符傳博 丹利 徐文帥 劉麗君
(1.海南省氣象科學(xué)研究所,海南 ???570203;2.中國科學(xué)院大氣物理研究所東亞區(qū)域氣候-環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100029;3.海南省環(huán)境科學(xué)研究院,海南 ???571126;4.海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,海南 ???570203)
臭氧(O3)在對流層中是一種重要的痕量氣體,其通過影響大氣OH自由基的濃度,決定著大氣的氧化能力,因而O3在大氣化學(xué)、氣候變化和空氣質(zhì)量等方面均有極為重要的作用[1-2]。對流層中O3濃度升高,大氣污染事件頻發(fā)對人類健康、農(nóng)作物收成等均有較大負(fù)面影響[3-4]。鑒于此,城市O3污染事件越來越受到政府部門、學(xué)者和普通民眾的關(guān)注,在環(huán)境氣象領(lǐng)域的研究中,O3的時空分布以及氣象成因已成為近年來的研究熱點(diǎn)[5-7]。
研究表明,對流層O3除了少部分來自平流層的向下輸送外[8],大部分均由氮氧化物(NOx)和可揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)在太陽紫外光的照射下,經(jīng)過一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)生成[9-11]。段曉瞳等[12]從不同時空、地形和氣溫等角度分析了中國全國189個主要城市O3濃度的變化特征;Sicard等[13]研究表明,歐洲地區(qū)城市O3濃度有上升趨勢,而且氣候變化對城市O3濃度影響較大;孟曉艷等[14]分析了2013—2016年中國74個城市O3監(jiān)測數(shù)據(jù),結(jié)果表明O3在城市空氣質(zhì)量中首要污染物的比重在逐年上升,其中大城市尤為顯著。
一個地區(qū)空氣質(zhì)量的好壞很大程度上受氣象條件的影響,因而深入研究當(dāng)?shù)靥鞖夥中头椒ㄔ诳諝赓|(zhì)量預(yù)報服務(wù)工作中尤為重要。目前污染天氣分型方法主要包括主觀和客觀天氣分型方法,主觀分型方法是指基于天氣圖、利用天氣學(xué)原理等理論對空氣污染過程進(jìn)行分類。如鄒旭東等[15]將中國北方污染天氣劃分為沙塵天氣和空氣質(zhì)量天氣,發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生沙塵天氣的天氣系統(tǒng)主要為蒙古氣旋和偏南風(fēng)干冷鋒天氣系統(tǒng),空氣質(zhì)量天氣均為地面高壓系統(tǒng)控制。趙娜等[16]利用2013—2016年河北省196個環(huán)境監(jiān)測站和氣象資料對重污染天氣形勢進(jìn)行天氣學(xué)分型,發(fā)現(xiàn)西北高壓型重污染天氣出現(xiàn)概率最高,均壓場型次之,回流型最低??陀^分型方法是指利用客觀數(shù)學(xué)算法或模型對天氣過程進(jìn)行分型的方法,如楊旭等[17]采用PCT方法對京津冀地區(qū)海平面氣壓場進(jìn)行了客觀分型,發(fā)現(xiàn)高壓場、高壓后部、鞍型場和冷鋒前部型容易出現(xiàn)污染天氣。俞布等[18]基于Lamb-Jenkinson天氣分型方法對杭州四季的天氣類型進(jìn)行劃分,發(fā)現(xiàn)冬季高壓控制和暖區(qū)發(fā)展天氣類型容易出現(xiàn)污染天氣。目前針對海南省O3污染的天氣分型方法還未見報道,本文利用2015—2018年海南省18個市縣(三沙市除外)32個環(huán)境監(jiān)測站的O3逐小時濃度值數(shù)據(jù),結(jié)合《海南省天氣預(yù)報技術(shù)手冊》[19]中海南天氣的分型方法,探討不同天氣類型下海南省O3污染的時空變化及天氣形勢特征,為海南省城市O3污染控制和空氣質(zhì)量預(yù)報及改善提供參考。
