m3即為臭氧超標。
本文統(tǒng)計分析選用SigmaPlot 10.0和Excel 2003等軟件分析處理數(shù)據(jù)。
統(tǒng)計資料表明,西北太平洋上2018年和2019年發(fā)生臺風數(shù)量均為29個,2020年為23個,減少了20.7%,三年共統(tǒng)計臺風數(shù)量81個(表1)。孫一妹等[5]研究1977—2012年西北太平洋上生成的臺風,年平均生成25個臺風,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],能為臺風的生成和發(fā)展提供更多的能量[5]。
從表1可見,2018年臺風數(shù)量最多的月份為8月,生成8個臺風,其次為7月,2019年8月和9月臺風數(shù)量最多,而2020年8月和10月最多。2019年和2020年臺風集中發(fā)生的月份相比2018年推遲了一個月,這可能和2018年夏季季風槽偏強有關(guān)[2]??傮w看三年臺風數(shù)據(jù),8月臺風數(shù)量最多,為20個,占24.7%,1~5月臺風數(shù)量較少,其中4月均未出現(xiàn)臺風。臺風集中生成期為7月到11月,共生成67個臺風,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集中生成期為7月到9月,占臺風總數(shù)的56.6%。
表1 2018—2020年西北太平洋臺風數(shù)量月分布
圖1為不同季節(jié)臺風生成頻數(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數(shù)最多,這和呂心艷等[7]的統(tǒng)計結(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數(shù)分別占總數(shù)的8.6%、54.3%、28.4%和8.6%,可見臺風主要在夏秋季生成。
圖1 2018—2020年西北太平洋不同季節(jié)臺風生成頻數(shù)變化
臺風移動路徑主要受大尺度環(huán)流的引導[7],受西風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年西北太平洋臺風活動軌跡,將臺風路徑分為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穿過菲律賓群島進入南海。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。(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 西北太平洋臺風不同路徑示意圖
統(tǒng)計三年臺風活動軌跡,a路徑臺風發(fā)生最多,共33個,占總數(shù)的40.7%;b路徑臺風發(fā)生最少,為10個,占12.3%;c路徑臺風23個,占28.4%;d路徑臺風15個,占18.5%。
如圖3所示,a路徑臺風主要發(fā)生在10月和11月,各為7個,其中 2020年10~12月發(fā)生9個a路徑臺風;b路徑臺風只發(fā)生在7~9月,8月最多,為6個;c路徑臺風主要發(fā)生在8月,為7個;d路徑臺風主要發(fā)生在9月,為4個。由圖3可見,a路徑、c路徑和d路徑臺風主要發(fā)生在夏秋季,b路徑臺風只發(fā)生在夏季,中秋后臺風不再在閩浙滬蘇登陸。冬春季臺風較少,且冬季主要生成a路徑臺風,這可能是因為冬季海溫較低,臺風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生成情況
臺風對臭氧的影響主要分為兩種,一種是登陸或近大陸臺風帶來風雨影響,大風大雨的清除作用使各項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等路徑臺風登陸我國,部分c1路徑臺風在距我國大陸較近時,易對大陸產(chǎn)生風雨影響[3]。另一種影響為處于臺風外圍區(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散,且受臺風外圍水平氣流影響,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,在高溫和強輻射影響下,光化學反應活躍,臭氧生成增強而擴散較差[2],導致臭氧積累超標,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。
福州市位于臺灣海峽西岸,臭氧濃度易受到不同路徑和強度臺風的影響。當a路徑和b路徑臺風登陸時,臭氧得以清除。當處于臺風外圍下沉氣流控制時,臭氧濃度升高,甚至超標。當a1、b1、b2等路徑臺風出現(xiàn)時,有可能隨著臺風移動,處在臺風外圍時,臭氧濃度升高,臺風登陸時,臭氧被風雨清除。當c1路徑出現(xiàn)時,有一種可能性為臺風距離較近時,風力較大,臭氧濃度偏低,隨著臺風北移,受到下沉氣流的影響,臭氧濃度升高。目前臺風對臭氧濃度的影響,缺乏統(tǒng)一判斷標準,還需進一步驗證。
