1、第4 7 卷第4 期2023年8 月周齐英,袁韬,刘徽.郴州市区大气臭氧污染特征及气象条件分析 J.中低纬山地气象,2 0 2 3,4 7(4):7 0-76.中低纬山地气象Mid-low Latitude Mountain MeteorologyVol.47 No.4Aug,2023郴州市区大气臭氧污染特征及气象条件分析周齐英12,袁袁韬”,刘微(1.湖南省永兴县气象局,湖南永兴4 2 330 0;2.气象防灾减灾湖南重点实验室,湖南长沙4 10 118;3.湖南省郴州市气象局,湖南郴州4 2 30 0 0)摘要:利用湖南省郴州市区2 0 17 2 0 2 0 年臭氧(0,)观测资料及地面气
2、象资料,分析0,浓度时空分布特征及其与气象因子的关系。结果表明:郴州市区0,空气质量分指数(IAQI)等级以优为主,占全年的6 2.4%7 3.7%,相比2 0 17 一2 0 19年,2 0 2 0 年受新冠疫情影响,虽然0,排放较往年降低11gm=3,但0;作为首要污染物的总天数明显上升,占全年51.2%;郴州市区2 0 17 2 0 2 0 年0,日最大8 h滑动平均(0 3-sh)月均值浓度范围为32 17 5gm-3,月变化大致呈双峰型,峰值出现在5月和10 月,0 3-8 h浓度和NO2浓度月变化呈负相关关系。0,1h平均的(0 3-1h)日变化呈单峰型,白天浓度明显高于夜间,与N
3、O2小时数据变化呈显著负相关关系。0,浓度与日平均温度、日照时数成正相关,与日照时数相关性最强为0.6 6 1,与气压、相对湿度、降水量成负相关;风向的影响主要分布在偏南和偏北方向。以2 0 2 0 年4 月2 7 一30 日郴州市区1次0 3轻度污染过程为例,结合气象资料分析,结果表明:该次污染过程发生在高层为平直西风环流,低层受高压底部控制的天气形势下,日最高温度达30,湿度最低达53%,2 7 一2 9 日日照累积时间达34 h,近地面有风向辐合。此次0,污染过程主要受本地生成及南方外源输送的共同影响。关键词:臭氧浓度;时空分布;气象因子;污染过程;郴州中图分类号:X515文献标识码:B
4、Analysis of Atmospheric Ozone Pollution Characteristicsand Meteorological Conditions in Chenzhou CityZHOU Qiying2,YUAN Tao*,LIU Huil(1.Yongxing Meteorological Bureau of Hunan Province,Yongxing 423300,China;2.Hunan Provincial KeyLaboratory of Meteorological Disaster Prevention and Reduction,Changsha
5、410118,China;3.Chenzhou Meteorological Bureau of Hunan Province,Chenzhou 423000,China)Abstract:The spatial and temporal distribution characteristics of O,concentration are explored by using theobservation and meteorological data of ozone(O,)in Chenzhou City during 2017-2020.The relationships between
6、O,and meteorological factors are further analyzed.The results shows that the quality of O,in Chenzhou City ismainly excellent,accounting for 62.4%73.7%of the whole year.In 2020,the concentration of pollutants issignificantly reduced by COVID-19,and the mean value of O3-sh during 2017-2020 is 32 175
7、g m3,themonthly variation shows roughly bimodal distribution,peak value occurs in May and October.There is a negativecorrelation between the monthly variation of O3-sh concentration and NO,concentration.The daily variation of O3-1hshows a single peak,the concentration in daytime is significantly hig
