2022, Vol. 43
2. 国家气象中心, 北京 100081;
3. 中山大学大气科学学院, 广州 510275
, LV Meng-yao2 , LU Qing1
, GAO Bo1 , LIANG Xiao-ming1 , LIU Ming1 , SUN Jia-ren1 , CHEN Lai-guo1 , FAN Shao-jia3
2. National Meteorological Centre, Beijing 100081, China;
3. School of Atmospheric Sciences, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China
近年来, 我国城市臭氧污染问题不断凸显[1~8], 2020年全国337个地级及以上城市以臭氧为首要污染物的超标天数占总超标天数的37.1%, 在京津冀及周边地区、长三角和汾渭平原等三大重点地区, 臭氧为首要污染物的超标天数占总超标天数的47%、51%和36%, 臭氧已成为“十四五”期间影响我国城市空气质量优良天数比例的主要污染物[9].
珠江三角洲(珠三角)作为我国沿海经济发达地区, 经过多年的结构调整和环境治理, 区域环境空气质量整体改善明显, 连续多年达到国家二级标准, 2019年和2020年区域ρ(PM2.5)年平均值分别为28 μg·m-3和21 μg·m-3.与此同时, 若不考虑受疫情严重影响的2020年, 近年来珠三角臭氧污染改善成效并不明显.2019年珠三角9市臭氧日最大8h平均浓度[ρ(MDA8)]第90百分位数平均值为176 μg·m-3, 超过二级标准, 同比上升17%, 较2016年升高了32%, 其中广州、珠海、佛山、东莞、中山、江门和肇庆等7市臭氧浓度均超过二级标准, 臭氧占首要污染物比例高达61%, 已成为制约珠三角地区空气质量的主要污染物[10, 11].
臭氧作为一种二次污染物, 其浓度水平不仅受挥发性有机物、氮氧化物等前体物排放和大气光化学过程控制, 同时会受到气象因素的显著影响[12~21].臭氧污染往往与晴天、高温和低湿等气象条件有关, 在这种有利气象背景下, 光化学生成反应剧烈, 臭氧浓度容易升高.受华南地区的典型气象条件影响, 珠三角的臭氧污染主要出现在高温、少雨、低湿的秋季, 而京津冀和长三角等地区的臭氧污染则往往出现在炎热的夏季[12, 19, 21, 22].从天气系统的角度看, 臭氧污染经常与高压天气有关, 受高压天气影响, 天气晴朗、高温、低湿和辐射强烈, 有利于臭氧污染的形成[23~27].此外, 在我国东南沿海地区, 臭氧污染除了受高压天气影响, 还常受到一种特殊天气系统——台风外围天气系统的影响.Wei等[28]采用空气质量模式CMAQ研究了2005年台风海棠造成的香港臭氧污染事件, 认为水平输送和气流辐合造成了臭氧的积累, 同时高温和低湿条件促进了活跃的光化学反应, 这些因素导致了臭氧污染事件. Shu等[29]结合数值模式研究发现, 2013年8月当长三角处于超强台风尤特的正面时, 台风外围环流增强下沉气流, 造成区域臭氧浓度升高.Zhan等[30]研究了2018年夏季在长三角发生的与登陆台风相关的区域性臭氧污染事件, 发现强烈的光化学反应、下沉气流和地面微风是本次臭氧污染的主要原因. Deng等[31]探讨了台风外围天气对珠三角高臭氧和高气溶胶污染事件(“双高”事件)的影响, 发现气溶胶增加导致多次散射和光化辐射增加有利于光化学反应, 同时, 下沉气流和湍流将高浓度臭氧输送到地面, 造成了臭氧浓度升高.
总的来说, 台风外围天气是珠三角及其它沿海地区臭氧污染预报预警需要特别关注的天气系统.以往相关的研究主要关注台风外围天气系统造成的臭氧污染个例, 针对不同类型台风影响的长期统计研究还比较缺乏, 而此项工作对于城市臭氧污染预报工作有很强的实际意义.考虑到秋季是珠三角臭氧污染最严重的季节, 同时也是热带气旋比较活跃的时期, 本研究收集利用2015~2020年秋季西北太平洋热带气旋资料、珠三角臭氧监测数据、地面气象资料和ERA5再分析资料, 深入分析了不同台风路径对珠三角地区秋季臭氧浓度的影响, 以期为珠三角及其他东南沿海地区臭氧污染预报预警和防治工作提供支持.
