杭州地区臭氧污染及台风烟花过程影响

张嘉月,康 娜*,邵生成,牛彧文,程 昊,张佳欣,浩 翔,杲先亮,齐 冰(.南京信息工程大学,中国气象局气溶胶-云-降水重点开放实验室,江苏 南京 00；.金华市气象局,浙江 金华 000；.浙江省气象科学研究所,浙江杭州 006；.力合科技(湖南)股份有限公司,湖南 长沙 0000；.杭州市气象局,浙江 杭州 00)

近年来O3已成为影响我国部分城市环境质量的首要污染物[1],中国北方京津冀等地区成为中国臭氧污染最严重的地区[2-5],杭州作为长三角的主要城市之一,近年来空气质量逐渐改善,但O3年平均浓度较10a 前升高10µg/m3左右,光化学污染形势日趋严重[6].O3是光化学烟雾的主要组成部分,近地面O3主要由NOx、CO 及VOCs 等在阳光下发生光化学反应生成[7-9],当空气中的O3浓度超标时会严重危害人类的身体健康[10-11].O3浓度除了受光化学反应生成影响,还受到气候变化和气象因素影响,在区域和城市之间也普遍存在相互输送影响[12-13].曹梅等[14]利用SOM 方法发现O3的污染情况受地区、天气型的影响,台风叠加副高型控制下O3超标率最高.此外O3还受气象要素影响,李莉莉等[15]研究哈尔滨地区发现O3污染主要集中在5～7 月,高温低湿的气象要素下O3浓度较高.本文利用2018～2021 年杭州地区各污染物及气象要素的监测数据,在分析杭州地区空气质量的基础上,进一步分析杭州地区O3的变化特征及影响因素,结合典型台风过程揭示杭州O3污染的大气环流配置和区域传输特点.

1 研究数据与方法

1.1 数据来源

空气质量数据来源于杭州国家基准气候站,后向轨迹模型所用的气象数据来自美国国家环境预报中心(NCEP)的全球资料同化系统(GDAS)气象数据,空间分辨率为1°×1°.GDAS 数据从公开网站(ftp://arlftp.arlhq.noaa.gov/pub/archives/gdas1) 下载得到.

1.2 研究方法

1.2.1 后向轨迹及聚类分析 将杭州地区(30.16°N,120.12°E)设为起始点,基于Meteoinfo 及美国国家环境预报中心(NCEP)的全球资料同化系统(GDAS)气象数据,计算了2021 年7 月26～30 日逐小时的后向轨迹,模拟高度设置为100m,后向轨迹时间为72h,进行聚类分析.

1.2.2 潜在源区贡献函数(PSCF)方法 PSCF 方法是一种条件概率函数,利用污染轨迹与所有轨迹在途经区域停留时间的比来表征每个区域对受体点的污染贡献[16].将研究区分为i×j 个网格,每个网格PSCF 计算见公式(1).

式中:nij代表落在某一网格内的所有轨迹节点数,mij为其中污染轨迹节点数.PSCF 值越大表明该区域对于受体点污染贡献越大,由于PSCF 是一种条件概率,当nij较小时,PSCF 计算结果的不确定性较大.为降低计算的不确定性,一些学者引入了权重函数Wij计算WPSCF 值[17-18],见公式(2).

为减少PSCF 方法的不确定性,将权重函数Wij具体设定见公式(3)

1.2.3 浓度权重轨迹(CWT)方法 PSCF 反映的是某网格中污染轨迹所占的比例,无法区分相同PSCF值的网格对受体点污染贡献的差异[19],CWT 方法[20]则可以定量表征各网格对受体点的污染贡献.首先创建CWT 网格,范围及分辨率均与PSCF 网格相同.在浓度权重轨迹分析法中,每个网格都有一个权重浓度,通过计算经过该网格的轨迹对应的污染物浓度的平均值来实现,见公式(4).

式中:CWTij为网格(i,j)的平均污染权重浓度,μg/m3;l代表气团轨迹;M 是轨迹的总数;Cl是轨迹l 经过网格(i,j)时对应的污染物质量浓度,μg/m3;τijl是轨迹l在网格(i,j)停留的时间,计算时使用落在网格内的轨迹节点数来代替停留时间,同样当节点数较少时,也会增大不确定性,采用与PSCF 方法相同的权重函数Wij,见公式(5).WCWT 值越大,表明该区域对受体点的污染贡献越大.

