2016—2019年夏半年成都市區臭氧污染天氣特征分析

楊景朝， 趙曉莉， 陶 勇， 成 翔， 肖遞祥， 張 超， 耿 蔚*

1.四川省氣象災害防御技術中心， 四川 成都 610072 2.高原與盆地暴雨旱澇災害四川省重點實驗室， 四川 成都 610072 3.貴州省氣象服務中心， 貴州 貴陽 550002 4.四川省氣象臺， 四川 成都 610072 5.中國地質大學環境學院大氣科學系， 湖北 武漢 430074

夏半年，隨著太陽輻射加強，臭氧已取代PM2.5成為我國部分大氣污染防治區域首要污染物[1]. 臭氧的產生通常受前體物排放和大氣化學反應的影響，但區域臭氧濃度變化與氣象背景場密切相關[2-3]. 我國東部降水、相對濕度和日照時數存在南北差異，是臭氧形成北高南低濃度分布的主導因素[4]. 受多種環境因素影響，不同區域誘發臭氧污染的氣象因子會有所不同[5-6]. 處于不同地理位置、氣候背景的城市，臭氧污染氣象條件存在差異性[7].

環流形勢是污染天氣演變發展的重要因素，對區域污染物稀釋擴散和輸送堆積起至關重要的作用[8-9]. 高低空環流背景場若為平直西風氣流和均壓場，極易造成污染天氣[10]. 天氣分型是將相似海平面氣壓場、位勢高度場等環流形勢進行合成分析，通過識別不同天氣型的大氣環流特征，分析其對污染天氣過程的影響，從而提高污染預報的準確性. 天氣分型主要分為主觀和客觀兩類以及二者的結合[11-12]，客觀分型較主觀分型可消除主觀經驗判斷的影響. 近些年，國內外眾多學者運用天氣客觀分型方法進行了污染天氣研究，取得了很多有價值的結論. Lamb-Jenkinson環流客觀分型方法在長三角地區的應用研究表明，該地區出現反氣旋環流和西風型天氣，易形成臭氧污染[13]. 利用客觀天氣分型方法對北京市海平面氣壓場的分型研究[14]表明，弱壓力場等3種海平面氣壓場不利于北京及周邊地區污染物的擴散.

國內關于臭氧污染天氣的客觀分型研究主要集中于華東地區[15]. 近年來，成都市工業排放量和汽車保有量持續增加，該地區已成為我國大氣污染防治重點區域，夏季易受臭氧污染天氣影響[16-17]；同時，已有研究[18]表明，臭氧污染已嚴重危害我國人體健康. 因此，該研究以成都市區為例，采用歐盟COST733天氣客觀分型軟件和歐洲中期數值天氣預報中心第五代再分析數據ERA5，歸納總結2016—2019年每年夏半年(5—9月)易形成臭氧污染的海平面氣壓場、500 hPa 位勢高度場及其氣象要素特征，分析臭氧污染成因和規律，以期為成都市區臭氧污染預報預警和科學防治提供參考.

1 數據與方法

1.1 數據來源

利用歐洲中期數值天氣預報中心(ECMWF)官網(https:cds.climate.copernicus.eu)下載的2016年1月1日—2019年12月31日逐日14:00(BJT)第五代再分析數據ERA5，作為天氣客觀分型基礎數據，空間分辨率為0.25°×0.25°. 選擇海平面氣壓場和10 m 風場作為地面氣象場分型對象，研究范圍為20°N～40°N、90°E～115°E，包括四川省及其周邊海陸區域. 選擇500 hPa位勢高度場和風場作為高空氣象場分型對象，研究范圍為20°N～50°N、90°E～120°E，包括中國大部及其周邊海陸區域.

利用溫江國家基準氣候站(站號56187，30.75°N、103.86°E)2016—2019年每年5—9月逐時2 m氣溫、10 m風速風向、2 m相對濕度、總輻射曝輻量、降水量、逐日日照時數，作為臭氧污染天氣型氣象要素特征分析數據. 其中，風向以16方位對應符號記錄.

