APP下载

珠三角西部一次冬季臭氧污染过程分析

2024-01-06麦健华于玲玲邓雪娇欧洪辉余欣洋

中国环境科学 2023年12期
关键词:中山市通量臭氧

麦健华,于玲玲,邓雪娇,欧洪辉,余欣洋

珠三角西部一次冬季臭氧污染过程分析

麦健华1,于玲玲2,邓雪娇3*,欧洪辉4,余欣洋1

(1.中山市气象局,广东 中山 528400;2.广东省气象台,广东 广州 510641;3.中国气象局广州热带海洋气象研究所,广东广州 510641;4.广东中山生态环境监测站,广东 中山 528400)

利用地面气象和空气质量观测资料、高空气象观测资料以及再分析数据,对2021年12月8~12日位于珠三角西部的中山市的O3污染过程的特点及成因进行分析.结果表明,该次过程为近年来罕见的冬季O3连续污染过程,期间O3平均峰值浓度是当月非污染日的2.3倍.污染期间受副热带高压和地面大陆高压脊控制,中山市气温、日照和相对湿度偏高,风速偏小,日间风向以北风为主,近地面的下沉气流、逆温层和日间相对湿度下降对O3污染起到增幅作用.污染过程存在明显的外来污染物输送现象,污染潜在源区主要位于中山市东北方向.在前体物积累阶段,大量的NO2从上游地区流入中山市,为O3污染的出现提供了充足的前体物.污染期间NO2在有利的太阳辐射条件下,光解速率比当月非污染日平均偏高23%,导致日间O3浓度快速上升,并在较差的扩散条件下形成污染.

臭氧污染;气象条件;输送通量;光解速率

臭氧(O3)是大气中的氮氧化物(NO)和可挥发性有机物(VOCs)在光化学反应作用下生成的二次空气污染物[1],近地面高浓度的O3对气候、植被及人体健康均会产生严重的影响[2-4].O3污染事件的发生是光化学反应前体物排放和气象条件共同作用的结果[5-7],准确的排放源清单为大气污染事件提供了基础数据集[8-9],而气象条件作为污染事件的外因,具有影响要素多、时间变化快的特点,一直是研究O3污染事件的关键[10-14].过往研究从宏观上对容易导致O3污染的天气类型进行了分类,虽然各个地区由于地理位置差别导致分型有所差异,但我国大部分O3污染天气类型与副热带高压、台风外围及地面高压脊相关[15-17].气象条件主导着O3的生消、传输和扩散[18],尽管天气类型有差异,但绝大多数O3污染事件发生在气温高、湿度低、辐射强以及一定的风力等大气条件下[19-22].随着探测技术的进步,O3激光雷达等垂直探测仪器的出现使大气环境探测从近地面延展到对流层内[23-24].研究表明,逆温层、下沉运动等大气层结分布特征会使O3在边界层内积聚,对地面污染起到一定的增幅作用[25-26].

经过数年的有效整治,广东省的颗粒物污染在近年间已经得到有效遏制[27],但随之而来的O3污染却呈现出上升趋势[28],据统计,2006~2019年,珠江三角洲地区O3区域平均值从48μg/m3上升到60μg/m3[29], O3已经取代细颗粒物成为影响广东省空气质量最主要的大气污染物[30].珠三角O3污染具有持续时间长、影响范围大、污染程度重等特点,因此近年来该地区O3污染的研究已成为热点,这些研究主要聚焦在O3的污染来源[31]、O3与前体物的关系[32-34]及污染的气象成因等方面[35-37].O3污染的出现与地区气候特征密切相关,广东省的O3污染主要出现在夏、秋两季[38-39],而冬季由于气温低、辐射弱,O3污染出现总体较少.但是2021年12月上中旬,珠江三角洲西部到广东西部一带出现了一次罕见的大范围初冬O3污染过程,污染时段集中在12月8~12日,珠三角重要城市之一的中山市连续5d出现污染,是该次过程污染最为严重的城市.本文利用地面空气质量和气象观测数据、探空气象数据、欧洲中心(ECMWF)的ERA5及美国国家环境预报中心(NCEP)的GDAS再分析资料,对2021年冬季出现在中山市的此次罕见连续O3污染过程进行分析,研究该过程的污染特征及成因,以期为该地区O3污染的预报预警提供参考.

1 数据与方法

1.1 数据来源

本文使用的地面空气质量观测数据来源于广东省生态环境监测中心,包括了2021年12月珠江口周边城市71个空气质量监测站逐小时的O3和NO2实况数据,站点分布如图1所示.气象数据来源于中山气象站,站点位于中山市中心的紫马岭公园内,包括了2021年12月逐小时的气温、相对湿度、降水量、风向风速及太阳辐射数据.在探空气象数据方面,本文使用了温廓线雷达及风廓线雷达在垂直方向上的气温和垂直速度数据.其中温廓线雷达数据由广东中山生态环境监测站提供,雷达同样位于紫马岭公园内,包括了从地面到高空1000m的气温数据,垂直分辨率为50m,时间分辨率为1h.垂直速度探空数据采用了位于中山市西边的江门新会市的风廓线雷达数据,雷达位置位于中山气象站正西方约35km处,包括了从近地面到高空3000m的数据,垂直分辨率60m,时间分辨率1h.气象再分析资料采用了ECMWF的ERA5及NCEP的GDAS再分析资料,空间分辨率分别为0.25°×0.25°和1°×1°,时间分辨率分别为3h和6h,垂直方向分别为1000~200hPa共14层及1000~20hPa共23层.