1 材料与方法 1.1 监测数据本研究采用的监测数据包括: ①2015~2020年秋季珠三角地区9个城市(广州、深圳、佛山、东莞、中山、珠海、惠州、江门和肇庆等)地面逐时臭氧监测数据, 来源于中国环境监测总站(https://air.cnemc.cn:18007/).为保持数据的可比性, 所有监测数据统一转化为实况数据.本研究采用珠三角9市污染物浓度的平均值代表珠三角地区整体污染水平; ②2015~2020年秋季中国香港臭氧每周1次的垂直探空数据, 数据来源于世界臭氧紫外数据中心(https://woudc.org/).图 1为珠三角国控站点和香港臭氧垂直探空站分布.
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图 1 环境监测站和气象站空间分布 Fig. 1 Distribution of air quality monitoring stations and weather stations |
本研究采用的气象数据包括: ①2015~2020年珠三角8个主要气象站(广州、深圳、珠海、中山、惠阳、东莞、高要和台山)的地面逐日气象数据, 包括气温、风速、相对湿度、降水和日照等参数, 数据源于中国气象数据网(http://data.cma.cn)的“中国地面气候资料日值数据集”; ②2015~2020年香港天文台京士柏气象站逐日的云量和太阳总辐射数据, 数据源于中国香港天文台(https://www.hko.gov.hk); ③2015~2020年西北太平洋热带气旋数据, 资料取自中国台风网(www.typhoon.gov.cn)“CMA-STI热带气旋最佳路径数据集”.④ERA5再分析资料垂直风速数据, 数据源于哥白尼气候变化服务中心数据库(https://cds.climate.copernicus.eu).气象观测站的基本情况如表 1所示, 站点分布见图 1.
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表 1 气象站基本情况 Table 1 Basic condition of weather stations |
2 结果与讨论 2.1 珠三角臭氧污染特征
2015~2020年珠三角臭氧ρ(MDA8)的平均值为145 μg·m-3(图 2).其中, 2019年臭氧浓度水平最高, ρ(MDA8)第90百分位数浓度为172 μg·m-3, 超过国家二级标准(160 μg·m-3).从季节变化来看, 珠三角秋季臭氧浓度最高, 其次是夏季和春季, 冬季最低.
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图 2 2015~2020年珠三角地区MDA8浓度年际变化和年变化 Fig. 2 Interannual and annual variation in the number of ozone MDA8 concentrations in the PRD from 2015 to 2020 |
2015~2020年珠三角地区共发生了132个臭氧超标日[ρ(MDA8)＞160 μg·m-3], 其中2019年珠三角超标日数最多, 共出现了54 d.从季节分布来看, 臭氧超标主要集中在秋季, 超标日出现比例高达60.61%; 其次是夏季, 出现比例为24.24%; 再其次是春季, 出现比例为14.39%; 冬季极少出现臭氧超标现象.
2015~2020年秋季臭氧MDA8的逐月变化来看(图 3), 2019年9月是ρ(MDA8)最高的月份, 平均值达到158 μg·m-3.从秋季浓度的年际变化来看, 2019年秋季ρ(MDA8)平均值最高, 达到152 μg·m-3.
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图 3 2015~2020年珠三角MDA8浓度秋季逐月变化 Fig. 3 Monthly changes in ozone MDA8 in the PRD from 2015 to 2020 |
从空间分布来看(图 4), 2015~2020年珠三角秋季臭氧浓度总体呈现西南部高, 东北部低的污染特征.其中ρ(MDA8)平均值最高的城市是江门市, 达到118 μg·m-3; 浓度最低的是惠州市, ρ(MDA8)平均值为99 μg·m-3.
