成 翔，趙曉莉，曹 楊

(四川省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，成都 610072)

前 言

隨著各級(jí)政府大氣污染防控力度的不斷加大，PM2.5濃度持續(xù)下降，然而大氣臭氧污染呈現(xiàn)快速上升和蔓延態(tài)勢(shì)，近幾年更是多次出現(xiàn)大范圍、長(zhǎng)時(shí)間臭氧污染過(guò)程，已成為影響春夏季環(huán)境空氣質(zhì)量的重要因素[1～3]。對(duì)流層臭氧特別是近地面臭氧超過(guò)自然水平時(shí)，會(huì)對(duì)人體健康、植被生態(tài)、氣候變化等產(chǎn)生不利影響[4～7]。四川盆地受復(fù)雜地形、特殊氣象條件、前體物排放等多重因素影響，每年從四月開始，臭氧污染發(fā)生概率升高[8～11]。短期內(nèi)排放源大致不變的情況下，氣象條件是影響臭氧污染最重要的因素[12～16]。眾多研究表明，臭氧濃度的高低與溫度、濕度、輻射、邊界層高度等氣象要素密切相關(guān)，高溫、低濕、光照充足的氣象條件有利于臭氧污染發(fā)生[17～22]。

連續(xù)高溫天氣意味著高輻射、高溫度、低濕度和較差的大氣擴(kuò)散程度，還可能存在逆溫現(xiàn)象。人類排放的工業(yè)廢氣及化石燃料燃燒所排放的尾氣中含有大量氮氧化物(NOX)和揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)，它們?cè)诟邷氐臍庀髼l件下，會(huì)發(fā)生一系列光化學(xué)反應(yīng)生成臭氧，這可能就是高溫天氣助長(zhǎng)臭氧污染的原因。前人研究臭氧污染與氣象條件的關(guān)系更多集中在統(tǒng)計(jì)分析臭氧容易發(fā)生時(shí)段(如夏季)各氣象要素與臭氧污染的相關(guān)性，確定有利于臭氧污染發(fā)生的氣象條件，針對(duì)連續(xù)高溫天氣期間臭氧污染發(fā)生氣象條件進(jìn)行分析的研究較少?；诖?，本文利用地面臭氧觀測(cè)數(shù)據(jù)、地面氣象觀測(cè)站資料、全國(guó)智能網(wǎng)格實(shí)況融合分析產(chǎn)品(CLDAS)、衛(wèi)星觀測(cè)地表太陽(yáng)入射輻射產(chǎn)品等，分析四川盆地2022年8月6日至28日持續(xù)高溫期臭氧實(shí)況及相關(guān)氣象條件，并與歷史同期進(jìn)行比較，了解氣象條件對(duì)臭氧污染發(fā)生的影響，以期為區(qū)域臭氧污染防治和其他地區(qū)進(jìn)行相關(guān)研究提供參考。

1 材料與方法

四川盆地位于中國(guó)西南部四川省內(nèi)，總面積約26萬(wàn)多平方公里，西依青藏高原和橫斷山地，北靠秦嶺山地與黃土高原相望，東接湘鄂西山地，南連云貴高原。四川盆地為丘陵性盆地，底部以丘陵為主，次為低山和平原。氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤(rùn)氣候，氣溫東高西低，南高北低。如圖1所示，將四川盆地分為成都平原、川南、川東北三個(gè)區(qū)域進(jìn)行分析，其中，成都、德陽(yáng)、綿陽(yáng)、眉山、資陽(yáng)、遂寧、樂(lè)山、雅安等8市合稱為成都平原，自貢、內(nèi)江、宜賓、瀘州等4市合稱為川南，廣元、南充、巴中、達(dá)州、廣安等5市合稱為川東北。2022年8月，四川盆地出現(xiàn)了罕見高溫天氣過(guò)程，四川省氣象臺(tái)連續(xù)23天發(fā)布高溫預(yù)警，8月6日發(fā)布高溫藍(lán)色預(yù)警，8月10日提升為高溫橙色預(yù)警，一直持續(xù)到8月28日才解除高溫橙色預(yù)警。在此期間，四川盆地部分典型臭氧污染易發(fā)城市出現(xiàn)了近幾年最長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)臭氧污染過(guò)程，如成都連續(xù)18天出現(xiàn)輕度以上臭氧污染，眉山連續(xù)14天出現(xiàn)輕度以上臭氧污染。

