2019年秋季三亚市一次典型臭氧污染个例气象成因解析

符传博 ，丹利*，刘丽君 ，佟金鹤

1. 海南省气象科学研究所，海南 海口 570203；2. 中国科学院大气物理研究所东亚区域气候-环境重点实验室，北京 100029；3. 海南省南海气象防灾减灾重点实验室，海南 海口 570203

近些年来随着中国经济的快速发展和城市工业化水平的提高，大气污染特征正由常规化石燃烧引起的单一污染物区域性污染逐渐向结构型、压缩型、复合型大气污染转变（Fu et al.，2019；Li et al.，2019；梁从诫，2006）。目前近地面臭氧（O3）和细颗粒物（PM2.5）被公认为是影响中国城市空气质量的最主要两类大气污染物（张小曳等，2013；徐祥德等，2015），国家在近些年采取了一系列大气污染防治措施，并在城市 PM2.5浓度控制上取得了较好效果（中华人民共和国生态环境部，2021）。就全国平均而言，城市 PM2.5年平均质量浓度从2015 年的 55 μg·m-3下降到了 2020 年的 33 μg·m-3，降幅高达 28.8%（中华人民共和国生态环境部，2021）。城市O3污染却日趋严重（陆倩等，2019；沈劲等，2019）。O3已经成为中国仅次于PM2.5的第二大环境空气污染物，在中国东南部，西部等太阳紫外辐射较强区域，O3超标率已经大于 PM2.5，成为全年首要污染物（程麟钧，2018）。如何开展PM2.5和 O3的协同防治，控制 PM2.5浓度的同时遏制 O3的增加是当前亟待解决的科研问题，应当引起政府部门和广大民众的重视。O3是一种具有强氧化性的大气污染物（冯兆忠等，2018），其主要来源是氮氧化合物（NOx）和挥发性有机物（VOCS）在太阳紫外光照射下通过一系列的光化学反应生成（李莉莉等，2020；颜敏等，2021）。近年来中国城市机动车数量不断增多，其排放的NOx贡献率不断提升，加之VOCS在国家层面没有明确的强制性考核要求，其排放量居高不下，因此 O3污染日趋严重（Liu et al.，2018；符传博等，2021）。高浓度 O3不仅会对人体健康造成不同程度的伤害（Anenerg et al.，2010；Croze et al.，2018），同时对生态系统也会造成影响（Fuhrer，2009；耿春梅等，2014）。目前国内学者对中国不同区域 O3浓度时空变化特征做了很多研究，大多数结果都表明O3浓度有明显上升的趋势（程麟钧等，2017；李霄阳等，2018），月际尺度上北方城市和南方城市分别具有显著的倒“V”和“M”型变化规律（李霄阳等，2018），且呈现夏季高、春秋季居中、冬季最低的特征。京津冀、长三角和珠三角地区中国O3污染较重的3个区域（程麟钧，2018；王玫等，2019；沈劲等，2019），京津冀地区 O3质量浓度年均增长4.5 μg·m-3，其中北京、保定O3污染最为严重。此外西部地区城市 O3污染也日趋严重（姜允迪等，2000；吴锴等，2017；李全喜等，2018），西部城市多属于大陆性气候区，夏季降水量偏少，因此降水对大气污染物的冲刷作用不大，夏季高温和强辐射造成光化学反应速率上升，O3浓度升高（徐锟等，2018）。

三亚市位于海南岛最南端，旅游资源丰富，生态环境良好，是中国著名的旅游城市，也是海南建设国际旅游岛和国家生态文明试验区的重要城市之一。根据海南省生态环境厅公布的数据，2019年三亚环境空气质量优良率为98.6%，市区SO2、NO2、PM10和 PM2.5年平均质量浓度分别为 4、9、27和14 μg·m-3，CO平均质量浓度第95百分位数为0.7 μg·m-3，达到《环境空气质量标准》一级标准，O3日最大 8小时平均质量浓度第90百分位数为118 μg·m-3，达到《环境空气质量标准》二级标准。我们前期工作系统地分析了三亚市的 O3质量浓度时空变化和演变规律（符传博等，2020a），并发现2019年11月4—5日三亚市O3质量浓度达到了轻度污染等级，初步的分析表明稳定的东北风风场，高温低湿的气象条件是造成此次污染过程的主要原因。本文进一步结合三亚市气象数据和ECMWF发布的第五代资料（the fifth generation ECMWF reanalysis data，ERA5），采用HYSPLIT后向轨迹模型和多种统计方法，探讨此次 O3污染变化特征及气象成因，以期提高三亚市大气污染防治工作的针对性和科学性，为三亚市巩固改善成果、实现空气质量持续向好发展和增强三亚市城市综合竞争力提供科技支撑。

