張芊 祝祿祺 龐可 張鑫

摘要：利用國控點蘭州城市污染資料以及歐洲中期天氣預報中心的 ERA-interim 再分析資料，分析了16年7月2日、18年7月9日兩次臭氧污染過程，對蘭州地區(qū)污染天氣的特征和過程進行了分析研究并總結了蘭州地區(qū)臭氧污染類型天氣的特點。研究結果表明：（1）通過分析夏季蘭州的臭氧污染，結合污染天氣當天各污染物的濃度趨勢以及風速場、溫度場變化，得出蘭州市臭氧污染與NO₂、CO 兩種主要污染物的濃度以及太陽輻射強度相互聯(lián)系，蘭州夏季臭氧污染時間周期短，持續(xù)污染能力較差，污染成分復雜，其污染過程主要集中在一天太陽輻射最強烈的時段。

關鍵詞：大氣環(huán)境;蘭州;臭氧;氣象場

中圖分類號：X511文獻標志碼： A

0 引言[1]

臭氧是一種強氧化劑，比重為空氣的1.66倍，常集聚在下層空間，其強烈刺激人的呼吸道，造成咽喉腫痛、胸悶咳嗽，引發(fā)支氣管炎和肺氣腫;造成人的神經(jīng)中毒，頭暈頭痛、視力下降、記憶力衰退;對人體皮膚中的維生素E起到破壞作用;破壞人體的免疫機能，誘發(fā)淋巴細胞染色體病變，加速衰老，致使孕婦生畸形兒等一系列健康問題。因此，大氣環(huán)境中臭氧濃度上升所造成的污染天氣必須引起人們的高度重視。

對于蘭州地區(qū)的污染過程，已經(jīng)有不少學者進行了相關研究工作，并得到了很多有意義的結果。王穎等運用CAMQ空氣質量模式及WRF中尺度氣象模式，通過采用湍流閉合方案、混合層高度和湍流交換系數(shù)參數(shù)化方法等方面研究了WRF模式下不同邊界層參數(shù)化方案對模擬邊界層低層氣象要素特征的差異，驗證了CAMQ模式模擬山谷地區(qū)城市中空氣污染物的輸送、擴散、消亡以及轉化的能力，給出了適應蘭州地區(qū)的污染數(shù)值模擬方案，分析了蘭州地區(qū)O₃、PM₁₀、CO等主要幾種污染物的時空變化分布特征，以及高架污染源對蘭州地區(qū)空氣質量的貢獻率;楊雪玲利用 11-16 年蘭州地區(qū)的污染物濃度資料分析了蘭州污染物濃度的時空分布規(guī)律，探討了風速風向、氣溫、降水等氣象要素對污染物濃度分布的影響，并研究了重污染過程中環(huán)流形勢和氣象條件的變化特征。因此利用數(shù)值產(chǎn)品ERA-interim 再分析資料，定量分析蘭州地區(qū)年際范圍內不同類型的污染過程，進而研究不同環(huán)流場、溫度場、風場以及層結穩(wěn)定度，對污染物濃度的空間分布和時間變化的影響，以及探究蘭州地區(qū)全年不同類型污染事件發(fā)生發(fā)展的規(guī)律及特點。

蘭州市空氣污染多發(fā)，分析 1999、2000 年兩年的空氣污染指數(shù)的結果表明，蘭州平均的空氣污染指數(shù) AQI 年平均達到 239，是我國 42 個主要城市里空氣污染最為嚴重的城市，在 42 個主要城市的 AQI 年平均指數(shù)中，蘭州是唯一一個 AQI 年平均指數(shù)超過了200 的地區(qū)。蘭州地區(qū)的三大主要污染類型分布在不同季節(jié)，春季以沙塵暴和浮沉污染為主，夏季以臭氧等光化學煙霧污染為主，冬季以煤煙型污染為主。通過量化分析蘭州地區(qū)的空氣污染發(fā)生、發(fā)展及消亡的過程，得出蘭州地區(qū)空氣污染的主要形成原因及擴散、消亡的特點，將對及時防災減災、提高人們生活質量和國民經(jīng)濟建設具有重要現(xiàn)實意義;對空氣污染做出定量準確的預報和監(jiān)測，將對制定預防人體健康危害的措施，具有顯著的科學價值和十分重要的實際意義;同時，依照研究的結論也將對對城市污染的治理，城市的管理規(guī)劃起到重要的支撐作用。