8、her than that of at night,and O3-lh showssignificant negative correlation with NO,hourly data.O,concentration is positively correlated with temperature andunshine duration,negatively correlated with air pressure,humidity and precipitation,and show highest correlationwith sunshime duration;The influe
9、nce of wind direction is mainly distributed in the south and north directions.Taking a slight ozone pollution process in Chenzhou urban area from April 27 to 30,2020 as an example,combined收稿日期:2 0 2 3-0 2-0 3第一作者简介:周齐英(19 9 1一),男,工程师,主要从事气象预报服务工作,E-mail:。70Vol.47 No.4with the analysis of meteorologi
10、cal data,the results show that the pollution process occurs under the weathercondition of a flat westerly circulation in the upper layer and high pressure control at the bottom of the lower layer.The maximum daily temperature is 30 ,t h e mi n i mu m h u mi d i t y i s 53%,t h e c u mu l a t i v e s
11、 u n s h i n e t i me f r o m 2 7 29 is 34 h,and there is wind convergence near the ground.This Os pollution process is mainly affected by localgeneration and external transportation in the south direction.Key words:ozone concentration;temporal and spatial distribution;meteorological factors;polluti
12、onprocesses;Chenzhou周齐英,等:郴州市区大气臭氧污染特征及气象条件分析0引言近年来,随着大气颗粒物污染的改善,0,污染成为大气污染整治工作的重点,给环境和公众生活带来危害。研究表明,近地面0,主要是由人类活动排放的氮氧化物(NO)和挥发性有机物(VOCs)等污染物在大气中经过光化学反应所产生 1-2 ,随着城市化进程加快,城市区域机动车的增加和可挥发性有机物排放量显著增加,0,问题变得日益严峻,在人们生活健康、动植物生长、气候系统变化等方面造成较大危害 3-5;0,浓度高低除了与相关前体物浓度有关外,还与气象条件有着密切的联系 6 。黄俊等 7 研究表明,广州市城郊的0,浓
13、度在晴天最高,其次是少云和多云天气,最低是在雨天。气温高、日照长、辐射强、气压低、湿度小及2 3级的风力是广州地区近地面产生高浓度0 3的主要气象因素。吕长春 8 研究表明,四川自贡市0 3-8 h浓度与温度呈正相关关系,温度越高,0 3-8 h平均浓度越高;与湿度呈负相关关系,当相对湿度处于50%60%区间时,有利于0,生成。齐冰等 9 研究2 0 12 2 0 16 年杭州市近地面0,连续观测资料发现,冬季0,浓度较低,其余季节均较高,0 3浓度日变化呈单峰型分布,14 时出现峰值,0 3浓度变化与紫外辐射、温度呈正相关关系,与相对湿度呈负相关关系。紫外辐射 0.0 2 MJm-、气温 2
