山地氣候背景下重慶地區(qū)夏季氣象條件對臭氧的影響①

吉莉， 劉曉冉， 張新科， 李強

1.重慶市北碚區(qū)氣象局，重慶 400700； 2.重慶市氣象科學研究所，重慶 401147； 3.重慶市榮昌區(qū)氣象局，重慶 402460

近年來，在經(jīng)濟、社會的迅猛發(fā)展背景下，大量的能源被開發(fā)利用，城市空氣污染越來越嚴重，對人們的生活和健康產(chǎn)生了較大的影響．作為城市空氣主要污染物之一的臭氧(O3)，是一種光化學反應(yīng)的微量氣體，它主要來自大氣層中氮氧化物和碳氫化合物等．近地面的O3主要來源于氮氧化物和揮發(fā)性有機化合物，在光照作用下發(fā)生的大氣光化學反應(yīng)以及平流層輸入、前體物濃度水平、大氣化學反應(yīng)、氣象條件和區(qū)域傳輸?shù)葘3濃度都有一定的影響[1]．高濃度O3將嚴重威脅人類健康，還會對植物和農(nóng)作物等造成危害[2]．

目前針對O3污染，國內(nèi)外學者進行了大量的研究[3-10]．如：國外Jacob等[11]的研究顯示，未來幾十年氣候變化將會使污染地區(qū)夏季O3濃度增加，其中受影響最大的是城市地區(qū)； Sillman[12]基于10年觀測數(shù)據(jù)對O3與前體物VOCs和NOx的關(guān)系進行研究，結(jié)果表明，在某些區(qū)域要達到降低O3濃度的效果，單獨減少VOCs或者NOx的排放濃度是不可行的，不同區(qū)域下有不同的影響機制； Antón等[13]利用1978-2000年的NASA O3總量的數(shù)據(jù)，對葡萄牙上空O3總量的時空結(jié)構(gòu)進行研究得出，葡萄牙上空的O3總量與緯度有輕微的依賴關(guān)系，O3濃度存在季節(jié)性顯著變化．國內(nèi)王旭東等[1]基于鄭州環(huán)境和氣象數(shù)據(jù)，分析O3傳輸路徑和潛在源區(qū)； Zhang等[14]使用后向軌跡和PSCF手段研究了杭州O3污染傳輸影響； 王闖等[15]利用2013年沈陽市O3數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，分析氣象條件對O3濃度的影響研究； 高平等[16]基于2015年10月廣州4個代表不同站點類型，結(jié)合WRF模擬的氣象數(shù)據(jù)，研究了各站點O3的變化特征、影響因素及敏感性．

重慶作為典型山地城市，受地形[17]、南亞高壓和西太平洋副高的共同影響，屬于亞熱帶季風性濕潤氣候[18]，風速小，夏季高溫多．目前關(guān)于重慶O3污染的研究取得了一些成果[19-22]，蒲茜等[23]通過研究重慶市O3污染日的大氣環(huán)流分型與傳輸特征，總結(jié)出O3污染期間主要有8種天氣類型，主要污染來源有一個明顯的從北轉(zhuǎn)南的趨勢，O3污染的潛在源貢獻分析結(jié)果與全市工業(yè)源NOx和VOCs排放量空間分布的一致性較高．韓余等[24]通過重慶市O3污染，對氣象因子預(yù)報方法進行了對比研究．作為重慶市主城中心城區(qū)之一的北碚區(qū)，隨著近年來的大氣污染治理，空氣質(zhì)量持續(xù)改善，優(yōu)良天數(shù)保持在主城區(qū)前列，但是空氣質(zhì)量受氣象要素、環(huán)境污染等客觀因素的影響，仍存在較大的環(huán)保壓力，其中O3是嚴重影響空氣質(zhì)量的重要因素之一．為了強化源頭治理，為此，有必要對山地氣候背景下夏季O3污染進行深入研究．

