嘉善县近地层臭氧浓度与气象条件的关系 (1).pdf

收稿日期:2023-02-14;修订日期:2023-05-26作者简介:谢韶青(1992),女,硕士,工程师,主要从事基层气象工作研究。基金项目:2020 年嘉善县级科技计划项目(2020D03)。第 41 卷 第 4 期2023 年 8 月江 西 科 学JIANGXI SCIENCEVol.41 No.4Aug.2023 doi:10.13990/j.issn1001-3679.2023.04.018嘉善县近地层臭氧浓度与气象条件的关系谢韶青1,刘婧晨1,姚益伟2,吴盛辉2,徐汀岸1(1.嘉善县气象局,314100,浙江,嘉善;2.嘉兴市生态环境局嘉善分局,314100,浙江,嘉善)摘要:通过研究分析 20152019 年嘉善县近地层臭氧浓度、污染日数和气象要素间的关系,得出以下结论:1)嘉善县臭氧污染在夏季最严重,接下来依次为春季、秋季,其中 56 月臭氧浓度及污染日数较 79 月更明显;2)嘉善县最容易出现臭氧污染的 6 种大气环流形势为低压前部、高压后部、高压控制、高压底部、海上低压外围和均压场,出现频次最多的是均压场和高压类;3)臭氧浓度与气温、日照呈正相关关系,与最小相对湿度、820 h 降水和平均风速呈负相关关系,说明臭氧浓度变化受多种气象要素影响,并非是单一的要素导致;4)通过多元回归分析法建立了不同季节的臭氧浓度预报模型,对 2020 年臭氧浓度实况进行检验,结果表明臭氧浓度预报模型对预测嘉善臭氧浓度有一定指示意义。关键词:嘉善县;臭氧浓度;气象条件中图分类号:P49 文献标识码:A 文章编号:1001-3679(2023)04-718-06Study on the Relationship between Surface Ozone Concentrations and Meteorological Conditions in Jiashan XIE Shaoqing1,LIU Jingchen1,YAO Yiwei2,WU Shenghui2,XU Tingan1(1.Jiashan Bureau of Meteorology,314100,Jiashan,Zhejiang,PRC;2.Jiashan Branch of Jiaxing Ecological Environment Bureau,314100,Jiashan,Zhejiang,PRC)Abstract:In this study,we analyzed the relationship between surface ozone concentrations,pollu-tion days and meteorological conditions during period of 20152019.The results showed the follow-ing:1)Ozone pollution was the most serious in summer,which was also serious in spring and au-tumn.Among them,the surface ozone concentrations and pollution days in MayJune were more obvious than those in JulySeptember.2)Research showed there were six types main synoptic situ-ations with high-concentration ozone in Jiashan,namely front of low pressure,rear of high pressure,high pressure center,bottom of high pressure,peripheral circulation of low pressure at sea and e-qualized pressure.The most frequent occurrences were equalized pressure and high pressure.3)O-zone concentrations was positively correlated with temperature and sunshine hours.Minimum relative humidity and daytime precipitation was negatively related to ozone concentrations.It showed that the change of ozone concentrations was affected by a variety of meteorological elements,not caused by a single element.4)A forecast model of ozone concentration in different seasons was established by multiple