图1 空气质量监测站点和中山气象站位置

NO2是O3的重要前体物,其光解速率是分析大气光化学污染的重要指标.本文使用了PFS-100光解光谱仪的NO2光解速率观测资料,并分析其与本次O3污染过程的关系.光解光谱仪通过接收来自各个方向的太阳辐射获得一定波长范围内的光谱信息,将光谱信息转化为光化通量,并计算出多种大气物质(包括O1D、NO2、NO3、HONO、HCHO、H2O2)的光解速率.仪器观测地点位于中山市金钟水库,与中山气象站直线距离约4km.

1.2 研究方法

根据《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》[40],O3污染等级根据某天的O3浓度8h滑动平均(O3-8h)划分为6个级别,分别为优(0~100μg/m3)、良(101~160μg/m3)、轻度污染(161~215μg/m3)、中度污染(216~265μg/m3)、重度污染(266~800μg/m3)和严重污染(>800μg/m3),因此当O3-8h超过160μg/m3时,则认为出现了O3污染.中山市的O3浓度采用位于紫马岭公园内的空气质量国控站观测的O3浓度数据.

利用MeteoInfo软件和TrajStat插件及NCEP的GDAS再分析数据,计算了中山市O3污染的潜在源区(PSCF).PSCF方法假设后向轨迹经过区域的排放源会对分析区域的污染造成影响,当PSCF值大时,代表该地排放源对分析区域污染的潜在贡献大.本文把O3浓度污染阈值设置为160μg/m3,即超过阈值的O3浓度对应的轨迹为污染轨迹,进行O3污染轨迹的后向24h聚类分析,并在此基础上计算PSCF值.

本文通过计算O3污染期间,污染物在中山市范围内(113.0~113.7°E,22.2~22.8°N)的输送通量情况,量化了O3和NO2跨区域输送对中山市污染过程的影响.利用图1所示的空气质量监测站点数据,通过Cressman分析方法[41],选取适当的影响半径,把站点数据插值成格点数据,再结合ERA5的地面10m风场数据,计算污染物的输送通量.定义

南北向收支=南边界输送通量-北边界输送通量 (2)

东西向收支=西边界输送通量-东边界输送通量 (3)

总收支=南北向收支+东西向收支 (4)

式中:南北方向上北风为负值,南风为正值,东西方向上东风为负值,西风为正值,当收支为正时,表示污染物净流入,收支为负时,表示污染物净流出.

2 结果与讨论

2.1 污染过程概况

2021年12月上、中旬,珠三角西部到粤西出现了一次罕见的大范围冬季O3污染过程,污染时段集中在12月8~12日,图2为污染过程期间广东各地市O3污染天数,可见此次污染过程各城市污染天数从1~5d不等,其中位于珠三角西部的中山市连续5d出现污染,是此次过程污染最为严重的地区.

图2 2021年12月8~12日广东省O3污染日数

审图号:GS(2019)1822号

图3 中山市2013~2021年12月份O3-8h(mg/m3)和污染等级

图3为2013~2021年间中山市12月份的O3污染日历,可见12月份出现O3污染的天数较少,近9a仅出现9d,且多是以持续时间为1d的短期污染为主,仅2021年12月8~12日出现了连续5d的长期污染,因此本次污染过程在近年非常罕见.本次过程O3-8h在162~184μg/m3之间,属轻度污染.图4为2021年12月中山市O3污染日与非污染日中,各时次平均O3浓度的日变化分布,可见污染日和非污染日中O3浓度均体现出明显的昼高夜低日变化特征,绝大部分时次污染日的浓度要高于非污染日,在中午到下午O3浓度快速上升并达到峰值时,污染日最高峰值浓度达269μg/m3,平均峰值浓度214μg/m3,为非污染日的2.3倍.傍晚O3浓度开始下降,但污染日浓度仍显著高于非污染日浓度,部分时次污染日浓度可达非污染日的3倍以上,但在早晨8:00~9:00,污染日浓度与非污染日相当接近,甚至略低于非污染日浓度,可见即使是在连续污染期间,夜间到早晨O3的清除作用仍然十分明显,出现污染的原因主要在于日间O3浓度的快速增长.

图4 2021年12月份中山市O3污染日及非污染日平均浓度日变化

2.2 天气形势分析

图5为此次连续O3污染过程的平均500hPa位势高度和海平面气压及其距平,其中距平为相对于过去5a(2016~2020年)同时段的平均500hPa位势高度和海平面气压而言.如图所示,污染过程期间副热带高压主体位于华南、南海及中南半岛一带,其中588dagpm线位于广东省中南部,珠江口西岸到粤西沿海等污染主要区域位于副高的主体控制之下,从污染时段与过去5a的平均位势高度距平来看,广东地区为正距平,位势高度偏高4~6dagpm,说明污染期间副高偏强,有利于晴好天气的出现和光化学反应生成O3[42].从海平面气压的分布来看,北高南低的气压场分布相当明显,且气压距平为正距平,说明大陆高压脊较为强盛,地面维持长时间的盛行北风,有利于来自大陆方向的污染物向南输送,使中山市等下游地区产生污染[43].因此,本次连续污染过程是在500hPa副高及地面冷高压脊等有利的天气系统控制之下所产生.