1 資料與方法

1.1 資料來源

1.1.1 環(huán)境監(jiān)測資料

本文數(shù)據(jù)包括2013-2017年3個北碚環(huán)境監(jiān)測站點逐時的O3質(zhì)量濃度，對比北碚環(huán)境監(jiān)測站點環(huán)境信息(表1)，可知天生環(huán)境監(jiān)測站點(本文簡稱天生站)相對其他2個監(jiān)測站點海拔最低，人口密度略低于蔡家監(jiān)測站點(本文簡稱蔡家站)．縉云山監(jiān)測站點(本文簡稱縉云山站)海拔最高，周邊的綠化覆蓋率最高．

表1 環(huán)境監(jiān)測站點環(huán)境信息

1.1.2 氣象觀測資料

氣象觀測資料包括2013-2017年的北碚國家氣象觀測站平均氣溫(T)、最高氣溫(Tmax)、相對濕度(HR)、降水(R)、風向(WD)和風速(SW)等常規(guī)氣象觀測數(shù)據(jù)，蔡家和縉云山區(qū)域自動站的平均氣溫(T)、最高氣溫(Tmax)、降水(R)等常規(guī)氣象觀測數(shù)據(jù)．由于天生站位于城區(qū)，在本文主要采用北碚國家氣象觀測站數(shù)據(jù)進行對比分析，蔡家氣象數(shù)據(jù)則取蔡家站數(shù)據(jù)，縉云山氣象數(shù)據(jù)則取縉云山山腰黛湖區(qū)域自動站數(shù)據(jù)．

1.2 研究區(qū)域

重慶市北碚區(qū)地處川東平行嶺谷區(qū)，地形由窄條狀山脈和丘陵谷地組成．由西向東分布有瀝鼻山、縉云山、中梁山、龍王洞山4條山脈，其間為寬緩的丘陵谷地．山脈兩側(cè)地勢陡峻，多形成陡坡和峻坡，山脊高程700～1 000 m，最高峰為皮家山，高程為1 312.1 m．山脈之間寬闊的丘陵谷地相對低緩，丘頂高程250～450 m，最低點為嘉陵江童家溪出境處175 m．屬于立體氣候中亞熱帶氣候，北碚轄區(qū)多年平均氣溫為14.9～18.1 ℃，日平均氣溫大于10 ℃的積溫在6 000～6 500 ℃之間； 年降水量為1 000～1 300 mm； 年平均日照時數(shù)在1 100 h左右．具有冬暖夏熱，春早秋短無霜期長，雨量豐沛，地區(qū)分布季節(jié)分配不均，風力小，濕度大，云霧多，日照少，秋季多綿雨，夏季多伏旱等特點．

1.3 研究方法

1.3.1 O3污染物濃度限值

環(huán)境空氣質(zhì)量與人類健康程度息息相關(guān)[25]，本研究依據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》2012年版對O3污染物質(zhì)量濃度限值的定義(表2)，O3質(zhì)量濃度超標均以日最大8 h平均質(zhì)量濃度大于160 μg/m3為標準計算．

表2 O3污染物濃度限值表

1.3.2 后向軌跡

美國國家海洋和大氣管理局開發(fā)的HYSPLIT(hybrid single particle lagrangian integrated trajectory)專業(yè)模式，主要用于大氣計算和分析大氣污染輸送與擴散軌跡[26]．該模式主要應(yīng)用于大氣污染在各個地區(qū)的傳輸軌跡和擴散的研究[27-29]，是一個集輸送、擴散和沉降的完整模式，可處理多種氣象要素輸入場、多種物理過程和不同類型污染物排放源．本研究將重慶市北碚區(qū)縉云山監(jiān)測點(29.83°N，106.38°E)作為起始點，模擬計算監(jiān)測點2013-2017年夏季(6月，7月，8月)2時、8時、14時到20時(北京時間)48 h后向軌跡，模擬起始高度設(shè)置為距離地面500 m高度[14]．然后使用TrajStat軟件的Angle Distance算法對氣團后向軌跡做聚類分析，研究氣團輸送路徑．