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图 4 2015~2020年珠三角秋季MDA8浓度空间分布 Fig. 4 Spatial distribution of ozone MDA8 in autumn in the PRD from 2015 to 2020 |
根据热带气旋的相关研究[32~34], 本研究将西北太平洋热带气旋划分为4类, 分别是西行热带气旋(A型)、东海转向热带气旋(B型)、近海影响热带气旋(C型)和远海热带气旋(D型).其中, A型热带气旋大部分在15°N以南、130°~140°E的菲律宾以东海域生成, 热带气旋生成后向西北方向运动进入中国南海中北部.B型热带气旋的生成源地范围较大, 生成后西北行进至中国东海后转向东北方向. C型热带气旋主要是在150°E以西、10°N附近生成, 之后主要在中国南海或菲律宾以东海域活动. D型热带气旋的生成源地位置大多在20°N以南、150°E以东海域, 之后沿西北方向移至250N附近转向东北方向, 或者生成后直接北行, 此类热带气旋远离中国大陆, 对中国影响很小.4类气旋的典型路径见图 5.
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本图基于自然资源部标准地图服务网站下载的审图号为GS(2016)1663号的标准地图制作, 底图无修改 图 5 不同类型热带气旋典型路径 Fig. 5 Typical paths of different types of tropical cyclones |
2015~2020年, 西北太平洋热带气旋年出现频次在24(2020年)~35次(2018年), 其中在夏季和秋季出现的频次最多, 分别为78次和75次.具体到月份来看, 8月出现频次最高(39次), 其次是9月(31次)、7月(30次)、10月(27次)和11月(17次).
在2015~2020年秋季发生的75次热带气旋过程中, 2019年秋季热带气旋发生次数最多, 达到16次; 2018年秋季热带气旋发生次数最少, 仅为9次.按照4种热带气旋典型路径分类, 2015~2020年秋季A、B、C和D型热带气旋分别出现8、21、26和20次, 具体情况见图 6.
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图 6 2015~2020年秋季4种热带气旋逐月出现次数 Fig. 6 Frequency of four tropical cyclones in autumn from 2015 to 2020 |
由于D型热带气旋路径远离中国影响很小, 本研究只关注A、B和C型热带气旋对珠三角臭氧的影响, 将D型热带气旋与无热带气旋的情况统一归为“其他”类作为背景情况.
历史数据表明, 在2015~2020年秋季, 珠三角共出现80个区域ρ(MDA8)平均值超标日, 其中有47个超标日与A、B或C型热带气旋出现的日期重合, 说明热带气旋可能对珠三角臭氧污染有较大的影响.从珠三角秋季臭氧超标日的ρ(MDA8)来看, 当A、B和C型热带气旋发生时, 臭氧超标日数分别为4、30和13 d; 在“其他”情况下, 超标天数为33 d.从臭氧超标日的ρ(MDA8)分布来看(图 7), B型热带气旋超标日的ρ(MDA8)最大, A型和C型热带气旋超标日的ρ(MDA8)较小.
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图 7 2015~2020年珠三角秋季臭氧超标日的MDA8浓度分布 Fig. 7 Distribution of ρ(MDA8) in the days of ozone exceeding the standard in the PRD in autumn from 2015 to 2020 |
为便于分析, 本研究将气旋的生命周期划分为前期(气旋生成后第1 d)、中期和后期(气旋消失前1 d)这3个阶段.根据热带气旋中期与前期城市臭氧浓度的变化来评估热带气旋的影响, 结果如图 8所示.当B型热带气旋发生时, 珠三角各市臭氧浓度增加明显, 区域ρ(MDA8)平均增幅为19 μg·m-3, 其中珠海、江门等城市ρ(MDA8)增幅最大, 增幅超过20 μg·m-3, 其他城市ρ(MDA8)增幅也在10~20 μg·m-3之间.当A型热带气旋发生时, 区域ρ(MDA8)平均增幅为4.9 μg·m-3, 中山、肇庆和佛山等市臭氧浓度增幅较大, 增幅在10μg·m-3以上, 深圳、东莞和惠州等地臭氧浓度反而下降.当C型热带气旋发生时, 珠三角ρ(MDA8)平均增幅为4.7 μg·m-3, 其中肇庆、佛山和江门ρ(MDA8)增幅最大, 达到10 μg·m-3以上, 而深圳、珠海和惠州等市浓度反而有所下降.总的来说, 珠三角臭氧浓度受B型热带气旋影响的区域和程度最大, 且西部城市受影响更大.