图5 2021年12月8~12日500hPa平均位势高度和平均海平面气压及距平

2.3 地面气象要素特征及其与O3污染的关系

本次O3污染过程期间地面气象要素表现出明显的特征,图6和表1分别为2021年12月上旬和中旬各天的O3-8h和气象要素距平分布及相关系数.

图6 2021年12月上中旬O3-8h及各气象要素距平

可以看出污染期间地面气象要素表现出明显的气温、日照和相对湿度偏高,风速偏小的特征.12月8~12日污染期间5d的日最高气温距平均为正,距平在1.0~2.4℃之间.日照时数方面,除12月11日距平为负,其余4d的距平在2.5~2.9h之间.充足的日照以及较高的气温有利于光化学反应生成O3,导致污染的出现.8~12日的风速距平在-0.1~ -0.7m/s之间,静小风不利于污染物的扩散.一般相对湿度较低时有利于O3污染的出现[44],但此次污染期间相对湿度偏高,距平在2%~15%之间,这是因为中山市冬天湿度偏低时,地面一般是受强冷高压脊控制,此时气温低、风速大,并不利于O3污染的出现.从相关系数来看,O3-8h浓度与日最高气温及日平均风速的相关性最大,相关系数分别为0.61和-0.65,说明气温高、风速小是此次污染过程最直接的气象影响因素.

表1 2021年12月上中旬O3-8h与各气象要素距平的相关系数

注:表中相关系数均通过了显著性水平为0.01的显著性检验.

图7 2021年12月上中旬日间南北风频率、日最高气温及O3-8h

图8 2021年12月8~12日中山市后向24h轨迹聚类及潜在源区

审图号:GS(2019)1822号

除了风速外,本次O3污染过程的出现也跟地面风向密切相关.图7为2021年12月上中旬日间(09:00~19:00)南、北风风向频率、日最高气温及O3-8h.可以看出受大陆高压脊影响,12月上中旬中山市大部分日期吹北风为主,仅12月15~16日2d南风频率达到一半以上.12月8~12日污染期间日间的南风频率在0~27%之间,且出现南风的时段集中在傍晚时分,对日间O3的快速增长没有直接影响.中山地处珠三角冬季风的下风向位置,当吹北风时,加强了O3及其前体物向下游地区的输送,容易使中山出现O3污染,而吹南风时则为清洁的海上气流,一般不会造成污染.从图8污染期间到达中山的后向24h轨迹聚类分析及潜在源区分布可知,主要的近地面气流有两支,且均为北风气流,轨迹较长的一支气流经粤东沿海和深圳到达中山,较短的一支气流经东莞、广州到达中山.从O3潜在源区来看,贡献较大的源区均位于广东省内,其中中山东北方向的东莞、深圳、惠州一带潜在贡献最大,PSCF值达到0.5以上,说明此次污染过程的污染物跨区域传输以短距离输送为主.另外,从图7可知,12月上中旬中12月16日的日最高气温最高,但16日南风频率较大,且南风出现在中午前后,影响了O3的增长,因此没有出现O3污染.

2.4 高空气象要素特征分析

大气垂直气象条件对近地面空气污染物的浓度变化具有重要影响.图9是12月8~12日污染期间中山市附近垂直速度和相对湿度的垂直分布以及8:00的气温垂直廓线.如图9a所示,由于污染期间受到副热带高压及地面冷高压脊的控制,中山市附近从地面到3000m高度为大片的下沉气流区,垂直速度为正值,特别是1000m以下区域基本被下沉气流控制,除了12月11日外,其余4d日出前在近地面均存在明显的下沉速度大值区,部分时次和高度下沉速度可达0.6m/s.基于ERA5资料的相对湿度垂直分布显示(图9c),从1000hPa~800hPa相对湿度均存在明显的日变化,夜间湿度较大,日出后湿度明显下降,在975hPa以下的近地面层中,相对湿度从夜间的80%以上下降至日间的50%以下.日间的云量随相对湿度的下降而减小,太阳辐射增强,有利于O3生成.在气温的垂直变化方面,由于日出后近地面湿度下降,晴空辐射出现,但此时太阳辐射仍较弱,地面热量散失,有利于近地面逆温层的形成[45].图9b为污染期间每天早上08:00从地面到1000m高度的气温垂直廓线,可见虽然污染期间各天的气温差异明显,但垂直分布趋势较为一致,即从地面到400m高度气温变化不明显,而从400~600m高度,5d均存在逆温现象,两层气温差在0.2~0.3℃之间,在600m高度以上,气温随高度变化迅速下降.因此,本次污染过程大气层结稳定,近地面存在下沉气流及逆温层,减弱了大气湍流运动,空气污染物难以向上扩散,同时日间湿度下降,辐射增强,有利于O3生成,加剧了地面污染.