1.3.3 潛在來源PSCF分析

潛在來源PSCF分析(potential source contribution function)方法是計算和描述可能潛在源區(qū)的空間地理位置的概率密度函數(shù)，可以識別對研究區(qū)域污染物影響大的區(qū)域．濃度權(quán)重軌跡分析法(concentration-weighted trajectory，CWT)可以估算每個網(wǎng)格上污染物濃度．結(jié)合兩種方法可以較為準確地確定某地的污染物潛在源區(qū)．

PSCFij值定義為經(jīng)過第ij網(wǎng)格的污染軌跡數(shù)mij和總軌跡數(shù)nij的比值，PSCFij值高的網(wǎng)格被解釋為潛在源區(qū)，計算公式為：

PSCFij=mij/nij

(1)

為減少當某一網(wǎng)格中nij小于研究區(qū)域內(nèi)每個網(wǎng)格內(nèi)平均端點數(shù)nave在3倍時所導(dǎo)致PSCFij值較高的不確定性，將PSCFij值乘以權(quán)重函數(shù)W(nij)，即WPSCF=W(nij)×PSCFij，權(quán)重函數(shù)Wij值[30]定義為：

(2)

2 O3質(zhì)量濃度特征分析

2.1O3年際變化特征

圖1為北碚區(qū)3個環(huán)境監(jiān)測站點2013-2017年間O3日質(zhì)量濃度最大值的年際變化箱線圖．從圖1中整體來看，縉云山站的值最高，其次是蔡家站，天生站值最低； 天生站與蔡家站的箱線下限(最低值)、下四分位、中位數(shù)線、上四分位都基本一致，明顯低于縉云山站，天生站、蔡家站的中位數(shù)基本維持在40～60 μg/m3，而縉云山中位數(shù)維持在80～100 μg/m3； 從箱線上限(最大值)來看，3個站點，天生站近5年均是最低，而蔡家站與縉云山站則大致相同，兩站之間的最大值差距較?。?/p>

箱線圖中每個箱線的上緣、上邊緣、中線、下邊緣和下緣分別代表上限、上四分位、中位數(shù)、下四分位和下限，X為異常值

圖2是2013-2017年北碚區(qū)3個監(jiān)測站點O3日質(zhì)量濃度最大值污染級別時間序列分布圖．從圖2中可見2013-2017年北碚區(qū)3個監(jiān)測站點，除2015年O3高質(zhì)量濃度時間跨度較大，3月-4月開始出現(xiàn)高質(zhì)量濃度天數(shù)外，其余年份的O3高質(zhì)量濃度天數(shù)基本集中在7月下旬至8月．3個站點O3質(zhì)量濃度從高到低依次為縉云山站、蔡家站、天生站，蔡家站和天生站兩地相差不大，縉云山站監(jiān)測點O3質(zhì)量濃度遠高于其他兩地．對比表1環(huán)境監(jiān)測站點環(huán)境信息分析可知，主要是縉云山監(jiān)測站點在海拔和綠化覆蓋率明顯高于其余2個站點，有研究表明[31]植被排放的VOCs亦可增加大氣光化學系統(tǒng)的活性，自由基的增加容易加快O3的生存，因此縉云山站的O3質(zhì)量濃度明顯高于其余2個站點．

2.2O3質(zhì)量濃度逐月變化特征

由繪制的北碚區(qū)2013-2017年的O3質(zhì)量濃度平均逐月變化圖(圖3a)可知，北碚區(qū)3個大氣污染監(jiān)測站點的逐月O3質(zhì)量濃度變化呈單峰型，峰值基本出現(xiàn)在7月，低值基本出現(xiàn)在12月，每年的11月次年2月O3質(zhì)量濃度非常低．在穩(wěn)步上升的大趨勢中，各監(jiān)測點在4-6月增幅較?。表湛N云山O3質(zhì)量濃度遠高于其他兩地，蔡家和天生兩地趨勢一致，O3質(zhì)量濃度相差不大．

從北碚區(qū)3個監(jiān)測站日最大8 h O3質(zhì)量濃度月極端最大值變化圖(圖3b)可以看出，3個監(jiān)測站日最大8 h O3質(zhì)量濃度月極端最大值的變化趨勢與月平均值(圖3a)基本一致，11月-2月最低，7月O3質(zhì)量濃度最高； 除蔡家站4月O3質(zhì)量濃度最高外，其余月份極端最大值均出現(xiàn)在縉云山監(jiān)測點，且蔡家站5～8月的極端最大值與縉云山站基本一致．