圖1 四川盆地地理位置分布圖Fig.1 Geographical distribution map of Sichuan Basin

地面臭氧和二氧化氮(NO2)觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)小時(shí)報(bào)數(shù)據(jù)，本文使用的臭氧質(zhì)量濃度日數(shù)據(jù)為日最大 8 小時(shí)滑動(dòng)平均濃度，NO2質(zhì)量濃度日數(shù)據(jù)為24小時(shí)平均濃度，根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ633-2012)和《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)，由小時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算而來(lái)。本文使用時(shí)間序列為2019年至2022年的每年8月6～28日。

地面氣象觀測(cè)站資料和CLDAS產(chǎn)品中的氣溫、相對(duì)濕度、降水等氣象要素為逐小時(shí)數(shù)據(jù)，日最高氣溫為日產(chǎn)品，一天 2 次(08 和 20 時(shí))。四川省共156個(gè)國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站，CLDAS產(chǎn)品的空間分辨率為 5km。本文使用CLDAS產(chǎn)品的時(shí)間序列為2019年至2022年的每年8月6～28日，地面氣象觀測(cè)站資料的時(shí)間序列為2013年至2022年的每年8月6～28日。

FY-4A衛(wèi)星地表太陽(yáng)入射輻射產(chǎn)品覆蓋范圍為全圓盤、無(wú)投影，空間分辨率為4 km，時(shí)間分辨率一般為1 h，最高可達(dá)15 min(全天共40個(gè)觀測(cè)時(shí)次，除每個(gè)整點(diǎn)時(shí)次的觀測(cè)外，每3 h整點(diǎn)前后15 min各有一次觀測(cè))。本文使用產(chǎn)品輸出要素為總輻照度，單位為 W/m2。本文使用時(shí)間序列為2019年至2022年的每年8月6～28日。

研究時(shí)段各參數(shù)的平均值采用該時(shí)段小時(shí)或者日數(shù)據(jù)平均得到，臭氧污染日是指該日首要污染物為臭氧且AQI超過(guò)100，研究時(shí)段的臭氧污染日數(shù)計(jì)算累計(jì)值。區(qū)域平均值采用區(qū)域內(nèi)有效觀測(cè)站點(diǎn)或格點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算平均得到。

2 結(jié)果與分析

2.1 臭氧污染實(shí)況分析

2.1.1 臭氧污染日數(shù)分布

2019～2022年8月6～28日歷年同期四川盆地各城市臭氧污染日數(shù)分布如圖2，分區(qū)域統(tǒng)計(jì)見表1。整體看，統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)四川盆地臭氧污染日數(shù)出現(xiàn)較多的年份是2019年(6.9天)和2022年(5.5天)。2019年，成都平原、川南、川東北的平均臭氧污染日數(shù)分別為7.8天、9.8天、3.4天，成都平原和川南兩個(gè)區(qū)域的污染狀況相差不大，出現(xiàn)臭氧污染日數(shù)較多的城市為成都和瀘州，均為13天；2022年，成都平原、川南、川東北的平均臭氧污染日數(shù)分別為8.9天、5.5天、0天，成都平原的臭氧污染日數(shù)明顯多于川南，分城市看，成都、眉山、樂(lè)山、宜賓、德陽(yáng)的臭氧污染日數(shù)較多，分別為19天、17天、14天、10天和9天，其余城市的臭氧污染日數(shù)均為5天及以下。此外，2022年統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)，成都和眉山均出現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)臭氧污染過(guò)程，分別為18天和14天，這是2019年至2021年從未出現(xiàn)過(guò)的情況。

表1 2019～2022年8月6～28日歷年同期四川盆地臭氧污染日數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of ozone pollution days in Sichuan Basin during the same period of the calendar years from August 6 to 28，2019 to 2022 (d)

圖2 2019～2022年8月6～28日歷年同期四川盆地臭氧污染日數(shù)分布圖Fig.2 Distribution of ozone pollution days in Sichuan Basin during the same period of the calendar years from August 6 to 28，2019 to 2022

