麥健華,于玲玲,鄧雪嬌,歐洪輝,余欣洋

珠三角西部一次冬季臭氧污染過程分析

麥健華1,于玲玲2,鄧雪嬌3*,歐洪輝4,余欣洋1

(1.中山市氣象局,廣東 中山 528400；2.廣東省氣象臺,廣東 廣州 510641；3.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所,廣東廣州 510641；4.廣東中山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站,廣東 中山 528400)

利用地面氣象和空氣質(zhì)量觀測資料、高空氣象觀測資料以及再分析數(shù)據(jù),對2021年12月8～12日位于珠三角西部的中山市的O3污染過程的特點(diǎn)及成因進(jìn)行分析.結(jié)果表明,該次過程為近年來罕見的冬季O3連續(xù)污染過程,期間O3平均峰值濃度是當(dāng)月非污染日的2.3倍.污染期間受副熱帶高壓和地面大陸高壓脊控制,中山市氣溫、日照和相對濕度偏高,風(fēng)速偏小,日間風(fēng)向以北風(fēng)為主,近地面的下沉氣流、逆溫層和日間相對濕度下降對O3污染起到增幅作用.污染過程存在明顯的外來污染物輸送現(xiàn)象,污染潛在源區(qū)主要位于中山市東北方向.在前體物積累階段,大量的NO2從上游地區(qū)流入中山市,為O3污染的出現(xiàn)提供了充足的前體物.污染期間NO2在有利的太陽輻射條件下,光解速率比當(dāng)月非污染日平均偏高23%,導(dǎo)致日間O3濃度快速上升,并在較差的擴(kuò)散條件下形成污染.

臭氧污染；氣象條件；輸送通量；光解速率

臭氧(O3)是大氣中的氮氧化物(NO)和可揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)在光化學(xué)反應(yīng)作用下生成的二次空氣污染物[1],近地面高濃度的O3對氣候、植被及人體健康均會產(chǎn)生嚴(yán)重的影響[2-4].O3污染事件的發(fā)生是光化學(xué)反應(yīng)前體物排放和氣象條件共同作用的結(jié)果[5-7],準(zhǔn)確的排放源清單為大氣污染事件提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集[8-9],而氣象條件作為污染事件的外因,具有影響要素多、時(shí)間變化快的特點(diǎn),一直是研究O3污染事件的關(guān)鍵[10-14].過往研究從宏觀上對容易導(dǎo)致O3污染的天氣類型進(jìn)行了分類,雖然各個(gè)地區(qū)由于地理位置差別導(dǎo)致分型有所差異,但我國大部分O3污染天氣類型與副熱帶高壓、臺風(fēng)外圍及地面高壓脊相關(guān)[15-17].氣象條件主導(dǎo)著O3的生消、傳輸和擴(kuò)散[18],盡管天氣類型有差異,但絕大多數(shù)O3污染事件發(fā)生在氣溫高、濕度低、輻射強(qiáng)以及一定的風(fēng)力等大氣條件下[19-22].隨著探測技術(shù)的進(jìn)步,O3激光雷達(dá)等垂直探測儀器的出現(xiàn)使大氣環(huán)境探測從近地面延展到對流層內(nèi)[23-24].研究表明,逆溫層、下沉運(yùn)動等大氣層結(jié)分布特征會使O3在邊界層內(nèi)積聚,對地面污染起到一定的增幅作用[25-26].

