楊 婧，朱海斌，劉建軍，嚴曉瑜，納 麗，劉玉蘭

(1.寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，寧夏 銀川 750002；2.寧夏回族自治區(qū)氣象臺，寧夏 銀川 750002； 3.寧夏銀川市氣象局，寧夏 銀川 750002；4.寧夏回族自治區(qū)氣象局，寧夏 銀川 750002； 5.寧夏氣象服務(wù)中心，寧夏 銀川 750002)

引 言

近地面臭氧主要是由人類活動產(chǎn)生的氮氧化物、揮發(fā)性有機物等經(jīng)光化學(xué)反應(yīng)生成的二次污染物[1]，高濃度臭氧對生態(tài)環(huán)境、人體健康、農(nóng)作物生長等會產(chǎn)生不利影響[2-3]。近年來，臭氧已經(jīng)成為繼PM2.5后又一重要污染物[4-5]，是各級政府環(huán)境治理工作的又一側(cè)重點。因此，深入開展不同地區(qū)臭氧的時空分布與成因機制研究，對提升臭氧污染預(yù)報預(yù)警能力具有重要意義。

氣象條件直接影響臭氧的光化學(xué)反應(yīng)、擴散和傳輸，是引起近地面臭氧濃度變化極為重要的因素[6-8]。研究表明，臭氧濃度與太陽輻射、氣溫、相對濕度、云量、風(fēng)等局地氣象要素存在顯著的相關(guān)關(guān)系，高濃度臭氧往往對應(yīng)著強輻射、高溫、低濕、少云的氣象條件[9-13]，而臭氧與風(fēng)的關(guān)系則因地域特征不同而存在差異[14-19]。臭氧的生消和擴散傳輸都是在一定的天氣系統(tǒng)(尺度在幾百至幾千千米)下完成，熱帶氣旋外圍和高壓控制區(qū)域盛行大規(guī)模的下沉氣流，造成珠三角[20-21]、長三角地區(qū)[22]和華北地區(qū)[23]晴曬、弱風(fēng)的氣象條件，容易引發(fā)大范圍的臭氧污染，但處于地面高壓、低壓系統(tǒng)的不同位置，其臭氧濃度變化不盡相同[24-26]?？梢?，采用環(huán)流分型技術(shù)，總結(jié)分析污染天氣下的天氣系統(tǒng)或環(huán)流形勢，能夠更深入地理解污染天氣特征和形成機制。比如，福建福州在高壓后部、地面倒槽等6種天氣系統(tǒng)下臭氧濃度值較高，而在低渦鋒面、臺風(fēng)等4種天氣系統(tǒng)下臭氧濃度值較低[27]；上海臭氧污染的環(huán)流形勢都與副高有關(guān)，不利于觸發(fā)臭氧污染的環(huán)流形勢都和低值系統(tǒng)相關(guān)[28]。銀川市作為寧夏回族自治區(qū)的首府城市，近年來臭氧濃度持續(xù)上升，臭氧污染居全區(qū)之首[29]。黨的十八大以來，在“綠水青山就是金山銀山”理念引領(lǐng)下，我國綠色發(fā)展成就舉世矚目，但當前污染防治攻堅形勢依舊嚴峻。為此，本文以寧夏銀川市區(qū)為例，通過分析氣象要素與臭氧質(zhì)量濃度的關(guān)系，對臭氧超標日的環(huán)流形勢進行分型，進一步揭示氣象條件對臭氧污染發(fā)生發(fā)展的促進作用，為銀川市臭氧污染預(yù)報預(yù)警提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 資料來源