2 结果与讨论

2.1 杭州空气质量概况

图1 显示,2018～2021 杭州市空气质量整体改善良好.空气质量达到优、良的总天数呈波动上升趋势.2018、2019 年空气质量达到优的天数为79 和60d,占全年比例的19.2%、16.4%;2020、2021 年空气质量达到优的天数为 100 和 113d,占全年比例的27.3%、31.1%.以2020 年新冠疫情爆发为例,空气质量达到优、良的天数和为334d,占全年比例的91%;中度污染天数为3d,总体空气质量为4a 中最好的一年.2020 年新冠疫情爆发,除必要的民生保障外,各类企业纷纷停工停产,人为活动也大大减少,在很大程度上改善了空气质量[21].

图1 杭州市2018～2021 空气质量等级比例、首要污染物天数Fig.1 Proportion of air quality classes、primary pollutants days in Hangzhou, 2018～2021

首要污染物是指空气质量指数(AQI)大于50 时,空气质量分指数最大的污染物.目前我国首要污染物有以下6 种:PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2、O3.数据显示杭州近年来的首要污染物为PM2.5、PM10、NO2和O3,其中SO2、CO 作为首要污染物的天数为0.PM2.5作为首要污染物的天数在不断下降,以2020年疫情爆发为分界点,2020、2021 年PM2.5为首要污染物的天数分别为29,18d,对比2018、2019 年分别下降了54%,73.5%.而PM10作为首要污染物的天数在2021 年增加明显,其中2021 年冬季PM10为首要污染物的天数为42d,占全年PM10为首要污染物天数的60.9%.O3为首要污染物的天数变化趋势较小,2018～2021 的4a 中O3为首要污染物的天数均高于其他污染物为首要污染物的天数.近年来,O3成为仅次于PM2.5影响中国大气环境的污染物[22],O3污染主要发生在夏季,高温条件促进了O3的污染.2018～2021 年夏季O3为首要污染物的天数分别为56,59,44,47d,分别占 O3为首要污染物总天数的47.5%,45.7%,32.5%,39.2%.

2.2 杭州O3污染变化特征

近年来杭州地区O3污染问题突出,首要污染物为O3的天数变化小.表明杭州地区O3浓度分布季节性明显,春夏季节O3浓度偏高,2018～2021 年春夏季节O3浓度的平均值均超过了60µg/m3.除2020 年夏季外,其余年份的夏季O3浓度均值均明显高于春季O3浓度均值,2019 年夏季 O3浓度均值最大达69.4µg/m3,同期O3浓度的标准差也最大达55.4µg/m3,表明春夏季O3浓度波动较大.而冬季O3的浓度均值和标准差都远小于其他3 个季节,2019～2021 年冬季O3浓度的平均值均未达到40µg/m3,O3浓度的标准差也在30µg/m3左右浮动,杭州地区冬季O3浓度低且浓度波动较小.其中2019 年冬季(指2019 年12 月份～2020 年1、2 月份)O3浓度平均值与标准偏差最低为(24.1±25.6)µg/m3,2019 年夏季O3浓度均值为冬季O3浓度均值的2.9 倍.初步推测2019 年冬季O3浓度可能受到部分2020 年初疫情防控影响,但具体关系仍需要进一步的研究发现.

表1 杭州2018～2021 年四季O3 浓度均值与标准差Table 1 Hangzhou ozone concentration mean and standard deviation in four seasons, 2018～2021

由图2 可见,除2020 年2 月份29d,其余3a 2 月份均为28d,每年均会出现高浓度O3污染时间段.2018～2021 年,高浓度O3污染时间段逐年频率有下降的趋势.2018 年O3浓度较高值主要出现在4～5月(春季);7～10 月(夏末秋初)这2 个时间段.2019 年O3浓度较高值主要出现在5 月(春末夏初)前后;8～9 月(夏秋季)这2 个时间段.总体来看2020 年O3浓度不高,较高浓度O3时间段主要出现在9 月初(春夏季)前后,与其他年份不同的是在2020年1月末出现了较小幅度高浓度O3污染时间段.2021 年O3浓度的较高值分布不太集中,大体分布在4 月份～10 月份,其中9 月初出现一段时间较为集中的高浓度O3污染.