經(jīng)過數(shù)年的有效整治,廣東省的顆粒物污染在近年間已經(jīng)得到有效遏制[27],但隨之而來的O3污染卻呈現(xiàn)出上升趨勢[28],據(jù)統(tǒng)計(jì),2006～2019年,珠江三角洲地區(qū)O3區(qū)域平均值從48μg/m3上升到60μg/m3[29], O3已經(jīng)取代細(xì)顆粒物成為影響廣東省空氣質(zhì)量最主要的大氣污染物[30].珠三角O3污染具有持續(xù)時(shí)間長、影響范圍大、污染程度重等特點(diǎn),因此近年來該地區(qū)O3污染的研究已成為熱點(diǎn),這些研究主要聚焦在O3的污染來源[31]、O3與前體物的關(guān)系[32-34]及污染的氣象成因等方面[35-37].O3污染的出現(xiàn)與地區(qū)氣候特征密切相關(guān),廣東省的O3污染主要出現(xiàn)在夏、秋兩季[38-39],而冬季由于氣溫低、輻射弱,O3污染出現(xiàn)總體較少.但是2021年12月上中旬,珠江三角洲西部到廣東西部一帶出現(xiàn)了一次罕見的大范圍初冬O3污染過程,污染時(shí)段集中在12月8～12日,珠三角重要城市之一的中山市連續(xù)5d出現(xiàn)污染,是該次過程污染最為嚴(yán)重的城市.本文利用地面空氣質(zhì)量和氣象觀測數(shù)據(jù)、探空氣象數(shù)據(jù)、歐洲中心(ECMWF)的ERA5及美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)的GDAS再分析資料,對2021年冬季出現(xiàn)在中山市的此次罕見連續(xù)O3污染過程進(jìn)行分析,研究該過程的污染特征及成因,以期為該地區(qū)O3污染的預(yù)報(bào)預(yù)警提供參考.

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文使用的地面空氣質(zhì)量觀測數(shù)據(jù)來源于廣東省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心,包括了2021年12月珠江口周邊城市71個(gè)空氣質(zhì)量監(jiān)測站逐小時(shí)的O3和NO2實(shí)況數(shù)據(jù),站點(diǎn)分布如圖1所示.氣象數(shù)據(jù)來源于中山氣象站,站點(diǎn)位于中山市中心的紫馬嶺公園內(nèi),包括了2021年12月逐小時(shí)的氣溫、相對濕度、降水量、風(fēng)向風(fēng)速及太陽輻射數(shù)據(jù).在探空氣象數(shù)據(jù)方面,本文使用了溫廓線雷達(dá)及風(fēng)廓線雷達(dá)在垂直方向上的氣溫和垂直速度數(shù)據(jù).其中溫廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)由廣東中山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站提供,雷達(dá)同樣位于紫馬嶺公園內(nèi),包括了從地面到高空1000m的氣溫?cái)?shù)據(jù),垂直分辨率為50m,時(shí)間分辨率為1h.垂直速度探空數(shù)據(jù)采用了位于中山市西邊的江門新會市的風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù),雷達(dá)位置位于中山氣象站正西方約35km處,包括了從近地面到高空3000m的數(shù)據(jù),垂直分辨率60m,時(shí)間分辨率1h.氣象再分析資料采用了ECMWF的ERA5及NCEP的GDAS再分析資料,空間分辨率分別為0.25°×0.25°和1°×1°,時(shí)間分辨率分別為3h和6h,垂直方向分別為1000～200hPa共14層及1000～20hPa共23層.

圖1 空氣質(zhì)量監(jiān)測站點(diǎn)和中山氣象站位置

NO2是O3的重要前體物,其光解速率是分析大氣光化學(xué)污染的重要指標(biāo).本文使用了PFS-100光解光譜儀的NO2光解速率觀測資料,并分析其與本次O3污染過程的關(guān)系.光解光譜儀通過接收來自各個(gè)方向的太陽輻射獲得一定波長范圍內(nèi)的光譜信息,將光譜信息轉(zhuǎn)化為光化通量,并計(jì)算出多種大氣物質(zhì)(包括O1D、NO2、NO3、HONO、HCHO、H2O2)的光解速率.儀器觀測地點(diǎn)位于中山市金鐘水庫,與中山氣象站直線距離約4km.