大谷大學圖書館藏品共38件，均為寫經。其中34件是東本愿寺前法主句佛上人捐贈，其余3件來自句佛上人之弟、晚年任大谷大學校長的大谷瑩誠的禿庵文庫舊藏，還有1件是原大谷大學教授舟橋水哉的三舟文庫舊藏。

由圖4可見，成都市區5月、6月、7月、8月、9月臭氧超標率分別為22.6%、23.3%、31.5%、45.2%、6.7%. 臭氧超標日主要集中于5—8月，符合成渝城市群臭氧污染的月變化特征[25]. 輕度污染、中度污染日數在8月達到峰值，分別為46、9 d，重度污染日數在各月均為0～2 d. 成都市區夏半年臭氧小時濃度及小時超標次數的日變化均呈單峰型分布，超標時段為12:00—20:00，主要集中在14:00—17:00，在15:00—16:00達到峰值(見圖5). 15:00、16:00超標次數均為74次，15:00、16:00臭氧小時濃度平均值分別為134.9、136.2 μgm3.

傾斜T模態主成分分析方法(PCT)是將原始高維矩陣Z分解為2個低維矩陣F和A的乘積. 其中，Z的每一行代表一個格點，每一列代表一個時次；F為主成分元矩陣；A為載荷矩陣. 保留方差貢獻較大的主成分用于后續分析，其中主成分個數應不大于觀測時次數，主成分按照對應特征值大小進行排序，選取累計貢獻率超過85%的特征值. 將保留的主成分斜交旋轉，最后依據載荷大小對每個時次的天氣形勢進行分類[22]. 該研究采用歐盟COST733項目開發的天氣客觀分型軟件[23]，結合傾斜T模態主成分分析方法，分別對海平面氣壓場及10 m風場、500 hPa位勢高度場及風場進行逐日天氣分型，以成都市區為研究中心，分析2016—2019年夏半年(5—9月)天氣形勢與臭氧污染之間的統計特征.

臭氧日滑動8 h平均最大值來源于中國環境監測總站發布的空氣質量監測數據，臭氧日超標是指其濃度高于160 μgm3. 臭氧小時平均值來源于城市內所有有效環境空氣質量監測站(排除城市清潔站)的小時數據平均值，臭氧小時超標是指其濃度高于200 μgm3[20-21].

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1.2 分型方法

(1)不同灌溉模式、施肥量對水稻全生育期ETc影響較大，而不同施肥次數對ETc的影響較小。底肥過多或多次施肥的情況會造成水稻貪青使得水稻需水強度峰值延后。

2 結果與討論

2.1 天氣客觀分型

基于ERA5再分析數據，利用歐盟COST733天氣客觀分型軟件，得到影響成都市區的5種地面環流形勢和3種高空環流形勢，其方差貢獻率均超過85%. 從海平面氣壓場和10 m風場分析(見圖1)：①高壓底部型. 成都市區位于華北冷高壓底部，高壓中心為 1 017.5 hPa，受偏東北氣流影響，風速約為4 ms，引導北方冷空氣進入成都市區. ②高壓后部型. 陜西省南部為一弱高壓中心，高壓中心為 1 015 hPa，成都市區位于高壓后部，受偏東南氣流影響，風速約為2 ms. ③低壓型. 四川盆地為一低壓中心，低壓中心為 1 002.5 hPa，成都市區位于低壓邊緣，四川盆地以南地區為較強的偏南風，盆地內存在明顯的氣流輻合. ④弱低壓型. 四川盆地為一低壓中心，成都市區位于低壓內部，但中心氣壓值較低壓型偏高，為 1 007.5 hPa，盆地內風速普遍較小. ⑤低壓前部型. 我國大部為低壓環流控制，低壓中心位于河套地區，成都市區位于低壓前部，廣西壯族自治區-四川盆地-河套地區為一致的偏南風，四川盆地西部存在氣旋性輻合.