寧夏銀川市位于我國西北地區(qū)東部，屬于溫帶干旱半干旱氣候，西側(cè)是南北向的賀蘭山。使用2014—2016年銀川市區(qū)6個國控環(huán)境監(jiān)測站點(簡稱“國控站”)逐時臭氧質(zhì)量濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)，其中賀蘭山馬蓮口站、寧化生活區(qū)站、學(xué)院路站分布在西夏區(qū)，賀蘭山東路站、寧安大街站分布在金鳳區(qū)，銀湖巷站分布在興慶區(qū)，站點分布及地形見圖1[文中涉及的行政邊界均基于國家基礎(chǔ)地理信息中心標準地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為GS(2019)1719的標準地圖制作，底圖無修改]。國家基準氣候站銀川站逐小時地面氣象觀測資料、亞歐范圍內(nèi)地面氣象觀測站逐3 h氣象要素(氣溫、氣壓、風(fēng)向風(fēng)速、相對濕度等)觀測數(shù)據(jù)和探空觀測站每日08:00(北京時，下同)、20:00高空氣象要素(溫度、溫度露點差、風(fēng)向風(fēng)速等)觀測數(shù)據(jù)。

圖1 銀川市區(qū)及周邊地形高度(單位：m)和 國家基準氣候站與國控環(huán)境監(jiān)測站分布Fig.1 The distribution of elevation (Unit: m) and national reference climatological station, national environmental monitoring sites in Yinchuan and its surroundings

1.2 分析方法

2 結(jié)果與分析

2.1 銀川市區(qū)O3質(zhì)量濃度年變化特征

2014—2016年銀川市區(qū)6個國控站逐日O3質(zhì)量濃度的相關(guān)系數(shù)在0.66～0.89之間，表現(xiàn)出很強的相關(guān)性，用6站平均O3質(zhì)量濃度能較好地表征銀川市區(qū)臭氧濃度的整體特征。從2014—2016年平均O3質(zhì)量濃度逐日變化(圖2)看出，銀川市區(qū)日平均O3質(zhì)量濃度為7.35～208.44 μg·m-3，平均為84.08 μg·m-3，具有明顯的單峰型年變化特征。其中，11月到次年1月O3質(zhì)量濃度值較低，普遍為20～60 μg·m-3，2—4月濃度逐漸上升，至6—7月達到峰值，普遍在100～160 μg·m-3之間，8月開始逐漸下降。2014年與2015年相比，O3質(zhì)量濃度年平均值相當，分別為76.45、77.61 μg·m-3，大于160 μg·m-3(輕度污染)的日數(shù)分別為4、13 d；2016年O3質(zhì)量濃度年平均值為98.14 μg·m-3，大于160 μg·m-3的日數(shù)為25 d，明顯高于2014年和2015年。

將2014—2016年銀川市區(qū)日平均O3質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)分為周末節(jié)假日和非周末節(jié)假日兩組，發(fā)現(xiàn)周末節(jié)假日平均O3質(zhì)量濃度(85.17 μg·m-3)稍大于非節(jié)假日(84.07 μg·m-3)，且兩組數(shù)據(jù)經(jīng)t檢驗無顯著差異，說明銀川市區(qū)近地面臭氧濃度無顯著的周末節(jié)假日效應(yīng)。

2.2 銀川市區(qū)氣象要素與平均O3質(zhì)量濃度的關(guān)系

2.2.1 最高氣溫與平均O3質(zhì)量濃度的關(guān)系

由圖3可見，銀川市區(qū)2014—2016年日最高氣溫普遍在-10～37 ℃之間，隨著最高氣溫的升高，平均O3質(zhì)量濃度呈指數(shù)上升，擬合優(yōu)度為0.5855，這與成都市[12]、南京市[13]近地面臭氧濃度與氣溫的分布關(guān)系相似。當銀川市區(qū)日最高氣溫在-5～15 ℃之間時，每升高1 ℃，O3質(zhì)量濃度平均上升1.75 μg·m-3；日最高氣溫在15～35 ℃之間時，每升高1 ℃，O3質(zhì)量濃度平均上升3.39 μg·m-3。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，日最高氣溫小于30 ℃時，只有不到3%的日數(shù)O3質(zhì)量濃度大于160 μg·m-3；當日最高氣溫介于30～35 ℃之間時，O3質(zhì)量濃度超過160 μg·m-3的日數(shù)迅速上升到22%，而日最高氣溫為35～40 ℃時，O3污染日數(shù)達到38%。這是由于氣溫越高，太陽輻射越強，光化學(xué)反應(yīng)強度越大，二次生成的臭氧濃度越高[30]。另外發(fā)現(xiàn)，當日最高氣溫在0～30 ℃之間時，在日最高氣溫相同條件下，相對濕度較低的環(huán)境臭氧濃度更高，即“干熱”的氣象條件更有利于近地面臭氧濃度上升，這與齊冰等[31]的研究結(jié)果相一致。

