蘭州夏季臭氧污染過程分析

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系，蘭州夏季臭氧污染時間周期短，持續污染能力較差，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，引發支氣管炎和肺氣腫;造成人的神經中毒，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。

對于蘭州地區的污染過程，已經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參數化方法等方面研究了WRF模式下不同邊界層參數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的污染數值模擬方案，分析了蘭州地區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空氣質量的貢獻率;楊雪玲利用 11-16 年蘭州地區的污染物濃度資料分析了蘭州污染物濃度的時空分布規律，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流形勢和氣象條件的變化特征。因此利用數值產品ERA-interim 再分析資料，定量分析蘭州地區年際范圍內不同類型的污染過程，進而研究不同環流場、溫度場、風場以及層結穩定度，對污染物濃度的空間分布和時間變化的影響，以及探究蘭州地區全年不同類型污染事件發生發展的規律及特點。

蘭州市空氣污染多發，分析 1999、2000 年兩年的空氣污染指數的結果表明，蘭州平均的空氣污染指數 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 年平均指數中，蘭州是唯一一個 AQI 年平均指數超過了200 的地區。蘭州地區的三大主要污染類型分布在不同季節，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的空氣污染發生、發展及消亡的過程，得出蘭州地區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濟建設具有重要現實意義;對空氣污染做出定量準確的預報和監測，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（3D VAR）變更為現今使用的四維同化系統（4D VAR）;二是更新了同化模型，最新的綜合預報系統為IFS Cy45r1;三是提升了格網分辨率，水平格網能提供不高于0.75°×0.75°精度的數據;四是應用了更多的衛星數據包括：衛星亮溫資料、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據，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。數據時段包括00時、06時、12時、18時（世界時），其中00時和12時為分析產品，06時和18時為預報產品。

1.2 資料使用方法

NCL（The NCAR Command Language）是一種專門為科學數據處理以及數據可視化設計的高級語言，很適合用在氣象數據的處理和可視化上。NCL 包含了現代編程語言的許多常見功能：條件語句、循環、數組運算等。此外，NCL 還包括許多有用的內置函數和過程用來進行處理和操作數據，其中包括統計函數、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點的觀測數據對影響蘭州地區的風場、溫度場進行分析。運用統計分析軟件對蘭州市及各站點的O_3、CO_、NO₂濃度數據進行處理，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，臭氧污染頻繁發生，已經成為主要環境污染的之一。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時呈現階梯式下降趨勢，20時后維持在150-200區間，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發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，在當天午后呈現不斷下降的趨勢，而O₃在凌晨濃度穩定，在光化學反應發生后，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。

[參考文獻] （References）

1. 張金貴. 河谷型城市風場及污染物擴散數值仿真研究[D].蘭州大學，2017，57.
2. 寧貴財. 四川盆地西北部城市群冬季大氣污染氣象成因及其數值模擬研究[D].蘭州大學，2018，136.
3. 楊雪玲. 蘭州市重污染天氣過程環流形勢與氣象條件研究[D].蘭州大學，2018.
4. 王穎. 復雜下墊面下空氣污染數值模擬研究[D].蘭州大學，2010.
5. 王斌，舒爭，顧卓良.夏季臭氧污染特征及來源分析[J].黑龍江環境通報，2018，42（03）：77-80.
6. 馬秉吉. 蘭州市近地面臭氧污染特征及影響因素分析[A]. 中國氣象學會.第35屆中國氣象學會年會 S17 氣候環境變化與人體健康[C].中國氣象學會：中國氣象學會，2018：1.
7. 陳超，嚴仁嫦，葉輝，林旭，金嘉佳，許凱兒，何曦，沈建東.杭州市臭氧污染特征研究[J].環境污染與防治，2019，41（03）：339-342.
8. 馬敏勁，譚子淵，陳玥，丁凡.近15a蘭州市空氣質量變化特征及沙塵天氣影響[J].蘭州大學學報（自然科學版），2019，55（01）：33-41.
9. 葉香，何濤，夏京，李莉，雷正翠，王振，趙亞芳.一次非典型顆粒物與臭氧同時污染過程分析[J].環保科技，2017，23（03）：7-14.
10. 王穎，梁依玲，王麗霞.氣象條件對污染物濃度分布影響的研究[J].沙漠與綠洲氣象，2015，9（02）：69-74.
11. 劉晨. 半干旱區污染物濃度變化特征及其機理研究[D].蘭州大學，2018.
12. [1]嚴銘，汪濤，徐丹瑤，楊佳，王璐.寧海縣城區近地面臭氧污染特征分析[J].環境與發展，2019，31（11）：18-19.

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

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