regression analysis.Checked the real ozone concentrations in 2020,the results showed that the ozone concentrations farecast model had indication significance for predicting the ozone concen-trations in Jiashan.Key words:Jiashan;ozone concentrations;meteorological condition0 引言臭氧是氧气的一种同素异形体,常温下臭氧是有鱼腥气味的淡蓝色气体,其主要存在于大气的平流层中,是由大气中的氧气吸收了太阳光中波长小于 185 nm 的紫外线后生成的,因此,臭氧层可吸收太阳光中对人体有害的短波(30 nm 以下),防止这种短波光线射到地面,使生物免受紫外线的伤害1-2。但是,对流层中的臭氧对人及动植物都有着不可逆的伤害,有证据表明长时间暴露在臭氧浓度较高的环境下,会增加由呼吸系统及心血管疾病导致的死亡风险,对植物造成损害,使其产量下降等2-3。臭氧的来源分为自然源和人为源,自然源的臭氧主要来自于平流层的下传,人为源主要是由人为排放的氮氧化物(NOx)和挥发性有机物(VOCs)等污染物通过光化学反应生成。近年来,随着我国城市化、工业化的快速发展以及机动车保有量的迅速增加,臭氧污染也随之加剧,现如今臭氧监测是臭氧污染预报和防治的重要内容之一。许多国内外学者对臭氧预报、臭氧与前体物、气象条件的关系等方面开展研究,并取得一定成果。臭氧的预报方法主要有统计预报和数值模式预报,其中统计预报包括回归模式、集合分析和人工神经网络技术等,数值模式预报包括三维欧拉型模式、混合单质点拉格朗日积分轨迹模式(HY-SPLIT)及碳键 IV 模式等4。由于近地层的臭氧属于二次污染物,浓度变化还受到前体物浓度和气象条件等各方面的影响,所以预报难度较大。近地层的臭氧浓度具有明显的季节变化和日变化,59 月容易出现高浓度的臭氧污染,而一日中臭氧往往在正午或午后出现极大值5-7。许多研究表明,地面臭氧浓度变化与气象要素关系密切,其中,与气温、日照、太阳辐射等呈正相关,与相对湿度、降水、云量等呈负相关,与风向、风速关系较为复杂,但臭氧污染常出现在高温、低湿和微风的条件下6-12。另外,臭氧超标日的大气环流型有高压型、低压型和均压型6,9-10,12-13,而副高型、高压后部、地面倒槽和锋前暖区等强暖性且非常不利于污染物扩散的天气型更易造成臭氧浓度超标9,13。然而臭氧与其前体物之间存在着高度的非线性关系,不同区域,不同季节臭氧与其前体物响应特征不同,削减比例也不同14-17,本文主要研究 20152019 年嘉善臭氧污染超标时的大气环流分型、臭氧浓度与气象要素之间的关系,从而对嘉善地区臭氧污染预报预警提供指示作用,有效及时地进行生产生活管控,降低臭氧污染日数。1 资料与方法1.1 资料臭氧观测数据来自于嘉善县 2 个环境空气国控点位(监测大楼站、气象观测台站)监测仪器,包括 20152019 年 AQI 及臭氧 1 小时、最大 8 小时滑动平均浓度(以下均简称为 O3-8)等资料。气象观测数据来自于嘉善国家一般气象站(3050N,12056E),包括 19902020 年地面观测气象资料(气温、降水、相对湿度、日照、风速、风向等)。大气环流资料来自 ECMWF ERA5 再分析资料,包括 1 000 hPa 位势高度场和 u、v 风场。1.2 方法臭氧浓度与 AQI、IAQI 之间的换算方法按照环境空气质量标准(GB 30952012)和环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)(HJ 2332012)严格执行。根据规定,O3-8100 ug/m3,空气质量为优;100O3-8160 ug/m3,空气质量为良;160O3-8215 ug/m3,空气质量为轻度;215O3-8265 ug/m3,空气质量为中度;265800 ug/m3,空气质量为严重。最后,利用相关分析和多元回归分析方法研究嘉善县臭氧浓度与气象要素之间的关系。2 成果与讨论2.1 20152019 年嘉善县臭氧月变化及大气环流分型特征许多研究表明,近年来国内许多城市臭氧浓度呈上升趋势,臭氧污染趋于加重。图 1 给出了20152019 年嘉善县臭氧为首要污染物的污染日数及 O3-8 季节变化,从图 1 中可知,臭氧污染最严重是夏季,其次为春季、秋季,轻度以上的污染日数分别为 131 d、91 d 和 51 d,冬季未出现轻度以上的污染。从各月看,56 月臭氧浓度和污917第 4 期 谢韶青等:嘉善县近地层臭氧浓度与气象条件的关系染日数较 79 月更严重,主要原因为 69 月嘉善受到梅雨、台风及对流活跃的影响使雨日增多,气温和日照条件受限抑制臭氧浓度上升,使臭氧污染减轻。020406080100120140160180123456789101112臭氧平均浓度良日数轻度污染日数中度污染日数图 120152019 年嘉善县各月臭氧污染日数(柱状,单位:天)及 O3-8 浓度(折线,单位:ug/m3)由图 1 可知,嘉善县轻度以上的臭氧污染集中于 310 月。