图9 2021年12月8~12日中山市附近垂直速度垂直分布、08:00气温垂直廓线及相对湿度垂直分布

2.5 污染期间O3与NO2的地面输送通量特征

利用1.2节中污染物输送通量的计算方法计算了O3污染期间地面O3和NO2的输送通量特征如表2所示,根据珠三角附近O3及NO2的日变化特征[46],定义前体物积累阶段为05:00~08:00,O3增长阶段为11:00~17:00,O3下降阶段为20:00~次日02:00.在前体物积累阶段,由于上游地区的O3和NO2浓度较高,在北风背景下加强了对中山的跨区域传输,此时O3和NO2的总输送通量均为正,说明O3和NO2均为净流入,由于夜间NO通过化学反应不断消耗O3[47],因此O3浓度维持在较低水平,但此时NO2的大量输入为下一阶段的光化学反应提供了充足的前体物.从方向上来看,这一阶段的O3和NO2输入以东边界输入为主,与图8中O3污染潜在源区位于中山市东北面相对应.在O3增长阶段,O3输送通量在8日和11日为正,O3净流入,但在其余3d为负,O3净流出,即不存在明显的流入和流出特征.该阶段NO2的通量全为负,说明O3增长期间NO2为明显的净流出,且以西边界流出为主,但由于在前体物累积阶段中山市范围内已经累积了大量的前体物,加上气象条件有利于光化学反应,因此O3浓度快速增长.在O3下降阶段,O3通量在12日为负,其余4d为正,说明此阶段O3仍以净流入为主,但由于光化学反应减弱,滴定作用增强,O3浓度快速下降,而这一阶段NO2的东西向通量转为正,但南北风通量有正有负,因此总通量的流入或流出特征不明显.从以上讨论可知,前体物积累阶段中大量的NO2从上游地区流入中山市,并在白天有利的气象条件下发生光化学反应,是此次O3连续污染过程出现的主要原因.

表2 2021年12月8~12日中山市范围内O3与NO2的输送通量

图10 2021年12月8~12日08:00珠江三角洲地面NO2通量及NO2通量散度

图中风矢为NO2通量(单位:μg/(m2·s)),填色为NO2通量散度(单位:μg/(m3·s)),其中负值表示辐合,正值表示辐散

图10为2021年12月8~12日8:00珠江三角洲附近的地面NO2输送通量及输送通量散度.可以看出O3污染期间,在前体物积累阶段地面的NO2输送通量表现出相似的特征.在持续的东北风影响下,NO2自上游浓度较高的广州、佛山、东莞等地区向下游地区输送,因此珠三角北部和东部为NO2通量辐散区,而珠三角南部和西部的中山、江门、珠海等地则是NO2通量辐合区,其中中山市连续5d均存在明显的NO2通量辐合,大量的NO2输入为白天时段的光化学反应提供了充足的前体物.

2.6 NO2的光解速率特征

图11 2021年12月份JNO2与太阳辐射强度及O3浓度变化的关系

NO2在太阳辐射下光解产生NO和O分子,这是对流层形成O3的化学反应的重要一步[48].图11是2021年12月份NO2光解速率(NO2)与同一时次太阳辐射强度与O3浓度变化(即当前时次O3浓度与上一时次O3浓度的差)的关系,由于NO2在日出前及日落后的量级与日间差距大,因此仅对08:00~17:00数据进行分析.如图11a所示,随着太阳辐射强度的增强,NO2的增长相当明显,二者接近线性关系,相关系数高达0.94.当NO2增强时,从图10b可知O3浓度总体上呈增加趋势,但NO2与O3浓度变化的离散度比太阳辐射强度要大,二者相关系数为0.53.从表3可知,当NO2在10-3量级以下时,此时多处于日出或日落前后时段,O3浓度为负增长或0增长,平均浓度变化为-6μg/m3;随着NO2增大,O3浓度的增长趋势相当明显,当NO2从(1~4)´10-3s-1变化到(4~7)´10-3s-1,O3浓度变化的增幅达280%.当NO2继续变大,O3的浓度变化明显放缓,结合图11b,说明NO2对O3浓度变化的影响并非线性,除NO2外,O3浓度变化还受到输送和扩散等气象因素的影响.从以上分析可知,当太阳辐射增强,NO2随之增强,此时O3浓度总体上呈增长趋势.

表3 不同JNO2范围下O3浓度平均变化

图12为2021年12月份O3污染日与非污染日的平均太阳辐射强度和NO2的日变化特征.可见无论是污染日还是非污染日,NO2与太阳辐射强度的日变化趋势基本一致,在傍晚到第二天早晨接近0,从08:00开始迅速增加,午后达到最大,然后随着太阳辐射的减弱NO2迅速下降,呈现明显的单峰结构特征[49].污染日和非污染日的太阳辐射强度均在中午12:00达到峰值,污染日辐射强度相比非污染日偏高-5%~59%,平均偏高22%,在达到峰值的12:00污染日比非污染日偏高110W/m2.与太阳辐射类似,污染日的NO2相比非污染日偏高12%~31%,平均偏高23%,但NO2达到峰值的时间为13:00,相比太阳辐射晚1h,此时污染日NO2相比非污染日偏高22%.因此,12月8~12日在较为有利的太阳辐射条件下,NO2的光解速率上升,导致O3浓度上升,从而产生O3污染.但值得注意的是,较大的NO2并不一定导致O3污染,例如2021年12月中,平均NO2最大为12月1日的5.97×10-3s-1,而在连续污染过程中,最大的日均NO2为12月10日的5.24×10-3s-1,比12月1日偏小.因此,O3污染出现是前体物和气象条件多种因素综合作用的结果.