14、 0、相对湿度 2 0 0 gm-3)及气象要素进行统计分析超标阈值。季节上采取气象定义,春节为3一5月,夏季为6一8 月,秋季为9 一11月,冬季为12 一次年2 月。2结果与讨论2.103-8h浓度年变化分布特征20172020年0 3-8 h浓度第9 0 百分位数W值分别为150 gm3、153 gm3、137 g m3、125gm-3,均未达到GB30952012环境空气质量标准【10 二级标准限值。近年来,各级地方政府加强举措,打好蓝天保卫战,加大大气污染防治工作力度,加之2 0 2 0 年新冠疫情影响,一定程度上有利于大气环境向好 1-12 。从图1可以看出,郴州市区4 个环境监测
15、站0 3-8 h年平均浓度差异不大,在7680gm-3之间。表1中郴州市区日0 3-8 h的质量等级评价主要以优为主,占全年总日数的6 2%7 3%,其次是良,污染等级以轻度为主,2 0 18 一2020连续3a未出现中度、重度污染特征;0,作为郴州常见污染物(PM2.5、PM 1o、O,)之一,出现O,污染的日数占总污染日数的比例有上升趋势,2 0 17 年52.9%(10 8/2 55),2 0 18 年38.1%(8 4/2 2 0),2 0 19年59.3%(133/2 2 4),2 0 2 0 年59.2%((9 6/16 2)。2.203-8h浓度逐月变化特征从图2 可以看出,出现
16、0,轻度污染时段集中在4一11月,其余月份未出现轻度及以上污染。9 月份发生轻度污染天数最高,2 0 17 2 0 2 0 年累计天数达21d;其次为10 月的9 d。郴州市区0 3-8 h月均值(图2 a)浓度范围为32 17 5gm=3,月变化大致呈双峰型,第1个显著增长时段在1一5月。随着气.71中低纬山地气象2023年8 月Mid-low Latitude Mountain Meteorology温升高,日照辐射逐渐增强,光化学反应活动增多,03-sh浓度在5月达到第1个峰值(114 gm-3),6月有所降低,但总体保持在较高水平。6 一7 月是郴州暖区性热对流强降水过程、台风影响集中
17、期 13-4 ,降水过程抑制了太阳辐射,并通过湿沉降促2630N-永州爱迎区第4 7 卷第4 期进0,的消散;第2 个显著增长时段在6 9 月,在9月达到第2 个峰值(17 5 gm)。10 一12 月0 3-8 h浓度逐渐降低。秋季大气环流多受稳定的高压控制,太阳辐射较强,日照时数较多,有利于0,生成。2555N双迎县2530族目治县2550嘉禾县武山县A郴州市职中B郴州市审计局C郴州市兴隆步行街D郴州市环保局2545E郴州国家基本气象观测站工业国区2430年份2017年*2018年2019年2020年注:*2 0 17 年8 月2 6 日,9 月2 2、2 4 日因仪器故障导致资料缺测。1
18、1255112113图12 0 17 2 0 2 0 年4 个环保监测站(A、B、C、D)及气象观测站点(E)位置图Fig.1 Location of four environmental monitoring stations(A,B,C,D)andmeteorological observation stations(E)f r o m 2 0 17 t o 2 0 2 0表12 0 17 2 0 2 0 年郴州市区0 3-8 sh质量分指数(IAQI)等级分布及首要污染物占比Tab.1Distribution of O3-sh Quality Index(IAQI)levels and
19、proportion of primarypollutants in Chenzhou urban area from 2017 to 2020优/d良/d2261172628823210927092113114E轻度污染/d中度污染/d126152441135重度污染/d0,为首要污染物占比/%152.942.059.359.211310E一2 0 2 0 年一2019年2 0 18 年2 0 17 年200180160(cu.81)/x140120100806040200123 456789101112月份/月图2 2 0 17 2 0 2 0 年郴州市区0 3-sh浓度月变化(a)、NO
20、,浓度月变化(b)Fig.2 Monthly changes in O3-sh concentration(a)and NO2 concentration(b)in Chenzhou from 2017 to 2020从2 0 17 2 0 2 0 年NO,浓度月变化(利用2 4 h平均值计算)来看(图2 b),NO,与0 3-8 h浓度呈负相关关系,相关系数为-0.311,2 0 2 0 年上半年NO,浓722020年4540(b)35301.81/252015105012345 6789101112月份/月度降低,但0,浓度并没有较其他年份明显偏低,可能和排放源增加有关,2 0 2 0 年
