2020年春季广东一次臭氧污染过程的气象条件分析

2020-09-08陈靖扬谢维斯李婷苑洪莹莹邓思欣

广东气象 2020年4期

陈靖扬，谢维斯，李婷苑，洪莹莹，邓思欣

（1.广东省生态气象中心，广东广州 510640；2.广东省气象公共服务中心，广东广州 510640；3.国家环境保护区域空气质量监测重点实验室，广东广州 510308）

近年来随着广东减排工作的落实，空气质量状况逐年好转，PM2.5污染天数显著减少［1］。然而，臭氧（O3）污染日益严重，已超越PM2.5成为珠三角地区的首要污染物［2-3］。O3作为一种强氧化剂，对人体呼吸系统和神经系统会产生一定伤害，当近地面O3质量浓度过高时，会对人类及生态环境造成损害［4］。因此，目前对于O3污染的研究备受国内外关注。O3质量浓度高低除了与相关前体物浓度有关外，还与气象条件有着密切的联系［5］，其变化与多个气象要素有关［6］。但在不同情况下，主导的气象要素有所不同：安俊琳等［7］发现北京地区的O3质量浓度与气象要素的关系存在季节性变化，在夏季与温度相关性较高，在冬季与风速相关性较高；Liao等［8］利用客观天气分型方法研究长三角在不同天气型下O3质量浓度和PM2.5时空分布特征，发现在盛行西风型下O3质量浓度最高。学者们针对广东地区O3质量浓度的变化与气象条件关系也做了不少研究，黄俊等［9］研究发现，广州O3质量浓度与气温呈正相关，与相对湿度和气压呈负相关，当风力为2～3级吹西北偏西至西南偏西风时，O3质量浓度最高；甘泉等［5］发现，惠州春季O3污染在偏西风下出现的概率更高；夏冬等［10］发现，在高空槽、副高和热带气旋共同影响下，东莞更容易发生O3污染。

对O3典型过程研究是O3污染治理的基础，本研究以2020年4月9日的O3污染过程为例，基于气象资料和空气质量资料，从高空天气形势、地面气象要素、边界层风场特征等多个方面对该次过程气象条件进行分析，为广东O3污染的预报和防控提供气象条件方面的参考。

1 资料与方法

本研究使用的数据主要是2020年4月8—10日的气象资料和空气质量资料，包括该次O3污染过程以及前后各1 d，其中，气象资料包括广东省86个国家气象站资料、广州黄埔和江门新会两部风廓线雷达资料以及欧洲中期天气预报中心的大气再分析资料ERA5（空间分辨率0.25°×0.25°）［11］，空气质量资料为广东省102个国控站的污染物质量浓度数据。

通风量（VI）是表征边界层内大气对污染物的扩散能力的有效工具，本研究的通风量基于风廓线雷达资料进行计算，其计算公式［12］为

其中，i是该时刻风速对应的高度层；hi是i层的高度（m）；vi是i层的风速（m／s）；MH是该时刻边界层高度（m）；VI的单位为m2／s。由于珠三角清洁日最大混合层高度可以达到2 000 m左右［13］，因此取MH为2 000 m。

2 污染过程概述

该次臭氧污染过程发生在2020年4月9日，持续时间为1 d。全省共7市次O38 h（O3的日最大8 h滑动平均）超标：佛山、广州中度污染，江门、肇庆、东莞、清远、中山轻度污染。当天O3质量浓度的大值区主要集中在珠三角中部偏西的地区，其中佛山三水云东海站、广州花都师范站和佛山高明孔堂站达重度污染，日最大O38 h质量浓度在265μg／m3以上。

图1为2020年4月9日13：00（北京时，下同）、15：00、17：00和19：00的O3小时质量浓度分布图，由图1可见当天污染物O3的生消情况。13：00，广州、佛山、东莞、江门的O3质量浓度开始上升；15：00，珠三角中部、西部、西南部O3污染区域进一步扩大；17：00，珠三角及粤北西南部持续上升，在佛山北部和广州南部出现了O3小时质量浓度超过300μg／m3的站点观测，该次过程的O3小时质量浓度最高值也出现在该时次的三水云东海站，为358μg／m3；19：00起污染物开始逐渐消散。