1.2 研究方法

根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》[40],O3污染等級根據(jù)某天的O3濃度8h滑動平均(O3-8h)劃分為6個(gè)級別,分別為優(yōu)(0～100μg/m3)、良(101～160μg/m3)、輕度污染(161～215μg/m3)、中度污染(216～265μg/m3)、重度污染(266～800μg/m3)和嚴(yán)重污染(>800μg/m3),因此當(dāng)O3-8h超過160μg/m3時(shí),則認(rèn)為出現(xiàn)了O3污染.中山市的O3濃度采用位于紫馬嶺公園內(nèi)的空氣質(zhì)量國控站觀測的O3濃度數(shù)據(jù).

利用MeteoInfo軟件和TrajStat插件及NCEP的GDAS再分析數(shù)據(jù),計(jì)算了中山市O3污染的潛在源區(qū)(PSCF).PSCF方法假設(shè)后向軌跡經(jīng)過區(qū)域的排放源會對分析區(qū)域的污染造成影響,當(dāng)PSCF值大時(shí),代表該地排放源對分析區(qū)域污染的潛在貢獻(xiàn)大.本文把O3濃度污染閾值設(shè)置為160μg/m3,即超過閾值的O3濃度對應(yīng)的軌跡為污染軌跡,進(jìn)行O3污染軌跡的后向24h聚類分析,并在此基礎(chǔ)上計(jì)算PSCF值.

本文通過計(jì)算O3污染期間,污染物在中山市范圍內(nèi)(113.0～113.7°E,22.2～22.8°N)的輸送通量情況,量化了O3和NO2跨區(qū)域輸送對中山市污染過程的影響.利用圖1所示的空氣質(zhì)量監(jiān)測站點(diǎn)數(shù)據(jù),通過Cressman分析方法[41],選取適當(dāng)?shù)挠绊懓霃?把站點(diǎn)數(shù)據(jù)插值成格點(diǎn)數(shù)據(jù),再結(jié)合ERA5的地面10m風(fēng)場數(shù)據(jù),計(jì)算污染物的輸送通量.定義

南北向收支=南邊界輸送通量-北邊界輸送通量 (2)

東西向收支=西邊界輸送通量-東邊界輸送通量 (3)

總收支=南北向收支+東西向收支 (4)

式中:南北方向上北風(fēng)為負(fù)值,南風(fēng)為正值,東西方向上東風(fēng)為負(fù)值,西風(fēng)為正值,當(dāng)收支為正時(shí),表示污染物凈流入,收支為負(fù)時(shí),表示污染物凈流出.

2 結(jié)果與討論

2.1 污染過程概況

2021年12月上、中旬,珠三角西部到粵西出現(xiàn)了一次罕見的大范圍冬季O3污染過程,污染時(shí)段集中在12月8～12日,圖2為污染過程期間廣東各地市O3污染天數(shù),可見此次污染過程各城市污染天數(shù)從1～5d不等,其中位于珠三角西部的中山市連續(xù)5d出現(xiàn)污染,是此次過程污染最為嚴(yán)重的地區(qū).

圖2 2021年12月8～12日廣東省O3污染日數(shù)

審圖號:GS(2019)1822號

圖3 中山市2013～2021年12月份O3-8h(mg/m3)和污染等級

圖3為2013～2021年間中山市12月份的O3污染日歷,可見12月份出現(xiàn)O3污染的天數(shù)較少,近9a僅出現(xiàn)9d,且多是以持續(xù)時(shí)間為1d的短期污染為主,僅2021年12月8～12日出現(xiàn)了連續(xù)5d的長期污染,因此本次污染過程在近年非常罕見.本次過程O3-8h在162～184μg/m3之間,屬輕度污染.圖4為2021年12月中山市O3污染日與非污染日中,各時(shí)次平均O3濃度的日變化分布,可見污染日和非污染日中O3濃度均體現(xiàn)出明顯的晝高夜低日變化特征,絕大部分時(shí)次污染日的濃度要高于非污染日,在中午到下午O3濃度快速上升并達(dá)到峰值時(shí),污染日最高峰值濃度達(dá)269μg/m3,平均峰值濃度214μg/m3,為非污染日的2.3倍.傍晚O3濃度開始下降,但污染日濃度仍顯著高于非污染日濃度,部分時(shí)次污染日濃度可達(dá)非污染日的3倍以上,但在早晨8:00～9:00,污染日濃度與非污染日相當(dāng)接近,甚至略低于非污染日濃度,可見即使是在連續(xù)污染期間,夜間到早晨O3的清除作用仍然十分明顯,出現(xiàn)污染的原因主要在于日間O3濃度的快速增長.

