2018—2020年西北太平洋台风特征及其对福州市臭氧浓度的影响

2021-08-27龙小燕

海峡科学 2021年7期

龙小燕

(福建省福州环境监测中心站，福建福州 350100)

大量研究表明，不同区域的气候特点和地理环境对本地的臭氧生成、积累和扩散影响显著。台风作为重要气候特征之一，可能造成气象灾害的同时，又很大程度影响本地的空气质量，尤其是臭氧浓度。杨柳等[1]研究了台风对香港地区臭氧污染的影响，夏秋季尤其是秋季热带气旋易引起臭氧高污染，热带气旋越强，越容易引起臭氧高污染，臭氧浓度极值越大。魏晓琳等[2]用大气化学模式模拟了香港地区一次夏季臭氧高污染事件，证明台风外围低层环流为香港及邻近地区带来偏西北及偏南风的风场辐合，使污染物滞留，且高温晴热光化学反应强，造成臭氧高浓度。张智等[3]对2018年台风“安比”影响河北的一次臭氧污染过程生成、维持、清除进行动力分析，发现台风外围下沉气流有利于河北南部污染物的积聚，而台风降水对臭氧污染有非常好的清除作用。

福州市地处我国东南沿海，每年受台风影响频繁。在台风影响期间，福州市受到不同路径和强度台风的影响，臭氧浓度呈现不同变化特征。本文通过统计2018—2020年台风的时空分布特征，探索台风活动规律，研究台风特征与臭氧浓度之间的相关性，为台风期间臭氧污染预报预警提供相关科学依据。

1 资料和方法

台风数据源自台风路径实时发布系统(http://typhoon.zjwater.gov.cn/default.aspx)和温州台风网(http://www.wztf121.com/)2018—2020年发生在太平洋上的台风统计资料。气象资料源自福州市大气超级站和大气环境监测综合分析诊断系统(http://10.35.5.15:8089/pas2/login/init.html)2018年1月1日-2020年12月31日数据。参考《福建气候》(第2版)[4]划定福州自然天气季节，春季为3～6月，夏季为7～9月，秋季为10～11月，冬季为12月～次年2月。

O3浓度资料选取2018年1月1日-2020年12月31日分布于福州市的5个国控站点(鼓楼区五四北路站点、杨桥西路站点、紫阳站点，仓山区师大站点，马尾区九龙站点)O3小时均值。

参照《环境空气质量标准》(GB3095-2012)，O3的日评价为日最大8小时滑动平均浓度(以下简称O3-8h浓度)，超过160μg/m3即为臭氧超标。

本文统计分析选用SigmaPlot 10.0和Excel 2003等软件分析处理数据。

2 台风特征分析

2.1 台风月变化和季节变化特征

统计资料表明，西北太平洋上2018年和2019年发生台风数量均为29个，2020年为23个，减少了20.7%，三年共统计台风数量81个(表1)。孙一妹等[5]研究1977—2012年西北太平洋上生成的台风，年平均生成25个台风，可见2018年和2019年高于此平均值，2020年低于此平均值。根据杨学祥[6]等研究资料，2018年10月-2019年7月和2019年11月-2020年5月出现两次厄尔尼诺现象，而美国气候预测中心发布数据表明，2020年5月至年底出现拉尼娜现象。厄尔尼诺现象表现为热带太平洋中东部海温大范围持续异常增暖的现象，拉尼娜现象紧随其后，正好相反。所以2018年和2019年台风数量高于2020年，可能与2018年、2019年夏秋季出现厄尔尼诺现象，而2020年夏秋季出现拉尼娜现象有关。2018年和2019年海温更高[7]，能为台风的生成和发展提供更多的能量[5]。

从表1可见，2018年台风数量最多的月份为8月，生成8个台风，其次为7月，2019年8月和9月台风数量最多，而2020年8月和10月最多。2019年和2020年台风集中发生的月份相比2018年推迟了一个月，这可能和2018年夏季季风槽偏强有关[2]。总体看三年台风数据，8月台风数量最多，为20个，占24.7%，1～5月台风数量较少，其中4月均未出现台风。台风集中生成期为7月到11月，共生成67个台风，占总数的82.7%，而孙一妹等[5]研究发现，1977—2012年西北太平洋上台风集中生成期为7月到9月，占台风总数的56.6%。