2018—2020年,有36個臺風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,因風雨產(chǎn)生清除作用的臺風為18個,占到有影響臺風數(shù)量的一半,a、b、c路徑均有可能,主要有10個a路徑臺風,6個b路徑臺風。因外圍下沉氣流導致臭氧生成積累的臺風有11個,占30.6%,主要為c路徑臺風。先積累后清除的臺風有5個,主要是b和c路徑。先清除后積累的臺風只有2個,均為c路徑??梢奱路徑和b路徑臺風多數(shù)對臭氧具有清除作用,不易造成臭氧污染,c路徑臺風大多對臭氧有生成積累作用,易造成臭氧高值。
表2 臺風對臭氧濃度的影響類別
2018年08號臺風“瑪利亞”為17級超強臺風,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時在福州市連江縣登陸,屬于b路徑臺風?,斃麃喌顷憰r福州市區(qū)降水達到大暴雨級別(圖4b),小時降水達22.3mm,風力10-11級。隨著臺風登陸并逐漸向內(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“康妮”、2019年17號臺風“塔巴”以及2020年10號臺風“海神”均發(fā)生在9~10月,均為c路徑臺風(圖5a),均導致臭氧濃度不同程度升高。從表3看出,3個臺風對福州市臭氧濃度影響為6~8天,影響程度與臺風路徑、臺風強度、臺風中心和福州距離相關(guān)。“海神”強度高、距離偏遠,“塔巴”距離較近、但強度偏低,“康妮”臺風強度高、距離較近(圖5b),對福州市臭氧濃度影響較大?!翱的荨迸_風影響期間,福州市O3-8h濃度為139~181μg/m3,2018年9月30日-10月2日“康妮”臺風前期同時還受到c路徑臺風“潭美”的共同影響。
表3 臺風對福州市臭氧濃度影響對比
福州市在“康妮”臺風影響期間,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個超標日,其中9月30日和10月7日白天最高小時值分別達到202μg/m3和203μg/m3。且夜間臭氧濃度仍居高不下,其中10月1日23時和10月6日23時臭氧濃度分別高達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(圖5c)可看出,期間因氣溫較高,輻射較強,臭氧本地生成能力強,且因為臺風外圍下沉氣流導致擴散較差,出現(xiàn)夜間臭氧積累殘留。
(c)圖5 臺風移動路徑(a)、臺風“康妮”中心與福州距離(b)、臺風“康妮”期間福州市臭氧激光雷達(c)
2018年14號臺風“摩羯”為10級強熱帶風暴,屬b路徑臺風,見圖6(a)。從福州市臭氧小時濃度(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,這三日臺風中心距離福州從1200km遞進至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時小時降水達12.7mm,8月13-15日風力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”臺風在臺灣以東洋面西北而上,在福州距離臺風中心500~1200km時,處在臺風外圍下沉氣流控制區(qū),臭氧生成能力強且擴散較差,隨著臺風距離更近和逐漸登陸,風力漸大且出現(xiàn)降雨,臭氧濃度降至較低。
(a) (b)
①2018年和2019年臺風數(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月臺風數(shù)量最多,其中2019年和2020年臺風集中發(fā)生月份相比2018年推遲一個月。每年臺風生成數(shù)量夏季最多,秋季次之。
③將臺風路徑分為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路徑臺風主要發(fā)生在夏秋季,b路徑臺風只發(fā)生在夏季,中秋后臺風不再在閩浙滬蘇登陸。
④臺風對臭氧的影響主要分為兩種,一種是登陸或近大陸臺風帶來風雨后清除臭氧,一種是處于臺風外圍區(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臺風對臭氧濃度影響程度與臺風強度、臺風路徑、臺風中心和福州距離相關(guān),臺風越強影響越大,距離太近或太遠影響均不同。a路徑、b路徑臺風多對臭氧具有清除作用,不易造成臭氧污染,c路徑臺風多對臭氧有生成積累作用,易造成臭氧高值,部分個例除外。