圖4 2021年12月份中山市O3污染日及非污染日平均濃度日變化

2.2 天氣形勢分析

圖5為此次連續(xù)O3污染過程的平均500hPa位勢高度和海平面氣壓及其距平,其中距平為相對于過去5a(2016～2020年)同時(shí)段的平均500hPa位勢高度和海平面氣壓而言.如圖所示,污染過程期間副熱帶高壓主體位于華南、南海及中南半島一帶,其中588dagpm線位于廣東省中南部,珠江口西岸到粵西沿海等污染主要區(qū)域位于副高的主體控制之下,從污染時(shí)段與過去5a的平均位勢高度距平來看,廣東地區(qū)為正距平,位勢高度偏高4～6dagpm,說明污染期間副高偏強(qiáng),有利于晴好天氣的出現(xiàn)和光化學(xué)反應(yīng)生成O3[42].從海平面氣壓的分布來看,北高南低的氣壓場分布相當(dāng)明顯,且氣壓距平為正距平,說明大陸高壓脊較為強(qiáng)盛,地面維持長時(shí)間的盛行北風(fēng),有利于來自大陸方向的污染物向南輸送,使中山市等下游地區(qū)產(chǎn)生污染[43].因此,本次連續(xù)污染過程是在500hPa副高及地面冷高壓脊等有利的天氣系統(tǒng)控制之下所產(chǎn)生.

圖5 2021年12月8～12日500hPa平均位勢高度和平均海平面氣壓及距平

2.3 地面氣象要素特征及其與O3污染的關(guān)系

本次O3污染過程期間地面氣象要素表現(xiàn)出明顯的特征,圖6和表1分別為2021年12月上旬和中旬各天的O3-8h和氣象要素距平分布及相關(guān)系數(shù).

圖6 2021年12月上中旬O3-8h及各氣象要素距平

可以看出污染期間地面氣象要素表現(xiàn)出明顯的氣溫、日照和相對濕度偏高,風(fēng)速偏小的特征.12月8～12日污染期間5d的日最高氣溫距平均為正,距平在1.0～2.4℃之間.日照時(shí)數(shù)方面,除12月11日距平為負(fù),其余4d的距平在2.5～2.9h之間.充足的日照以及較高的氣溫有利于光化學(xué)反應(yīng)生成O3,導(dǎo)致污染的出現(xiàn).8～12日的風(fēng)速距平在-0.1～ -0.7m/s之間,靜小風(fēng)不利于污染物的擴(kuò)散.一般相對濕度較低時(shí)有利于O3污染的出現(xiàn)[44],但此次污染期間相對濕度偏高,距平在2%～15%之間,這是因?yàn)橹猩绞卸鞚穸绕蜁r(shí),地面一般是受強(qiáng)冷高壓脊控制,此時(shí)氣溫低、風(fēng)速大,并不利于O3污染的出現(xiàn).從相關(guān)系數(shù)來看,O3-8h濃度與日最高氣溫及日平均風(fēng)速的相關(guān)性最大,相關(guān)系數(shù)分別為0.61和-0.65,說明氣溫高、風(fēng)速小是此次污染過程最直接的氣象影響因素.

表1 2021年12月上中旬O3-8h與各氣象要素距平的相關(guān)系數(shù)

注:表中相關(guān)系數(shù)均通過了顯著性水平為0.01的顯著性檢驗(yàn).