圖2 2014—2016年銀川市區(qū)平均O3質(zhì)量濃度日變化Fig.2 Daily changes of average O3 mass concentration in Yinchuan from 2014 to 2016

圖3 2014—2016年銀川市區(qū)日平均 O3質(zhì)量濃度與最高氣溫的分布關(guān)系 (散點顏色表示日平均相對濕度，單位：%)Fig.3 The distribution relation between daily average O3 mass concentration and maximum temperature from 2014 to 2016 in Yinchuan (The color of dots indicates daily average relative humidity, Unit: %)

2.2.2 相對濕度與平均O3質(zhì)量濃度的關(guān)系

由圖4可見，銀川市區(qū)平均O3質(zhì)量濃度與日均相對濕度之間表現(xiàn)出微弱的負相關(guān)關(guān)系，整體上，隨著相對濕度的增加，平均O3質(zhì)量濃度呈現(xiàn)下降趨勢。這主要由三方面原因造成：一是紫外輻射是光化學(xué)反應(yīng)的重要條件，大氣中水汽的消光機制會衰減紫外輻射；二是水汽所含的自由基(OH、HO2)等會消耗臭氧[32]；三是相對濕度的增加有利于臭氧的濕清除。銀川市區(qū)近地面臭氧濃度與相對濕度的負相關(guān)分布特征與南京市[13]極為相似，而在成都市兩者的負相關(guān)表現(xiàn)出指數(shù)擬合關(guān)系[12]。這種差異一方面是地理位置不同造成的，另一方面銀川市區(qū)和南京市80%以上數(shù)據(jù)樣本的相對濕度在30%～70%之間，而成都市80%以上樣本的相對濕度在70%～96%之間，樣本分布不同造成這種差異。另外發(fā)現(xiàn)，在日均相對濕度相同的條件下，最高氣溫越高的環(huán)境臭氧濃度越高。

圖4 2014—2016年銀川市區(qū)日平均O3 質(zhì)量濃度與平均相對濕度的分布關(guān)系 (散點顏色表示日最高氣溫，單位：℃)Fig.4 The distribution relation between daily average O3 mass concentration and relative humidity from 2014 to 2016 in Yinchuan (The color of dots indicates daily maximum temperature, Unit: ℃)

2.2.3 日最大風(fēng)速和風(fēng)向與平均O3質(zhì)量濃度的關(guān)系

為方便討論日最大風(fēng)速的風(fēng)向與平均O3質(zhì)量濃度的關(guān)系，將風(fēng)向劃分為北風(fēng)(315°～360°和0°～45°)、東風(fēng)(45°～135°)、南風(fēng)(135°～225°)和西風(fēng)(225°～315°)(圖5)。經(jīng)統(tǒng)計，2014—2016年銀川市區(qū)日最大風(fēng)速普遍在2～8 m·s-1之間，北風(fēng)占45%，南風(fēng)占24%，東風(fēng)占17%，西風(fēng)占14%，超過6 m·s-1的最大風(fēng)速主要出現(xiàn)在西風(fēng)270°～315°區(qū)間。