21、下半年NO2浓度接近常年,但0 3-8 h浓度较前几年偏低,下半年温度和日2019年2 0 18 年2 0 17 年Vol.47 No.4照条件稳定较好,可能和NO,对臭氧的滴定作用有关。2.303-1h浓度日变化特征郴州市区2 0 17 2 0 2 0 年0 3-1h全年数据日变化呈单峰型(图3a),白天浓度明显高于夜间,全年NO小时数据日变化呈双峰型(图3b),二者呈显著负相关性,相关系数为0.6 0 1。0 8 时之前,0,浓度一直处于较低状态且呈缓慢下降趋势,主要由于夜间无光化学反应,0,消耗导致浓度下降,在0 8 时2020年2 0 19 年2 0 18 年2 0 17 年10090
22、a(u.3r)/x807060504030201000Fig.3 Daily variation of O3-1h concentration(a)and NO,concentration(b)in Chenzhou from 2017 to 20202.40,浓度与气象因子的关系2.4.1不同气象要素对0 3-sh浓度的影响分析总结黄俊等 7 、崔坤等 17 研究方法,对2 0 17 2 0 2 0 年Tab.2O3-sh concentrations of meteorological elements in different ranges0;-8hO3-8hT/RH/%/(ug:m)/
23、(ug:m)T104110 T20772030118表2 给出了不同气象要素范围下的0 3-8 h浓度。03-8h浓度随着气温升高而增加,当T10时03-sh平均浓度值最低仅4 1gm=3,T30时03-sh浓度为118 gm,T10时0 3-sh浓度仅为4 1 gm-3;03-sh浓度随着相对湿度(RH)升高而逐渐降低,当RH90%时,0 3-8 h浓度明显降低,为50 gm3,50%RH70%时0 3-sh浓度为117 gm=3,RH50%时0 3-sh浓度为12 5gm;P970 hPa 时,0 3-sh浓度为 10 2 g:m*,随着气压升高而降低,出现高气压时,表现为北方冷空气南下,
24、气温有所下降,不利于0 3-8 h生成,且冷空气造成的风力加大,有利于污染物扩散;出现降水时,0.。.生成浓度较高,平均值为6 3ug;周齐英,等:郴州市区大气臭氧污染特征及气象条件分析45689101112131415161718192021 2223时刻/时图32 0 17 2 0 2 0 年郴州市区0 3-1h浓度日变化(a)、NO,浓度日变化(b)表2 不同范围气象要素的0-sh浓度O:-8hP/hPaR/mm(g m)/(ug:m)RH5012550 RH70117709050左右出现谷值。NO2在夜间积累,0 7 时开始,机动车出行增加,排放尾气造成NO,浓度在0 9 时出现峰值。
25、0 9 时后随着气温逐渐上升以及太阳辐射不断增强,在光化学反应的作用下,0,浓度在14 16时左右达到峰值,NO,被大量消耗。随着太阳辐射强度的减弱,光化学反应减弱,NO等还原物质的消耗,0,又逐渐降低 15-16 ,NO,浓度不断增加,在2 3时出现峰值。402020年2 0 19 年2 0 18 年2 0 17 年(b)3530(u.81)/252051050012234567891011121314151617181920212223日平均温度(T)、日平均湿度(RH)、日平均本站气压(P)、日降水量(R)和日照时数(S)进行分区统计分析。O3-8hP970102970P98076980
26、99026O3-8h浓度随着日照时数增多而增加,S10h时03-sh浓度为12 7 gm-3,5 hS10 h时 0 3-sh浓度为10 1 gm3,S1 h时0 3-sh浓度仅为4 6 gm-32.4.203浓度与气象要素的相关性分析对郴州市区2 0 17 2 0 2 0 年的逐日0 3-8 h浓度和气象要素平均值进行相关性分析。从表3可以看出,0 3-8 h浓度与日平均温度(T)和日照时数(S)成正相关,其中与风速的相关性不明显为0.0 2 2。O3-sh浓度与气压(P)、湿度(RH)、降雨量(R)成负相关。与日照时数相关性最好,相关系数为0.661;其次是湿度,相关系数为-0.6 5,与
27、降水的相关性为-0.2 0 0。.73时刻/时R=01050.1 R4.9604.914.96603-8hS/h/(g:m3S1461S573510127中低纬山地气象2023年8 月Mid-low Latitude Mountain Meteorology表30 3-sh浓度和气象要素的相关性(n=1461)Tab.3 Correlation between O3-sh concentration and meteorological elements(n=1461)气象要素T/相关系数0.640*注:*表示在0.0 1水平(双侧)上显著相关2.4.303-1h浓度超标的关键气象因子阈值20
