昆明市臭氧污染特征及气象条件影响分析.pdf
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1、昆明市臭氧污染特征及气象条件影响分析杨芳园1,潘娅婷1,杨韬2*,李晓鹏1,段燕楠1,王占良1,刘彬1(1.昆明市气象局,云南昆明650034;2.玉溪市气象局,云南玉溪653100)摘要:利用 20142019 年昆明市臭氧(O3)监测数据及气象资料,分析昆明市 O3污染特征及气象条件对其的影响,归纳总结了昆明地区出现 O3污染的天气形势、污染物的水平和垂直外源输送情况.结果表明:O3浓度逐年增加,污染主要发生于春、夏季,O3与温度、风速呈显著正相关,与相对湿度呈负相关;昆明地区出现 O3污染时主要有 5 种天气类型,其中以低槽东移型、两高辐合型、东风波型出现的频次较多;在天气系统的作用下,
2、利于将上游区域的高浓度 O3向昆明上空水平输送,HYSPLIT(HybridSingleParticleLagrangianIntegratedTrajectory)后向轨迹也进一步验证,气团的移动路径与污染物浓度及天气系统配合较好;垂直方向上,污染过程发生前 12d,平流层下层高浓度 O3向对流层及近地层垂直输送明显.在有利的气象条件下,加之 O3的水平和垂直外源输送,利于污染物的积累和生成,最终造成昆明地区 O3质量浓度超标.关键词:臭氧;气象条件;天气分型;外源输送;昆明中图分类号:X16文献标志码:A文章编号:02587971(2024)02029910目前,随着传统的二氧化硫(SO2
3、)、颗粒物(PM10及 PM2.5)等污染得到改善,中国多地出现了臭氧(O3)取代传统污染物成为首要或超标污染物的情况.近年来中国城市空气质量监测显示,大气首要污染物为 O3和颗粒物,O3污染问题日益凸显,已成为城市环境空气污染的主要问题之一1-2.因此,O3污染特征及气象成因已成为环境气象领域的研究热点.研究表明,大气环流、地面气象要素、局地光化学反应、污染物区域传输等因素,与区域 O3浓度变化密切相关3-6,高温、干燥、无雨及弱风的气象条件更利于 O3污染物的生成和积累7-8,O3与其前体物挥发性有机物(VolatileOrganicCom-pounds,VOCS)和 NO排放存在复杂的非
4、线性响应关系9.利用天气环流形势来探究大气污染成因机制,已成为研究大气污染传输的重要工作.许建明等10给出了 4 种秋冬季上海利于出现 PM2.5污染的主要天气形势,及与污染对应的气象条件,结果表明冷锋、高压后部弱气压场、高压前部弱气压场是影响上海环境质量最显著的天气形势.周宁芳等11研究表明,我国 2006 年冬半年霾主要发生在纬向型、南支槽和中阻塞 3 种形势下.王莹等12研究长江中游地区大气污染环流类型时,总结出 4 种主要的环流类型,并指出大气污染物区域传输是导致长江中游地区 PM2.5重污染天气频发的关键因素.污染物区域传输、平流层入侵对近地层 O3均具有明显的输送影响.Sudo 等
5、13的模拟结果表明,19902100 年间,平流层 O3的输入将导致对流层O3升高近 80%.赵恺辉等14利用化学模式对 O3输送进行了模拟研究,结果表明,平流层入侵将高浓度 O3向对流层中低层输送,致使香港附近低层O3浓度明显上升.李莉等15研究长三角典型城市大气污染特征时指出,在 O3最大浓度出现时段内,污染输送对地面 O3的贡献最大,且对于城区 O3来说,水平传输是近地层 O3上升的主要贡献过程.这些研究工作对了解大气污染的成因机理具有重要意义.近年来,昆明市颗粒物污染防治取得了良好成收稿日期:2023-06-08;接受日期:2023-10-07;网络出版日期:2023-11-24基金项
6、目:中国气象局复盘总结专项(FPZJ2023-122);中国气象局农业农村部开放基金(KYZX2022-09);云南省气象局青年科技创新团队项目(2022QN04).作者简介:杨芳园(1987),女,云南人,硕士,高级工程师,主要研究天气预报及气候效应.E-mail:yfy_.*通信作者:杨韬(1965),男,云南人,高级工程师,主要研究气象科技服务.E-mail:.云南大学学报(自然科学版),2024,46(2):299308JournalofYunnanUniversity:NaturalSciencesEditionDOI:10.7540/j.ynu.20230228效,空气质量达标率一
