基于天津臭氧污染特點的氣象條件與天氣分型研究

李 源，陸彥彬，白 宇，楊 寧，高璟赟，董海燕，孔 君，劉 彬

1.天津市生態環境監測中心，天津 300191 2.天津市北辰區生態環境監測中心，天津 300400

近地面臭氧濃度及其時空分布主要受到本地大氣光化學凈生成、臭氧及其前體物遠距離傳輸以及臭氧垂直交換等因素影響[1-6]。氣象條件不僅表征大氣光化學反應的熱力特征，還與臭氧及其前體物的輸送、擴散和沉降等因素有關，一般認為，影響臭氧的氣象因素主要有氣溫、相對濕度、風、紫外輻射和降水等[7-11]。由于臭氧的生成機制十分復雜，其預測一直是空氣質量預報中的一個難點，目前臭氧預報工作的開展主要借助數值模型(NAQPMS、CMAQ、WRF-Chem等)來實現[12-13]，但受源排放清單和物理化學機制不清的制約，臭氧的數值預報一直存在很大的不確定性。

對于一個污染排放相對穩定的城市而言，氣象條件是影響當地臭氧濃度的重要因素[14-16]。天氣分型是研究氣象條件對臭氧濃度影響的重要手段，包括主觀分型法和客觀分型法[17-18]。主觀分型法是基于天氣圖，利用天氣學原理等理論對空氣污染過程進行分類研究[19-20]；客觀分型法是利用斜交旋轉分解方法(PCT)、Lamb-Jenkinson等客觀算法對天氣過程進行分型研究[21-25]。目前主觀天氣分型方法已被用于上海、福建、寧波和北京等地的臭氧污染研究[26-29]。對于天津市而言，臭氧污染特征及來源解析已有相關研究[30-32]，但較長時間尺度臭氧污染與氣象要素的關系以及天氣分型在預測預報中的應用研究較少。

本文使用天津市2013—2019年污染物濃度數據對臭氧污染狀況進行討論，選取相關氣象資料分析氣象條件對臭氧濃度的影響，并對不同臭氧污染過程案例進行天氣分型，統計出現臭氧污染時的污染氣象特征，以期通過觀測氣象要素與天氣形勢的變化為臭氧污染預測預報提供診斷方法。

1 數據與方法

1.1 數據來源

本文使用的2013—2019年污染物監測數據來源于天津市14個參與全市評價的環境空氣自動監測國控站(圖1)，監測項目包括細顆粒物(PM2.5)、可吸入顆粒物(PM10)、二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、一氧化碳(CO)與臭氧(O3)等，數據質量控制嚴格按照國家相關標準執行，評價依據為《環境空氣質量評價技術規范(試行)》(HJ 663—2013)。氣象觀測數據來源于天津市氣象局鐵塔觀測站，包括氣溫、相對濕度、10 m風向風速、邊界層高度等要素。500 hPa、850 hPa和地面天氣圖來源于中央氣象臺(www.nmc.cn)每日發布的天氣實況。

圖1 天津市空氣自動監測國控站示意圖Fig.1 The national air automotivemonitoring station in Tianjin

1.2 天氣分型方法

本文采用主觀污染天氣分型方法，即通過對500 hPa、850 hPa和地面天氣圖的理解、判斷和分析，結合氣象學、天氣學、大氣污染等理論，分出不同臭氧污染特點下天氣形勢類型，并具體闡明不同分型下氣象和污染物要素特征。天氣分型選取北緯35～45°、東經112～122°為關鍵區域，將地面形勢分為低壓前部、(弱)低壓、低壓后部、(弱)高壓、高壓后部和均壓場，500 hPa形勢分為槽前、槽、脊前、(弱)脊、脊后和平直，850 hPa形勢分為偏東氣流、東南氣流、偏南氣流、西南氣流、偏西氣流和西北氣流。