圖2 2013-2017年北碚區(qū)O3日質(zhì)量濃度最大值污染級別時間序列分布

圖3 2013-2017年北碚區(qū)O3質(zhì)量濃度逐月變化圖

圖4是2013-2017年北碚區(qū)O3日最大8 h濃度超標平均天數(shù)逐月分布圖，從圖4中可見除縉云山站2月開始有平均1d的濃度超標日數(shù)外，天生站和蔡家站均最早開始于4月； 3個站質(zhì)量濃度超標日數(shù)一般結(jié)束于10月； 秋末冬季均未出現(xiàn)超標現(xiàn)象； 7月、8月是O3質(zhì)量濃度超標日數(shù)最多的月份，其中縉云山站7月平均超標日數(shù)為18.8 d，8月為14.4 d，7-8月天生站和蔡家站超標日數(shù)均在10 d左右．

圖4 2013-2017年北碚區(qū)O3日最大8 h質(zhì)量濃度超標平均天數(shù)逐月分布

2.3 O3質(zhì)量濃度逐日變化特征

圖5是2013-2017年北碚地區(qū)O3質(zhì)量濃度日變化圖，從圖5a可見北碚區(qū)總體平均O3質(zhì)量濃度日變化呈現(xiàn)上午質(zhì)量濃度低，1 d的最大值出現(xiàn)時間在20：00時左右，之后逐漸回落．各監(jiān)測點呈現(xiàn)一致的變化趨勢，天生站和蔡家站在19：00-20：00時達到1 d的最大值，縉云山站在22：00時達到最大值．縉云山站平均O3質(zhì)量濃度最大，蔡家站和天生站每天平均O3質(zhì)量濃度相差不大，較縉云山站相差40 μg/m3左右．

圖5b是2013-2017年夏季6-8月平均北碚區(qū)O3質(zhì)量濃度日變化圖．從圖5b中可見，夏季O3質(zhì)量濃度逐時變化與年平均變化基本一致，1小時O3質(zhì)量濃度從高到低依次為縉云山站、蔡家站、天生站，日最高峰值與年平均變化也基本一致，隨著太陽輻射的增加，在11：00時左右，O3質(zhì)量濃度也隨之逐漸增大，大約在19：00-21：00時，達到日最大值； 但是夏季蔡家站1小時O3質(zhì)量濃度從14：00時起增長速度較快，在18：00時與天生站的O3質(zhì)量濃度差值達到23.2 μg/m3，只低于縉云山站6.4 μg/m3．

圖5 2013-2017年北碚區(qū)O3質(zhì)量濃度日變化

3 夏季O3與氣象條件的關(guān)系

國內(nèi)外大量學者對O3的研究結(jié)論表明[32-34]，近地面O3濃度變化受氣象條件的影響較大，在O3的形成、傳輸、沉降和消散的過程中氣象條件都有重要的作用．由于北碚區(qū)O3污染最嚴重的季節(jié)主要出現(xiàn)在夏季，為更好地研究氣象條件對O3發(fā)展的影響，本研究主要選取2013-2017年夏季(6-8月)的O3數(shù)據(jù)及同期氣象數(shù)據(jù)進行分析．

3.1 氣溫

統(tǒng)計對比3個環(huán)境監(jiān)測站點不同氣溫范圍(平均氣溫、日極端最大氣溫)對應(yīng)O3質(zhì)量濃度及其超標率的情況(表3)可見，天生站位于城區(qū)，在平均氣溫>35 ℃的情況下，無O3超標日數(shù)，3個站O3超標主要集中在25～35 ℃之間，其中30 ℃