表1 2018—2020年西北太平洋台风数量月分布

图1为不同季节台风生成频数变化，表现出了与月份变化相同的规律。2018—2020年，每年均是夏季生成台风数最多，这和吕心艳等[7]的统计结果相似，其次是秋季，春季和冬季较少。三年总体来看，春季、夏季、秋季和冬季生成的台风数分别占总数的8.6%、54.3%、28.4%和8.6%，可见台风主要在夏秋季生成。

图1 2018—2020年西北太平洋不同季节台风生成频数变化

2.2 不同路径台风生成情况月际变化

台风移动路径主要受大尺度环流的引导[7]，受西风槽和副热带高压等天气系统影响。参考杨柳等[1]的研究，结合2018—2020年西北太平洋台风活动轨迹，将台风路径分为a、b、c、d四类，每类分成两种(如图2)。(1)a类(南海型)多数生成于南海，少数生成于菲律宾以东洋面并西进穿过菲律宾群岛进入南海。a1多从南海西北而上在海南省或广东省登陆，a2多继续西行在越南登陆，部分偏南，离我国大陆较远。(2)b类(闽浙沪苏登陆型)多生成于西北太平洋洋面，再西北而上前进登陆，b1登陆福建省，b2在我国浙江省、上海市和江苏省登陆。(3)c类(朝鲜半岛和日本登陆型)多生成于西北太平洋洋面，西北而上绕一个半弧。c1先西北而上，从台湾以东海域到东海海域近我国大陆，再继续北上在朝鲜半岛登陆，或穿过对马海峡进入日本海。c2半弧比较明显，先西北而上再东北而上，在日本登陆。(4)d类(太平洋远大陆型)生成于西北太平洋近加罗林群岛附近洋面[3]，距我国大陆较远且不登陆。d1半弧比较明显，且距我国大陆相对d2更近，d2路径接近太平洋中部。

图2 西北太平洋台风不同路径示意图

统计三年台风活动轨迹，a路径台风发生最多，共33个，占总数的40.7%；b路径台风发生最少，为10个，占12.3%；c路径台风23个，占28.4%；d路径台风15个，占18.5%。

如图3所示，a路径台风主要发生在10月和11月，各为7个，其中 2020年10～12月发生9个a路径台风；b路径台风只发生在7～9月，8月最多，为6个；c路径台风主要发生在8月，为7个；d路径台风主要发生在9月，为4个。由图3可见，a路径、c路径和d路径台风主要发生在夏秋季，b路径台风只发生在夏季，中秋后台风不再在闽浙沪苏登陆。冬春季台风较少，且冬季主要生成a路径台风，这可能是因为冬季海温较低，台风适合在南部温暖海域生成发展。

图3 西北太平洋各月不同路径台风生成情况

3 台风与臭氧浓度的关系

3.1 台风对福州市臭氧浓度影响的基本判断

台风对臭氧的影响主要分为两种，一种是登陆或近大陆台风带来风雨影响，大风大雨的清除作用使各项污染物浓度迅速降至低值，空气质量明显好转。a1和b1、b2等路径台风登陆我国，部分c1路径台风在距我国大陆较近时，易对大陆产生风雨影响[3]。另一种影响为处于台风外围区的地区受到下沉气流的影响，形成局地垂直环流[2]，一次和二次污染物聚集后难扩散，且受台风外围水平气流影响，期间常存在弱偏北到东北气流[1,2]，产生长三角地区的污染物水平输送，在高温和强辐射影响下，光化学反应活跃，臭氧生成增强而扩散较差[2]，导致臭氧积累超标，空气质量变差。而这两种影响可能先后协同出现，表现出不同的影响特点。