目前海南省生態(tài)環(huán)境廳實(shí)時對外發(fā)布18個市縣共計(jì)32個市區(qū)空氣質(zhì)量監(jiān)測站(http://kq.hnsthb.gov.cn:8088/EQGIS/),站點(diǎn)分布如圖1所示。考慮到各個市縣自動監(jiān)測儀器安裝的開始時間不同,而2015年之后資料才較為完整,因此本研究選取了2015—2018年逐時O3濃度資料進(jìn)行分析。此外還用到了ECMWF ERA-Interim再分析格點(diǎn)資料,要素包括500 hPa高度場、850 hPa相對濕度和溫度、850 hPa風(fēng)場、海平面氣壓、溫度露點(diǎn)差,以及地面10 m風(fēng)場等,分辨率為0.25 °×0.25 °。
圖1 海南省18個市縣32個國控站分布
主觀天氣分型主要是基于對天氣圖的理解和分析,結(jié)合天氣學(xué)原理,總結(jié)出不同環(huán)流背景和天氣形勢特征,并具體描述出每一類天氣類型下該區(qū)域出現(xiàn)的天氣特點(diǎn)和要素特征。在《海南省天氣預(yù)報技術(shù)手冊》中,影響海南天氣系統(tǒng)過程可以分為4大類,分別為冷空氣類、低壓槽類、副熱帶高壓(或脊)內(nèi)部類及熱帶系統(tǒng)類。冷空氣類可細(xì)分為冷空氣偏西下類和冷空氣偏東下類。冷空氣偏西下類的劃分標(biāo)準(zhǔn)是冷空氣到達(dá)中國華南沿海時,重慶站24 h變壓大于漢口站,850 hPa高空圖上高中心從重慶站以西地區(qū)南下,冷空氣主要從110 °E以西地區(qū)進(jìn)入本區(qū)。而冷空氣偏東下類的劃分標(biāo)準(zhǔn)是重慶站24 h變壓小于漢口站,850 hPa高空圖上,高壓中心從重慶站以東地區(qū)南下,冷空氣主要從110 °E以東地區(qū)進(jìn)入本區(qū)。副熱帶高壓(或脊)內(nèi)部類可分為西太平洋副熱帶高壓類和變暖高壓脊類,其中變暖高壓脊是由中國大陸的地面冷高壓東移出海變性而成。熱帶系統(tǒng)類是指本區(qū)受某熱帶低壓系統(tǒng)環(huán)流控制的一整段時期,稱為熱帶低壓系統(tǒng)過程。更為詳細(xì)的介紹請參考文獻(xiàn)[19]。
為了更深入分析海南省O3污染的區(qū)域特征,本文統(tǒng)計(jì)了海南省18個市縣最大8 h平均(O3-8h)O3濃度,定義3個及其以上市縣O3-8h濃度超過160 μg·m-3(國家環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)二級濃度限值),則為一個海南省區(qū)域性O(shè)3污染日。表1為2015—2018年海南省區(qū)域性O(shè)3污染的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由表1可知,近4 a共有40 d發(fā)生了區(qū)域性O(shè)3污染,發(fā)生概率為2.73%。其中2015年和2017年達(dá)到了13 d,區(qū)域性O(shè)3污染發(fā)生概率為3.56%,2018年為11 d(3.01%),2016年最低,為3 d(0.82%)。另外,年平均O3-8h濃度超標(biāo)市縣數(shù)中,2017年最多,為7.38個,超標(biāo)率達(dá)41%,這也說明2017年的區(qū)域性O(shè)3污染范圍最大,強(qiáng)度最強(qiáng)。