表3 2013-2017年不同氣溫范圍對應(yīng)O3質(zhì)量濃度及其超標率情況

3.2 日照和相對濕度

日照時數(shù)是指一天內(nèi)太陽直射光線照射地面的時間，在一定程度反應(yīng)了太陽輻射對O3質(zhì)量濃度的影響，日照時數(shù)越長，越有利于提高光反應(yīng)速度，從而加快O3的生成[33]．從表4可見，天生無日照時，相應(yīng)地也無O3超標日數(shù)．但隨著日照時數(shù)的增加，O3超標天數(shù)也在逐漸增加，當日照達到8～10 h之間時，O3超標率達到36.6%．因此，近地面的O3質(zhì)量濃度與日照時數(shù)有明顯的正相關(guān)性．

大氣中水汽通過影響太陽輻射從而影響O3發(fā)生光化學反應(yīng)，大氣中的水汽在一定的條件下通過反應(yīng)消耗O3[35]．由繪制的2013-2017年相對濕度及O3質(zhì)量濃度散點圖(圖6)可知，隨著相對濕度的增加，O3質(zhì)量濃度逐漸減少．結(jié)合北碚區(qū)不同濕度區(qū)間下的O3質(zhì)量濃度及超標率(表4)可知，在O3質(zhì)量濃度超標日數(shù)里的相對濕度主要集中在50%～80%之間，其中相對濕度在70%～80%之間，超標率最高，相對濕度≤50的超標率最低．

表4 2013-2017年天生站不同日照及相對濕度范圍對應(yīng)O3質(zhì)量濃度及其超標率情況

圖6 2013-2017年相對濕度及O3質(zhì)量濃度散點圖

3.3 降水

統(tǒng)計2013-2017年3個監(jiān)測站點不同降水范圍對應(yīng)O3質(zhì)量濃度及其超標率情況(表5)可知，O3超標日主要是在無降水日出現(xiàn)，超標率達89%左右，在中雨和大雨量級時，天生站無O3超標日，蔡家站和縉云山站的超標率1%左右，小雨量級則3個站都有O3超標情況出現(xiàn)，超標率從大到小排列依次是蔡家站、天生站、縉云山站．

表5 2013-2017年不同降水范圍對應(yīng)O3質(zhì)量濃度及其超標率情況

3.4 風向和風速

結(jié)合天生站夏季不同風向風速變化及日最大O3質(zhì)量濃度的風玫瑰圖(圖7)，可以看出，天生站2013-2017年間夏季主要以北風、東北風為主，平均風速1.3 m/s，最小風速0.1 m/s，最大風速4.5 m/s，O3質(zhì)量濃度受風向的影響，中心城區(qū)O3質(zhì)量濃度較高，O3質(zhì)量濃度向西北方擴散的面積較大．

4 O3來源模擬分析

4.1 夏季O348 h氣團后向軌跡的變化軌跡

受氣象和前體物等因素的影響的同時，O3質(zhì)量濃度也受污染物區(qū)域傳輸以及傳輸過程中前體物的光化學反應(yīng)的重要影響[36]．本研究將重慶市北碚區(qū)縉云山監(jiān)測點(29.83°N，106.38°E)作為起始點，模擬計算監(jiān)測點2013-2017年夏季(6月，7月，8月)02：00時、08：00時、14：00時到20：00時(北京時間)48 h后向軌跡，模擬起始高度設(shè)置為距離地面500 m高度．然后使用TrajStat軟件對氣團后向軌跡做聚類分析(表6)，繪制氣團輸送路徑(圖8)．結(jié)果顯示，北碚區(qū)縉云山夏季O3氣團傳輸路徑聚類后有6條軌跡，平均O3質(zhì)量濃度是104.8 μg/m3，其中軌跡1(19%)主要來自西方，途經(jīng)四川內(nèi)江附近，氣團長度最短； 軌跡2(19%)相比軌跡1傳輸路徑較長，主要來自南方，途經(jīng)廣西、貴州； 軌跡3(5%)氣團長度最長，主要來自西北方，途經(jīng)青海、四川，同時此條軌跡的O3質(zhì)量濃度最高，平均濃度達128.9 μg/m3； 軌跡4(24%)，O3質(zhì)量濃度位居全部軌跡線路的第2，達到110.97 μg/m3，主要來源于重慶東南部影響； 軌跡占比最高的是軌跡5(28%)，平均O3質(zhì)量100.9 μg/m3，主要來源于東北方，與北碚區(qū)主要風向一致，途經(jīng)四川盆地東北部； 軌跡6(5%)O3質(zhì)量濃度最低，平均O3質(zhì)量濃度87.13 μg/m3，主要來源于西南方，途經(jīng)云南、貴州．