图12 2021年12月份O3污染日与非污染日的平均太阳辐射强度和JNO2日变化

3 结论

3.1 2021年12月上、中旬珠江三角洲西部到广东西部出现了一次冬季O3污染过程,中山市12月8~12日连续5d出现污染,为近年来罕见.污染期间日间O3浓度快速增长,平均峰值浓度达214μg/m3,是当月非污染日平均峰值浓度的2.3倍.

3.2 过程期间污染地区主要影响天气系统为副热带高压和地面大陆高压脊,500hPa位势高度及海平面气压与历史同期相比为正距平.污染期间地面气象要素特征为气温、日照和相对湿度偏高,风速偏小,日间风向以北风为主.垂直方向上1000m以下区域为下沉气流区,大部分污染日在日出前近地面均存在0.6m/s的下沉速度大值区.近地面相对湿度日变化明显,湿度从夜间的80%以上下降至日间的50%以下.早上08:00近地面层气温垂直变化小,从400m~600m高度存在逆温现象,两层气温差在0.2~0.3℃之间.有利的天气形势、地面及高空气象条件是此次O3污染过程出现的主要原因.

3.3 此次污染过程存在明显的外来污染物输送现象,跨区域传输以短距离输送为主,潜在源区主要位于中山市东北方向.在前体物积累阶段,大量的NO2从上游地区净流入中山市,为O3污染的出现提供了充足的光化学反应前体物.

3.4NO2日变化趋势呈单峰分布且随着太阳辐射的增强而增强,当NO2增强时,O3浓度总体上呈增长趋势.污染日的平均太阳辐射强度相比当月非污染日平均偏高22%,峰值比非污染日偏高110W/m2.污染日的NO2相比非污染日平均偏高23%,峰值偏高22%.污染期间在有利的太阳辐射条件下,NO2的光解速率上升,导致O3浓度快速上升.

[1] QX/T 240-2014 光化学烟雾判识[S].QX/T 240-2014 Identification of photochemical smog [S].

[2] 赵 楠,卢毅敏.中国地表臭氧浓度估算及健康影响评估[J]. 环境科学, 2022,43(3):1235-1245.

Zhao N, Lu Y M. Estimation of surface ozone concentration and health impact assessment in China [J]. Environmental Science, 2022,43(3): 1235-1245.

[3] Pleijel H, Broberg M C, Uddling J. Ozone impact on wheat in Europe, Asia and North America-A comparison [J]. Science of The Total Environment, 2019,664:908-914.

[4] Pu X, Wang T J, Huang X, et al. Enhanced surface ozone during the heat wave of 2013 in Yangtze River Delta region, China [J]. Science of The Total Environment, 2017,603-604:807-816.

[5] 徐芯蓓,刘涛涛,徐玲玲,等.2017年厦门金砖会晤期间人为减排和气象条件变化对臭氧污染特征的影响[J]. 环境科学学报, 2020, 40(12):4380-4389.

Xu X B, Liu T T, Xu L L, et al. Effects of emission control and changes in meteorological conditions on the characteristics of ozone pollution during the 2017 BRICS Summit in Xiamen [J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2020,40(12):4380-4389.

[6] Cheng N L, Chen Z Y, Sun F, et al. Ground ozone concentrations over Beijing from 2004 to 2015: Variation patterns, indicative precursors and effects of emission-reduction [J]. Environmental Pollution, 2018, 237:262-274.

[7] 黄小刚,邵天杰,赵景波,等.气象因素和前体物对中国东部O3浓度分布的影响[J]. 中国环境科学, 2019,39(6):2273-2282.

Huang X G, Shao T J, Zhao J B, et al. Impact of meteorological factors and precursors on spatial distribution of ozone concentration in Eastern China [J]. China Environmental Science, 2019,39(6):2273- 2282.

[8] Ohara T, Akimoto H, Kurokawa J, et al. An Asian emission inventory of anthropogenic emission sources for the period 1980~2020 [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2007,7:4419-4444.

[9] Li M, Zhang Q, Zheng B, et al. Persistent growth of anthropogenic non-methane volatile organic compound (NMVOC) emissions in China during 1990~2017: drivers, speciation and ozone formation potential [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2019,19(13):8897- 8913.

[10] Deng T, Wang T J, Wang S Q, et al. Impact of typhoon periphery on high ozone and high aerosol pollution in the Pearl River Delta region [J]. Science of the Total Environment, 2019,668:617-630.

[11] 李莉莉,王 隆,刘喜平,等.哈尔滨市臭氧时空分布特征及气象要素的关系[J]. 中国环境科学, 2020,40(5):1991-1999.