1 数据与方法

1.1 数据来源

本研究选取了2019年11月1—6日三亚市生态环境局对外发布的6类大气污染物（SO2、NO2、PM10、PM2.5、O3和 CO）逐时质量浓度数据（http://hbj.sanya.gov.cn/），为三亚市的两个国控站平均所得，包括河东子站（109.508°E、18.249°N）和河西子站（109.496°E、18.268°N），均位于三亚河西侧的城市中心位置。另外，三亚市地面常规观测数据（站号：59948），包括降水量、平均气温、相对湿度、风向风速等，数据来自海南省气象局信息中心。三亚市地理位置如图1所示。

图1 三亚市地理位置示意图Figure 1 Geographical distribution of Sanya City

再分析格点资料本文使用的是ECMWF发布的第五代资料（ERA5），该数据是由欧盟资助ECMWF执行的哥白尼气候变化服务（Copernicus Climate Change Service，C3S）推出的数据集，目前是最新一代的再分析资料（朱景等，2019）。ERA5首次利用由10个成员组成，时间分辨率为3 h，空间分辨率为62 km的集合再分析产品来评估大气的不确定。新功能以ECMWF开发的数据同化集合（EDA）系统为基础，可以解释观测和预报模型中的误差。同时，ERA5将更多的历史观测数据尤其是卫星数据利用到先进的数据同化和模式系统中，用以估计更为准确的大气状况。研究表明，ERA5再分析资料相比于其他再分析资料，其适用性总体上更为准确，特别是地面和对流层低层的气象要素更为精确，目前已被广泛应用于各种科学研究中（孟宪贵等，2018；宋海清等，2020）。

1.2 研究方法

在探讨三亚市 O3浓度变化及其与地面气象要素和动力影响因子关系的时候，用到了相关分析方法，相关分析的结果能揭示不同要素之间是否存在某种依存关系，并对具体有依存关系的现象探讨其相关方向以及相关程度（肖建能等，2016），具体计算公式如下：

式中：

rxy——要素x与y之间的相关系数。

HYSPLIT模型是由美国国家海洋和大气管理局（NOAA）与空气资源实验室（ARL）联合研发的一种用于计算和分析大气污染物输送、扩散轨迹的专业模型（符传博等，2020b）。该模型具有处理多种气象要素输入场、多种物理过程和不同类型污染物排放源功能的较为完整的输送、扩散和沉降模式。模型所用数据主要来源于美国国家环保中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP），数据齐全并不断更新，准确度也相对提高，可以在线或单机使用。本研究采用其最新版本（版本号为4.9）来分析三亚市此次臭氧污染的源地问题。

2 结果与分析

2.1 个例实况概述

表1给出了三亚市2019年11月1—6日6种主要大气污染物质量浓度值。监测结果表明，4日和5日O3-8 h（臭氧最大8 h滑动平均）分别为162 μg·m-3和 180 μg·m-3，超标百分比为 101.25%和112.50%，均超过了国家二级标准（生态环境部，2018）。O3-1 h（臭氧最大1小时平均）在5日达到了203 μg·m-3，也超过了国家二级标准（GB 2095—2012），超标百分比为101.50%。除了O3之外，其余大气污染物质量浓度均没有超标，O3是三亚市此次大气污染过程的首要污染物。O3质量浓度最大值出现在5日，其余5类污染物质量浓度最大值则出现在4日。如PM2.5和PM10质量浓度从4—5日分别下降了 6 μg·m-3和 5 μg·m-3，NO2和 CO 分别下降了 4 μg·m-3和 0.1 mg·m-3，SO2质量浓度保持不变，O3-8 h 和 O3-1 h 均上升了 18 μg·m-3。O3浓度的大小主要受前体物浓度和气象条件影响，表 2进一步给出了2019年11月1—6日三亚市气象要素对比。从表中可以看出，5日平均气压相比于 4日较为接近，气温略有下降，相对湿度下降至72%，平均风速从5.5 m·s-1下降至4 m·s-1。一方面，大气中水汽偏少有利于太阳紫外辐射到达地表面，加大光化学反应速率；另一方面，相对湿度偏低不利于大气 O3的干沉降作用（吴锴等，2017）。此外，三亚市 5日平均风速进一步下降，减弱了气流对O3的水平扩散作用。综上可知，较低的相对湿度和较弱的风速对三亚市O3浓度上升起到显著影响。