從500 hPa位勢高度場和風場分析(見圖2)：①平直西風氣流型. 我國中緯度地區為緯向環流，青藏高原-四川盆地氣流較為平直，成都市區位于副熱帶高壓北部邊緣，處于西風氣流控制，風場較弱.

注：圖中綠點為成都市區位置.圖1 2016—2019年成都市區夏半年海平面氣壓場和10 m風場天氣分型Fig.1 The distributions of sea level pressures and 10 m winds for each circulation types in Chengdu during summer-time from 2016 to 2019

注： 圖中綠點為成都市區位置.圖2 2016—2019年成都市區夏半年500 hPa位勢高度場和風場天氣分型Fig.2 The distributions of 500 hPa geopotential heights and wind vectors for each circulation types in Chengdu during summer-time from 2016 to 2019

②青藏高壓型. 成都市區位于青藏高壓內部，整體處于反氣旋控制，風場較弱. ③副熱帶高壓型. 成都市區位于副熱帶高壓西部邊緣，處于西南風氣流控制，風場較弱.

該研究得到的5種地面分型結果與成都地區海平面氣壓場清潔型和污染型天氣類型[24]基本一致. 我國北方受冷高壓控制，成都市區位于高壓底部，偏北氣流通常會引導北方冷空氣進入成都市區，有利于空氣污染物擴散. 成都市區位于高壓后部、低壓內部、低壓前部，通常氣壓梯度較小，風速較小，不利于近地層空氣污染物擴散. 根據3種高空分型結果可知，成都市區基本處于高壓控制，屬于輻散場，有利于大氣下沉；風力相對較弱，其北側西風相對較大，存在風向輻散作用，與高壓輻散場疊加，進一步加強了輻散作用，更有利于大氣下沉.

2.2 天氣客觀分型與臭氧污染的相關性分析

眾所周知，科學研究不能沒有抽象。上述經典作家對時代劃分的四種思路，就是尺度不同的四種抽象。而只要細心比較就會發現，與前三種劃分思路相比，“五形態”說是最合理最適度的抽象。

《標準化法》第25條規定：“不符合強制性標準的產品、服務，不得生產、銷售、進口或者提供”。對于此條應當如何抽象界定主旨、如何進行解釋，《中華人民共和國標準化法釋義》（以下簡稱《標準化法釋義》）的回答極為有趣且簡短，不妨照錄如下：

2.2.2不同天氣型對臭氧污染的影響分析

夏半年通常指5—10月，而四川盆地5—9月臭氧污染較為嚴重[25-26]，故該研究選擇夏半年代表月份為5—9月，重點分析該時段臭氧污染天氣特征. 由圖3可見：2016—2019年夏半年，成都市區共出現臭氧超標日數為159 d，超標率為26.0%，其中，輕度污染、中度污染、重度污染日數分別為133、22、4 d. 臭氧超標日數呈逐年遞減趨勢，2018年較2017年減少了12 d，減幅最大；輕度污染日數減少了16 d，但中度污染日數增加了4 d，重度污染日數沒有變化.

該研究選取國家氣象信息中心發布的逐小時總云量實況分析產品，作為臭氧污染天氣型氣象要素特征分析數據. 該數據以GFS數值預報產品作為背景場，基于LAPS系統，融合了Himawari-8靜止氣象衛星觀測數據、雷達反射率觀測數據、地面云量觀測數據，水平分辨率為5 km×5 km，經緯度范圍為0°N～60°N、70°E～140°E. 該研究預先提取出四川省范圍內的數據，再利用雙線性插值法計算指定經緯度(30.67°N、104.06°E)格點的總云量數據，以百分數記錄. 由于該數據在2017年底已進入業務化試運行，故該研究只選取2018—2019年每年夏半年(5—9月)的總云量實況分析產品[19]進行分析研究.