Li L L, Wang L, Liu X P, et al. Temporal and spatial distribution characteristics of ozone and its relationship with meteorological factors in Harbin [J]. China Environmental Science, 2020,40(5):1991- 1999.

[12] 王 玫,郑有飞,柳艳菊,等.京津冀臭氧变化特征及与气象要素的关系[J]. 中国环境科学, 2019,39(7):2689-2698.

Wang M, Zheng Y F, Liu Y J, et al. Characteristics of ozone and its relationship with meteorological factors in Beijing-Tianjin-Hebei region [J]. China Environmental Science, 2019,39(7):2689-2698.

[13] 刘 超,张恒德,张天航,等.青岛“上合峰会”期间夜间臭氧增长成因分析[J]. 中国环境科学, 2020,40(8):3332-3341.

Liu C, Zhang H D, Zhang T H, et al. The causes of ozone concentration growth in the night during the “Shanghai Cooperation Organization Summit” in Qingdao [J]. China Environmental Science, 2020,40(8):3332-3341.

[14] Chen Z Y, Zhuang Y, Xie X M, et al. Understanding long-term variations of meteorological influences on ground ozone concentrations in Beijing during 2006~2016 [J]. Environmental Pollution, 2019,245: 29-37.

[15] 李婷苑,陈靖扬,翁佳烽,等.广东省臭氧污染天气型及其变化特征[J]. 中国环境科学, 2022,42(5):2015-2024.

Li T Y, Chen J Y, Weng J F, et al. Ozone pollution synoptic patterns and their variation characteristics in Guangdong Province [J]. China Environmental Science, 2022,42(5):2015-2024.

[16] 蒲 茜,李振亮,张 悦,等.重庆市O3污染日的大气环流分型与传输特征[J]. 中国环境科学, 2021,41(1):18-27.

Pu X, Li Z L, Zhang Y, et al. Characterization of atmospheric circulation and transmission in Chongqing City during ozone polluted days [J]. China Environmental Science, 2021,41(1):18-27.

[17] 常炉予,许建明,瞿元昊,等.上海市臭氧污染的大气环流客观分型研究[J]. 环境科学学报, 2019,39(1):169-179.

Chang L Y, Xu J M, Qu Y H, et al. Study on objective synoptic classification on ozone pollution in Shanghai [J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2019,39(1):169-179.

[18] Tie X X, Geng F H, Peng L, et al. Measurement and modeling of O3variability in Shanghai, China: application of the WRF-Chem model [J]. Atmospheric Environment, 2009,43(28):4289-4302.

[19] 杨 健,尹沙沙,于世杰,等.安阳市近地面臭氧污染特征及气象影响因素分析[J]. 环境科学, 2020,41(1):115-124.

Yang J, Yin S S, Yu S J, et al. Characteristic of surface ozone and meteorological parameters analysis in Anyang City [J]. Environmental Science, 2020,41(1):115-124.

[20] Alghamdi M A, Khoder M, Harrison R M, et al. Temporal variations of O3and NOin the urban background atmosphere of the coastal city Jeddah, Saudi Arabia [J]. Atmospheric Environment, 2014,94:205- 214.

[21] 陈志青,邵天杰,赵景波,等.东北地区臭氧浓度空间格局演变规律及其影响因素[J]. 环境科学学报, 2020,40(9):3071-3080.

Chen Z Q, Shao T J, Zhao J B, et al. Evolution and influencing factors of ozone concentration spatial distribution in Northeastern region [J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2020,40(9):3071-3080.

[22] Ejimofor C S, Okoro E C, Sivla W T. Effects of elevated humidity on stratospheric ozone content in the tropics [J]. International Journal of Physical Sciences, 2021,15(4):182-193.

[23] Klein A, Ancellet G, Ravetta F, et al. Characterizing the seasonal cycle and vertical structure of ozone in Paris, France using four years of ground based LIDAR measurements in the lowermost troposphere [J]. Atmospheric Environment, 2017,167:603-615.

[24] Su W J, Liu C, Hu Q H, et al. Characterization of ozone in the lower troposphere during the 2016G20 conference in Hangzhou [J]. Scientific Reports, 2017,7(1):1-11.

[25] He G W, Deng T, Wu Dui, et al. Characteristics of boundary layer ozone and its effect on surface ozone concentration in Shenzhen, China: A case study [J]. Science of the Total Environment, 2021,791: 148044.

[26] Zhu X W, Ma Z Q, Qiu Y L, et al. An evaluation of the interaction of morning residual layer ozone and mixing layer ozone in rural areas of the North China Plain [J]. Atmospheric Research, 2020,236:104788.

[27] 赵卉卉,王明旭,张永波.广东省“十三五”环境保护战略思考[J]. 环境保护科学, 2016,42(1):28-32.

Zhao H H, Wang M X, Zhang Y B, et al. Strategic ideas of the 13th five-year environment protection plan in Guangdong Province [J]. Environmental Protection Science, 2016,42(1):28-32.

[28] 沈 劲,杨土士,晏平仲,等.广东省臭氧污染特征及其成因分析[J]. 环境科学与技术, 2020,43(12):90-95.