2.1.2 臭氧和NO2濃度分布

利用2019～2022年8月6～28日歷年同期四川盆地空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)日?qǐng)?bào)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析地面臭氧和NO2濃度分布特征。2019～2022年8月6～28日四川盆地平均臭氧濃度和NO2濃度及與2019～2020年歷年同期差值分布如圖3和圖4，分區(qū)域統(tǒng)計(jì)見表2。整體來(lái)看，四川盆地在2019年(139.3 μg/cm3)和2022年(140.9 μg/cm3)統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)的平均臭氧濃度明顯高于2020年(106.7 μg/cm3)和2021年(95.5 μg/cm3)同期，2022年平均臭氧濃度最高，平均NO2濃度則表現(xiàn)為2019年>2020年>2022年>2021年。2022年統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)各區(qū)域平均臭氧濃度分布趨勢(shì)為成都平原>川南>川東北，平均NO2濃度三個(gè)區(qū)域均為17.0 μg/cm3，2019～2021年歷年同期各區(qū)域平均臭氧濃度分布趨勢(shì)均為川南>成都平原>川東北，平均NO2濃度則表現(xiàn)為成都平原和川東北略高于川南，但差異較小。分區(qū)域看，成都平原2022年統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)的平均臭氧濃度高于2019年同期，偏高13.4 μg/cm3，但平均NO2濃度偏低9 μg/cm3，川南和川東北2022年統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)的平均臭氧濃度低于2019年同期，分別偏低10.0 μg/cm3和8.0 μg/cm3，平均NO2濃度分別偏低8 μg/cm3和9 μg/cm3。臭氧污染的發(fā)生受氣象條件和前體物含量共同影響，結(jié)合臭氧和前體物之一的NO2分布可見，2022年持續(xù)高溫期間連續(xù)臭氧污染過(guò)程的發(fā)生受氣象條件的影響較大。

表2 2022年8月6～28日四川盆地臭氧和NO2濃度及與2019～2021年歷年同期差值統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of ozone and NO2 concentrations in Sichuan Basin from August 6 to 28，2022 and its difference with the same period in 2019～2021

圖3 2019～2022年8月6～28日歷年同期四川盆地臭氧濃度空間分布圖Fig.3 Distribution of ozone concentrations in Sichuan Basin during the same period of the calendar years from August 6 to 28，2019 to 2022

圖4 2019～2022年8月6～28日歷年同期四川盆地NO2濃度空間分布圖Fig.4 Distribution of NO2 concentrations in Sichuan Basin during the same period of the calendar years from August 6 to 28，2019 to 2022

2.2 氣象條件分析

2.2.1 氣溫分布

氣溫能較好地反映太陽(yáng)輻射的變化，太陽(yáng)輻射增強(qiáng)時(shí)氣溫升高，有利于生成臭氧的大氣光化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。利用2019～2022年8月6～28日歷年同期四川盆地地面氣溫產(chǎn)品分析其空間分布及時(shí)間變化特征(圖5)。整體來(lái)看，四川盆地的地面氣溫呈東高西低特征。從盆地各區(qū)域看，分析時(shí)段內(nèi)歷年同期均表現(xiàn)為川南>川東北>成都平原。從時(shí)間變化來(lái)看，2022年8月6～28日四川盆地的地面氣溫明顯高于2019～2021年同期，變化趨勢(shì)為2022年>2019年>2020年>2021年，與臭氧濃度時(shí)間變化特征一致，表現(xiàn)為地面氣溫越高的年份臭氧濃度越高。2022年統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)，成都平原、川南、川東北三個(gè)區(qū)域的氣溫平均值分別為28.2℃、32.3℃和30.9℃，表現(xiàn)為川南>川東北>成都平原，與臭氧污染分布情況(成都平原>川南>川東北)略有差異?？赡茉蛴袃牲c(diǎn)：一是地形差異造成各城市間氣溫分布差異較大；二是氣象條件是臭氧污染發(fā)生的重要影響因素之一，但不是唯一影響因素，臭氧污染的發(fā)生還受前體物排放等因素影響，有研究發(fā)現(xiàn)臭氧前體物之一的NO2在四川盆地的高值區(qū)主要分布在成都市及其周邊的眉山市和德陽(yáng)市[23]。