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图 8 2015~2020年热带气旋对珠三角不同城市的影响 Fig. 8 Influence of tropical cyclones on different cities in the PRD from 2015 to 2020 |
在无热带气旋或D型热带气旋的背景情况下, 珠三角臭氧平均浓度“优”的频率最高, 其次是区域臭氧“良”和最大浓度超标的频率, 珠三角臭氧平均浓度超标出现的频率则最低.当热带气旋出现时, 这种频率分布结果发生了明显改变(图 9).具体来看, 对于A型热带气旋而言, 在其前期和后期未出现平均臭氧浓度超标的现象; 在A型热带气旋的中期, 空气质量指数类别达到“良”的频率会有少许升高, 出现“优”的频率则有所下降.在B型热带气旋的中后期, 珠三角区域臭氧平均浓度出现超标的频率明显升高, 同时区域出现臭氧空气质量等级“良”的频率也明显升高, 出现“优”的频率则明显下降.对于C型热带气旋而言, 在其前期和中期, 珠三角区域臭氧出现超标和“良”的频率均有轻微的升高, 出现“优”的频率则有轻微的下降.
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图 9 2015~2020年不同热带气旋阶段珠三角不同臭氧浓度水平的出现频率 Fig. 9 Frequency of different ozone concentration levels in the PRD at different tropical cyclone periods from 2015 to 2020 |
总的来说, 相对于背景情况(无热带气旋或D型热带气旋), 在B型热带气旋发生时, 珠三角臭氧超标的频率明显升高: 在C型热带气旋的前期和中期, 区域臭氧超标频率有较明显地升高, 但是升高幅度不如B型热带气旋; 对于A型热带气旋, 在其中期, 珠三角臭氧最大浓度超标的频率有一定的抬升, 但是区域臭氧平均浓度超标的频率变化不大.
另外, 利用Theil-Sen斜率估算法[35]估算了珠三角秋季ρ(MDA8)年际变化趋势和变化速率(图 10), 发现2015~2020年珠三角秋季ρ(MDA8)平均值呈上升趋势(P=0.06), 秋季ρ(MDA8)平均增长速率为3.27 μg·(m3·a)-1; 若不考虑热带气旋的影响, 秋季ρ(MDA8)依然呈上升趋势(P=0.06), 平均增长速率为3.96 μg·(m3·a)-1.这个结果说明热带气旋并未影响2015~2020年珠三角秋季臭氧浓度的年际变化趋势, 仅对臭氧上升趋势的幅度有一定的影响.
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图 10 2015~2020年珠三角秋季MDA8平均值 Fig. 10 Average ozone MDA8 in autumn of PRD from 2015 to 2020 |
当热带气旋发生时, 受其影响, 其周边几百公里乃至上千公里范围内的气象场(太阳辐射、云量、气温、风速、相对湿度和垂直风速等)都会发生变化, 从而影响到区域臭氧的输送、扩散、清除等物理过程以及光化学反应过程, 进而对区域臭氧浓度产生影响. 2015~2020年, 三类热带气旋前期、中期和后期珠三角区域气象要素平均值如表 2所示.