圖3 2016—2019年成都市區夏半年臭氧超標日數Fig.3 Annual O3 extreme days in Chengdu during summer-time from 2016 to 2019

圖4 2016—2019年成都市區夏半年逐月臭氧超標日數Fig.4 Monthly O3 extreme days in Chengdu during summer-time from 2016 to 2019

圖5 2016—2019年成都市區夏半年臭氧小時濃度及小時超標次數的日變化特征Fig.5 Diurnal variation of hourly O3 non-attainment frequency and average concentration in Chengdu during summer-time from 2016 to 2019

根據鉆探揭示，依據巖土體的成因、時代、埋藏分布等特征，結合室內土工試驗綜合分析，場地勘察深度范圍內巖土層自上而下可劃分3大工程地質層，現分述如下：

由成都市區海平面氣壓場分析(見表1)可知：高壓底部型未出現臭氧污染天氣，總日數為32 d，出現頻率為5.2%；其余4種海平面氣壓場型均有臭氧污染天氣出現，出現頻率由高到低依次為45.4%(弱低壓型)、

24.3%(低壓型)、18.8%(低壓前部型)和6.2%(高壓后部型). 海平面氣壓場為高壓后部型時，高空配合型只有平直西風氣流型；其余3種海平面氣壓場型均有3種高空位勢高度場配合，且出現頻率特征相同，依次為平直西風氣流型、副熱帶高壓型和青藏高壓型. 臭氧污染日數最多的海平面氣壓場為弱低壓型，其后依次為低壓前部型、低壓型、高壓后部型. 臭氧超標率最高的海平面氣壓場為低壓前部型(37.4%)，其后依次為弱低壓型(27.0%)、低壓型(24.2%)、高壓后部型(13.2%). 由高空500 hPa位勢高度場3種高空型可知，平直西風氣流型、副熱帶高壓型、青藏高壓型出現的總日數依次為476、106、30 d. 平直西風氣流型臭氧超標日數(103 d)最多，青藏高壓型(16 d)最少；臭氧超標率分析顯示，青藏高壓型臭氧超標率最高(53.3%)，平直西風氣流型最低(21.6%).

2.2.1成都市區夏半年臭氧污染統計分析

臭氧超標率分析顯示：高空500 hPa位勢高度場為青藏高壓型、海平面氣壓場為低壓型時，臭氧超標率最高(100%)；高空位勢高度場為副熱帶高壓型、海平面氣壓場為弱低壓型時，臭氧超標率為54.4%；高空位勢高度場為青藏高壓型、海平面氣壓場為低壓前部型時，臭氧超標率為50%；其余高空位勢高度場和海平面氣壓場配合型下的臭氧超標率均低于50%. 分析臭氧超標濃度范圍可知，除海平面氣壓場為高壓后部型、高空500 hPa位勢高度場為平直西風氣流型下臭氧濃度上限值低于180 μgm3外，其余天氣型下臭氧濃度上限值均大于180 μgm3，最大值為300 μgm3.