圖5 2019～2022年8月6～28日歷年同期四川盆地氣溫空間分布圖Fig.5 Distribution of temperature in Sichuan Basin during the same period of the calendar years from August 6 to 28，2019 to 2022

2.2.2 輻射分布

利用2019～2022年8月6～28日歷年同期四川盆地FY-4A衛(wèi)星觀測(cè)地表太陽(yáng)入射輻射產(chǎn)品，分析輻射的空間分布及時(shí)間變化特征(圖6)。整體來(lái)看，四川盆地的地表太陽(yáng)入射輻射呈東高西低的空間分布特征。區(qū)域分布特征及時(shí)間演變規(guī)律表現(xiàn)為與地面氣溫分布一致。2022年統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)，成都平原、川南、川東北三個(gè)區(qū)域的氣溫平均值分別為708.3 W/m2、785.3 W/m2和722.3 W/m2，也表現(xiàn)為川南高于其他兩個(gè)區(qū)域。

圖6 2019～2022年8月6～28日歷年同期四川盆地地表太陽(yáng)入射輻射空間分布圖Fig.6 Distribution of global irradiance in Sichuan Basin during the same period of the calendar years from August 6 to 28，2019 to 2022

2.2.3 降水分布

圖7為2019～2022年8月6～28日歷年同期四川盆地累積降水量空間分布圖。2019年、2020年和2022年四川盆地累積降水量空間特征表現(xiàn)為西高東低，2021年盆地各區(qū)域的累積降水量相差不大。從時(shí)間變化來(lái)看，2022年統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)四川盆地的累積降水量明顯低于2019～2021年同期，變化趨勢(shì)為2022年<2019年<2021年<2020年，與臭氧濃度的時(shí)間演變規(guī)律相關(guān)性較高，表現(xiàn)為累積降水量較多的年份臭氧濃度較低，主要是因?yàn)榻邓l(fā)生時(shí)，一般云層較多，會(huì)吸收太陽(yáng)輻射，不利于大氣光化學(xué)反應(yīng)和臭氧的轉(zhuǎn)化與生成，此外，降水會(huì)清除臭氧前體物，影響臭氧生成[24]。2022年統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)，成都平原、川南、川東北三個(gè)區(qū)域的累積降水量平均值分別為52.5 mm、9.9 mm和14.9 mm，表現(xiàn)為川南<川東北<成都平原。

圖7 2019～2022年8月6～28日歷年同期四川盆地累積降水量空間分布圖Fig.7 Distribution of accumulated precipitation in Sichuan Basin during the same period of the calendar years from August 6 to 28，2019 to 2022

2.2.4 相對(duì)濕度分布

圖8為2019～2022年8月6～28日歷年同期四川盆地相對(duì)濕度空間分布圖。由圖可見，相對(duì)濕度的時(shí)空分布特征與降水量的分布關(guān)系密切，表現(xiàn)為一致的分布趨勢(shì)。2022年統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)，成都平原、川南、川東北三個(gè)區(qū)域的相對(duì)濕度平均值分別為69.5%、56.0%和58.6%，表現(xiàn)為川南<川東北<成都平原。由于高相對(duì)濕度也是形成濕清除的重要指標(biāo)，影響臭氧前體物濃度，不利于臭氧濃度的積累，此外有研究表明當(dāng)相對(duì)濕度大于90%時(shí)，臭氧分解速率會(huì)明顯加快[25]，因此相對(duì)濕度的時(shí)空演變特征也能較好地對(duì)應(yīng)臭氧濃度的時(shí)空分布特征。