表1 2019年11月1—6日三亚市AQI和大气污染物质量浓度对比Table 1 Comparison of AQI and air pollutant concentration in Sanya City from November 1-6, 2019

表2 2019年11月1—6日三亚市气象要素对比Table 2 Comparison of meteorological factors in Sanya City from November 1-6, 2019

图2进一步给出了2019年11月1—5日三亚市O3、NO2和气象要素逐时变化。从污染物浓度变化上可以分为两个时段，即1—2日为清洁时段，4—5日为污染时段。从污染物浓度变化上看，清洁时段O3和NO2浓度日变化不明显，O3质量浓度基本在 80 μg·m-3以下，NO2质量浓度维持在 8 μg·m-3附近；在污染时段，O3质量浓度日变化非常明显，14:00—19:00是O3质量浓度高值时段，4日O3小时质量浓度最大值出现在17:00，为185 μg·m-3，5日出现在 15:00，为 203 μg·m-3。NO2作为 O3的前体物，其质量浓度变化与 O3质量浓度有很好的负相关关系，NO2质量浓度最大值出现在早上的08:00—09:00，随后受光化学反应的消耗，浓度快速下降，并在反应最为剧烈的下午时段降至最低值。从气象要素变化上看，清洁时段三亚市风速偏大，为东到东北风，并伴随有降水发生。受降水影响，相对湿度明显偏高，平均气温日变化不大，基本维持在23 ℃附近；污染时段风速有所减小，同时风向逆转为东北风，平均气温的大值时段和相对湿度小值时段均出现在13:00—15:00，偏早于O3大值时段2—3 h。高温低湿是两个有利于光化学反应发生的基本气象条件，气温偏高往往预示着太阳紫外辐射偏强，光化学反应剧烈；空气中的相对湿度偏大时，一方面紫外辐射强度会因水汽的消光机制而发生衰减，另一方面水汽会直接通过化学反应消耗 O3质量浓度（吴锴等，2017），因此高气温和低湿度会影响光化学反应的剧烈程度，从而影响 O3质量浓度的水平。

图2 2019年11月1—5日三亚市O3、NO2质量浓度和气象要素逐时变化Figure 2 Hourly variation of O3, NO2 and meteorological factors in Sanya City from November 1st to 5th, 2019

2.2 环流形势分析

某一城市或区域的污染物排放量在一定时间段内是稳定不变的，天气形势和气象条件的变化往往会影响着污染物的聚集程度，从而决定了大气污染事件发生频率和严重程度（李崇等，2017）。从500 hPa环流形势上看（图3），清洁时段（图3a、b）东亚地区中高纬呈现一槽一脊的天气形势（11月1日），等高线经向度较大，有利于引导冷空气南下。台湾省以东洋面上有一气旋性环流缓慢西移，11月2日位于台湾省南部，强度有所发展，三亚市位于气旋性环流西侧，受其东北气流控制。污染时段（图 3c、d）中高纬地区等高线较为平直，槽和脊强度减小，气旋性环流减弱消失，西太副高东段和西端开始连接，三亚市位于其内部，受其下沉气流影响，不利于三亚市污染物的扩散。

图3 2019年11月初500 hPa高度场和风场Figure 3 500 hPa geopotential height and wind fields in early November 2019