图2 2018～2021 年O3 浓度月份分布分条热图Fig.2 Split Bar Heat Map of Monthly Distribution of Ozone Concentrations, 2018～2021

总体来看杭州地区4～10 月之间O3浓度普遍较高.4 月份开始O3浓度逐渐升高;5 月份进入夏季,温度升高,高温促进O3的光化学反应生成;6 月初杭州地区进入梅雨时期,一直持续到7 月初,降水量多不利于O3高浓度累积,因此6～7 月份之间O3浓度较低;8 月份太阳辐射强,紫外线强度大,极大提高了O3的生成速率,O3污染较为严重.这与严仁嫦等[23]研究发现一致:杭州的O3污染主要发生在4～10 月份,主要是春夏季节,这是因为这段时间内的气温较高,光照强度较大,湿度较低,风速较小,这些因素都有利于O3的形成.

2.3 杭州O3与气象要素、其他污染物相关性分析

不同的气象要素对O3的生成、消耗和输送有着不同的作用.一般来说,高温、强辐射、低湿度和低云量等条件有利于光化学反应的进行,从而促进O3的生成;而高压强、低风速和不利风向等条件会导致污染物在局地累积,从而增加O3的浓度[24].不同地区和季节的O3与气象要素之间可能存在不同程度和方向的相关性,因此需要针对具体情况进行分析和评价.而刘楚薇等[25]研究我国O3污染成因时发现NOx、气象条件等都是O3污染产生的重要原因.因此本文选取杭州地区5～9 月份的NO2、CO、温度、相对湿度及风速的数据来分析,采用皮尔逊相关系数来探究O3与这些影响因子的相关性.

通过皮尔逊相关热图(图3)看出,在气象要素方面,杭州地区5～9 月份O3的浓度与温度、相对湿度有较强的相关性.O3与相对湿度呈负相关性,且相关系数较高,2018～2021 年负相关系数分别为:0.71、0.72、0.72、0.57,相关性较为稳定.而O3与温度呈正相关性,其相关系数要弱于与相对湿度的相关性,2018～2021 年正相关系数分别为:0.47、0.45、0.48、0.33,相关性也较为稳定.其中2021 年杭州地区O3与温度、相对湿度的相关性都明显弱于其他3a 的相关性.而温度、相对湿度作为气象要素,两者也有明显的负相关性,2018～2021年负相关系数分别为:-0.57、-0.40、-0.66、-0.60.考虑到风速作为气象要素在时间和空间上的变化,它会影响大气中的污染物输送和扩散.风速与O3之间存在着复杂的关系,一般来说,风速、风向会增加O3的浓度变化和空间分布的不均匀性,同时也会影响O3的生成和消耗过程[26].

图3 杭州地区2018～2021 年5～9 月份O3 与气象要素、其他污染物相关热图Fig.3 Heat map of ozone in relation to meteorological elements and other pollutants in Hangzhou, May～September 2018～2021

对污染物 CO、NO2与 O3相关性研究发现,2018～2021 杭州地区5～9 月份O3浓度与CO 浓度负相关系数均未达到0.2,呈弱相关.杭州地区5～9月份O3浓度与NO2浓度仅2020 年呈中度负相关,相关系数达0.42;其余3a 负相关性均未达到0.3,均呈弱相关.而污染物CO浓度与NO2浓度呈较强的正相关性,2018～2021 年正相关系数分别为:0.45、0.42、0.51、0.46.其中2020 年CO 与NO2正相关性最强,呈较强相关,同年O3与CO、NO2相关性也明显高于其他3a 的相关性.

2.4 台风对杭州地区O3浓度的影响

风速风向、降水等气象要素对近地面O3浓度有显著影响[6],而对于典型的天气系统如小尺度对流系统和中尺度的台风系统也能影响近地面O3浓度[23].对流系统中的下沉运动可将对流层上层高浓度O3带到边界层,从而增加边界层O3浓度[27].台风天气系统则会对沿海城市O3浓度产生影响[28].如2020 年我国东南部沿海省份受副高内部的下沉气流和台风外围下沉气流共同影响下,天气晴好,气温偏高,紫外线强,低层风速较小,有利于大气光化学反应生成O3[29].