2 結果與討論

2.1 天津市臭氧污染狀況

2013—2019年，天津市PM2.5等大氣主要污染物濃度呈下降趨勢，優良天數增加，重污染天數減少，環境空氣質量明顯改善[33-34]，但臭氧是唯一不降反升的污染物(表1)。天津市臭氧日最大8 h滑動平均質量濃度(O3-8 h)的第90百分位數(O3-8 h-90per)除2015年略有下降外，呈逐年上升趨勢，尤其是2017—2019年，O3-8 h-90per連續3年超過《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)二級濃度限值160 μg/m3。2019年O3-8 h-90per達到217 μg/m3，超過二級濃度限值0.36倍，較2013年上升43.7%，以臭氧為首要污染物的重污染天達11 d，約占全年重污染天數的1/2。

表1 2013—2019年天津市空氣質量狀況Table 1 Air quality of Tianjin from 2013 to 2019

為便于研究分析，本文以3、4、5月為春季，6、7、8月為夏季，9、10、11月為秋季，1、2、12月為冬季。天津市臭氧濃度一般在1—5月呈現上升趨勢，于6—7月達到全年峰值，然后從8月起逐月下降，于12月達到全年谷值(圖2)。夏季一直是天津市臭氧濃度最高的季節，春秋季次之，冬季最低，這與大多數城市臭氧濃度季節變化特征相同[12,16-17,28-29]。2013—2019年，天津市各個季節臭氧濃度均呈現明顯上升趨勢，其中春季和秋季臭氧濃度升幅最為突出，O3-8 h-90per分別由2013年的115 μg/m3和126 μg/m3升至2019年的206 μg/m3和210 μg/m3，累計升幅分別高達79.1%和66.7%；夏季O3-8 h-90per由2013年的188 μg/m3升至2019年的253 μg/m3，累計升幅34.6%；冬季O3-8 h-90per由2013年的62 μg/m3升至2019年的80 μg/m3，也呈現出一定程度上升，升幅29.0%。盡管夏季始終是天津市臭氧污染最重的季節，但近年來春季和秋季臭氧污染日益突出，4月臭氧濃度已明顯上升，臭氧污染防治應于春季提早開始行動。

圖2 2013—2019年天津市臭氧濃度月變化Fig.2 Monthly variation of ozone concentrationin Tianjin from 2013 to 2019

選取典型臭氧污染月份(4—9月)的監測數據繪制日變化曲線，發現臭氧小時濃度一般從06:00開始升高，至14:00—15:00達到峰值，然后逐漸開始下降(圖3)。自2017年起臭氧各小時濃度均顯著升高，2019年尤其明顯，臭氧小時濃度在12:00—17:00連續6 h達到160 μg/m3以上。

圖3 2013—2019年天津市臭氧濃度日變化Fig.3 Daily variation of ozone concentrationin Tianjin from 2013 to 2019

2.2 臭氧污染氣象條件分析

2.2.1 氣溫

氣溫一方面與紫外輻射強度具有較強的相關性，可用于表征紫外輻射強度，另一方面高溫有助于生物源VOCs等臭氧前體物揮發，并且促進與臭氧生成相關的其他化學反應速率，是影響近地面臭氧濃度的主要氣象因素之一。利用天津市O3-8 h與日最高氣溫Tmax進行統計分析，發現當Tmax<28 ℃時，O3-8 h基本不會超標；當29 ≤Tmax<30 ℃時，O3-8 h超標概率僅為10%；當30 ≤Tmax<33 ℃時，O3-8 h超標概率在50%左右；當33 ≤Tmax<34 ℃時，O3-8 h超標概率為60%；當34 ≤Tmax<35 ℃時，O3-8 h超標概率為80%；當Tmax≥35 ℃時，O3-8 h超標概率達90%(表2)。由此可見，在Tmax達到30 ℃以上時，臭氧超標概率出現2次顯著提升，30 ℃以上即需關注臭氧污染，尤其33 ℃以上時臭氧污染概率大大增加。