圖7 2021年12月上中旬日間南北風(fēng)頻率、日最高氣溫及O3-8h

圖8 2021年12月8～12日中山市后向24h軌跡聚類及潛在源區(qū)

審圖號:GS(2019)1822號

除了風(fēng)速外,本次O3污染過程的出現(xiàn)也跟地面風(fēng)向密切相關(guān).圖7為2021年12月上中旬日間(09:00～19:00)南、北風(fēng)風(fēng)向頻率、日最高氣溫及O3-8h.可以看出受大陸高壓脊影響,12月上中旬中山市大部分日期吹北風(fēng)為主,僅12月15～16日2d南風(fēng)頻率達(dá)到一半以上.12月8～12日污染期間日間的南風(fēng)頻率在0～27%之間,且出現(xiàn)南風(fēng)的時(shí)段集中在傍晚時(shí)分,對日間O3的快速增長沒有直接影響.中山地處珠三角冬季風(fēng)的下風(fēng)向位置,當(dāng)吹北風(fēng)時(shí),加強(qiáng)了O3及其前體物向下游地區(qū)的輸送,容易使中山出現(xiàn)O3污染,而吹南風(fēng)時(shí)則為清潔的海上氣流,一般不會造成污染.從圖8污染期間到達(dá)中山的后向24h軌跡聚類分析及潛在源區(qū)分布可知,主要的近地面氣流有兩支,且均為北風(fēng)氣流,軌跡較長的一支氣流經(jīng)粵東沿海和深圳到達(dá)中山,較短的一支氣流經(jīng)東莞、廣州到達(dá)中山.從O3潛在源區(qū)來看,貢獻(xiàn)較大的源區(qū)均位于廣東省內(nèi),其中中山東北方向的東莞、深圳、惠州一帶潛在貢獻(xiàn)最大,PSCF值達(dá)到0.5以上,說明此次污染過程的污染物跨區(qū)域傳輸以短距離輸送為主.另外,從圖7可知,12月上中旬中12月16日的日最高氣溫最高,但16日南風(fēng)頻率較大,且南風(fēng)出現(xiàn)在中午前后,影響了O3的增長,因此沒有出現(xiàn)O3污染.

2.4 高空氣象要素特征分析

大氣垂直氣象條件對近地面空氣污染物的濃度變化具有重要影響.圖9是12月8～12日污染期間中山市附近垂直速度和相對濕度的垂直分布以及8:00的氣溫垂直廓線.如圖9a所示,由于污染期間受到副熱帶高壓及地面冷高壓脊的控制,中山市附近從地面到3000m高度為大片的下沉氣流區(qū),垂直速度為正值,特別是1000m以下區(qū)域基本被下沉氣流控制,除了12月11日外,其余4d日出前在近地面均存在明顯的下沉速度大值區(qū),部分時(shí)次和高度下沉速度可達(dá)0.6m/s.基于ERA5資料的相對濕度垂直分布顯示(圖9c),從1000hPa～800hPa相對濕度均存在明顯的日變化,夜間濕度較大,日出后濕度明顯下降,在975hPa以下的近地面層中,相對濕度從夜間的80%以上下降至日間的50%以下.日間的云量隨相對濕度的下降而減小,太陽輻射增強(qiáng),有利于O3生成.在氣溫的垂直變化方面,由于日出后近地面濕度下降,晴空輻射出現(xiàn),但此時(shí)太陽輻射仍較弱,地面熱量散失,有利于近地面逆溫層的形成[45].圖9b為污染期間每天早上08:00從地面到1000m高度的氣溫垂直廓線,可見雖然污染期間各天的氣溫差異明顯,但垂直分布趨勢較為一致,即從地面到400m高度氣溫變化不明顯,而從400～600m高度,5d均存在逆溫現(xiàn)象,兩層氣溫差在0.2～0.3℃之間,在600m高度以上,氣溫隨高度變化迅速下降.因此,本次污染過程大氣層結(jié)穩(wěn)定,近地面存在下沉氣流及逆溫層,減弱了大氣湍流運(yùn)動,空氣污染物難以向上擴(kuò)散,同時(shí)日間濕度下降,輻射增強(qiáng),有利于O3生成,加劇了地面污染.