Shen J, Yang T S, Yan P Z, et al. Characteristics and causes of ozone pollution in Guangdong Province [J]. Environmental Science & Technology, 2020,43(12):90-95.

[29] 赵 伟,高 博,卢 清,等.2006~2019年珠三角地区臭氧污染趋势[J]. 环境科学, 2021,42(1):97-105.

Zhao W, Gao B, Lu Q, et al. Ozone pollution trend in the Pearl River Delta Region during 2006~2019 [J]. Environmental Science, 2021,42 (1):97-105.

[30] 广东省生态环境厅.2021广东省生态环境状况公报[Z].http://gdee. gd.gov.cn/attachment/0/493/493184/3927093.pdf,2022-04-26.

Guangdong Provincial Department of ecology and environment. 2021Report on the state of Guangdong provincial ecology and environment [Z]. http://gdee.gd.gov.cn/attachment/0/493/493184/ 3927093.pdf,2022-04-26.

[31] 裴成磊,谢雨彤,陈 希,等.广州市冬季一次典型臭氧污染过程分析[J]. 环境科学, 2022,43(10):4305-4315.

Pei C l, Xie Y T, Chen X, et al. Analysis of a typical ozone pollution process in Guangzhou in winter [J]. Environmental Science, 2022, 43(10):4305-4315.

[32] 王 川,夏士勇,曹礼明,等.深圳西部城区大气O3污染特征及超标成因[J]. 中国环境科学, 2020,40(4):1414-1420.

Wang C, Xia S Y, Cao L M, et al. Study on the characteristics and the cause of atmospheric O3pollution in western urban of Shenzhen [J]. China Environmental Science, 2020,40(4):1414-1420.

[33] 冯 凝,唐梦雪,李孟林,等.深圳市城区VOCs对PM2.5和O3耦合生成影响研究[J]. 中国环境科学, 2021,41(1):11-17.

Feng N, Tang M X, Li M L, et al. Research on the influence of VOCs on the coupling generation of PM2.5and O3in Shenzhen [J]. China Environmental Science, 2021,41(1):11-17.

[34] 高 戈,李海萍,魏 冰,等.珠江三角洲干线公路夏季臭氧污染特征[J]. 中国环境科学, 2020,40(3):929-937.

Gao G, Li H P, Wei B, et al. Ozone pollution characteristics of nation trunk highway in Pearl River Delta during summer [J]. China Environmental Science, 2020,40(3):929-937.

[35] 黄 俊,廖碧婷,吴 兑,等.广州近地面臭氧浓度特征及气象影响分析[J]. 环境科学学报, 2018,38(1):23-31.

Huang J, Liao B T, Wu Dui, et al. Guangzhou ground level ozone concentration characteristics and associated meteorological factors [J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2018,38(1):23-31.

[36] 赵 伟,高 博,刘 明,等.气象因素对香港地区臭氧污染的影响[J]. 环境科学, 2019,40(1):55-66.

Zhao W, Gao B, Liu M, et al. Impact of meteorological factors on the ozone pollution in Hong Kong [J]. Environment Science, 2019,40(1): 55-66.

[37] 梁碧玲,张 丽,赖 鑫,等.深圳市臭氧污染特征及其与气象条件的关系[J]. 气象与环境学报, 2017,33(1):66-71.

Liang B L, Zhang L, Lai X, et al. Analysis of the characteristics of ozone pollution and its relationship with meteorological conditions in Shenzhen [J]. Journal of Meteorology and Environment, 2017,33(1): 66-71.

[38] 沈 劲,黄晓波,汪 宇,等.广东省臭氧污染特征及其来源解析研究[J]. 环境科学学报, 2017,37(12):4449-4457.

Shen J, Huang X B, Wang Y, et al. Study on ozone pollution characteristics and source apportionment in Guangdong Province [J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2017,37(12):4449-4457.

[39] 李嫣婷,孙天乐,何 龙,等.深圳市秋季大气臭氧立体分布特征[J]. 中国环境科学, 2020,40(5):1975-1981.

Li Y T, Sun T L, He L, et al. Vertical distribution characteristics of ozone pollution in Shenzhen in autumn [J]. China Environmental Science, 2020,40(5):1975-1981.

[40] HJ633-2012 环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行) [S]. HJ633-2012 Technical regulation on ambient air quality index(on trial) [S].

[41] Cressman G P. An operational objective analysis system [J]. Monthly Weather Review, 1959,87(10):367-374.

[42] Shen J, Zhang Y H, Wang X S, et al. An ozone episode over the Pearl River Delta in October 2008 [J]. Atmospheric Environment, 2015, 122:852-863.

[43] 周学思,廖志恒,王 萌,等.2013~2016年珠海地区臭氧浓度特征及其与气象因素的关系[J]. 环境科学学报, 2019,39(1):143-153.

Zhou X S, Liao Z H, Wang M, et al. Characteristics of ozone concentration and its relationship with meteorological factors in Zhuhai during 2013~2016 [J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2019, 39(1):143-153.

[44] 王 磊,刘端阳,韩桂荣,等.南京地区近地面臭氧浓度与气象条件关系研究[J]. 环境科学学报, 2018,38(4):1285-1296.