表2 天津市日最高氣溫范圍內O3-8 h超標概率Table 2 O3-8 h exceedance probability at differentdaily maximum temperature in Tianjin

2.2.2 相對濕度

分析近年來O3-8 h與日均相對濕度的相關性關系發現，兩者之間呈現較弱的負相關(圖4)，但相關性并不顯著。O3-8 h超標對應的相對濕度主要集中在20%～70%，表明高相對濕度不利于臭氧生成和積累，這可能與高相對濕度一般對應著降水、霧等紫外輻射并不強烈的天氣有關。同時，夏季臭氧高濃度情況也很少出現在低濕天氣，可能與低濕一般伴隨冷空氣或大風等天氣狀況出現，此時大氣擴散條件有利，臭氧前體物濃度整體較低，光化學反應不強有關。特別需要指出的是這一相對濕度范圍對應的O3-8 h較為廣泛，簡單使用相對濕度進行臭氧污染程度的判斷可能并不合適，盡管高相對濕度下基本上可以排除O3-8 h超標。

圖4 O3-8 h與日均相對濕度的相關性Fig.4 Correlation between O3-8 h anddaily average relative humidity

2.2.3 風向風速

風對臭氧濃度及其分布的影響較為復雜，一方面在來自清潔地區的氣團控制下，有利于局地污染物擴散，或快速取代局地污染氣團，切斷臭氧光化學反應的前體物來源，從而降低近地面臭氧濃度；另一方面途經污染區域的氣團可能帶來臭氧前體物(如VOCs和NOx等)，提高臭氧生成潛勢，強對流天氣下還可能帶來邊界層高處的高濃度臭氧氣團，通過夾卷等方式導致近地面臭氧濃度升高，這往往發生在早晨等大氣光化學反應較弱的時刻，是造成臭氧濃度突然增加的原因之一?？紤]到臭氧小時濃度一般從08:00開始升高，選取每日08:00風向為主導風向，研究其對O3-8 h的影響。由天津市O3-8 h在各風向的分布情況可以看出，當西南風和東南風為主導風向影響時天津市O3-8 h較高，偏北風影響時O3-8 h明顯較低(圖5)，這可能與天津市偏南方向上的臭氧前體物污染來源較多有關。

圖5 不同主導風向下O3-8 hFig.5 O3-8 h in different dominant wind directions

綜合分析氣溫、相對濕度、風速、邊界層高度等氣象觀測資料及其對應O3-8 h可以發現，在日最高氣溫30 ℃以上、日均相對濕度20%～70%、日均風速1～2.5 m/s、白天(08:00—20:00)平均邊界層高度1 400 m以下時天津市O3-8 h較高(圖6、圖7)。

圖6 不同氣溫與相對濕度下O3-8 hFig.6 O3-8 h in different temperatureand relative humidity

圖7 不同邊界層高度與風速下O3-8 hFig.7 O3-8 h in different boundarylayer height and wind speed

2.3 臭氧污染天氣分型

2.3.1 春夏之交天氣型

天津市春末夏初期間臭氧污染過程發生時，高空主要受西南氣流影響，地面多為高壓后部和低壓控制，主導風向為西南風或東南風，平均風速多為1～2.0 m/s。發生污染過程的日最高氣溫多介于28～35 ℃之間，平均相對濕度在50%左右。此類天氣型下，O3-8 h均值達到213 μg/m3，同時PM2.5和NO2濃度相對較高，平均濃度分別為76 μg/m3和42 μg/m3，存在區域污染輸送疊加本地污染累積的過程(表3)。

表3 春夏之交臭氧污染過程案例Table 3 Examples of ozone pollution in the turn of spring and summer weather type