因此,对 20152019 年 310 月近地层 1 000 hPa 位势高度场和水平全风速场(u和 v)进行客观分型(样本数为 232 天,图 2 和表1),得到 6 种大气环流类型低压前部(DF)、高压后部(GB)、高压控制(GC)、高压底部(GU)、海上低压外围(SD)和均压场(UPF)。表 1 显示出臭氧达轻度污染以上时,大气环流形势出现频次依次为均压场、高压控制、高压后部、海上低压外围、低压前部及高压底部。其中,均压场各月均有出现,最多出现在 59 月,等高线稀疏,地面风力较弱,风向散乱,臭氧浓度上升较快,总超标率 32.6%;高压控制最多出现在 45 月、9 月,此时地面受高压控制,晴朗日照强,风力弱,易出现臭氧污染,总超标率 25.8%;高压后部主要出现在 47 月,(a)DF(b)GB(c)DC(d)DU(e)SD(f)UPF20N30N40N100E110E120E130E140E100E110E120E130E140E100E110E120E130E140E720N30N40N20N30N40N20N30N40N100E110E120E130E140E1020N30N40N100E110E120E130E140E1030N40N100E110E120E130E140E620N1010图 2(a)低压前部;(b)高压后部;(c)高压控制;(d)高压底部;(e)海上低压外围;(f)均压场 6 类1 000 hPa 位势高度场(实线,单位:m2/s2)和风场(矢量箭头,单位:m/s)表 1 6 类环流类型出现的总日数/天、超标率/%和 O3-8 浓度/ug/m-3月低压前部高压后部高压控制高压底部海上低压外围均压场总日数超标率O3浓度总日数超标率O3浓度总日数超标率O3浓度总日数超标率O3浓度总日数超标率O3浓度总日数超标率O3浓度320.916210.416710.4214420.918793.9179125.218631.3193520.9209177.3184177.3202104.3202662.6194104.319393.921131.317310.4168114.7191752.219483.4181208.6194862.618241.716810.4171125.2194177.3192910.4204114.719520.916752.2195135.61971010.417073.018420.917810.4205027江 西 科 学2023 年第 41 卷此时太平洋上是一个高压系统,嘉善处于高压后部,以东到东南风气流为主,常受输入性污染影响,总超标率 23.2%;海上低压外围集中出现在89 月,此时台风活动频繁且沿海转向北上较多,嘉善位于台风外围,受下沉气流影响,天气晴朗,易出现臭氧污染,总超标率 7.8%;低压前部只出现在 47 月,春夏季江淮气旋活动逐渐增多,嘉善处于前部暖区中,气温高,降水还未至,臭氧污染较易发生,总超标率 6.6%;高压底部出现频次最少,嘉善以东北到东风气流为主,总超标率3.9%。总的来说,高压系统和均压场是造成嘉善臭氧污染最重要的大气环流形势,但春夏季低压前部的锋前暖区及夏末秋初的台风外围也是造成臭氧污染不可忽视的环流形势。2.2 臭氧浓度与气象要素间的关系利用 20152019 年 O3-8 和气象要素资料分析二者间的关系(如表 2)可知,臭氧浓度与气温、日照呈正相关关系,相关系数分别为 0.63、0.55,与最小相对湿度、820 h 降水和平均风速呈负相关关系,相关系数分别为-0.43、-0.16 和-0.08,其中与最高气温、日照、最小相对湿度关系最为密切。当气温高、日照强、相对湿度小时,臭氧浓度升高更快,更容易出现污染情况,但同样也说明臭氧浓度变化是受多种气象要素制约的,并非 是 单 一 的 气 象 要 素 导 致。图 3 给 出 了20152019 年臭氧轻度污染以上时最小相对湿度、降水量、最高气温、日照时数和平均风速的情况,从图 3 中可知,在无降雨、日照时数超过 9 h时,是臭氧轻度污染最容易出现的时候。同时,臭氧轻度污染日数集中处于最小相对湿度 30%60%,最高气温 2434,平均风速 1.02.5 m/s,说明臭氧浓度与气象要素并不是单一的线性关系。01070806070506040503040203010208090 90100010203040506070(a)频数/次频数无降雨055101015 1520 2025 253030050100150200250频数(b)频数/次最小相对温度/%降水量/mm0204060频数/次(c)2022 22242426262828303032333434363638 38最高气温/频数/次(d)050100150011223344556677889910日照时数/h频数/次(e)02040608010000.2 0.20.5 0.51.0 1.01.5 1.52.0 2.02.5 2.53.03.0平均风速/ms图 3 20152019 