從圖5看出，在北風(fēng)、東風(fēng)、南風(fēng)以及西風(fēng)225°～270°區(qū)間，隨著日最大風(fēng)速的增大，平均O3質(zhì)量濃度呈上升趨勢，而在西風(fēng)270°～315°區(qū)間，平均O3質(zhì)量濃度則隨著日最大風(fēng)速的增大而減小，輕度污染及以上天氣的日最大風(fēng)速普遍小于6 m·s-1。這是因為風(fēng)同時具有垂直混合和水平擴散的作用，當風(fēng)速較小時，垂直混合強于水平擴散，引起臭氧及其前體物在近地面不斷累積，有利于臭氧濃度上升[33]。北風(fēng)、東風(fēng)、南風(fēng)以及西風(fēng)225°～270°區(qū)間的日最大風(fēng)速普遍在2～6 m·s-1之間，隨著風(fēng)速的增大，垂直混合增強，平均O3質(zhì)量濃度呈上升趨勢，而西風(fēng)270°～315°區(qū)間平均風(fēng)速最大，風(fēng)速大于6 m·s-1的日數(shù)最多，風(fēng)的水平擴散作用占主導(dǎo)，隨著風(fēng)速增大水平擴散能力增強，平均O3質(zhì)量濃度呈下降趨勢，表明較大的風(fēng)速不利于產(chǎn)生高濃度的O3污染天氣。

圖5 2014—2016年銀川市區(qū)日平均O3質(zhì)量濃度(單位：μg·m-3)與最大風(fēng)速和風(fēng)向的關(guān)系 (散點顏色表示日平均O3質(zhì)量濃度)Fig.5 The distribution relation between daily average O3 mass concentration (Unit: μg·m-3) and maximum wind speed and wind direction from 2014 to 2016 in Yinchuan (The color of dots indicates daily average O3 mass concentration)

從風(fēng)向來看，南風(fēng)及具有南風(fēng)分量的東風(fēng)90°～135°區(qū)間、西風(fēng)225°～270°區(qū)間，平均O3質(zhì)量濃度大于其他無南風(fēng)分量的點，180°風(fēng)向附近O3濃度較高，這是因為當銀川市區(qū)出現(xiàn)偏南風(fēng)時，往往伴有較強的暖平流，有利于氣溫升高、臭氧質(zhì)量濃度增大。另外，在相同南風(fēng)分量的南風(fēng)135°～180°區(qū)間和180°～225°區(qū)間，前者平均O3質(zhì)量濃度明顯大于后者，這是由于西側(cè)賀蘭山的地形阻擋抑制了對流層低層臭氧向偏西、偏北方向的水平傳輸，使得臭氧在銀川市區(qū)近地面堆積，造成臭氧質(zhì)量濃度上升；東風(fēng)90°～135°區(qū)間的南風(fēng)分量少于南風(fēng)180°～225°區(qū)間，但前者平均O3質(zhì)量濃度略大于后者，這是因為前者的風(fēng)向與賀蘭山的交角更接近垂直，地形阻擋作用更為明顯。對比發(fā)現(xiàn)，銀川市區(qū)風(fēng)力與臭氧質(zhì)量濃度的關(guān)系與成都市[12]、南京市[13]相似，但由于賀蘭山地形的阻擋作用，使得朝著賀蘭山的風(fēng)向有利于臭氧質(zhì)量濃度的上升。

2.3 銀川市區(qū)臭氧污染日環(huán)流特征

2014—2016年銀川市區(qū)最大O3質(zhì)量濃度達到輕度污染及以上的日數(shù)163 d，對臭氧污染日500 hPa環(huán)流場進行分型，大致分為5類：槽脊型72 d(44%)、寬廣低槽型35 d(21%)、副高型26 d(16%)、東北高脊型13 d(8%)，由于剩余的17個臭氧污染日的環(huán)流形勢出現(xiàn)次數(shù)較少，統(tǒng)一歸為其他型。

