莆田市一次夜間O3污染的氣象特征及潛在源分析*

林秋寒 蔣榮復 吳麗娟 林 楠 梁寶元

(1.福建省莆田市氣象局，福建 莆田 351100；2.福建省莆田市荔城區氣象局，福建 莆田 351100)

1 概述

近地層大氣中的O3是二次污染物，高濃度O3會影響大氣中的物理化學過程，甚至危害人體健康[1]。大氣中O3生成、擴散和傳輸常常受氣象條件(風速、輻射、相對濕度、氣溫及邊界層高度等)的影響[2-3]。王宏等[4]研究發現，近地層大氣O3分布與天氣條件關系密切，強暖性等不利于污染物擴散的天氣型(高壓后部、地面倒槽和鋒前暖區等)容易造成O3濃度的超標。一些學者分析福建省近地層大氣O3的分布，結果顯示沿海地區O3濃度高于內陸地區，沿海地區又以中部沿海地區較高。福建省內陸地區受厄爾尼諾循環的影響，在O3年超標天數方面，ENSO循環對沿海地區的影響和強迫程度特別顯著[6]。

莆田市位于福建沿海的中部，其O3污染程度排在福建省各地市的前列。一些學者針對莆田市O3污染開展研究，發現該地區O3污染有多種類型(光化學反應生成、本地累積、區域輸送以及臺風外圍下沉氣流影響)，且O3污染是多種因素共同作用的結果[7]。對莆田市2016至2018年3年逐小時數據進行相關性分析，發現相對濕度有較好的指示意義(相關系數-0.61)，其余氣象要素的相關性不明顯[8]。林楠等研究發現，莆田市海陸風和山谷風配合地形作用會造成O3和NOx共同堆積。鄭印等[10]研究發現，莆田市O3的外來輸送不僅發生在O3濃度較高的時段，在O3濃度較低的時段也占很大比例。

在莆田市2020年11月8—9日大氣O3污染的特殊時段(夜間污染)，大氣光化學反應對O3濃度的影響弱。因此，本研究分析莆田市夜間O3污染的氣象特征，可以在一定程度降低光化學反應對O3生成的影響，有利于探討大氣O3污染的潛在來源，以期為莆田市O3污染防治提供一定參考。

2 資料來源與方法

2.1 實況監測數據

本研究所使用的O3濃度數據為莆田市環境監測站(119.03°E，25.43°N)的逐小時O3濃度數據，O3污染時段為2020年11月8—9日。為了對比分析O3污染前后的差異，本文選取2020年11月6—11日監測到的數據進行研究?！董h境空氣質量標準》(GB3095-2012)中規定，O3的二級濃度限值為日最大8小時平均值為160μg·m-3或1小時平均值為200μg·m-3。

氣象數據使用的是莆田市國家氣象觀測站(站號：58946)監測的氣溫、相對濕度、風速、風向及能見度的逐小時數據。

2.2 EC與NCEP再分析數據

基于NCEP再分析資料，分析污染時段的500hPa高空圖和海平面氣壓場，其空間分辨率為1°×1° ，時間分辨率逐6小時；邊界層高度利用EC再分析資料，提取出單站點的邊界層高度值，時間分辨率為逐1小時。

2.3 基于后向軌跡的潛在源分析

本研究利用后向軌跡模式和美國國家環境預報中心(NCEP)的全球同化系統(GDAS)氣象數據，結合地面排放源數據和ρ(O3)數據，并采用潛在源貢獻因子方法(PSCF)分析計算潛在源區的地理位置和空間分布，即對研究期間經過該網格內的氣流軌跡進行計算，統計污染軌跡出現的概率。該方法的基本假設為氣團后向軌跡在某個網格有停留，那么氣團會接收來自該網格排放的污染物，同時經過大氣傳輸對受點的污染物濃度產生貢獻。PSCF值表示的是一種條件概率，通常引入權重因子(Wij)，以降低由于一些網格內氣體停留時間較短而造成PSCF值的波動[13]。

由于PSCF結果受到設定限制的約束，本研究還使用濃度權重軌跡分析法(CWT)來判斷O3的污染來源，首先計算出軌跡的權重濃度，然后定量得到某個網格內污染物的平均權重濃度。CWT法在邏輯上是成立的，只要初始條件準確，就能推算出O3的潛在來源。

3 結果與分析

3.1 臭氧污染概況

2020年11月8日，莆田市ρ(O3-8h)達177μg·m-3，超過《環境空氣質量標準》(GB3095-2012)中規定的二級濃度限值(160μg·m-3)，出現臭氧污染。8日22時和23時的ρ(O3-1h)別為205μg·m-3和212μg·m-3，均超過《環境空氣質量標準》(GB3095-2012)中規定的二級濃度限值(200μg·m-3)。

在本次O3污染前(2020年11月6—7日)和O3污染后(2020年11月9—11日)，O3濃度沒有明顯上升(見圖1)，但總體上維持較高濃度水平，在70～120μg·m-3范圍。在研究時段內，非污染期間O3濃度的峰值出現在午后(6日、10日)和夜間(7日、9日)，而12日在午后和夜間均出現小峰值，其中2020年11月6日、7日、10日和11日的ρ(O3-8h)分別為87μg·m-3、97μg·m-3、109μg·m-3和112μg·m-3(見圖1)。

圖1 莆田市2020年11月6—11日O3小時濃度值的變化(紅色陰影部分為污染日)

