連云港市一次夜間臭氧升高原因淺析

楊偉波 曹俊程 王瑜

（江蘇省連云港環(huán)境監(jiān)測中心 江蘇連云港 222000）

近幾年臭氧污染問題日漸突出，尤其在夏季臭氧污染頻繁發(fā)生。眾所周知，臭氧污染主要來源于其前體物的光化學(xué)反應(yīng)和傳輸。夏季，白天由于太陽輻射較強(qiáng)，大氣光化學(xué)反應(yīng)較強(qiáng)，臭氧濃度較高；夜間由于沒有太陽輻射，大氣光化學(xué)反應(yīng)減弱，臭氧濃度逐漸降低，所以一般情況下臭氧濃度具有明顯的日變化。但是，有時(shí)在一些特殊的氣象條件下，夜間的臭氧濃度不但不會(huì)減少，而且會(huì)明顯上升，濃度有時(shí)會(huì)超過白天時(shí)的最高濃度。夜間臭氧升高，現(xiàn)在研究一般是高空沉降以及水平輸送的結(jié)果。Hu 等［1］研究了夏季光化學(xué)污染中臭氧區(qū)域傳輸機(jī)制，其研究表明夏季白天強(qiáng)太陽輻射和高溫環(huán)境產(chǎn)生大量臭氧，并累積在對(duì)流邊界層內(nèi)；日落之后，夜間出現(xiàn)近地面穩(wěn)定邊界層，近地面臭氧濃度急劇下降，但在大氣邊界層上部的夜間殘留層中臭氧濃度較高。在盛行風(fēng)引導(dǎo)下，上風(fēng)區(qū)的夜間殘留層臭氧高值區(qū)向下風(fēng)區(qū)傳輸。楊帆等［2］對(duì)青島沿海地區(qū)一次臭氧重污染過程的成因分析表明，上游高空的高濃度臭氧沿氣團(tuán)軌跡傳輸，隨下沉氣流聚集在青島西南部海面，隨后由近地層西南向海風(fēng)水平輸送至青島沿岸。王普等［3］初步分析了貴陽市夜間臭氧高值現(xiàn)象，臭氧夜間濃度高值典型日臭氧高值站點(diǎn)具有主城中心區(qū)域出現(xiàn)頻率低，城郊地區(qū)靠近高壓輸變電設(shè)施站點(diǎn)出現(xiàn)頻率高的分布特征；夜間臭氧高濃度易出現(xiàn)在有降水的鋒面天氣系統(tǒng)中。連云港市在2020 年4 月和5 月份發(fā)現(xiàn)臭氧濃度經(jīng)常出現(xiàn)夜間升高的現(xiàn)象，本文對(duì)連云港市5 月12 日的一次夜間臭氧升高個(gè)例的原因進(jìn)行初步分析和探討。

1 數(shù)據(jù)來源與方法

本文利用連云港市國控環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，以及歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）第五代大氣再分析資料，從氣象條件來分析夜間臭氧濃度升高的原因。

2 觀測結(jié)果

2020 年5 月12 日臭氧小時(shí)濃度變化趨勢如圖1 所示。

圖1 國控點(diǎn)臭氧小時(shí)濃度變化趨勢

從圖1 可以看出，臭氧濃度在下午16 時(shí)達(dá)到最高濃度，之后總體上保持下降趨勢。其中胡溝管理處點(diǎn)位下降最快，并且20 時(shí)左右降到最低濃度。德源藥業(yè)點(diǎn)位臭氧濃度下降較為緩慢，但下降幅度也較大。市環(huán)境監(jiān)測站點(diǎn)位臭氧濃度下降幅度相對(duì)不大。在22 時(shí)之后胡溝管理處點(diǎn)位臭氧濃度率先大幅度上升，德源藥業(yè)臭氧也有明顯的上升。但是市環(huán)境監(jiān)測站點(diǎn)位臭氧只有小幅度上升，之后在13 日2 時(shí)有了小幅度下降。而胡溝管理處點(diǎn)位臭氧在13 日3 時(shí)達(dá)到最高濃度，為109 μg/m3，甚至超過了白天的最高濃度值。

從3 個(gè)國控點(diǎn)位的變化上可以看出，沿海點(diǎn)位的臭氧濃度上升幅度明顯高于內(nèi)陸點(diǎn)位。從12 日的區(qū)域分布上看，連云港市臭氧濃度最低，而北部的日照、濰坊等地以及西北部的臨沂等地的臭氧濃度明顯較高于連云港市，如圖2 所示。