2.2.5 近10年地面氣象要素變化情況

利用2013～2022年8月6～28日歷年同期四川盆地地面氣象觀測(cè)站資料，分析近10年氣溫、日最高氣溫、相對(duì)濕度、降水等地面氣象要素的長(zhǎng)時(shí)間變化情況。圖9為近10年歷年同期的各氣象要素平均值時(shí)間序列圖，圖10為2022年8月6～28日各氣象要素與2013～2021年歷年同期差值的時(shí)間序列圖。由圖可知，2022年研究時(shí)段的氣溫和日最高氣溫平均值為近10年最高，與2013～2021年歷年同期差值均為正值；累積降水量和相對(duì)濕度平均值為近10年同期最低，與2013～2021年歷年同期差值均為負(fù)值。近10年氣溫和日最高氣溫在成都平原、川南、川東北三個(gè)區(qū)域的變化趨勢(shì)基本一致，氣溫的最低值在三個(gè)區(qū)域均出現(xiàn)在2014年，日最高氣溫的最低值出現(xiàn)年份在三個(gè)區(qū)域略有不同，成都平原為2014年，川南和川東北均為2015年。近10年各個(gè)區(qū)域的累積降水量和相對(duì)濕度的變化趨勢(shì)是一致的，三個(gè)區(qū)域的最低值均出現(xiàn)在2022年，成都平原的最高值出現(xiàn)在2020年，川南的最高值出現(xiàn)在2015年，川東北的最高值出現(xiàn)在2021年。2022年研究時(shí)段的氣溫和日最高氣溫的區(qū)域分布趨勢(shì)為川南>川東北>成都平原，累積降水量和相對(duì)濕度的區(qū)域分布趨勢(shì)為川南<川東北<成都平原，與前面的研究結(jié)論一致，原因同前面的分析，由于氣象條件不是臭氧污染發(fā)生的唯一影響因素，還受臭氧前體物排放影響。

圖9 2013～2022年8月6～28日歷年同期四川盆地氣象要素時(shí)間序列圖Fig.9 Time series of meteorological elements in Sichuan Basin during the same period of the calendar years from August 6 to 28，2013 to 2022

圖10 2022年8月6～28日四川盆地氣象要素與2013～2021年歷年同期差值時(shí)間序列圖Fig.10 Time series of difference between meteorological elements in Sichuan Basin from August 6 to 28，2022 and the same period in 2013～2021

3 結(jié) 論

本文利用地面臭氧和氣象要素觀測(cè)數(shù)據(jù)分析四川盆地2022年8月6日至28日持續(xù)高溫期的臭氧實(shí)況及相關(guān)氣象條件，并與歷史同期進(jìn)行比較，得出以下結(jié)論：

(1)2022年分析時(shí)段內(nèi)，四川盆地的平均臭氧濃度和臭氧污染日數(shù)高于2019～2021年同期，各區(qū)域平均臭氧濃度和臭氧污染日數(shù)分布趨勢(shì)為成都平原>川南>川東北，成都和眉山均出現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)臭氧污染過(guò)程，分別為連續(xù)18天和14天。

(2)對(duì)同時(shí)期四川盆地的地面氣溫、地表太陽(yáng)入射輻射、降水、相對(duì)濕度等氣象要素的時(shí)空分布特征進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，地面氣溫和輻射的分布特征一致，空間上呈東高西低特征，2022年為分析時(shí)段內(nèi)歷年峰值，降水和相對(duì)濕度的分布特征一致，空間上呈西高東低特征，2022年為分析時(shí)段內(nèi)歷年谷值，氣象條件分布能較好的與臭氧實(shí)況分布對(duì)應(yīng)。

(3)2022年分析時(shí)段的地面氣溫和輻射的區(qū)域分布趨勢(shì)為川南>川東北>成都平原，累積降水量和相對(duì)濕度的區(qū)域分布趨勢(shì)為川南<川東北<成都平原，與臭氧污染分布略有差異，這可能是因?yàn)闅庀髼l件是臭氧污染發(fā)生的重要影響因素之一，但不是唯一影響因素，臭氧污染的發(fā)生還受前體物排放等因素影響。

(4)對(duì)四川盆地典型的持續(xù)高溫期臭氧污染過(guò)程及相關(guān)氣象條件進(jìn)行分析，有助于了解高溫天氣對(duì)臭氧污染發(fā)生的影響作用，可為區(qū)域臭氧污染防治提供理論和科學(xué)依據(jù)，同時(shí)為其他地區(qū)進(jìn)行相關(guān)研究提供借鑒作用。