杭州地区因其地理位置影响受到西北太平洋上多个台风的影响,7、8 月份台风频繁.选择2019～2021 年期间最为强劲的是2021 年第6 号台风“烟花”,探究台风对杭州地区O3浓度的影响.从表2 可以看出台风期间(7 月24～26 日)空气质量较好,PM2.5、PM10、NO2浓度明显下降,O3与CO 浓度变化趋势不明显,有小幅度的下降趋势.而台风过后,空气质量逐渐下降,7 月29 日空气质量从优变成良,大气中污染物浓度均有上升,且29 日PM2.5、PM10、NO2、O3与CO 污染物浓度均高于台风期间污染物的浓度值,其中O3浓度上升显著,台风过后第3d 的O3浓度最高达到65.2µg/m3,是台风期间第1d 的O3浓度23.4µg/m3的2.8 倍.

表2 2021 年7 月23～29 日台风“烟花”期间杭州地区逐日空气质量Table 2 Daily air quality in Hangzhou during typhoon"fireworks" from July 23～29, 2021

对台风“烟花”期间O3及气象要素进行逐时分析如图4 所示(其中7 月26 日14:00、15:00 的O3浓度数据缺测).7 月24 日7:00 左右风速开始逐渐增大,风向主要以偏北风为主,7 月25 日小时风速最大值达8.7m/s,至7 月26 日8:00 左右风速开始逐渐减少,且风向开始转变以偏南风为主.与风速变化趋势相似,杭州地区受台风控制,发生强对流天气带来强降水过程,自7 月24 日起杭州地区降雨量开始上升,24 日11:00 降雨量达20mm,后持续性降雨至7 月26 日21:00.而台风期间受低压控制,台风前后杭州地方均受副高控制,台风期间气压变低,降水量显著增加,同时风速也急剧增大.台风“烟花”导致的大风和降雨,打乱了原有的大气扩散条件,使得O3前体物质在地面附近积累,同时又有充足的太阳辐射,促进了O3的生成.

图4 2021 年7 月23 日～7 月29 日逐时O3 及气象要素情况Fig.4 Hour-by-hour Ozone and weather elements from July 23 to July 29, 2021

台风登陆前夜间相对湿度较高,至7 月23 日8:00相对湿度最大达92%后开始下降至当日17:00 相对湿度达55%,白天较低的相对湿度有利于O3的生成,台风登陆后,7 月24～28 日相对湿度高于85%,杨娜等[30]在研究洛阳市O3污染发现相对湿度较高时,大气中的水汽会影响紫外辐射在光化学反应中的作用,减弱大气的光化学反应,减缓O3的生成[31].可看出相对湿度与温度的变化趋势相反,且皮尔逊相关热图也表明了相对湿度与温度有明显的负相关性.对O3浓度、相对湿度及温度进行散点分布见图5.总体上看,高浓度O3主要出现在高温低湿的气象条件下,温度在32˚C 左右,相对湿度在50%左右的气象条件下O3浓度最高,这与茅晶晶等[32]的研究结果相似.

图5 O3 浓度与气温、相对湿度的散点Fig.5 Scatter plot of Ozone concentration versus air temperature and relative humidity

2.5 后向轨迹及潜在源区分析

本研究模拟了2021 年台风“烟花”结束后(7月25～30日)以杭州城区为受体点,距地面100m高度的逐小时后向轨迹,考虑到轨迹数较多,采用总空间相异度(TSV)方法确定聚类的数目[33],由图6 可以看出,主要传输路径有7 种.其中聚类N5 占比最大达27.08%,来自西北偏西方向的气团,途径湖北、江西北部等地区,气流较稳定,高度维持在940～970hPa 之间.除聚类N5,聚类N2 占比也达20.14%,气团轨迹与聚类N5 较相似,来自西北偏北方的气团,呈逆时针旋转,途径河南、湖北东部、江西北部等地区,气流轨迹幅度较小,整体高度与N5 相似维持在940～980hPa 之间.其余5 条聚类均途径北太平洋,聚类N3占比12.50%,来自西北方向气团,途径台湾,气流轨迹从1000hPa 逐渐升至940hPa 高度.聚类N1、N4、N6 和N7 占比分别为17.36%、10.42%、8.33%和4.17%,气团方向均为东向,其中聚类N1 和N6 气团方向东偏北,途径江苏南部、黄海等地区,其中聚类N6 途经日本.聚类N4 和N7 气团方向东偏西,聚类N4 途经安徽南部、江苏中部等地区,聚类N7 占比最低.