表1 2016—2019年成都市區夏半年各海平面氣壓場和500 hPa位勢高度場配合型出現的總日數、臭氧超標日數、臭氧超標率及臭氧超標濃度范圍

2.2.3易觸發臭氧污染天氣型的氣象要素特征

根據成都市區夏半年臭氧超標日近地面氣象要素日均值，分析臭氧污染日成都市區氣象要素特征(見表2). 由表2可見：成都市區夏半年平均風速普遍較小，在1.2～1.6 ms之間，風向集中于西—西西北—西北(258.76°～326.25°)； 平均氣溫在22.1～28.3 ℃之間，多數高空、地面天氣型對應的平均氣溫在25 ℃以上，氣溫較高；相對濕度平均值在68.4%～88.0%之間，多集中在70%左右，符合四川盆地夏季低濕特征[26]，說明成都市在低濕狀態下，臭氧易超標. 降水量在0～31.3 mm之間，降水量0值對應的高空500 hPa位勢高度場為青藏高壓型、海平面氣壓場為低壓前部型，只出現了1 d(晴天). 而最大降水量平均值為31.3 mm，對應的高空500 hPa位勢高度場為副熱帶高壓型、海平面氣壓場為低壓前部型，臭氧超標日數僅為3 d；次大值為14.7 mm，對應的高空500 hPa位勢高度場為副熱帶高壓型、海平面氣壓場為低壓型，臭氧超標日數為6 d；其余均在0.1～5.6 mm之間，降水量級偏小，其臭氧超標日數占臭氧超標總日數的94%，而3種特殊或相對極端情況的臭氧超標日數僅占臭氧超標總日數的6%. 降水概率多在25.0%～60.0%之間，產生降水的概率較小. 總云量一般在19.1%～80.5%之間，變幅相對較大，總云量大小與降水概率、降水量均有較好的對應關系. 總輻射值在18.2～28.0 MJm2之間，除在高空500 hPa位勢高度場為青藏高壓型、海平面氣壓場為低壓前部型時總輻射最大值為28.0 MJm2(1 d，晴天)，以及在高空500 hPa位勢高度場為青藏高壓型、海平面氣壓場為低壓型時總輻射最小值為18.2 MJm2以外，總輻射一般在20.5～23.2 MJm2之間，屬強太陽輻射. 日照時數與總輻射值大小相對應，日照時數一般在6.0～7.8 h之間. 臭氧日滑動8 h平均最大濃度與近地面氣象要素相關性結果(見表3)表明，臭氧濃度與氣溫、總輻射、日照時數均呈正相關，與風速、相對濕度、總云量、降水量均呈負相關，其中，臭氧濃度與日照時數、相對濕度、氣溫、總輻射相關系數絕對值較大，進一步驗證了以上分析結果.

本研究還發現，術前矯形棒預彎弧度會影響AIS矢狀面平衡的恢復，適當增加矯形棒的胸段預彎弧度能夠更好地維持矢狀面矯形效果，與文獻報道一致［17-18］。但是當預彎弧度增加時，也會導致螺釘拔出應力增加，同時矯形棒的抗疲勞性會顯著下降，增加了斷棒的風險［15］。目前手術醫師在確定彎棒弧度時多由自身經驗決定，本研究初步探討了采用基于金屬棒性質的有限元模型預測矯形棒預彎弧度，為個體化設計矯形棒預彎弧度及矯形棒材料選擇提供了新思路。但本研究采用的是仿真模型，無法納入患者體質量、柔韌性、骨骼發育等情況，其可行性仍需進一步驗證。

綜上，成都市區在高溫、低濕及強太陽輻射的氣象條件下易發生臭氧污染. 整體來看，氣溫、相對濕度、總輻射和日照時數是影響夏季成都市區臭氧污染的四大主要氣象因子，與影響四川盆地臭氧污染的氣象因素基本相同[26]. 強太陽輻射往往可以使大氣溫度升高，相對濕度降低，催化加快臭氧光化學反應. 日照條件下，植物和人為排放的有機物與氮氧化物能快速反應生成臭氧[27].

表2 各海平面氣壓場和500 hPa位勢高度場配合型下臭氧超標日的近地面氣象要素日均值

表3 臭氧日滑動8 h平均最大濃度與近地面氣象要素的相關性

氣象要素是影響臭氧光化學反應速率和擴散傳輸的主要因素. 已有研究[28-29]表明，高溫、低濕、少云、強輻射、特定風向的氣象條件有利于中國主要城市群臭氧超標天氣形成. 該研究使用溫江站逐時2 m氣溫、10 m風向、2 m相對濕度、總輻射曝輻量以及逐小時總云量實況分析產品，分析成都市區12:00—20:00(2.2.1節顯示成都市區夏半年臭氧小時濃度超標時段為12:00—20:00)觸發臭氧小時濃度超標天氣的氣象要素特征.