28、172020年的0 3-1h浓度超标值(2 0 0 gm-3)及对应的小时平均温度(T)、平均本站气压(P)、平均相对湿度(RH)、平均风速(V)进行统计分析,结果如图4 所示。当郴州市区0 3-1h浓度超标时,T的范围为2 2 34,2 5以上时0 3易超标(图4 a);P的范围为9 6 0 9 7 3hPa,在9 6 7 hPa以上高压控制的稳定晴好天气下,有利于0,生成积累40(a)35&302520158070(c)60%/香504030201002.4.4?03-8h浓度与风的关系除了风速扩散作用对污染物的影响之外,上游污染物输送和风向对03-sh浓度也有重要的影响 18-19 。郴
29、州市区夏半年以偏南风向为主,冬半年以偏北风向为主。0 3-sh浓度也主要体现在偏南风和偏北风的影响上(图5),03-8h浓度出现极值时,大部分都是在偏北风的背景下,郴州偏北方向有衡重工业地区,再往北是长株潭工业生产区,市区南部6 km是郴州工业园区、40km左右是宜章县城和宜章化工业园区,这可能是在南北风向背景下方向,0 3-8 h浓度较高的原因。3臭氧污染过程气象条件分析3.1污染过程概述2020年4 月2 7 30 日,郴州市区发生了1次74第4 7 卷第4 期P/hPaRH-0.422*-0.653*直选取(图4 b);RH的范围为2 6%58%,极端值7 2%出现在2 0 17 年7
30、月2 9 日14 时,偏北风加大,可能是上游长株潭地区污染物输送造成0 3-1h超标,当相对湿度低于4 0%的情况下0,易超标,占比达7 3.6%(图4 c);当V的范围为14 ms-1,410 ms=1,03-1h浓度超标率分别为56.0%、4 4.0%(图4d)。975(b)97096596095595012(r-s.w)/uru 0110(d)86420图4 O3-h浓度超标时气象要素值T(a)、P(b)、RH(c)、V(d)统计箱线图Fig.4 Statistical box chart of meteorological element values T(a),P(b),RH(c),
31、V(d)when the O3-1h concentration exceeds the standard良,0 3-g%浓度为138 ugmm。从表4 中可以看到,2 8 日开始,受气温升高、光照增强、风速加大等不利气象条件影响,0,浓度开始上升,2 8 日空气质量指数(AQI)为10 2;2 9 日气温进一步升高,AQI指数值为14 2,0 3-8 h浓度为2 0 6 gm=3,从2 9 日12 时开始,0 3-1h浓度持续超标8 h,小时峰值达2 4 2 gm-3(13时);30 日受低空急流加强影响,近地面风速加大,污染物浓度逐渐降低。此次污染过程,一方面郴州地区受地面高压控制,高空以
32、西南气流为主的稳定环流形势控制,连续4 d的日平均最高气温较历史平均偏高2,持续日照V/(m:s-l)0.0220污染过程,其中2 8 日、2 9 日为轻度污染,首要污染物均为0 3。2 7 日开始,天气形势逐渐稳定,近地面风速小,污染扩散条件较差,空气质量指数为8 2,R/mm-0.200*XooS/h0.661*Vol.47 No.4时间长,以上气象要素条件有利于臭氧生成;另一方面,在近地面南风风力大的条件下,南部区域的(a)周齐英,等:郴州市区大气臭氧污染特征及气象条件分析NNNW临武县、宜章县有污染物不断输送,共同造成此次0,污染。(b)S07980159160-239240(c)NW
33、S0-7980-159160-239240N(d)NNWSS0-7980-159160-2390240图52 0 17 年(a)、2 0 18 年(b)、2 0 19 年(c)2 0 2 0 年(d)郴州市区0 3-sh浓度随风向变化Fig.5 Variation of O3-8h concentration in Chenzhou City with wind direction in 2017(a),2018(b),2019(c),2020(d)S0-7980-159160239240表4 2 0 2 0 年4 月2 7 30 日逐日空气质量实况与气象要素Tab.4 Daily air q