图6 2021 年7 月25～30 日72h 后向轨迹及气流高度Fig.6 July 25～30, 2021 72h backward trajectory and airflow height map

从聚类轨迹的长度来看,聚类N5 和N2 的轨迹都较短,轨迹数合计约占总轨迹数目的47.22%,且气团均来自西北方向,途经江西,湖北等地区,气流整体高度也趋向一致,而聚类短,气团移动速度缓慢,风速低时容易发生O3污染.而聚类N4、N6 和N7轨迹较长,轨迹数合约占总轨迹数目的22.92%,这部分气团来自北太平洋,轨迹路径长,气流移动速度快,促进污染物稀释扩散,对污染物的影响较小.从聚类轨迹的空间分布看,杭州72h 的后向轨迹主要集中在浙江、江西、湖北和河南以及黄海海域,表明本次台风期间污染物主要来源中国南部及中部地区.

PSCF 值是指超过阈值浓度的轨迹与所有轨迹数的比值,其分布区域被解释为受体点的污染潜在源区[34].由图7(a)可以看出,WPSCF 高值区主要集中在浙江、安徽、江西三省的交界处,主要为浙江北部和江西东部呈东西方向分布,及湖北、江西两省交界处,主要为湖北南部的武汉,沿南北方向分布.

图7 2021 年7 月25～30 日O3的WPSCF 和WCWT 分布特征Fig.7 WPSCF and WCWT distribution characteristics of ozone on July 25～30, 2021

PSCF 方法表明污染轨迹通过某一区域的概率,而CWT 方法能给出该区域对受体点的浓度贡献大小[35]. WCWT 的高值区主要也是浙江、江西、湖北、河南等地区,高值区范围比WPSCF 高值区范围略大.总体来看,WCWT 和WPSCF 分析结果一致性较好,表明7 月25～30 日,杭州地区O3污染受到一定的区域传输影响,来源主要是来自金华、上饶、南昌、武汉等城市,主要涉及浙江、江西、湖北3 个省份.

3 结论

3.1 2018～2021 年杭州地区空气质量整体变好,O3作为首要污染物的天数居高不下,春夏季O3污染较为严重,夏季O3浓度标准差在50 左右,稳定性较差,每年都会出现高浓度O3污染时间段,总体来看,O3污染主要集中在4～10 月份.

3.2 O3污染主要受多气象要素影响,与污染物CO、NO2相关性均未达0.3,呈弱相关,与相对湿度呈负相关,相关性在0.7 左右,与温度呈正相关,相关性接近0.5,而相对湿度与温度呈中度负相关.鉴于风速的不稳定性,同时也会影响O3的生成和扩散.

3.3 台风对杭州地区O3有一定影响,以2021 年台风烟花为例,台风期间降雨量增大、风速增强,各污染物浓度均有所下降,台风过后,在高温低湿的气象条件下,O3浓度上升显著.但这一现象只针对2021年台风“烟花”对杭州地区O3的影响,其他台风与杭州地区O3的关系仍需具体问题具体分析．

3.4 对杭州2021 年7 月25～30 日进行聚类分析得到7 条气团传输路径,主要气团来自西北方向,途经江西,湖北等地区,还有部分气团来自北太平洋.对潜在源WPSCF 和WCWT 分析发现O3浓度高值区分布一致性较好,在台风“烟花”期间杭州地区O3污染受到一定的区域传输影响,来源主要是来自金华、上饶、南昌、武汉等城市,主要涉及浙江、江西、湖北3 个省份.

致谢：感谢印度Koneru Lakshmaiah 大学K. Raghavendra Kumar 博士在写作过程中的指导.