圖9 2021年12月8～12日中山市附近垂直速度垂直分布、08:00氣溫垂直廓線及相對濕度垂直分布

2.5 污染期間O3與NO2的地面輸送通量特征

利用1.2節(jié)中污染物輸送通量的計(jì)算方法計(jì)算了O3污染期間地面O3和NO2的輸送通量特征如表2所示,根據(jù)珠三角附近O3及NO2的日變化特征[46],定義前體物積累階段為05:00～08:00,O3增長階段為11:00～17:00,O3下降階段為20:00～次日02:00.在前體物積累階段,由于上游地區(qū)的O3和NO2濃度較高,在北風(fēng)背景下加強(qiáng)了對中山的跨區(qū)域傳輸,此時(shí)O3和NO2的總輸送通量均為正,說明O3和NO2均為凈流入,由于夜間NO通過化學(xué)反應(yīng)不斷消耗O3[47],因此O3濃度維持在較低水平,但此時(shí)NO2的大量輸入為下一階段的光化學(xué)反應(yīng)提供了充足的前體物.從方向上來看,這一階段的O3和NO2輸入以東邊界輸入為主,與圖8中O3污染潛在源區(qū)位于中山市東北面相對應(yīng).在O3增長階段,O3輸送通量在8日和11日為正,O3凈流入,但在其余3d為負(fù),O3凈流出,即不存在明顯的流入和流出特征.該階段NO2的通量全為負(fù),說明O3增長期間NO2為明顯的凈流出,且以西邊界流出為主,但由于在前體物累積階段中山市范圍內(nèi)已經(jīng)累積了大量的前體物,加上氣象條件有利于光化學(xué)反應(yīng),因此O3濃度快速增長.在O3下降階段,O3通量在12日為負(fù),其余4d為正,說明此階段O3仍以凈流入為主,但由于光化學(xué)反應(yīng)減弱,滴定作用增強(qiáng),O3濃度快速下降,而這一階段NO2的東西向通量轉(zhuǎn)為正,但南北風(fēng)通量有正有負(fù),因此總通量的流入或流出特征不明顯.從以上討論可知,前體物積累階段中大量的NO2從上游地區(qū)流入中山市,并在白天有利的氣象條件下發(fā)生光化學(xué)反應(yīng),是此次O3連續(xù)污染過程出現(xiàn)的主要原因.

表2 2021年12月8～12日中山市范圍內(nèi)O3與NO2的輸送通量

圖10 2021年12月8～12日08:00珠江三角洲地面NO2通量及NO2通量散度

圖中風(fēng)矢為NO2通量(單位:μg/(m2·s)),填色為NO2通量散度(單位:μg/(m3·s)),其中負(fù)值表示輻合,正值表示輻散

圖10為2021年12月8～12日8:00珠江三角洲附近的地面NO2輸送通量及輸送通量散度.可以看出O3污染期間,在前體物積累階段地面的NO2輸送通量表現(xiàn)出相似的特征.在持續(xù)的東北風(fēng)影響下,NO2自上游濃度較高的廣州、佛山、東莞等地區(qū)向下游地區(qū)輸送,因此珠三角北部和東部為NO2通量輻散區(qū),而珠三角南部和西部的中山、江門、珠海等地則是NO2通量輻合區(qū),其中中山市連續(xù)5d均存在明顯的NO2通量輻合,大量的NO2輸入為白天時(shí)段的光化學(xué)反應(yīng)提供了充足的前體物.