年嘉善县臭氧轻度污染频数对应的(a)最小相对湿度;(b)降水量;(c)最高气温;(d)日照时数和(e)平均风速分布区间/天 由于单一气象要素的稳定性较差,对上述气象要素进行多元回归,得出春、夏、秋、冬 O3-8 的最优拟合方法如下:春 O3-8=60.61+3.48Th+3.10S-0.34RHmn-0.61P12-7.84Ws,R=0.76(N=460)(1)夏 O3-8=363.22-2.22Th+1.38S-2.15RHmn-0.03P12-24.59Ws,R=0.74(N=460)(2)秋 O3-8=46.09+4.36Th+2.08S-0.91RHmn-0.46P12-3.27Ws,R=0.81(N=455)(3)冬 O3-8=60.60+1.23Th+0.83S-0.42RHmn+0.09P12-4.48Ws,R=0.56(N=450)(4)式中,Th、S、RHmn、P12、Ws、R、N 分别为日最高气温、日照时数、日最小相对湿度、820 h 降水量、日平均风速、相关系数和样本数。127第 4 期 谢韶青等:嘉善县近地层臭氧浓度与气象条件的关系回归模型的 P 值都无限接近于 0,说明其具有统计学上的意义。由模型可知,春、夏、秋三季气象要素与 O3-8 之间的联系更为紧密,尤其是秋季、冬季二者间的关系较前三季更不明显。鉴于嘉善县臭氧污染最严重的时间集中在 310月,所以利用相应的回归模型对 2020 年春、夏、秋三季 O3-8 模拟值与实况值进行对比,分析该模型的可预报性。图 4 给出了 2020 年春、夏、秋三季 O3-8 预报和实况浓度,总体来看,春、夏、秋三季预报浓度与实况浓度较一致,平均误差绝对值分别为 19.3、24.1 和 16.8,春秋季的误差绝对值较夏季更小。另外,春季当 O3-8160 ug/m3时,预报浓度偏高率达 86.2%,而当 160O3-8215 ug/m3时,预报偏低率为100%。夏季当 O3-8160 ug/m3时,预报浓度偏高率达 96.2%,而当160O3-8215 ug/m3时,预报偏低率为 100%。秋季当 O3-8160 ug/m3时,预报浓度偏高率达83.3%。这说明当臭氧污染等级为优或良时,预报浓度往往更高,夏季更明显,而臭氧污染等级为轻度污染时,预报浓度往往偏低。(a)0501001502002502020-03-032020-03-052020-03-072020-03-092020-03-112020-03-132020-03-152020-03-172020-03-192020-03-212020-03-232020-03-252020-03-272020-03-292020-03-312020-04-022020-04-042020-04-062020-04-082020-04-102020-04-122020-04-142020-04-162020-04-182020-04-202020-03-012020-04-222020-04-242020-04-262020-04-282020-04-302020-05-022020-05-042020-05-062020-05-082020-05-102020-05-122020-05-142020-05-162020-05-182020-05-202020-05-222020-05-242020-05-262020-05-282020-05-30(b)0501001502002502020-03-032020-03-052020-03-072020-03-092020-03-112020-03-132020-03-152020-03-172020-03-192020-03-212020-03-232020-03-252020-03-272020-03-292020-03-312020-04-022020-04-042020-04-062020-04-082020-04-102020-04-122020-04-142020-04-162020-04-182020-04-202020-03-012020-04-222020-04-242020-04-262020-04-282020-04-302020-05-022020-05-042020-05-062020-05-082020-05-102020-05-122020-05-142020-05-162020-05-182020-05-202020-05-222020-05-242020-05-262020-05-282020-05-30(c)0501001502002502020-03-032020-03-052020-03-072020-03-092020-03-112020-03-132020-03-152020-03-172020-03-192020-03-212020-03-232020-03-252020-03-272020-03-292020-03-312020-04-022020-04-042020-04-062020-04-082020-04-102020-04-122020-04-142020-04-162020-04-182020-04-202020-03-012020-04-222020-04-242020-04-262020-04-282020-04-302020-05-022020-05-042020-05-062020-05-082020-05-102020-05-122020-05-142020-05-162020-05-182020-05-202020-05-222020-05-242020-05-262020-05-282020-05-30图 