从低层上看（图 4），清洁时段（图 4a、b）华南地区等压线较为稀疏，1012.5 hPa线位于海南省南部，925 hPa风场为东到东北风控制，风速整体偏小，海南省相对湿度分布在80%—90%之间。污染时段（图 4c、d），位于南海中东部的热带扰动有所发展，11月5日其中心气压值为1002.5 hPa，受其西移影响，1012.5 hPa等压线北退至海南省北部，华南地区等压线较为密集，925 hPa风速偏大，有利于北方污染物向三亚市输送。海南省北部、中部和东部相对湿度在80%以上，而西部和南部的相对湿度明显降低，在68%以下，较低的相对湿度更加有利于三亚市光化学反应的发生。

图4 2019年11月初主要气象要素场分布Figure 4 Distribution of main meteorological parameter fields in early November 2019

2.3 污染气团后向轨迹分析

利用美国NOAA的HYSPILT4后向轨迹模型，以三亚市（18.226°N，109.59°E）为起始点，对 11月 1日 08:00、2日 08:00、3日 08:00、4日 08:00和5日08:00，3个高度（10、500、1000 m）的影响气流进行后向轨迹分析（图 5）。从不同时间上看，气流轨迹随着时间的推移缓慢逆时针旋转。1日和2日的影响气流均来自台湾省以东的西太平洋海面，经过南海北部，从海南省以东洋面到达三亚市。3日的影响气流主要来自中国东南沿海，从台湾海峡经过南海北部、海南省东北部到达三亚市。污染时段（4日和5日）的影响气流主要来自中国内陆地区，4日和5日10 m高度的气流轨迹分别起始于广东省北部和湖南省东南部，经过广东省珠三角地区西部，从海南省北部穿过五指山山脉到达三亚市。500 m和1000 m高度的影响气流较为相近，4日和5日分别起始于江西省中部和浙江省西部，途径福建省和江西省交接，经过广东省珠三角地区，从海南省北部穿过五指山山脉到达三亚市。从不同高度上看，影响气流起始位置随着高度的增加而远离三亚市，这可能是高度越低，地表摩擦越大，影响气流速度越慢所致，特别是来自内陆地区的气流（4日和5日），不同高度的影响气流起始点相差较大。

总体而言，清洁时段的影响气流主要来自西太平洋海面，气团相对较为清洁，没有明显的外来污染输送；污染时段的影响气流主要来自中国内陆地区，特别是不同高度的气流均经过经济高度发达、污染较为严重的珠三角地区，外源输送比较明显。此外，清洁时段影响气流主要从海南省东部海面到达三亚市，而污染时段的气流主要从海南省东北部，经过中部的五指山山脉到达三亚市，可能中部山区地形会对三亚市此次大气污染过程造成显著影响。

2.4 地面气象要素分析

从前面的分析可知，三亚市 O3污染期间的影响气流主要从中国内陆经过广东省珠三角地区，从海南省东北部穿过五指山山脉到达三亚市，外源输送较为明显，地形的作用也不可忽视。大气是一种流体，空气在流动的时候碰到山体会有两个方向的变化，其一是爬升越过山体，从背风坡下沉到达地面；其二是从山体前方分成两支，绕流到山体后部汇合。图6分别给出了清洁时段（图6a、b）和污染时段（图6c、d）海南省950 hPa风场、气温和垂直速度的空间分布。从图中可以清楚地看出，清洁时段海南省低层风场主要为东风或东到东北风，水平风风速偏大。在海南省东部和北部有明显的上升气流存在，而在西部和南部主要受下沉气流控制，三亚市位于其下沉气流控制区。污染时段低层风向逆转为东北风，而且水平风风速较清洁时段明显偏小。在五指山以北地区主要为上升气流控制，五指山以南地区为下沉气流，南部沿海又表现为上升气流影响。一般而言，下沉气流不利于污染物在垂直方向上的扩散，三亚市在污染时段表现为上升气流未能反映出 O3质量浓度增长的原因，由此推断水平方向的绕山气流辐合作用对三亚市 O3质量浓度上升影响更大。