2.6 NO2的光解速率特征

圖11 2021年12月份JNO2與太陽輻射強(qiáng)度及O3濃度變化的關(guān)系

NO2在太陽輻射下光解產(chǎn)生NO和O分子,這是對流層形成O3的化學(xué)反應(yīng)的重要一步[48].圖11是2021年12月份NO2光解速率(NO2)與同一時(shí)次太陽輻射強(qiáng)度與O3濃度變化(即當(dāng)前時(shí)次O3濃度與上一時(shí)次O3濃度的差)的關(guān)系,由于NO2在日出前及日落后的量級與日間差距大,因此僅對08:00～17:00數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.如圖11a所示,隨著太陽輻射強(qiáng)度的增強(qiáng),NO2的增長相當(dāng)明顯,二者接近線性關(guān)系,相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.94.當(dāng)NO2增強(qiáng)時(shí),從圖10b可知O3濃度總體上呈增加趨勢,但NO2與O3濃度變化的離散度比太陽輻射強(qiáng)度要大,二者相關(guān)系數(shù)為0.53.從表3可知,當(dāng)NO2在10-3量級以下時(shí),此時(shí)多處于日出或日落前后時(shí)段,O3濃度為負(fù)增長或0增長,平均濃度變化為-6μg/m3;隨著NO2增大,O3濃度的增長趨勢相當(dāng)明顯,當(dāng)NO2從(1～4)′10-3s-1變化到(4～7)′10-3s-1,O3濃度變化的增幅達(dá)280%.當(dāng)NO2繼續(xù)變大,O3的濃度變化明顯放緩,結(jié)合圖11b,說明NO2對O3濃度變化的影響并非線性,除NO2外,O3濃度變化還受到輸送和擴(kuò)散等氣象因素的影響.從以上分析可知,當(dāng)太陽輻射增強(qiáng),NO2隨之增強(qiáng),此時(shí)O3濃度總體上呈增長趨勢.

表3 不同JNO2范圍下O3濃度平均變化

圖12為2021年12月份O3污染日與非污染日的平均太陽輻射強(qiáng)度和NO2的日變化特征.可見無論是污染日還是非污染日,NO2與太陽輻射強(qiáng)度的日變化趨勢基本一致,在傍晚到第二天早晨接近0,從08:00開始迅速增加,午后達(dá)到最大,然后隨著太陽輻射的減弱NO2迅速下降,呈現(xiàn)明顯的單峰結(jié)構(gòu)特征[49].污染日和非污染日的太陽輻射強(qiáng)度均在中午12:00達(dá)到峰值,污染日輻射強(qiáng)度相比非污染日偏高-5%～59%,平均偏高22%,在達(dá)到峰值的12:00污染日比非污染日偏高110W/m2.與太陽輻射類似,污染日的NO2相比非污染日偏高12%～31%,平均偏高23%,但NO2達(dá)到峰值的時(shí)間為13:00,相比太陽輻射晚1h,此時(shí)污染日NO2相比非污染日偏高22%.因此,12月8～12日在較為有利的太陽輻射條件下,NO2的光解速率上升,導(dǎo)致O3濃度上升,從而產(chǎn)生O3污染.但值得注意的是,較大的NO2并不一定導(dǎo)致O3污染,例如2021年12月中,平均NO2最大為12月1日的5.97×10-3s-1,而在連續(xù)污染過程中,最大的日均NO2為12月10日的5.24×10-3s-1,比12月1日偏小.因此,O3污染出現(xiàn)是前體物和氣象條件多種因素綜合作用的結(jié)果.

圖12 2021年12月份O3污染日與非污染日的平均太陽輻射強(qiáng)度和JNO2日變化

3 結(jié)論

3.1 2021年12月上、中旬珠江三角洲西部到廣東西部出現(xiàn)了一次冬季O3污染過程,中山市12月8～12日連續(xù)5d出現(xiàn)污染,為近年來罕見.污染期間日間O3濃度快速增長,平均峰值濃度達(dá)214μg/m3,是當(dāng)月非污染日平均峰值濃度的2.3倍.