2.3.2 盛夏高溫天氣型

全年氣溫最高的夏季最容易出現O3-8 h超標天氣，盛夏高溫臭氧污染過程發生時，高空主要受西南-偏南氣流影響，地面多為低壓和弱高壓控制，地面主導風向為西南風或東南風，平均風速多為1.5～2.2 m/s。此類天氣型常受持續時間較長的高溫天氣控制，日最高氣溫多高于35 ℃，平均相對濕度在60%左右。O3-8 h均值為212 μg/m3，由于擴散條件較好，不會出現協同污染，PM2.5和NO2濃度相對較低，平均濃度分別為48 μg/m3和27 μg/m3(表4)。

表4 盛夏高溫臭氧污染過程案例Table 4 Examples of ozone pollution in the midsummer high temperature weather type

2.3.3 夏秋靜穩天氣型

夏末秋初臭氧污染過程發生時，高空主要受西南-偏西氣流影響，地面多為長時間弱氣壓場控制，主導風向為西南風或東南風，平均風速基本在1.5 m/s以下。發生污染過程的日最高氣溫多介于30～35 ℃之間，平均相對濕度均在50%以上。此類天氣型下，O3-8 h均值為209 μg/m3，PM2.5和NO2濃度相對較低，平均濃度分別為40 μg/m3和34 μg/m3，未出現污染物協同污染(表5)。

表5 夏秋靜穩臭氧污染過程案例Table 5 Examples of ozone pollution in the summer and autumn stable weather type

對比3種天氣型臭氧污染過程案例可以看出，當出現臭氧污染過程(至少一天O3-8 h大于215 μg/m3)時，500 hPa高空大多處于副熱帶高壓影響下的西南氣流或平直偏西氣流等緯向環流控制，850 hPa以偏西或偏南氣流為主，地面氣壓場較弱，主導風向均為西南風或東南風。春夏之交天氣型多受西南氣流控制，日最高氣溫和相對濕度較另2種天氣型低，容易出現臭氧與PM2.5的協同污染；盛夏高溫天氣型多受西南-偏南氣流控制，平均風速較另兩種天氣型大，日最高氣溫大于35 ℃，擴散條件有利，不會出現協同污染；夏秋靜穩天氣型多受西南-偏西氣流控制，平均風速在3種天氣型中最小，邊界層最低，雖為靜穩天氣，但不易出現臭氧與PM2.5協同污染。各天氣型的污染氣象特征詳見表6。

表6 不同天氣型污染氣象特征Table 6 Pollution meteorological characteristics of different weather types

3 結論

使用2013—2019年連續污染物監測數據和氣象觀測數據分析天津市臭氧污染現狀和氣象條件對臭氧濃度的影響，對近年來不同臭氧污染過程案例進行天氣分型，統計出現臭氧污染時的污染氣象特征，主要結論如下：

1)近年臭氧是天津市唯一不降反升的污染物，2017—2019年濃度連續3年超過國家二級濃度限值，2019年以臭氧為首要污染物的重污染天約占全年的1/2；春季和秋季臭氧污染日益突出，4月臭氧濃度已明顯上升，臭氧污染防治應于春季提早行動。

2)日最高氣溫達30 ℃時即需重點關注臭氧污染；O3-8 h超標對應的相對濕度主要集中在20%～70%；當白天平均邊界層高度在1 400 m以下，受風速為1～2.5 m/s的西南風或東南風影響時天津市O3-8 h較高。

3)當500 hPa處于西南或偏西氣流、850 hPa處于偏西或偏南氣流、地面為西南風或東南風時，易出現臭氧污染過程；春夏之交天氣型日最高氣溫和相對濕度較另兩種天氣型低，容易出現臭氧與PM2.5的協同污染；盛夏高溫天氣型平均風速相對較大，日最高氣溫大于35 ℃；夏秋靜穩天氣型平均風速小、邊界層低。在不同季節月份，通過觀察天氣形勢和氣象要素的變化，預判污染過程，為預報和防控工作提供參考。