为了进一步揭示绕山气流的辐合效应对三亚市 O3质量浓度增长的作用，图 7给出了清洁时段（图7a、b）和污染时段（图7c、d）海南省950 hPa散度和流场的空间分布。1日（图7a）海南省流线主要呈东西向分布，海南省东部有一辐合中心，西部为辐散中心，三亚市位于南侧的辐散场内，散度值为-4×10-5·s-1；2日（图 7b）流线略有逆转，与图6风场的分布一致。此时西部的辐散中心转变为辐合中心，海南省东南部出现辐散中心，三亚市位于辐散中心附近。4日海南省流线进一步逆转为东北西南走向，南部有一明显的辐合中心，中心值高达-5×10-5·s-1，三亚市位于其大值区边缘，全省没有明显的辐散中心。5日西南部的辐合中心有所东移，大值区范围有所减小，三亚市仍位于其大值区内，气流辐合强度更大，更有利于污染物浓度上升。总体而言，清洁时段三亚市低层散度主要表现为辐散场控制，没有明显的气流辐合作用，不利于 O3质量浓度上升；而在污染时段，三亚市附近出现明显的气流辐合中心，特别是污染较重的5日，气流辐合作用更强。从前面的分析可知，污染时段三亚市的影响气流主要来自江西、浙江等地，经过广东珠三角地区到达海南。结合图6可知，在五指山以北地区低层水平风风速偏大，五指山以南地区由于山体阻挡和绕山气流辐合作用，水平风风速明显减小，污染气团可能在三亚市聚集。此外从图2可以进一步看出，污染时段三亚市高温、低湿和弱风的气象条件，有利于本地光化学反应速率的增强，进一步促进 O3质量浓度上升。由此可推断，三亚市此次 O3污染过程是外源输送和本地光化学反应生成的共同作用结果，五指山山脉引起的低层气流扰流辐合起到了关键的促进作用。

图6 2019年11月初950 hPa风场、气温和垂直速度分布Figure 6 Distribution of 950 hPa wind field, air temperature and vertical velocity fields in early November 2019

图7 2019年11月初950 hPa散度和流场分布Figure 7 Distribution of 950 hPa divergence and flow fields in early November 2019

2.5 垂直气象要素分析

图8分别给出了三亚市11月1—6日不同层次垂直风和水平速度分布。从垂直风上看（图8a），1—3日三亚市不同层次上垂直风偏小，没有明显的上升或下降气流，而4日15:00和5日15:00附近均出现了较为明显的上升气流，其中心值分别达到了-0.6 Pa·s-1和-1.2 Pa·s-1，高度位于 900 hPa 附近，结合前面的分析可知，这可能与低层气流绕山辐合上升有关，此时三亚市 O3质量浓度是一天中最高的时段，揭示了低层水平风的辐合作用有利于污染物的聚集，O3质量浓度上升。从不同层次水平风速度上看（图8b），三亚市900 hPa高度层上水平风速存在明显的日变化特征，白天风速偏小，夜间风速增大，特别是02:00附近，水平风速基本都超过12 m·s-1，达到低空急流标准，4日凌晨低空急流风速高达14 m·s-1。夜间没有太阳紫外辐射，极大影响了光化学反应 O3的生成；其次夜间低空风速加大会加强O3的扩散作用，进一步降低三亚市O3质量浓度。目前夜间低空急流的形成主要认为跟惯性振荡有关，白天混合层内风矢量保持准地转分布，夜间边界层转变为稳定边界层，近地面空气与地表的拖曳摩擦作用逐渐降低，导致地转偏向力发生惯性振荡，从而形成低空急流（刘超等，2020）。4日下午和5日下午时段，三亚市900 hPa高度的水平风速明显减弱，5日 14:00附近水平风基本在 2 m·s-1以下，非常不利于低层O3的水平扩散。

图8 2019年11月初三亚市不同层次垂直风和水平速度分布Figure 8 Distribution of vertical wind and horizontal velocity at different levels in Sanya in early November 2019