從單日O3-8h濃度超標(biāo)市縣最大個數(shù)上看,2015年達(dá)到了13個,2017和2018年也分別達(dá)到了12個和11個,2016年最小,為9個。2015年和2017年中高緯西風(fēng)帶相對較為平直,地面冷高壓主體偏北,海南地區(qū)冷空氣影響偏弱。統(tǒng)計(jì)表明,2015年海南省平均氣溫和日照時數(shù)為近4 a的最大值,分別為25.24 ℃和2273.19 h,氣溫偏高有利于光化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。2016年和2018年影響海南省的熱帶氣旋偏多,年平均降水量分別為1960.94 mm和2076.64 mm,偏多于常年平均值,降水的發(fā)生會沖刷大氣中的污染物,不利于O3濃度的積累。
表1 2015—2018年海南省區(qū)域性O(shè)3污染統(tǒng)計(jì)
表2為2015—2018年海南省40個區(qū)域性O(shè)3污染日對應(yīng)的天氣類型。由表2可知,海南省出現(xiàn)區(qū)域性O(shè)3污染的天氣型從多到少的排列為:冷空氣偏西下型>冷空氣偏東下型>變暖高壓脊型>熱帶系統(tǒng)型。冷空氣偏西下型是海南省出現(xiàn)區(qū)域O3污染的主要天氣型,共有14 d,占所有天數(shù)的35%,平均O3-8h濃度最高,O3濃度超標(biāo)市縣個數(shù)也最多,分別為153.71 μg·m-3和7.79個。冷空氣偏東下型海南省出現(xiàn)區(qū)域O3污染的天數(shù)也比較多,為12 d,但是平均O3-8h濃度最低,為144.67 μg·m-3,O3濃度超標(biāo)市縣個數(shù)偏少,只為7個,這可能與不同天氣型的天氣系統(tǒng)配置差異有關(guān)。變暖高壓脊型共有9 d出現(xiàn)區(qū)域性O(shè)3污染,占所有天數(shù)的22.5%。平均O3-8h濃度和O3濃度超標(biāo)市縣數(shù)分別為150.57 μg·m-3和7.11個。熱帶系統(tǒng)型出現(xiàn)區(qū)域性O(shè)3污染的天數(shù)最少,為5 d(12.5%),值得關(guān)注的是平均O3-8h濃度達(dá)到了153.03 μg·m-3,在4種天氣類型中只略低于冷空氣偏西下型,而O3濃度超標(biāo)市縣個數(shù)僅為6.6個,這也說明出現(xiàn)污染的市縣O3濃度會顯著偏高于其余市縣,污染強(qiáng)度較大。
表2 2015—2018年海南省區(qū)域臭氧污染天氣類型統(tǒng)計(jì)
圖2為2015—2018年海南省區(qū)域O3污染時段4種天氣類型O3-8h濃度的空間分布。圖2表明,不同天氣類型下的O3污染范圍和強(qiáng)度也不同。冷空氣偏西下型O3-8h濃度表現(xiàn)為北部、西部和南部偏高,中部和東部偏低的分布特征。O3-8h濃度超過160 μg·m-3的市縣共有8個,分別為臨高縣、澄邁縣、屯昌縣、文昌市、白沙縣、東方市、樂東縣和保亭縣,其中最大值出現(xiàn)在臨高縣,為181 μg·m-3。最低值出現(xiàn)在五指山市,為127 μg·m-3。冷空氣偏東下型O3-8h濃度表現(xiàn)為北部和西部偏高,中部、東部和南部偏低的分布特征。相比而言,O3-8h濃度高值區(qū)較冷空氣偏西下型明顯偏小,超標(biāo)市縣主要出現(xiàn)在北部的澄邁縣、海口市、文昌市,以及西部的東方市。最高值為澄邁縣的181.5 μg·m-3,最低值出現(xiàn)在西部的白沙縣,為104 μg·m-3。變暖高壓脊型O3-8h濃度呈四周沿海高,中部山區(qū)低的分布特征。O3-8h濃度超標(biāo)的市縣共有5個,分別為臨高縣、儋州市、東方市、萬寧市和文昌市。