Wang L, Liu D Y, Han G R, et al. Study on the relationship between surface ozone concentrations and meteorological conditions in Nanjing, China [J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2018,38(4):1285-1296.

[45] 广东省气象局.广东省天气预报技术手册[M]. 北京,气象出版社, 2006:388-389.

Guangdong Meteorological Service. Technical manual of weather forecast for Guangdong Province [M]. Beijing, China Meteorological Press, 2006:388-389.

[46] 刘 建,吴 兑,范绍佳,等.前体物和气象因子对珠江三角洲臭氧污染的影响[J]. 中国环境科学, 2017,37(3):813-820.

Liu J, Wu D, Fan S J, et al. Impacts of precursors and meteorological factors on ozone pollution in Pearl River Delta [J]. China Environmental Science, 2017,37(3):813-820.

[47] 王占山,李云婷,陈 添,等.北京城区臭氧日变化特征及与前体物的相关性分析[J]. 中国环境科学, 2014,34(12):3001-3008.

Wang Z S, Li Y T, Chen T, et al. Analysis on diurnal variation characteristics of ozone and correlations with its precursors in urban atmosphere of Beijing [J]. China Environmental Science, 2014, 34(12):3001-3008.

[48] 肖钟湧,谢先全,陈颖锋,等.粤港澳大湾区NO2污染的时空特征及影响因素分析[J]. 中国环境科学, 2020,40(5):2010-2017.

Xiao Z Y, Xie X Q, Chen Y F, et al. Temporal and spatial characteristics and influencing factors of NO2pollution over Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area, China [J]. China Environmental Science, 2020,40(5):2010-2017.

[49] 陶丽萍,邓 涛,吴 兑,等.广州旱季双高污染及消光系数垂直分布特征[J]. 中国环境科学, 2022,42(2):497-508.

Tao L P, Deng T, Wu D, et al. High aerosol and high ozone pollution and vertical distribution of extinction coefficients in Guangzhou during the dry season [J]. China Environmental Science, 2022,42(2): 497-508.

Analysis of a winter ozone pollution process in the western Pearl River Delta.

MAI Jian-hua1, YU Ling-ling2, DENG Xue-jiao3*, OU Hong-hui4, YU Xin-yang1

(1.Zhongshan Meteorological Service, Zhongshan 528400, China;2.Guangdong Meteorological Observatory, Guangzhou 510641, China;3.Guangzhou Institute of Tropical and Marine Meteorology, China Meteorological Administration, Guangzhou 510641, China;4.Zhongshan Ecology and Environment Monitoring Station of Guangdong Province, Zhongshan 528400, China)., 2023,43(12):6235~6245

Using surface meteorological and air quality observational data, the vertical sounding meteorological data and the reanalysis data, the characteristics and cause of an ozone pollution process in Zhongshan City, located in the western part of Pearl River Delta from December 8 to 12, 2021 were analyzed. The results showed that this process was a rare winter continuous O3pollution process in recent years, during which the average O3peak concentration in pollution days was 2.3 times higher than that of non-pollution days of the month. Under the control of subtropical high and the surface cold high ridge during the pollution days, the temperature, sunshine hour and humidity in Zhongshan were relatively high, while the wind speed was relatively low, and the daytime wind direction was dominated by north wind. The downdraft, the inversion layer and the descending relative humidity in the daytime near surface enhanced the ozone pollution. There was a clear phenomenon of external pollutant transport during the pollution process, and the potential sources areas of pollution were mainly located in the northeast direction of Zhongshan. A large amount of NO2flowed into Zhongshan from upstream areas during the accumulation stage of precursors, providing sufficient precursors for the occurrence of O3pollution. During the pollution days, under favorable solar radiation conditions, the average photolysis rate of NO2was 23% higher than that of non-pollution days of that month, leading to a rapid increase in daytime O3concentration and the formation of pollution under poor diffusion conditions.

ozone pollution;meteorological conditions;transport flux;photolysis rate

X511

A

1000-6923(2023)12-6235-11

麦健华,于玲玲,邓雪娇,等.珠三角西部一次冬季臭氧污染过程分析 [J]. 中国环境科学, 2023,43(12):6235-6245.

Mai J H, Yu L L, Deng X J, et al. Analysis of a winter ozone pollution process in the western Pearl River Delta [J]. China Environmental Science, 2023,43(12):6235-6245.

2023-04-03

广东省重点领域研发计划项目(2020B1111360003);国家自然科学基金资助面上项目(42275123);广东省气象局科技创新团队计划项目(GRMCTD202003);中山市气象局科学技术研究项目(JKT201913)

* 责任作者, 研究员, dxj@gd121.cn

麦健华(1985-),男,广东中山人,高级工程师,硕士,主要从事环境气象研究工作.发表论文10余篇.maigua@163.com.

猜你喜欢

中山市通量臭氧
冬小麦田N2O通量研究
文印室内臭氧散发实测分析及模拟
中山市威硕机械制造有限公司
中山市迪米尔机电设备有限公司
中山市鹰飞电器有限公司
中山市迪米尔机电设备有限公司
看不见的污染源——臭氧
利用臭氧水防治韭菜迟眼蕈蚊
缓释型固体二氧化氯的制备及其释放通量的影响因素
臭氧分子如是说