从前面的分析可知，污染时段低层水平风受五指山山脉的阻挡，风向在三亚市有明显的绕流辐合变化。图9进一步给出了三亚市11月1—6日不同层次散度场分布，从图中可以看出 1—3日三亚市1000 hPa附近气流基本表现为辐散，而4日15:00和5日15:00附近出现了较强的辐合区，分布在900 hPa以下，其中心值分别达到了-9×10-5·s-1和-12×10-5·s-1，气流辐合时段与 O3质量浓度高值时段十分吻合，由此推断低层水平风向的辐合作用与三亚市O3质量浓度关系密切。进一步计算4日00:00至5日23:00 O3逐时质量浓度与三亚市925、950、975和 1000 hPa散度值的相关系数，其值分别为-0.428、-0.636、-0.671和-0.743，其中925 hPa层通过99%的信度检验，其余3层均通过99.9%的信度检验。此外从不同层次的相关系数可以看出，层次越低，其散度与 O3质量浓度的相关系数越高，这也进一步证明了低层风向辐合效应对 O3质量浓度上升有较大贡献。

图9 三亚市2019年11月初不同层次散度场分布Figure 9 Distribution of different levels of Divergence in Sanya City in early November 2019

图10 2019年11月初三亚市10 m风速和500 hPa与850 hPa水平风垂直切变逐时变化Figure 10 Hourly change of 10m wind speed and 500hPa and 850hPa horizontal wind vertical shear at different levels in Sanya in early November 2019

2.6 动力影响因子

一个城市或区域出现污染物浓度超标时，其污染成因除了外源输送对本地污染物浓度的影响外，还应该考虑本地气象特征对污染物的扩散作用。本小节选取了三亚市10 m风速（v10mwind）和500 hPa与850 hPa水平风垂直切变（以下简称垂直切变）两个动力因子（符传博等，2016），探讨其与三亚市O3质量浓度的相关关系。一般而言，v10mwind偏大时，有利于污染物向三亚市下游方向输送，O3质量浓度降低；反之，偏小的v10mwind有利于O3的聚集加强，浓度升高。500 hPa与850 hPa之间水平风的垂直切变能较好地反映大气对流层中低层垂直混合，垂直切变偏大时，说明三亚市上空对流层中低层的垂直混合偏强，有利于本地 O3向高空扩散，减弱O3在近地面层的堆积，质量浓度的下降；反之，垂直切变偏小时，有利于O3质量浓度上升。图8给出了三亚市2019年11月1—5日v10mwind和垂直切变逐时变化。从图中可以看出，污染时段三亚市 v10mwind与 O3质量浓度存在一定的负相关关系，特别是5日13:00，10 m风速出现一个明显的低值，为2.67 m·s-1，O3质量浓度快速上升，15:00达到此次污染过程的最大值，203 μg·m-3。污染时段垂直切变与O3质量浓度的负相关关系更为显著，O3质量浓度的峰值与垂直切变的谷值基本一一对应，即 O3质量浓度偏高时，垂直切变偏低。进一步计算 O3质量浓度与垂直切变的相关系数为-0.802，通过了99.9%的信度检验。

3 结论

（1）2019年秋季三亚市出现了一次罕见的 O3污染过程，11月4日和5日O3-8 h分别为162 μg·m-3和 180 μg·m-3，超标百分比为 101.25%和 112.50%，5日O3-1 h达到了203 μg·m-3，超过了国家二级标准，超标百分比为101.50%，其余大气污染物质量浓度均没有超标。从日变化上看，14:00—19:00是O3质量浓度高值时段，气温偏高，相对湿度偏小，风速偏弱等气象条件的出现促进了此次 O3污染过程的发生。

（2）天气形势特征分析表明，中国中高纬地区槽脊变化较大，引导低层冷空气扩散南下。低空风场逆转为东北风，海平面等压线密集程度加强，有利于污染气团向三亚市输送。影响气流后向轨迹分析也表明，清洁时段的影响气流主要来自西太平洋海面，没有明显的外来污染输送；污染时段的影响气流主要来自中国内陆地区，经过广东省珠三角地区到达三亚市。

（3）物理量场分析表明，污染时段低层风场绕山辐合效应对此次污染事件贡献较大，4日和5日三亚市均处在气流辐合中心，而且气流辐合的高度主要在900 hPa以下，4日15:00和5日15:00附近均出现较强的辐合区，其中心值分别达到了-9×10-5·s-1和-12×10-5·s-1， 同时该时段v10mwind和垂直切变明显偏弱，其中O3质量浓度与垂直切变的相关系数为-0.802，通过了 99.9%的信度检验。