3.2 過程期間污染地區(qū)主要影響天氣系統(tǒng)為副熱帶高壓和地面大陸高壓脊,500hPa位勢高度及海平面氣壓與歷史同期相比為正距平.污染期間地面氣象要素特征為氣溫、日照和相對濕度偏高,風(fēng)速偏小,日間風(fēng)向以北風(fēng)為主.垂直方向上1000m以下區(qū)域?yàn)橄鲁翚饬鲄^(qū),大部分污染日在日出前近地面均存在0.6m/s的下沉速度大值區(qū).近地面相對濕度日變化明顯,濕度從夜間的80%以上下降至日間的50%以下.早上08:00近地面層氣溫垂直變化小,從400m～600m高度存在逆溫現(xiàn)象,兩層氣溫差在0.2～0.3℃之間.有利的天氣形勢、地面及高空氣象條件是此次O3污染過程出現(xiàn)的主要原因.

3.3 此次污染過程存在明顯的外來污染物輸送現(xiàn)象,跨區(qū)域傳輸以短距離輸送為主,潛在源區(qū)主要位于中山市東北方向.在前體物積累階段,大量的NO2從上游地區(qū)凈流入中山市,為O3污染的出現(xiàn)提供了充足的光化學(xué)反應(yīng)前體物.

3.4NO2日變化趨勢呈單峰分布且隨著太陽輻射的增強(qiáng)而增強(qiáng),當(dāng)NO2增強(qiáng)時(shí),O3濃度總體上呈增長趨勢.污染日的平均太陽輻射強(qiáng)度相比當(dāng)月非污染日平均偏高22%,峰值比非污染日偏高110W/m2.污染日的NO2相比非污染日平均偏高23%,峰值偏高22%.污染期間在有利的太陽輻射條件下,NO2的光解速率上升,導(dǎo)致O3濃度快速上升.

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Analysis of a winter ozone pollution process in the western Pearl River Delta.

MAI Jian-hua1, YU Ling-ling2, DENG Xue-jiao3*, OU Hong-hui4, YU Xin-yang1

(1.Zhongshan Meteorological Service, Zhongshan 528400, China；2.Guangdong Meteorological Observatory, Guangzhou 510641, China；3.Guangzhou Institute of Tropical and Marine Meteorology, China Meteorological Administration, Guangzhou 510641, China；4.Zhongshan Ecology and Environment Monitoring Station of Guangdong Province, Zhongshan 528400, China)., 2023,43(12)：6235～6245

Using surface meteorological and air quality observational data, the vertical sounding meteorological data and the reanalysis data, the characteristics and cause of an ozone pollution process in Zhongshan City, located in the western part of Pearl River Delta from December 8 to 12, 2021 were analyzed. The results showed that this process was a rare winter continuous O3pollution process in recent years, during which the average O3peak concentration in pollution days was 2.3 times higher than that of non-pollution days of the month. Under the control of subtropical high and the surface cold high ridge during the pollution days, the temperature, sunshine hour and humidity in Zhongshan were relatively high, while the wind speed was relatively low, and the daytime wind direction was dominated by north wind. The downdraft, the inversion layer and the descending relative humidity in the daytime near surface enhanced the ozone pollution. There was a clear phenomenon of external pollutant transport during the pollution process, and the potential sources areas of pollution were mainly located in the northeast direction of Zhongshan. A large amount of NO2flowed into Zhongshan from upstream areas during the accumulation stage of precursors, providing sufficient precursors for the occurrence of O3pollution. During the pollution days, under favorable solar radiation conditions, the average photolysis rate of NO2was 23% higher than that of non-pollution days of that month, leading to a rapid increase in daytime O3concentration and the formation of pollution under poor diffusion conditions.

ozone pollution；meteorological conditions；transport flux；photolysis rate

X511

A

1000-6923(2023)12-6235-11

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2023-04-03

廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2020B1111360003);國家自然科學(xué)基金資助面上項(xiàng)目(42275123);廣東省氣象局科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目(GRMCTD202003);中山市氣象局科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(JKT201913)

* 責(zé)任作者, 研究員, dxj@gd121.cn

麥健華(1985-),男,廣東中山人,高級工程師,碩士,主要從事環(huán)境氣象研究工作.發(fā)表論文10余篇.maigua@163.com.