3.2 氣象條件分析

基于NCEP 的再分析資料，選擇的分析時段為2020年11月8日20時，圖2中紅點位置為莆田市。結果顯示，500hPa中高緯度為兩槽一脊型，鄂霍茨克海到我國的新疆東北側是高壓脊，日本到我國的西南地區是高空槽，副高呈塊狀，維持在廣東東部到臺灣以東的洋面上，南海東面與菲律賓之間有個低值系統，莆田受副高邊緣的西南氣流控制。從2020年11月8日20時海平面氣壓場來看，發現冷高壓中心位于內蒙古東側，中心氣壓1030hPa，南海南面有熱帶氣旋，莆田市地面受冷空氣影響，本站氣壓在1022.5hPa附近。此時，莆田市大氣受冷高壓脊控制下的偏北風影響，天氣晴好。

圖2 2020年11月8日20時500hPa形勢和海平面氣壓場特征

圖3為2020年11月6—11日各氣象要素的變化情況。由圖3可知，研究時段的主導風向為東北風和偏北風，風速在4.5～5.0m/s之間，在O3污染期間未發現明顯風速風向改變。相對濕度在7—8日逐漸下降，而后維持正常的日變化特征。氣溫在6—7日逐漸下降，從10—11日呈現正常的日變化特征。O3污染期間能見度低于非污染期間的能見度，最低達到5km，此時大氣中的顆粒物濃度增高，大氣層結較穩定。

圖3 2020年11月6—11日風速風向、相對濕度、氣溫以及能見度的變化(紅色陰影部分為污染日)

3.3 邊界層高度變化分析

為了探討邊界層高度對O3污染的影響，本文分析了O3污染時段大氣邊界層高度的變化特征。結果顯示，邊界層高度從2020年11月8日14時(1035m)開始下降，從18時(524m)開始又逐漸上升，在20時至次日02時，維持在800m左右，05時開始略有下降后逐漸上升(見圖4)。

圖4 2020年11月8日12時—9日12時莆田市大氣邊界層高度變化

結合上文分析可知，O3濃度從8日12時開始呈上升趨勢，大氣邊界層高度由8日12時呈下降趨勢，二者變化趨勢相反。O3濃度于23時達到最大值，此時大氣邊界層高度大致穩定。穩定的邊界層高度不利于大氣的擴散，有利于O3濃度的累積。

3.4 莆田市夜間O3污染的潛在源分析

莆田市2020年11月6—11日的后向氣流軌跡圖見圖5，其為高度500m的逐小時后推氣流軌跡。關于排放源數據，目前能查到最新VOCs和NOx的排放量數據為2017年。因此，本研究采用2017年VOCs和NOx的排放量數據進行分析。圖6(a)為觀測期間莆田市500m高度WPSCF值(≥0.16)分布，通過PSCF分析得到莆田市WPSCF值分布特征，WPSCF高值(>0.4)分布主要對應來自偏北的軌跡方向，高值主要集中在浙江北部，該地區為莆田市O3外來輸送的主要潛在源區，表明此次夜間O3污染過程受跨區域傳輸的影響顯著。

圖5 莆田市2020年11月6—11日后向軌跡分析

(a)500m高度WPSCF分布 (b)500m高度WCWT值分布圖6 莆田市2020年11月8—9日夜間 O3污染的潛在源分析

本文利用濃度權重法進一步分析不同軌跡對莆田市的影響程度，WPSCF值越大，表示該地區污染軌跡占網格內總軌跡比重越高；WCWT值越大，表示潛在源區對莆田市O3的濃度貢獻越大。圖6(b)為500m高度WCWT值(≥40)分布，WCWT值可直接區分高濃度貢獻的潛在源區和該地區對莆田市O3貢獻濃度。WCWT大于100μg·m-3的高值區主要在浙江東南大部分地區和福建東北小部分地區，對莆田市而言，高濃度貢獻潛在源區為明顯的由北至南路徑，呈現一條自北而南方向的傳輸帶。

整體來看，WCWT高值主要集中在浙江東南部，WPSCF高值主要集中于浙江北部。從源區(浙江北部)排放的O3前體物NOx和VOCs，在輸送過程中發生光化學反應生成O3，O3濃度高值出現在離源區有一段傳輸距離的浙江東南部。由此可見，本次莆田市夜間出現O3污染的主要原因是浙江北部的O3及其前體物在冷空氣的作用下發生區域輸送，結合上文分析的邊界層高度的降低，進而導致莆田市夜間出現O3濃度異常高值。

4 結論與討論

①本文研究期間O3污染發生在2020年11月8日，ρ(O3-8h)達177μg·m-3，且22時和23時的ρ(O3-1h)分別為205μg·m-3和212μg·m-3，均超過國家二級濃度限值。夜間O3污染期間，本站氣壓較高(1022.5hPa左右)，地面受冷空氣影響，主導風向為偏北風，風速在4.5～5m/s之間，因此莆田市大氣中O3濃度受南下的冷空氣輸送的影響。

②大氣邊界層高度由8日12時(1035m)逐漸下降，與O3的變化趨勢相反，ρ(O3-1h)于23時達到最大值(212μg·m-3)，此時大氣邊界層高度大致穩定(800m左右)，不利于O3的擴散。

③基于HYSPLIT模型的潛在源分析，結果顯示WPSCF高值區(>0.4)主要對應來自偏北的軌跡方向，出現在浙江北部；WCWT高值區(>100μg·m-3)主要在浙江東南部和福建東部地區，呈現一條自北向南的傳輸帶。因此，本次莆田市夜間出現O3污染的主要原因是浙江北部的O3及其前體物在冷空氣的作用下發生區域輸送，加上該地區大氣邊界層降低，有利于白天生成的O3積累，無法有效擴散，導致莆田市出現導致出現夜間O3濃度異常高值增長的現象。