图1 广东2020年4月9日13：00（a）、15：00（b）、17：00（c）和19：00（d）O3小时质量浓度分布（单位：μg·m-3）

3 气象成因分析

3.1 高空天气形势

图2为基于再分析数据ERA5的4月9日14：00的500 hPa位势高度场与风场叠加以及925 hPa风场分布，以分析污染期间高空天气形势。4月9日，500 hPa弱高空槽东移出海，副高略有增强，广东高空受平直西风气流影响，风速较前一日有所减弱，925 hPa广东中部地区受明显的反气旋环流控制，以下沉气流为主，不利于污染物的垂直扩散，云量较少，较强的太阳辐射有利于O3生成。

图2 2020年4月8—10日500 hPa高度场（单位：gpm）（a）和925 hPa（单位：m·s-1）（b）风场分布

3.2 地面气象条件

该次O3污染过程的重污染区域在广州和佛山，因此选取4月8—10日的广州萝岗观测站和佛山南海观测站的单站气温、风向风速进行分析。从图3可知，4月9日午后气温高于4月8和10日，两个站点观测均超过了28℃，较高的气温有利于生成；而在9日13：00—17：00，两个站点的风速较小，基本小于2 m／s，此外可见两个站点在13：00—16：00存在连续的南北风向转换，有利于污染物回流堆积，18：00起南风加大，污染物扩散条件逐渐好转，10日午后风速有所加大，且转为较一致的偏南风，水平扩散条件较9日明显好转。

图3 2020年4月8—10日广州萝岗观测站（a）和佛山南海观测站（b）温度、风向风速时间序列

太阳辐射强度是影响光化学反应生成O3的关键因素之一，从4月8—10日的日照时数分布（图4）可知，8日全省的日照时数大值区基本集中在粤北和粤东沿海地区，珠三角地区的日照时数除广州北部外，基本在6 h以下；9日全省日照时数较前1天明显增加，珠三角大部基本在8 h以上，较长的日照时数更有利于光化学反应生成O3；10日日照时数较9日有所减少，珠三角日照时数大值区主要集中在南部沿海地区，其余地区日照时数在8 h以下。

图4 广东2020年4月8日（a）、9日（b）和10日（c）日照时数分布（单位：h）

污染区域O3质量浓度除受本地光化学反应影响，还会受近地面风场的传输、扩散影响。从4月9日13：00、15：00、17：00和19：00的风场分布（图5）可知，13：00广州南部、佛山、东莞存在弱风向辐合，对应地区的O3质量浓度较周边地区有上升；15：00广州、佛山存在明显的东西风弱辐合带，肇庆、江门存在局部弱辐合，珠三角中东部以偏东风为主，西部以偏西风为主，污染物无法扩散，污染区域主要集中在珠三角中部及偏西的地区；17：00，珠三角大部转受弱偏南风影响，但南风控制区域仅到达珠三角中部偏北地区，在广州北部、肇庆北部仍受偏北风影响，存在南北风弱辐合，使污染物进一步累积，且偏南风传输作用，使珠三角中南部地区的污染物往北输送，佛山、广州的O3质量浓度继续上升，且在该时次达到峰值；19：00，日落后O3无法继续生成，且南风控制区域进一步北推，来自海上持续的南风对污染物有较好的清除作用，珠三角南部沿海地区的污染物浓度下降较为明显，其余污染区域的污染物质量浓度也有不同程度下降。

图5 广东2020年4月9日13：00（a）、15：00（b）、17：00（c）和19：00（d）风场分布（单位：m／s）

3.3 边界层风场特征

为进一步研究污染过程中风场的垂直特征，本研究基于广州黄埔和江门新会的风廓线雷达观测数据，计算边界层通风量。从图6可知，8日广州和江门白天的通风量呈减小趋势，且午后通风量较小，基本维持在2 500～3 000 m2／s，但由于8日日照时数在6 h以下，O3生成条件一般，因此未造成O3污染；9日广州和江门的通风量在白天仍是呈减小趋势，且在午后达到当天最低水平，通风量较小，污染物难以扩散，有利于污染物的堆积，使O3质量浓度升高，夜间2个站点的通风量均有明显增加，且在10日通风量较前两天明显增大，有利于污染物的扩散，污染过程结束。