最大值出現(xiàn)在文昌市,為164.8 μg·m-3,白沙縣的O3-8h濃度最小,僅為124.9 μg·m-3。熱帶系統(tǒng)型O3-8h濃度表現(xiàn)為海南省南半部偏高,北半部偏低的分布特征。其中西部的樂東縣和東部的萬寧市O3-8h濃度均超過了180 μg·m-3,污染強(qiáng)度較大,這與前一小節(jié)的分析結(jié)果一致。熱帶系統(tǒng)型共有7個市縣O3-8h濃度超過160 μg·m-3,最大值出現(xiàn)在樂東縣,為186.5 μg·m-3,最小值出現(xiàn)在北部的定安縣,O3-8h濃度為111.7 μg·m-3。
根據(jù)發(fā)生區(qū)域性O(shè)3污染時段,統(tǒng)計(jì)出每一類天氣型發(fā)生O3污染的天數(shù),定義此類天氣型下某一市縣O3-8h濃度超標(biāo)天數(shù)與所有天數(shù)的比值為該市縣O3-8h濃度超標(biāo)概率,如圖3所示。由圖3可知,不同天氣類型下的市縣O3-8h濃度超標(biāo)概率分布特征與O3-8h濃度分布一致(圖2),即O3-8h濃度偏高的市縣,超標(biāo)概率也偏大,反之則超標(biāo)概率偏小。冷空氣偏西下型O3-8h濃度超標(biāo)概率大值區(qū)主要分布在北部、西部和南部,大部分市縣均在50%以上,其中文昌市達(dá)到了78.6%。中部和東部超標(biāo)率偏低。冷空氣偏東下型相比于冷空氣偏西下型,南部市縣超標(biāo)率明顯下降,大值區(qū)主要在北部和西部,其中澄邁縣和東方市均超過了90%。變暖高壓脊型超標(biāo)概率大值區(qū)主要在北部、西部和南部沿海,內(nèi)陸地區(qū)和東部沿海偏小。最大值出現(xiàn)在文昌市,為77.8%。熱帶系統(tǒng)型O3-8h濃度超標(biāo)概率呈南半部偏高,北半部偏低的分布特征。北半部除了??谑校溆嗍锌h均在20%以下,而南半部市縣超標(biāo)概率偏高,樂東縣為100%,表明在熱帶系統(tǒng)天氣型下,樂東縣均會出現(xiàn)O3-8h濃度超標(biāo)的污染天氣。樂東縣位于五指山山脈的西南麓,其高超標(biāo)概率可能與氣流的繞流輻合有關(guān),其內(nèi)在機(jī)理還有待于進(jìn)一步研究。
圖3 2015—2018年海南省冷空氣偏西下(a)、冷空氣偏東下(b)、變暖高壓脊(c)和熱帶系統(tǒng)(d)4種天氣類型O3-8h濃度超標(biāo)概率
2.3.1 冷空氣偏西下型
冷空氣偏西下型主要出現(xiàn)在秋季和冬季。500 hPa(圖4a)東亞大槽位于中國東部沿海,海南省受槽后西北氣流控制,風(fēng)速偏弱。副熱帶高壓強(qiáng)盛,海南省位于其內(nèi)部,盛行下沉氣流。850 hPa(圖4b)影響海南地區(qū)的氣流主要從中國內(nèi)蒙古中東部,經(jīng)過長江中下游、湖北省、湖南省、廣東省等地到達(dá)海南省,而且大部分地區(qū)相對濕度在50%以下。海南地區(qū)為東北風(fēng)場控制,850 hPa氣溫為14—16 ℃。地面冷高壓位于內(nèi)蒙古中部,中國華南沿海等壓線密集,且為東北風(fēng)控制,風(fēng)速較大,有利于北方污染物向海南地區(qū)輸送。另外地面溫度露點(diǎn)差超過5 ℃,以高溫晴好天氣為主,日照時間長,太陽輻射較強(qiáng),有利于海南本地光化學(xué)反應(yīng),O3濃度升高。中層(500 hPa)深厚高壓系統(tǒng)控制的下沉氣流,也會抑制低層O3的垂直輸送,促進(jìn)地面O3濃度超標(biāo)。冷空氣偏西下型多出現(xiàn)在秋季,此時海南由于緯度偏低,氣溫并沒有明顯下降,來自北方的干冷空氣攜帶著大量污染物,在較強(qiáng)的太陽輻射下,光化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)烈。冷空氣偏西下型是造成海南省O3污染的典型天氣類型。