7、直在 97%以上,位居全国前列,但仍存在空气污染日,且从以前较为单一的颗粒物污染转变以颗粒物和 O3为主的复合型污染,20142019 年,O3已超越 PM2.5、PM10成为昆明市的首要污染物.目前,昆明市 O3污染的相关研究主要集中在 O3浓度的时空分布特征、污染物与气象条件相关性研究,及单次污染过程分析等方面16-17,对昆明市 O3污染过程的天气环流形势研究尚少,尤其缺乏对 O3污染物传输特征分析.本研究挑选20142019 年昆明市 O3污染过程,研究 O3浓度与气象要素间的关系,并进行污染天气分型,深入分析昆明地区 O3污染的气象条件及外源输送特征,以期为昆明市 O3污染发生的区域
8、传输机制提供重要支撑,为大气污染防治工作提供科学依据.1资料与方法1.1资料20142019 年昆明市空气质量监测数据来源于 7 个国控站点(图 1),包含 O3小时均值和 O3-8h浓度数据,全市平均值为 6 个国控站点(西山森林公园站为清洁对照背景站,不参与全市平均)的 O3-8h浓度平均值.气象资料来源于昆明市国家基准气象站(简称昆明站,图 1),主要包括逐小时温度、湿度、风向风速等要素.高空 O3数据及风场资料为欧洲中期天气预报中心第 5 代 ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Fore-casting)再分析产品 ERA5 数
9、据,空间分辨率为0.250.25,垂直分辨率为 37 层(10001hPa).1.2方法根据环境空气质量相关标准及规范(GB30952012、HJ6632013),将 O3-8h分为 4个等级:一级(优)O3-8h100gm3、二级(良)100gm3O3-8h160gm3、三级(轻度污染)160gm3215gm3,O3月、年平均值采用 O3-8h平均第 90 百分位数.根据划分标准,O3-8h质量浓度超过 160gm3即为 1 次污染过程,经统计分析20142019 年昆明市空气质量污染日状况如表 1所示.2014 年全市无 O3污染过程,其他时段共有15 次污染过程,首要污染物均为 O3,时
10、间分布上污染主要出现在春、夏季,因此本文仅研究春、夏季昆明市 O3的污染情况.表120142019 年昆明市空气质量污染日状况统计表Tab.1Statistics of daily air quality pollution in Kunmingfrom2014to2019污染发生时段空气质量指数(AQI)(污染物)/(gm3)PM10PM2.5O3-8h2015年7月8日11680421772015年7月1113日12795501892015年7月26日107101531672015年8月22日10675331662016年6月8日101461611882017年5月27日110783617
11、12018年3月21日10295561622018年3月25日109108611702018年6月6日11785401792018年8月27日10277461622019年4月2226日13886532012019年5月20日11595531762019年8月11日12557291872019年8月16日12288481842019年8月2526日1169052177后向轨迹模型采用美国国家海洋和大气管理局(NationalOceanicAtmosphericAdminstration,NOAA)开发的 HYSPLIT(HybridSingleParticleLa-grangianIntegr
12、atedTrajectoryModel)模式,该模式被广泛用于跟踪气流携带的粒子或气体的移动方向、分析污染物的来源、传输和扩散路径.本文选取昆明市(25N,102.7E)为代表点,对昆明市 500、250m 和 100m 高度的气团在典型 O3污染日过去96h 经过的路径进行模拟,以此来追踪污染物跨区域的输送路径.2结果与讨论2.1O3质量浓度变化特征2014 年昆明市 O3-8h年平均质量浓度为 103.3gm3,20152019 年依审图号:GS(2019)1783 号.图1昆明市空气质量和气象监测点位示意图Fig.1The sketch map of air quality and me