4 嘉善县 2020 年(a)春、(b)夏、(c)秋 O3-8预报和实况浓度趋势(实线为实况浓度,虚线为预报浓度/ugm-3进一步分析拟合方法的预报准确率,表 2 给出了 2020 年春、夏、秋 O3-8 预报与实况浓度污染等级准确率,可以看出,2020 年春、夏、秋三季预报平均准确率为 70.8%,其中秋季预报准确率最高,春夏季预报准确率较接近。臭氧污染等级中,良(100O3-8160 ug/m3)时平均预报准确率最高,其中夏季准确率远高于春秋两季;轻度(160O3-8215 ug/m3)时平均预报准确率次之,秋季准确率达 100%;优(O3-8100 ug/m3)时平均预报准确率最低,春、夏、秋三季均表现较差。结合图 4 可知,当 O3-8100 ug/m3或160O3-8215 ug/m3时,预报浓度常在 100160 ug/m3之间。这说明臭氧浓度预报模型对预测嘉善臭氧浓度有一定指示意义,但仍有不足之处,这是因为臭氧生成不仅与气象要素有关,也与前体物(NOx、VOCs等)息息相关。表 2 嘉善县 2020 年春、夏、秋 O3-8 预报与实况浓度污染等级准确率/%季节等级优良轻度平均春50.078.362.563.6夏46.795.057.166.3秋64.682.1100.082.2平均53.885.173.270.83 结论研究分析 20152019 年臭氧污染、臭氧浓度与气象要素间的关系,得出以下几个主要结论。1)嘉善臭氧污染夏季最严重,依次是春季、秋季,其中 56 月臭氧浓度及污染日数较 79月更严重,是因为 69 月嘉善受到梅雨、台风及对流活跃的影响,气温和日照条件受限,抑制臭氧浓度上升使臭氧污染减轻。2)嘉善容易出现臭氧污染的 6 种大气环流形势:低压前部(DF)、高压后部(GB)、高压控制(GC)、高压底部(GU)、海上低压外围(SD)及均压场(UPF),出现频次最多的是均压场和高压类。总的来说,高压系统和均压场是造成嘉善臭氧污染最重要的大气环流形势,但春夏季低压前部的锋前暖区及夏末秋初的台风外围也是造成臭氧污染不可忽视的环流形势。227江 西 科 学2023 年第 41 卷3)臭氧浓度与气温、日照呈正相关关系,与最小相对湿度、8-20 h 降水及平均风速呈负相关关系,其中与最高气温、日照、最小相对湿度关系最为密切,说明臭氧浓度变化受多种气象要素影响,并非是单一的要素导致,与气象要素间也不是简单的线性关系。4)根据不同季节的臭氧浓度预报模型对2020 年臭氧浓度进行检验,结果表明,2020 年春、夏、秋三季预报浓度与实况浓度较一致,预报平均准确率为 70.8%,秋季预报准确率最高,春夏季预报准确率较接近。当 O3-8100 ug/m3或 160O3-8215 ug/m3时,预报浓度常在 100160 ug/m3之间,这说明臭氧浓度预报模型对预测嘉善臭氧浓度有一定指示意义。参考文献:1 沈鑫甫.中学教师实用化学辞典M.北京:科学技术出版社,2002:189-190.2徐怡珊,文小明,苗国斌,等.臭氧污染及防治对策J.中国环保产业,2018(6):36-38.3TURNER M C,JERRETT M C,ARDEN P,et al.Long-term ozone exposure and mortality in a large prospec-tive study J.American Journal of Respiratory&Critical Care Medicine,2015,193(10):1134-1142.4孙明华,徐大海,朱蓉,等.城市空气臭氧污染业务预报方案研究J.气象,2002,28(4):3-8.5姚杰,俞向明,蒋和荣,等.不同气象要素下地面臭氧浓度变化特征分析C/2011 年第二十八届中国气象学会年会.2011.6程念亮,李云婷,张大伟,等.2014 年北京市城区臭氧超标日浓度特征及与气象条件的关系J.环境科学,2016,37(6):2041-2051.7于世杰,尹沙沙,张瑞芹,等.郑州市近地面臭氧污染特征及气象因素分析J.中国环境监测,2017,33(4):140-149.8姚青,孙玫玲,刘爱霞.天津臭氧浓度与气象因素的相关性及其预测方法J.生态环境学报,2009,18(6):2206-2210.9王宏,林长城,陈晓秋,等.天气条件对福州近地层臭氧分布的影响J.生态环境学报,2011,20(8):1320-1325.10 洪盛茂,焦荔,何曦,等.杭州市区大气臭氧浓度变化及气象要素影响J.应用气象学报,2009,20(5):602-611.11 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