圖2 區(qū)域臭氧日最大8 h 濃度

3 氣象分析

從5 月12 日的500 hPa 天氣形勢上看，在高空存在一個(gè)明顯的小槽，江蘇省處于小槽的底部，有小股冷空氣南下。但從地面圖看，這股冷空氣的強(qiáng)度明顯偏弱，也不存在明顯的高壓中心，顯然這是一小股冷空氣過境的形勢，如圖3 所示。

圖3 5 月12 日8 時(shí)500 hPa 高空天氣形勢圖

從5 月12 日1000 hPa 風(fēng)場上看，受小股冷空氣影響，8時(shí)連云港北部吹西北風(fēng)，但西部為西風(fēng)，而北部和西部正是臭氧濃度較高區(qū)域，使得高濃度臭氧不斷輸送到黃海區(qū)域，如圖4（a）所示。

夜間22 時(shí)，在黃海生成一個(gè)反氣旋，靠近江蘇沿海。風(fēng)向在夜間轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)，使得黃海區(qū)域的臭氧又不斷地輸送到內(nèi)陸，臭氧在夜間一直保持較高濃度。尤其胡溝管理處點(diǎn)位靠近沿海，夜間臭氧濃度達(dá)到最高，如圖4（b）所示。

圖4 5 月12 日1 000 hPa 的風(fēng)場

圖5 所示為12 日的溫度和垂直速度的時(shí)間變化剖面圖，圖中時(shí)間為世界時(shí)。從圖5 可以看出，在北京時(shí)間21 時(shí)之后，在低空便逐漸形成了逆溫。之后在970 hPa 的位置形成一個(gè)逆溫層，并且隨時(shí)間變化，逆溫層的位置保持不變，一直維持到13 日6 時(shí)左右。可見，在12 日夜間連云港低空區(qū)域，一直有逆溫層的存在，使得低層大氣層結(jié)較為穩(wěn)定。從垂直速度上看，在12 日22 時(shí)之前，存在明顯的下沉運(yùn)動(dòng)，22 時(shí)之后垂直運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度都很弱。因?yàn)橐归g逆溫的存在，大氣層結(jié)趨于穩(wěn)定，故垂直運(yùn)動(dòng)不明顯。所以夜間臭氧傳輸主要在低空的水平輸送。

圖5 連云港市溫度和垂直速度的時(shí)間變化趨勢

圖6 顯示的是在12 日18 時(shí)、21 時(shí)、24 時(shí)以及13 日3 時(shí)的溫度剖面圖。從圖6 可以明顯看出，近地面氣溫隨時(shí)間變化明顯降低。在18 時(shí)近地面氣溫明顯高于高空，大氣不穩(wěn)定。到21 時(shí)近地面氣溫有了明顯下降，并且形成了逆溫。在24 時(shí)近地面氣溫由于輻射冷卻繼續(xù)下降，逆溫逐步加強(qiáng)。在13 日3時(shí)，逆溫的強(qiáng)度繼續(xù)加強(qiáng)。從上述可知，地面由于輻射冷卻的作用，近地面的氣溫明顯下降。但是高空中的大氣降溫明顯偏慢，尤其在975 hPa 氣溫下降很慢，所以逐漸形成了低空的逆溫層。

圖6 溫度垂直剖面圖

地面因?yàn)檩椛淅鋮s，使得近地面氣溫降低很快，主要是因?yàn)榇髿猸h(huán)流在從冬季向夏季轉(zhuǎn)換時(shí)，大氣依然處于偏冷狀態(tài)，同時(shí)又有小股冷空氣南下，有利于地面的快速降溫。

4 結(jié)論

通過以上對(duì)夜間臭氧濃度升高的分析，可以得到如下結(jié)論：

（1）在2020 年4 月和5 月份，連云港市的夜間臭氧濃度異常升高主要是受水平輸送的影響。此時(shí)大氣環(huán)流處于從冬季向夏季轉(zhuǎn)換時(shí)期，大氣依然處于偏冷狀態(tài)，地面由于輻射冷卻作用，降溫較快，而高空大氣降溫較慢，容易形成輻射逆溫，在低空形成長時(shí)間的逆溫層，大氣層結(jié)趨于穩(wěn)定。

（2）在海陸風(fēng)影響下，臭氧在夜間發(fā)生水平輸送，使得靠近海邊的胡溝管理處點(diǎn)位臭氧率先迅速升高，而離海較遠(yuǎn)的市環(huán)境監(jiān)測站臭氧濃度變化不大。同時(shí)，在發(fā)生夜間傳輸?shù)那闆r下，周圍區(qū)域的臭氧濃度明顯高于連云港。