圖8 北碚縉云山夏季O348 h氣團后向軌跡的變化軌跡

表6 夏季O3的后繼軌跡聚類結(jié)果和對應(yīng)的平均O3質(zhì)量濃度

4.2 O3污染潛在源區(qū)分析

本研究將后向軌跡所覆蓋的空間區(qū)域(20°～40°N，90°～120°E)網(wǎng)格化為0.25°×0.25°的網(wǎng)格，設(shè)定軌跡對應(yīng)的O3質(zhì)量濃度大于160μg/m3(國家二級標準)作為污染軌跡，計算每個網(wǎng)格內(nèi)的PSCF值以及CWT值．由北碚縉云山夏季O3潛在源區(qū)分布概率(WPSCF)分析結(jié)果(圖9a)，可知夏季O3潛在源區(qū)分布廣泛，重慶東南部，貴州東北部、中部等地區(qū)是WPSCF高值區(qū)(>0.24)，湖南、廣西等地部分網(wǎng)格也存在較高的WPSCF值，可能是O3潛在源區(qū)．

基于CWT對研究區(qū)的WPSCF和加權(quán)濃度權(quán)重軌跡值(WCWT)進行進一步分析發(fā)現(xiàn)，兩者結(jié)果較為相似，WPSCF的大值區(qū)和WCWT大值區(qū)基本重合，潛在污染源較為可靠．從北碚縉云山夏季O3質(zhì)量濃度的WCWT分析結(jié)果(圖9b)可知，夏季O3污染潛在源高值區(qū)主要位于四川盆地成都周邊城市群、重慶本地(除東北的城口—巫溪—巫山外的城市)、貴州北部，對北碚縉云山O3質(zhì)量濃度48 h貢獻超過了100 μg/m3．

圖9 北碚區(qū)縉云山夏季O3質(zhì)量濃度潛在源分析結(jié)果

5 小結(jié)

1) 北碚區(qū)O3質(zhì)量濃度從高到低依次為：縉云山站、蔡家站、天生站，高O3質(zhì)量濃度主要集中在7月下旬到8月，11月到次年2月濃度最低，天生站和蔡家站小時O3質(zhì)量濃度在19：00-20：00時達到最大，縉云山站則在22：00時達到最大值．

2) 氣象條件對夏季O3有密切的影響，當日平均氣溫在30～35 ℃區(qū)間時、日極端最高氣溫達到35～40 ℃時，O3超標率最高； O3質(zhì)量濃度與日照時數(shù)呈正相關(guān)性，O3質(zhì)量濃度隨著日照時數(shù)的增加而增加； 與相對濕度、降水呈負相關(guān)性，隨著濕度及降水的增加，O3質(zhì)量濃度逐漸減少； 夏季主要以北風、東北風為主，受風向的影響，中心城區(qū)濃度較高，O3質(zhì)量濃度向西北方擴散的面積較大．

3) 對北碚區(qū)夏季O3污染輸送較重的氣團路徑主要來自東北方以及東南方．夏季O3污染潛在源高值區(qū)主要位于四川盆地成都周邊城市群、重慶本地(除東北的城口—巫溪—巫山外的城市)、貴州北部．

綜上所述，O3是二次生成的光化學污染物，O3生成和積累的時間主要集中在白天，而重慶夏季典型的O3污染日大氣環(huán)流就是高空處于青藏高壓前部，低層大氣穩(wěn)定，850 hPa處于低壓西北側(cè)[23]，天氣多為晴朗少云，輻射強，日照時間長，非常有利于O3光化學反應(yīng)．因此，北碚夏季氣象條件對O3的影響較為明顯．