2.3.1 環(huán)流形勢分型

圖6是銀川市區(qū)臭氧污染日不同分型的500 hPa位勢高度場合成。槽脊型[圖6(a)]，500 hPa我國東北、華北地區(qū)及其以東洋面上空存在一深厚的低槽或低渦，低渦中心位于黑龍江至長江三角洲緯度范圍內(nèi)，與低渦相配合的冷槽或單獨的低槽可以影響到華中和華東地區(qū)。低值系統(tǒng)上游新疆至寧夏銀川一帶受廣闊的高壓脊或一槽一脊控制(少數(shù)情況受多個短波槽控制)，青藏高原地區(qū)常伴有高原槽或南支槽發(fā)展，銀川市區(qū)處于槽后脊前或脊中。寬廣低槽型[圖6(b)]，500 hPa我國北方、蒙古及中西伯利亞大面積區(qū)域存在廣闊的低值系統(tǒng)，常伴隨有1～2個低渦，銀川市區(qū)處于低值系統(tǒng)底部較為平直的西風(fēng)氣流中，少數(shù)情況受短波槽影響，新疆至寧夏銀川一帶無明顯脊存在。副高型[圖6(c)]，此類臭氧污染主要出現(xiàn)在7—8月，500 hPa銀川市區(qū)上空受副熱帶高壓(西太平洋副高或我國大陸高壓單體)控制，或者距離副高較近且位勢高度大于584 dagpm。東北高脊型[圖6(d)]，500 hPa我國東北至華北地區(qū)上空受高壓脊控制，新疆至華北地區(qū)西部為一脊一槽或兩槽一脊，銀川市區(qū)處于低槽中或脊前槽后。

2.3.2 臭氧污染日影響系統(tǒng)

在銀川市區(qū)163個臭氧污染日中(表1)，近地層逆溫出現(xiàn)比例最高為79%，海平面低壓(或倒槽)比例次之，為64%，700、850 hPa溫度脊(或暖區(qū))分別為50%和55%；除副高型中逆溫層的比例低于低壓(或倒槽)和700、850 hPa溫度脊(或暖區(qū))外，其余4種類型中逆溫層的比例(74%以上)均高于其他影響系統(tǒng)。另外，同時不受低壓(或倒槽)以及逆溫層影響的臭氧污染日有14 d，只占總數(shù)的9%。

圖6 2014—2016年銀川市區(qū)O3污染日不同分型的500 hPa位勢高度場合成(單位：dagpm) (點線表示脊線，點劃線表示槽線) (a) 槽脊型，(b) 寬廣低槽型，(c) 副高型，(d) 東北高脊型Fig.6 The composed 500 hPa geopotential height fields (Unit: dagpm) with different patterns on O3 pollution days in Yinchuan during 2014-2016 (The dotted and dot-dashed lines indicate ridge and trough lines, respectively) (a) trough and ridge pattern, (b) wide trough pattern, (c) subtropical high pattern, (d) northeast ridge pattern

表1 2014—2016年銀川市區(qū)污染日不同環(huán)流形勢下700、850 hPa 溫度脊、低壓(或倒槽)及逆溫層出現(xiàn)的日數(shù)和比例Tab.1 The number of days and proportion of thermal ridge on 700 hPa and 850 hPa, low pressure (or inverted trough) and inversion layer under five circulation patterns in Yinchuan during 2014-2016

從物理機制上看，700、850 hPa溫度脊(或暖區(qū))表征了大氣中低層受暖性氣團影響，暖性氣團距離地面較遠，僅利于近地面氣溫升高；海平面低壓(或倒槽)不僅有利于近地面氣溫升高，還對近地層臭氧有匯集作用，且距離低壓中心越近輻合匯集作用越強；逆溫層的存在可使臭氧及其前體物無法向高空擴散，致使污染物在近地層不斷累積，導(dǎo)致臭氧濃度持續(xù)上升。