福州市位于台湾海峡西岸，臭氧浓度易受到不同路径和强度台风的影响。当a路径和b路径台风登陆时，臭氧得以清除。当处于台风外围下沉气流控制时，臭氧浓度升高，甚至超标。当a1、b1、b2等路径台风出现时，有可能随着台风移动，处在台风外围时，臭氧浓度升高，台风登陆时，臭氧被风雨清除。当c1路径出现时，有一种可能性为台风距离较近时，风力较大，臭氧浓度偏低，随着台风北移，受到下沉气流的影响，臭氧浓度升高。目前台风对臭氧浓度的影响，缺乏统一判断标准，还需进一步验证。

2018—2020年，有36个台风对福州市臭氧浓度产生影响，占总数的44.4%。从表2可见，因风雨产生清除作用的台风为18个，占到有影响台风数量的一半，a、b、c路径均有可能，主要有10个a路径台风，6个b路径台风。因外围下沉气流导致臭氧生成积累的台风有11个，占30.6%，主要为c路径台风。先积累后清除的台风有5个，主要是b和c路径。先清除后积累的台风只有2个，均为c路径。可见a路径和b路径台风多数对臭氧具有清除作用，不易造成臭氧污染，c路径台风大多对臭氧有生成积累作用，易造成臭氧高值。

表2 台风对臭氧浓度的影响类别

3.2 典型影响台风剖析

2018年08号台风“玛利亚”为17级超强台风，其路径如图4(a)，在美国关岛以东洋面生成，于7月11日9时在福州市连江县登陆，属于b路径台风。玛利亚登陆时福州市区降水达到大暴雨级别(图4b)，小时降水达22.3mm，风力10-11级。随着台风登陆并逐渐向内陆深入，福州市在7月11-19日均为阴雨天气，因风雨的清除作用，期间福州市O3-8h浓度为29～65μg/m3，其他污染物浓度也较低，AQI保持在18～36。

(a) (b)

2018年25号台风“康妮”、2019年17号台风“塔巴”以及2020年10号台风“海神”均发生在9～10月，均为c路径台风(图5a)，均导致臭氧浓度不同程度升高。从表3看出，3个台风对福州市臭氧浓度影响为6～8天，影响程度与台风路径、台风强度、台风中心和福州距离相关。“海神”强度高、距离偏远，“塔巴”距离较近、但强度偏低，“康妮”台风强度高、距离较近(图5b)，对福州市臭氧浓度影响较大。“康妮”台风影响期间，福州市O3-8h浓度为139～181μg/m3，2018年9月30日-10月2日“康妮”台风前期同时还受到c路径台风“潭美”的共同影响。

表3 台风对福州市臭氧浓度影响对比

福州市在“康妮”台风影响期间，臭氧浓度均较高，共出现9月30日、10月1日、10月2日、10月6日、10月7日5个超标日，其中9月30日和10月7日白天最高小时值分别达到202μg/m3和203μg/m3。且夜间臭氧浓度仍居高不下，其中10月1日23时和10月6日23时臭氧浓度分别高达168μg/m3和141μg/m3。在此期间，福州市存在弱东北气流，可能有臭氧前体物传输。从臭氧激光雷达(图5c)可看出，期间因气温较高，辐射较强，臭氧本地生成能力强，且因为台风外围下沉气流导致扩散较差，出现夜间臭氧积累残留。

(c)图5 台风移动路径(a)、台风“康妮”中心与福州距离(b)、台风“康妮”期间福州市臭氧激光雷达(c)

2018年14号台风“摩羯”为10级强热带风暴，属b路径台风，见图6(a)。从福州市臭氧小时浓度(图6b)可知，8月10-12日臭氧浓度较高，O3-8h浓度范围为139～181μg/m3，其中8月11臭氧超标，这三日台风中心距离福州从1200km递进至500km。随着“摩羯”在浙江温岭登陆，8月14日凌晨福州开始降水，到8月15日10时小时降水达12.7mm，8月13-15日风力3-4级，14日和15日福州市O3-8h浓度分别降至60μg/m3和37μg/m3。由此可见，随着“摩羯”台风在台湾以东洋面西北而上，在福州距离台风中心500～1200km时，处在台风外围下沉气流控制区，臭氧生成能力强且扩散较差，随着台风距离更近和逐渐登陆，风力渐大且出现降雨，臭氧浓度降至较低。