13、teorologicalmonitoringstationsinKunming300云南大学学报(自然科学版)http:/第46卷次为 107.5、109.3、110.8、118.8、123.8gm3,表明昆明市 O3污染有逐年加重的趋势.从 20142019 年昆明市 O3月均浓度变化看 图 2(a),O3月均浓度呈单峰型分布,13 月急剧上升,45 月达到峰值,最大值出现在 4 月为 139gm3,而后呈现波动式下降,最小值为 12 月的 75gm3,全年平均值为 105.8gm3.昆明市 O3具有明显的季节差异 图 2(b),浓度最高出现在春季,其次是夏季,秋季和冬季相对较低,季节上也呈
14、逐年上升趋势,且春夏季的上升幅度明显高于秋冬季.特别是 2019 年春、夏季 O3浓度增加最明显.造成 O3季节差异的原因可能是春、夏季温度较高,日照时间长,在适宜的气象条件下,加剧了光化学反应,造成区域性 O3浓度升高,5 月底昆明开始进入雨季,降水逐渐偏多,对大气污染物具有一定的清除作用,利于 O3产生的光化学反应条件较春季有所降低,但温度仍然偏高,也利于 O3浓度升高.秋、冬季温度明显下降,O3光化学反应降低,因此秋、冬季污染天数较少.2.2气象条件对 O3的影响近地面 O3浓度的变化与气象条件密切相关,表 2 是 20142019 年昆明市春、夏季 O3日均浓度与气象要素的皮尔逊相关系
15、数,为排除降水误差,选取的污染时段不包含发生降水的日期,所以不进行降水与 O3的相关分析.结果显示春、夏季期间,O3与温度、风速呈显著正相关,与相对湿度呈显著负相关,且均通过了99%的相关性检验.因此,温度、相对湿度、风速是影响 O3污染物浓度的主要气象参数.2.2.1 O3与温度图 3 是春、夏季 O3浓度与温度关系图,温度与 O3呈“高浓度高温度”分布特征.春季 图 3(a)O3出现轻度污染(160gm3)时,温度为 2128;夏季 图 3(b)O3出现轻度污染时,温度为 2329,温度越高出现污染频次越多.O3浓度受温度影响较大的可能原因是,当温度较高时,太阳辐射增强,利于大气中的 O3
16、前体物进行二次光化学反应生成 O318,温度是影响光化学反应的重要因素,夏季午后温度更高,O3与温度的相关性也略高于春季.2.2.2 O3与相对湿度图 4 为 O3浓度与相对湿度关系图,O3与相对湿度呈“高浓度低湿度”分布特征.春、夏季 O3出现轻度污染时,相对湿度均在60%以下.O3浓度随湿度增加呈下降趋势的原因可能是,高湿度是形成 O3湿清除的重要指标,湿度过高时,水汽中的自由基通过化学反应将 O3分解为氧分子,利于大气中 O3浓度降低19-20.2.2.3 O3与风场近地面风场对污染物浓度的影响具有复杂性,一方面风加强了大气流动性,利于污染物的稀释、扩散与传输,有效地降低了大气表2201
17、42019 年昆明市 O3与气象要素的皮尔逊相关系数Tab.2PearsoncorrelationcoefficientbetweenO3andmeteorologicalelementsinKunmingfrom2014to2019O3指标春季夏季温度相对湿度风速温度相对湿度风速相关系数0.88*0.83*0.56*0.89*0.92*0.49*表示在0.01水平(双侧)上显著相关.图220142019 年昆明市 O3月、季节浓度变化Fig.2MonthlyandseasonalaverageconcentrationofO3inKunmingfrom2014to2019第46卷杨芳园等:昆
18、明市臭氧污染特征及气象条件影响分析301污染物浓度;另一方面当风速较小时,不利于污染物扩散,致使大气中污染物浓度增加.风向决定了大气污染物的输送来源,风速大小决定了大气对污染物扩散稀释作用的强弱21.图 5 为 O3污染日不同风向风速下 O3浓度分布.昆明春季 图 5(a)O3污染日风向以偏南、西南风、偏西风出现的频率较高,风速为 25ms1时浓度较高,O3质量浓度为 172192gm3,春季 O3污染物的输送主要来自于偏南及偏西方向.夏季 图 5(b)O3风向以东北风、东南风、西南风出现的频率较高,风速为 23ms1时 O3浓度较高,O3质量浓度为 166206gm3,夏季 O3污染物的输送
19、主要来自于东北及偏南方向.2.3天气分型对 15 个 O3浓度超标个例进行统计,分析 O3污染日地面和高空 500hPa、700hPa 天气形势发现,80%以上的 O3污染日,700hPa 昆明附近基本处于风向或风速辐合区,地面主要以均压场为主.因此,本文仅基于 500hPa 天气形势将影响昆明地区 O3污染的天气分为 5 大类型,分别为低槽东移型(46.7%)、两高辐合型(20%)、东风波型(20%)、南支槽型(6.7%)、槽后脊区型(6.7%).文中选取出现频率较高的低槽东移、两高辐合、东风波(仅出现在夏季)3 种天气类型,结合后向轨迹模式追踪污染气团的输送来源.2.3.1 低槽东移型低槽