綜上所述，與700、850 hPa溫度脊(或暖區(qū))相比，近地層的低壓(或倒槽)和逆溫層更直接利于近地面臭氧濃度上升，是產(chǎn)生銀川市區(qū)臭氧污染的主要天氣系統(tǒng)。在東北高脊型環(huán)流形勢中，700、850 hPa溫度脊(或暖區(qū))和低壓(或倒槽)出現(xiàn)的比例最低，逆溫層的比例最高為92%，說明逆溫層更有利于產(chǎn)生臭氧污染天氣。在副高型環(huán)流形勢中，由于副熱帶高壓是深厚的暖性系統(tǒng)，銀川市上空整層為暖性氣團控制，700、850 hPa多為溫度脊(或暖區(qū))控制，地面多為低壓控制，三系統(tǒng)出現(xiàn)的比例在5種環(huán)流形勢類型中均為最高，而逆溫層的比例為最低，說明暖性氣團足夠強，以至于未有逆溫層的存在，也能夠產(chǎn)生臭氧污染。另外，在副高型環(huán)流形勢下沒有低壓(或倒槽)系統(tǒng)影響的3個臭氧污染日中，均存在逆溫層，說明逆溫層對臭氧污染的產(chǎn)生非常重要。在槽脊型臭氧污染日中，出現(xiàn)3次連續(xù)5 d的臭氧污染(2015年4月21—25日，2016年5月29日至6月2日，2016年6月10—14日)；在副高型臭氧污染日中，出現(xiàn)1次連續(xù)8 d的臭氧污染(2016年7月24—31日)，1次連續(xù)6 d的臭氧污染(2016年8月3—8日)。這兩種環(huán)流形勢下，影響銀川市的高空天氣系統(tǒng)分別是高空脊和副高，與之相配合的海平面氣壓場通常為低壓(或倒槽)，在這兩種高空系統(tǒng)影響下，銀川市多為晴朗少云天氣，整層受下沉氣流控制，近地面容易產(chǎn)生下沉逆溫。高空脊和副高影響系統(tǒng)的持續(xù)，使得低壓(或倒槽)和逆溫層連續(xù)出現(xiàn)，進而造成連續(xù)多日的臭氧污染，臭氧質(zhì)量濃度最高時段往往出現(xiàn)在低壓中心距離銀川市區(qū)最近時期。

3 結(jié) 論

促使近地面臭氧污染產(chǎn)生的天氣系統(tǒng)都是在一定的大尺度環(huán)流形勢背景下孕育的，天氣系統(tǒng)制約和影響著臭氧在垂直和水平方向上的輸送、聚集和擴散，進而決定著臭氧污染的持續(xù)時間。本文研究結(jié)論如下：

(1)2014—2016年，銀川市區(qū)臭氧質(zhì)量濃度的年變化表現(xiàn)為單峰型特征，6—7月達到峰值；2016年臭氧質(zhì)量濃度較2014、2015年明顯增加。

(2)高溫低濕的氣象條件有利于銀川市區(qū)臭氧污染的發(fā)生，最高氣溫與臭氧質(zhì)量濃度呈指數(shù)正相關(guān)關(guān)系，而與相對濕度呈負相關(guān)關(guān)系。

(3)臭氧污染與風(fēng)向、風(fēng)速均有關(guān)，且地形在其中也起到非常重要的作用。風(fēng)速較小時，垂直混合起主導(dǎo)作用，臭氧質(zhì)量濃度與風(fēng)力呈正相關(guān)；風(fēng)速較大時，水平擴散占主導(dǎo)作用，臭氧質(zhì)量濃度與風(fēng)力呈負相關(guān)。偏南風(fēng)有利于臭氧濃度上升，受賀蘭山地形阻擋作用的影響，朝向賀蘭山的風(fēng)向也有利于臭氧濃度上升。

(4)銀川市區(qū)易出現(xiàn)臭氧污染的環(huán)流形勢主要有槽脊型、寬廣低槽型、副高型和東北高脊型，700、850 hPa溫度脊(或暖區(qū))、海平面低壓(或倒槽)以及近地層逆溫層均有利于臭氧濃度上升，其中低壓(或倒槽)和近地層逆溫層的作用更為重要，是臭氧污染預(yù)報最應(yīng)關(guān)注的系統(tǒng)。