1 方法介紹

1.1 資料選取

ERA-Interim再分析資料是ECMWF繼ERA40資料之后推出的一套新的再分析資料，包含1979年至今的時段，與ERA40時段上有部分重疊（1989—2002年），但在資料同化處理上有很大的進步一是由原先的三維同化系統(tǒng)（3D VAR）變更為現(xiàn)今使用的四維同化系統(tǒng)（4D VAR）;二是更新了同化模型，最新的綜合預報系統(tǒng)為IFS Cy45r1;三是提升了格網(wǎng)分辨率，水平格網(wǎng)能提供不高于0.75°×0.75°精度的數(shù)據(jù);四是應用了更多的衛(wèi)星數(shù)據(jù)包括：衛(wèi)星亮溫資料、GPS掩星資料、散射計資料，以及地面觀測資料。其地面資料獲取仍使用TESSEL過程（Tiled ECMWF Scheme for Surface Exchanges over Land）。ERA-Interim能夠提供不同氣壓位的多種氣象數(shù)據(jù)，由1000 hPa上升到1 h Pa高度，1000hPa至100 h Pa的壓強間隔為25 h Pa。數(shù)據(jù)時段包括00時、06時、12時、18時（世界時），其中00時和12時為分析產(chǎn)品，06時和18時為預報產(chǎn)品。

1.2 資料使用方法

NCL（The NCAR Command Language）是一種專門為科學數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)可視化設計的高級語言，很適合用在氣象數(shù)據(jù)的處理和可視化上。NCL 包含了現(xiàn)代編程語言的許多常見功能：條件語句、循環(huán)、數(shù)組運算等。此外，NCL 還包括許多有用的內置函數(shù)和過程用來進行處理和操作數(shù)據(jù)，其中包括統(tǒng)計函數(shù)、插值、EOF 分析、波譜分析等

本文選用 ERA-interim 再分析資料提供的16年7月2日，18年7月9日的單日資料，運用 NCL 進行可視化處理。再分析資料提供了當日世界時 0時、6時、12時、18時的四次觀測資料，本文運用每個時間節(jié)點的觀測數(shù)據(jù)對影響蘭州地區(qū)的風場、溫度場進行分析。運用統(tǒng)計分析軟件對蘭州市及各站點的O_3、CO_、NO₂濃度數(shù)據(jù)進行處理，結合NCL處理再分析資料得出的氣象場圖形資料，研究蘭州地區(qū)的各個污染過程。

2 16年7月2日臭氧污染過程分析

近年以來，臭氧污染頻繁發(fā)生，已經(jīng)成為主要環(huán)境污染的之一。臭氧是存在于大氣層中的抗氧化物和碳氫化合物等被太陽照射，進而發(fā)生光化學反應而形成的，其廣泛存在于人類生活的大氣層中，但是當人類活動區(qū)域周邊的臭氧濃度超過一定范圍時，會造成光化學煙霧等污染。臭氧在空氣中的含量遠遠小于其他組成成分，對它的科學研究尚不充分。本文選取2016年7月2日和2018年7月9日兩次典型臭氧污染過程，對蘭州地區(qū)的夏季臭氧特點進行分析。

2.1 污染物濃度分析

蘭州市7月2日臭氧濃度嚴重超標，根據(jù)圖1（c）O₃實時濃度變化曲線反應的變化趨勢，臭氧濃度在0時到7時維持在較低濃度水平，在8時開始增加，在9時到12時濃度劇烈增加達到峰值，此后直到20時呈現(xiàn)階梯式下降趨勢，20時后維持在150-200區(qū)間，達到峰值后雖有下降，但臭氧濃度始終保持在一個較高的濃度范圍。依照圖1（a）（b）反應的CO、NO₂逐小時濃度變化曲線，CO濃度在7時至12時達到最高，NO₂濃度在0時至12時始終維持在較高的水平，在當日13時CO、NO₂濃度均劇烈減少，且在13至23時兩種污染物維持在較低的水平。由此可以判斷，O₃進行光化學反應依賴于污染物NO₂、CO的濃度，NO₂、CO在早晨維持一個較高濃度的水平，在進行光化學反應后，濃度劇烈下降，而O₃在午間達到峰值，并隨著NO₂、CO的濃度遞減而減少。