34、uality facts and meteorological elements from April 27-30,2020日期4月2 7 日4月2 8 日4月2 9 日4月30 日3.2天气形势分析根据4 月2 8 日0 8 时50 0 hPa和2 9 日0 8 时9 2 5hPa探空实况资料(图略),2 8 日高空槽逐渐东移入海,郴州地区转为受高空平直西风气流影响,8 50hPa上郴州地区处于高压底部,以晴好稳定天气为主,0 8 2 0 时市区近地面以下沉运动为主(图6 黑色虚线框),有利于0,在地面累积;2 9 日低层9 2 5hPa西南气流逐渐加强,中低层转为上下一致的西南气流控制,地
35、面气温升高,西南风风力加大,日照时间较长,近地面层以下沉气流为主等气象因素均有利于本地0,生成及外源输送。2 9 日15时8 50hPa附近垂直速度有辐合,有可能导致14 一15时地面臭氧浓度发生变化。AQI821021428503-sh浓度/(g:m-3)138162206142Tmax/28293028S/h1211.910.610.73.3地面气象条件分析4月2 8 日午后最高气温达2 9.6,湿度低,天空状况好,日照时间达11h,晴空辐射强,且近地面存在风向辐合,有利于污染物汇聚。2 9 日最高气温达30,日照时间10 h,03时开始偏南风平均风速加大到6.8 ms1,日极大风速达8
36、ms-1,可能造成偏南方向区域污染输送,导致白天0,污染继续加剧,在13时达到第1个峰值2 4 2 gm,1415时2 个时次浓度持续降低至18 0 gm,16时后又出现峰值。根据郴州市区南风风向上游2个县城宜章(南方)、临武(西南方)O,监测数据来看,宜章、临武的0,浓度同样在13一15时具有相同的变化趋势,因此强盛南风输送的上游地区污染.75RH/%76685553R/mmV/(m s)01020506主导风向偏北风东北转东南风东南风东南风中低纬山地气象2023年8 月Mid-low Latitude Mountain Meteorology物,也是造成此次市区0,污染过程的重要因素。2
37、9日2 0 时后,进人夜间无日照,0 3无法继续生成,且南风影响区域进一步北推扩大,对污染物有较好的清除作用。30040050070085010000028日图6 2 0 2 0 年4 月2 8 2 9 日ERA5再分析资料风场(单位:ms-)和垂直速度图(单位:-0.1Pas-)Fig.6Wind field(unit;m s-)and verticalvelocity map(unit:-0.1 Pa s-)of ERA5reanalysis data from April 28 to 29,20204结论与讨论(1)郴州市区O,空气质量分指数(IAQI)等级主要以优良为主,占全年的6 3
38、.5%9 3.9%,污染等级以轻度为主。0,作为首要污染物出现占比增加,2 0 19 年、2 0 2 0 年分别达到59.3%、59.2%。(2)郴州市2 0 17 2 0 2 0 年0 3-8 h月均值浓度范围为32 17 5gm-3,月变化大致呈双峰型,出现在5月和10 月,均与气温升高、日照辐射逐渐增强、大气条件稳定等有关。0 3-1h日变化呈单峰型,白天浓度明显高于夜间。在0 8 时左右降至一天中最低,在14 一16 时达到峰值。0 3-8 h浓度与NO,呈负相关关系,相关系数为-0.311;0 3-1h日变化与NO,相关性显著,相关系数为-0.6 0 1。(3)对郴州市区4 a的逐日
39、0 3浓度和气象要素进行相关性分析,0 3浓度与温度和日照时数成正相关,与气压、湿度、降水成负相关,相关系数分别为-0.422、-0.6 53、-0.2 0 0,与日照时数相关性最强为0.6 6 1;风向的影响主要在偏南和偏北方向。(4)2 0 2 0 年4 月2 7 30 日郴州市区1次0 轻度污染过程,发生在高层为平直西风环流,低层受高压底部控制的天气形势下。2 8 日、2 9 日最高气温分别达到2 9、30,湿度在55%左右,日照时间平均达11h,近地面有风向辐合,偏南风风速大,有76.第4 7 卷第4 期利于本地生成的0,和南方外源输送0 在本地积蓄。这是造成本次0,污染的重要原因。(
40、5)本文仅对郴州2 0 17 2 0 2 0 年0,变化特征及其气象因子的关系进行了统计分析,并选取在典型高压系统下稳定环流形势中的1个典型污染过程进行简单理论分析,未做深入研究。O3是在NO,和VOCs等前提物进行的复杂光化学反应中生成的,-0.1 Pa:s-1其影响因素及变化特征还需进一步深人探索。543210-1-2-3-4081629日参考文献1吴丽萍,李梦辉,张向炎,等.淄博市2 0 16 2 0 19 年近地面大气臭氧时空分布特征J.环境科学研究,2 0 2 1,34(5):10 4 4-1052.2介阳阳,赵国庆,叶君好,等.基于SABER卫星数据的临近空间大气参量分析 J.气象
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