20、东移型在春、夏季均存在.500hPa 上 图 6(a),中国环流经向度较大,内蒙北部存在高压脊,低压位于华北至黄淮一带,云南省处于槽后西北或偏北气流控制,昆明位于槽底附近,在偏北气流的引导下,利于将北方 33102gm3以上的高浓度 O3向云南上空输送 图 6(b).通过垂直速度剖面分析(图略),500hPa 中低纬至昆明附近存在明显的下沉气流,在下沉气流夹卷的作用下,利于将该区域高浓度 O3输送到云南中部近地层,导致昆明附近 O3浓度进一步堆积,随着低图320142019 年昆明市 O3污染日小时浓度与温度的关系Fig.3ScatterplotbetweenhourlyO3concentra
21、tionandtemperatureonpollutiondaysinKunmingfrom2014to2019图420142019 年昆明市 O3污染日小时浓度与相对湿度的关系Fig.4ScatterplotbetweenhourlyO3concentrationandrelativehumidityonpollutiondaysinKunmingfrom2014to2019302云南大学学报(自然科学版)http:/第46卷压槽逐渐东移,对云南的影响减弱,昆明 O3浓度逐渐恢复正常.后向轨迹模拟显示 图 6(c),绿色高度气团 96h 前在 2500m 左右,从西藏向东移动,随后 3 个高
22、度的气团在四川、贵州一带汇合,以东圆圈自内向外的数值(2、4、6)代表风的平均速度(单位:ms1).图520142019 年昆明市 O3污染日不同风向风速下 O3浓度的分布Fig.5ThedistributionofO3concentrationscorrespondingwithwinddirectionandspeedduringpollutiondaysinKunmingfrom2014to2019图6低槽东移型天气模型,500hPa 高度上 O3浓度和风场分布及后向轨迹模拟Fig.6Weathermodeloflowtroughmovingeastward,ozoneconcentra
23、tionandwinddistributionat500hPa,andthebackwardtrajectorysimulation第46卷杨芳园等:昆明市臭氧污染特征及气象条件影响分析303北路径向昆明上空输送,后向轨迹的移动路径与图 6(b)中的 O3大值区相对应,最终导致昆明地区出现 O3污染天气.2.3.2 两高辐合型两高辐合型在春、夏季均存在.500hPa 上 图 7(a),大陆高压位于青藏高原上空,西太平洋副热带高压位于华南至华东一带,云南位于 2 个高压辐合区内,大陆高压外围的偏北气流将携带青藏高原东侧及东南侧的高浓度 O3向云南上空输送、堆积,在副高的阻挡作用下,造成云南中部辐
24、合区一带 O3质量浓度处于 33102gm3的高值区 图 7(b).辐合区附近也存在明显的下沉运动(图略),利于将高层高浓度 O3向近地面输送,加之地面高温、强辐射,近地层静稳条件利于地面 O3生成和维持,因此造成昆明 O3超标.随着辐合区的减弱消失,O3浓度也逐渐恢复正常.后向轨迹模拟显示 图 7(c),3 个高度的气团前期均来自于中纬度四川、贵州一带,移动路径与辐合区及图 7(b)中 O3大值区相对应,以东北路径向南输送,进入云南后出现转折,沿西北路径向昆明上空输送,在天气系统的配合下,最终导致昆明地区出现 O3污染天气.2.3.3 东风波型东风波型仅出现在夏季.500hPa上 图 8(a
25、),北部有低槽东移,将中高纬度高浓度O3向东输送,副高呈带状分布,位于华东一带,华南沿海有台风生成,在副高的阻挡下,台风以西移为主,云南处于副高南侧和台风外围的偏东气流控制之下,利于将中高纬及云南以东的高浓度 O3沿偏东路径向云南中东部输送 图 8(b);同时,配合下沉运动(图略),使得中高层高浓度 O3向近地层输送.后向轨迹模拟显示 图 8(c),3 个高度的气团前期主要来自于四川盆地一带,沿西北路径输送,到贵州至广西北部一带出现转折,沿偏东路径向昆图7两高辐合型天气模型,500hPa 高度上 O3浓度和风场分布及后向轨迹模拟Fig.7Weathermodelofthetwohighconv
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