由臭氧小時濃度超標對應時段的氣溫、總輻射曝輻量和相對濕度散點圖(見圖6)可知，臭氧超標時段，氣溫和總輻射曝輻量相對較高，主要位于30～36 ℃、0～3.5 MJm2之間，相對濕度相對偏低，相對濕度在60%以下的占比為93.1%. 高溫、強輻射、低濕是促進成都市區光化學反應速率增加的主要因素. 已有研究[30]表明，成都市及其周邊眉山市、德陽市等城市，工業區密集，路網發達，NOx和VOCS排放量較大. 風場對于污染物擴散傳輸有重要影響，成都市區臭氧小時濃度超標主要受偏南風影響，風向頻率為39.8%(見圖7). 成都市區臭氧日超標主要受偏西北風影響，偏西北風主要出現在臭氧小時濃度非超標時段(21:00—11:00)，風向頻率為33.7%，該時段偏南風風向頻率僅為15.2%，并且臭氧小時濃度非超標時段有效樣本數(9 179個)幾乎是超標時段有效樣本數(5 508個)的2倍(見表4). 云天狀況對于臭氧濃度也有重要影響[31-32]，成都市區總云量在20%～80%之間，總云量覆蓋率越高，臭氧小時超標率越低(見圖8). 但總云量在80%～100%區間時，臭氧小時超標率較60%～80%區間反而上升，出現這種情況的原因可能是受天氣系統以及地形條件等影響，夏半年(5—9月)下午時段(15:00—20:00)是四川盆地短時強降水較活躍的時段[33]. 一方面，降水對臭氧前體物有清除作用，同時也會加快植被生長，促使植被排放的揮發性有機物增加，這些有機物不會被降水清除，而是轉化為臭氧等污染物[34]；另一方面，中雨量級之后，臭氧濃度會隨著降水量級的增加而增加[35].

圖6 2016—2019年成都市區夏半年臭氧小時超標氣溫、總輻射與相對濕度特征Fig.6 Characteristics of hourly O3 non-attainment temperature, total radiation and relative humidity in Chengdu during summer-time from 2016 to 2019

圖7 2016—2019年成都市區夏半年臭氧小時超標風向特征Fig.7 Characteristics of hourly O3 non-attainment wind direction in Chengdu during summer-time from 2016 to 2019

表4 2016—2019年成都市區夏半年臭氧小時超標時段、非超標時段的風向頻率

圖8 2018—2019年成都市區夏半年不同總云量區間小時臭氧平均濃度和超標率的變化情況Fig.8 The variation diagram of hourly O3 average concentration and the over standard rate in different total cloud amount ranges in Chengdu during summer-time from 2018 to 2019

3 結論

a) 成都市區2016—2019年夏半年共出現臭氧超標日數為159 d，超標率為26.0%；臭氧年超標日數呈逐年遞減趨勢；臭氧超標日主要集中于5—8月；臭氧小時超標次數及平均濃度均在15:00—16:00達到峰值.

b) 成都市區臭氧污染日數最多的海平面氣壓場為弱低壓型，其后依次為低壓前部型、低壓型、高壓后部型. 臭氧超標率最高的海平面氣壓場為低壓前部型，其后依次為弱低壓型、低壓型、高壓后部型. 高空500 hPa位勢高度場平直西風氣流型臭氧超標日數最多，青藏高壓型臭氧超標日數最少. 青藏高壓型是臭氧超標率最高的高空500 hPa位勢高度場型，平直西風氣流型臭氧超標率最低.

c) 成都臭氧超標日多出現在偏西北風下，近地面氣象要素特征一般表現為風速在1.2～1.6 ms之間，氣溫在25 ℃以上，相對濕度多集中在70%左右，總云量和降水概率多低于60%，降水量級以小雨為主，太陽輻射和日照時數分別位于20.5～23.2 MJm2、6.0～7.8 h區間. 小時臭氧超標近地面氣象要素特征為氣溫和總輻射曝輻量相對較高，分別在30～36 ℃和0～3.5 MJm2之間，相對濕度在60%以下，總云量低于40%，以偏南風影響為主.