2.2 蘭州市氣象場分析

圖2（a、b）顯示蘭州市當日風向上午8時為西南風，下午2時為北風，由于蘭州市河谷地形因素的影響，蘭州市的污染物擴散能力弱，易于累積;圖3（a、b、c、d）分別為當日2時、8時、14時、20時的溫度場分布，2時溫度為286K，8時溫度升至298K，14時溫度達到303K，20時溫度回落至292K，當日溫度峰值不低于30攝氏度，可判斷當日太陽輻射在8時至14時強烈，并易于NO₂、CO參與的光化學反應的產(chǎn)生，起到催化作用。

3 18年7月9日臭氧污染程分析

3.1 污染物濃度分析

蘭州市7月9日臭氧濃度超標，根據(jù)圖4（c）O₃實時濃度變化曲線反應的變化趨勢，臭氧濃度在0時到8時維持在較低濃度水平，在8時到16時濃度緩慢增加達到峰值，此后直到18時濃度維持在較高水平，18時后濃度劇烈下降，在當天23時達到較低水平。依照圖4（a）（b）反應的CO、NO₂逐小時濃度變化曲線，CO濃度全天維持較高濃度的水平，在12時出現(xiàn)下滑，至23時達到最低值;NO₂濃度在0時至9時始終維持在較高的水平，在當日10時NO₂濃度緩慢減少，在10時至23時污染物始終維持在較低的水平。本次污染過程三種污染物濃度的變化情況與16年7月2日的污染物濃度變化相似，均為NO₂、CO在早晨維持一個較高濃度的水平，在進行光化學反應后，濃度劇烈下降，在下午維持較低水平，而O₃在午后達到峰值，并隨著NO₂、CO的濃度遞減而減少。

4.2.2 蘭州市氣象場分析

圖5（a、b）顯示蘭州市當日風向上午8時，下午2時均為北風，由于蘭州市河谷地形因素的影響，蘭州市的污染物擴散能力弱，易于累積;圖6（a、b、c、d）分別為當日2時、8時、14時、20時的溫度場分布，2時溫度為286K，8時溫度升至296K，14時溫度達到298K，20時溫度回落至286K，與16年7月2日的污染過程相比較，其最高溫度較低，且劇圖4（c）O₃濃度的峰值在15時才達到峰值，因此可判斷太陽輻射的強烈程度與產(chǎn)生O₃的光化學反應的反應時間與劇烈程度呈正相關;7月2日當天的NO₂濃度是此次污染天氣過程NO₂濃度的兩倍，同時7月2日當天O₃的峰值濃度也約為此次污染過程O₃峰值濃度的一倍，因此可推斷反應物濃度決定了生成物O₃的濃度。

3結論

在利用污染資料以對蘭州地區(qū)發(fā)生的兩種類型的三次污染過程進行污染物濃度及變化趨勢的研究，以及結合歐洲中期天氣預報中心的 ERAinterim 再分析資料，對污染時段內的氣象場加以分析，我們得出以下結論：

夏季蘭州的污染天氣類型多為臭氧污染，結合污染天氣當天各污染物的濃度變化及趨勢和風速場、溫度場等氣象場要素，得出蘭州市臭氧污染與NO₂、CO兩種主要污染物的濃度以及太陽輻射強度相互聯(lián)系;NO₂、CO濃度的高低是生成物O₃濃度高低的決定因素之一;當天太陽輻射的強弱與產(chǎn)生O₃的光化學反應的時間長短及反應劇烈程度相關;當天主要污染濃度呈現(xiàn)NO₂、CO在早晨達到峰值，在太陽輻射的催化作用下，參與光化學反應生成O₃并消耗，在當天午后呈現(xiàn)不斷下降的趨勢，而O₃在凌晨濃度穩(wěn)定，在光化學反應發(fā)生后，在中午或者下午時段達到峰值，且濃度增長率與太陽輻射的強度正相關，在NO₂、CO反應停止后，由于產(chǎn)生源消失，O₃濃度呈不斷下降趨勢。蘭州夏季臭氧污染時間周期短污染成分復雜，持續(xù)污染能力較差，其污染過程主要集中在一天太陽輻射最強烈的時段。

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基金項目：中央高校基本科研業(yè)務費專項資金（No.lzujbky-2017-66）

作者簡介：張芊，（1997-），男，碩士研究生，研究方向：大氣物理與大氣環(huán)境，環(huán)境影響評價