圖a 高度場(等值線)單位為10 gpm,風(fēng)場單位為m·s-1;圖b相對濕度(填色)單位為%,溫度(黑實(shí)線)單位為℃,風(fēng)場單位為m·s-1;圖c海平面氣壓(填色)單位為hPa,溫度露點(diǎn)差(綠實(shí)線)單位為℃,地面10 m風(fēng)單位為m·s-1
2.3.2 冷空氣偏東下型
冷空氣偏東下型主要出現(xiàn)在春季和秋季。相比而言,冷空氣偏東下型500 hPa(圖5a)東亞大槽強(qiáng)度偏弱,槽底偏北。海南省受偏西氣流控制,風(fēng)速偏小,沒有明顯的下沉氣流。850 hPa(圖5b)海南省氣溫與冷空氣偏西下型相差不大,為14—16 ℃。從850 hPa相對濕度上看,山東半島以東洋面也出現(xiàn)明顯干區(qū),相對濕度在50%以下。長江中游地區(qū)的干區(qū)中心相對濕度低于30%,從此區(qū)域到海南省的東北氣流風(fēng)速偏弱于冷空氣偏西下型,這可能是由于500 hPa東亞大槽槽底偏北,槽后受引導(dǎo)的冷空氣南下偏弱有關(guān)。地面冷高壓(圖5c)中心強(qiáng)度與冷空氣偏西下型一致,中心值為1024 hPa,但中心位置有明顯的差異。冷高壓中心主要位于長江中下游以北的安徽省和江蘇省等地。海南省地面溫度露點(diǎn)差超過5 ℃,空氣干燥,有較強(qiáng)的東北風(fēng),有利于O3及其前體物輸送至海南省,本區(qū)的高溫低濕條件加劇了光化學(xué)反應(yīng),O3濃度上升較快,污染事件發(fā)生。冷空氣偏東下型也是海南省O3污染較為常見的天氣類型之一,2015—2018年共有12 d(30%)的區(qū)域性O(shè)3污染屬于此天氣類型。
圖a高度場(等值線)單位為10 gpm,風(fēng)場單位為m·s-1;圖b相對濕度(填色)單位為%,溫度(黑實(shí)線)單位為℃,風(fēng)場單位為m·s-1;圖c海平面氣壓(填色)單位為hPa,溫度露點(diǎn)差(綠實(shí)線)單位為℃,地面10 m風(fēng)單位為m·s-1
2.3.3 變暖高壓脊型
變暖高壓脊型春季、秋季和冬季均有出現(xiàn)。500 hPa東亞大槽明顯偏東,槽底偏南,海南省受槽后西北氣流控制,風(fēng)速偏大(圖6a)。副熱帶高壓位置偏南,下沉氣流并不明顯。850 hPa海南省氣溫為14—16 ℃,與前兩個天氣類型一致(圖6b)。低濕中心位于山東半島以東洋面上,相對濕度中心值在30%以下。受東北氣流影響,相對濕度低值區(qū)從中國東南沿海向海南省延伸,海南省北部和東部相對濕度在64%以下。影響氣流主要從長江三角洲,經(jīng)過浙江省、福建省和廣東省沿海到達(dá)海南省。長江三角洲地區(qū)和珠江三角洲地區(qū)是中國著名的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū),城市大氣污染問題嚴(yán)重,海南省位于這些區(qū)域的下游方向,氣流攜帶著大量污染物會對海南省的空氣質(zhì)量造成影響。符傳博等[20]利用后向軌跡模型分析2013—2018年??谑写髿馕廴疚餄舛瘸瑯?biāo)時段影響氣流軌跡,發(fā)現(xiàn)來自中國東南沿海氣流也會造成??谑写髿馕廴臼录陌l(fā)生,這與本研究的結(jié)果一致。地面冷高壓從長江下游東移出海,強(qiáng)度已經(jīng)明顯減弱,海南省地面溫度露點(diǎn)差為5 ℃以上,空氣干燥,東北風(fēng)風(fēng)速偏弱(圖6c)。2015—2018年共有9 d(22.5%)的區(qū)域性O(shè)3污染屬于此天氣類型。
圖a 高度場(等值線)單位為10 gpm,風(fēng)場單位為m·s-1;圖b 相對濕度(填色)單位為%,溫度(黑實(shí)線)單位為℃,風(fēng)場單位為m·s-1;圖c海平面氣壓(填色)單位為hPa,溫度露點(diǎn)差(綠實(shí)線)單位為℃,地面10 m風(fēng)單位為m·s-1
2.3.4 熱帶系統(tǒng)型
熱帶系統(tǒng)型主要出現(xiàn)在秋季。500 hPa西風(fēng)帶相對較為平直(圖7a),東亞大槽槽底偏北。熱帶氣旋中心位于菲律賓呂宋島上,海南省受熱帶氣旋外圍下沉氣流影響,不利于污染物的垂直擴(kuò)散。850 hPa海南省氣溫偏高于其他3類天氣類型,為16—18 ℃(圖7b)。更高的氣溫加劇了光化學(xué)反應(yīng),O3生成速率更大。從影響氣流上看,氣流主要從黃海海域,途經(jīng)浙江省、河南省、湖北省、湖南省、廣西地區(qū)到達(dá)海南省,海南省850 hPa為東北風(fēng)風(fēng)場控制,相比其他天氣型而言,東北風(fēng)的偏北分量更大。從相對濕度場上看,小于50%的低濕區(qū)分布與風(fēng)場特征基本一致,這也說明熱帶系統(tǒng)型影響海南省O3濃度的區(qū)域相對較為偏西,特別是廣西區(qū)東部區(qū)域,其工業(yè)水平較高,空氣質(zhì)量較差[21]。從地面形勢場上看(圖7c),1024 hPa高壓區(qū)位于山東半島一帶,冷高壓主體偏北,海南省海平面氣壓為1008—1010 hPa。地面溫度露點(diǎn)差在5 ℃以上,受熱帶氣旋西北側(cè)東北氣流控制。2015—2018年海南省區(qū)域性O(shè)3污染共有5 d(12.5%)屬于熱帶系統(tǒng)型,在4種天氣類型中最少。
圖a 高度場(等值線)單位為10 gpm,風(fēng)場單位為m·s-1;圖b 相對濕度(填色)單位為%,溫度(黑實(shí)線)單位為℃,風(fēng)場單位為m·s-1;圖c海平面氣壓(填色)單位為hPa,溫度露點(diǎn)差(綠實(shí)線)單位為°C,地面10 m風(fēng)單位為m·s-1
(1)2015—2018年海南省共有40 d發(fā)生了區(qū)域性O(shè)3污染,發(fā)生概率為2.73%。2015年和2017年達(dá)到了13 d,發(fā)生概率為3.56%,2018年為11 d(3.01%),2016年僅為3 d(0.82%)。區(qū)域性O(shè)3污染的天氣型分類表明,冷空氣偏西下型最多,共有14 d,占所有天數(shù)的35%,且污染較重。冷空氣偏東下型為12 d,變暖高壓脊型和熱帶系統(tǒng)型出現(xiàn)區(qū)域性O(shè)3污染天數(shù)分別為9 d和5 d。
(2)不同天氣類型下的O3污染范圍和強(qiáng)度不同。冷空氣偏西下型O3-8h濃度表現(xiàn)為北部、西部和南部偏高,中部和東部偏低的分布特征,超標(biāo)市縣共有8個。冷空氣偏東下型O3-8h濃度北部和西部偏高,中部、東部和南部偏低。變暖高壓脊型O3-8h濃度呈四周沿海高,中部山區(qū)低的分布特征,且超標(biāo)市縣O3-8h濃度值偏小。熱帶系統(tǒng)型海南省O3-8h濃度表現(xiàn)為南半部偏高,北半部偏低的分布特征。
(3)對海南省出現(xiàn)區(qū)域性O(shè)3污染的4類天氣類型診斷分析表明,500 hPa有副熱帶高壓控制,或者處于熱帶系統(tǒng)外圍下沉區(qū);850 hPa海南省氣溫在14 ℃以上,有明顯的相對濕度低值區(qū)從中國東部向海南省延伸,受東北風(fēng)控制,風(fēng)速偏大。地面形勢場表現(xiàn)為冷高壓底部或者熱帶氣旋西北側(cè),溫度露點(diǎn)差在5 ℃以上,均有利于海南省O3濃度上升,出現(xiàn)區(qū)域性O(shè)3污染天氣。