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表 2 2015~2020年热带气旋不同阶段珠三角气象要素平均值 Table 2 Mean of meteorological elements in the PRD at different stages of tropical cyclone periods from 2015 to 2020 |
太阳辐射影响臭氧的光化学生成反应, 二者一般呈正相关关系[19, 23].从太阳总辐射的前后变化来看, 在A型热带气旋的中期, 太阳总辐射增加, 后期太阳总辐射减少; B型热带气旋的中期和后期, 太阳总辐射增强; C型热带气旋中期和后期, 太阳总辐射均有所减弱.云量的变化情况与太阳总辐射类似, 在A型热带气旋的中期, 云量较前期减少, 后期云量增加; 在B型热带气旋的中期和后期, 云量明显减少; 在C型热带气旋的中期, 云量减少, 后期云量增加.日照也是反映太阳辐射的指标.在日照时数变化方面, 在A型热带气旋的中期, 区域日照时数增加, 后期日照时数减少; B型热带气旋的中期和后期日照时数增加; 在C型热带气旋的中期, 日照时数增加, 后期日照时数减少.气温会影响光化学反应速率, 与臭氧浓度一般呈正相关关系[23], 由表 2可见, 在A型热带气旋的中期和后期, 珠三角气温有所降低; B型热带气旋的中期和后期区域气温有所升高; C型热带气旋的中期和后期气温有所降低.
有研究发现, 臭氧浓度与相对湿度成反比[19].与热带气旋前期相比, 在A型热带气旋的中期, 相对湿度有所降低, 后期相对湿度升高; 在B型热带气旋的中后期, 相对湿度降低; 在C型热带气旋中期, 相对湿度降低, 后期相对湿度回升.降水的湿清除作用能有效地降低臭氧浓度.在降雨量变化方面, 在A型热带气旋的中后期, 降雨量较前期有所增加; B型热带气旋中后期的降雨量较前期有所减少; C型热带气旋中期的降雨量减少, 后期降雨量增加.从地面风速变化来看, A型热带气旋的中期和后期, 风速增大; B型热带气旋的中期风速变化不大, 后期风速有所增加; C型热带气旋的中期风速增加, 后期风速有所降低, 总体变化不大.
总的来说, 当B型热带气旋出现时, 地面气象条件变化有利于光化学反应和臭氧浓度积累, 使得臭氧超标可能性增大.当A型或C型热带气旋出现时, 可能带来气温降低、降雨等不利臭氧污染的气象条件, 从而使得臭氧污染出现频率小于B型热带气旋.
除了地面气象要素以外, 高空垂直风速也会影响地面臭氧浓度[36].中国香港的历史臭氧探空数据表明, 在高空存在臭氧浓度峰值(图 11), 因此下沉气流可将高空高浓度臭氧输送至近地面, 有助于地面臭氧浓度升高.
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图 11 2015~2020年中国香港地区臭氧垂直廓线 Fig. 11 Vertical ozone profile in Hong Kong from 2015 to 2020 |
如图 12所示, 在A型热带气旋前期, 高空垂直风速微弱; 中期下沉气流变多, 此时有助于地面臭氧浓度升高; 后期上升气流明显增多, 容易形成降雨, 有利于地面臭氧浓度下降.B型台风前期, 高空盛行微弱的上升气流; 中期和后期下沉气流不断增多, 促进地面臭氧浓度升高. C型热带气旋前期盛行弱下沉气流; 中期下沉气流进一步增多, 有利于地面臭氧浓度升高; 后期下沉气流减少, 上升气流增多, 有利于地面臭氧浓度降低.
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图 12 2015~2020年不同热带气旋阶段珠三角900 hPa高空垂直风速 Fig. 12 Vertical wind speed at 900 hPa in the PRD at different tropical cyclone periods from 2015 to 2020 |
此外, 从珠三角东部和西部两个区域的情况来看(表 3), 当A、B或C型热带气旋出现时, 珠三角西部地区的日照时数、平均气温和日最高气温等要素的增加幅度均比东部大, 有利于臭氧生成, 这可能是在台风外围天气系统影响下, 珠三角西部臭氧增
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表 3 2015~2020年不同热带气旋发生时珠三角不同区域气象变化 Table 3 Meteorological changes in different regions of the PRD of different tropical cyclones from 2015 to 2020 |
3 结论
(1) 2015~2020年秋季西北太平洋一共发生了74次热带气旋过程.其中A、B、C和D型热带气旋分别为8次、20次、27次和19次.
(2) 珠三角臭氧浓度受B型热带气旋影响最大, 在B型热带气旋影响下, 珠三角臭氧超标频率明显升高; 受C型热带气旋影响时, 区域臭氧超标频率有较明显地升高, 但是升高幅度弱于B型热带气旋; 当出现A型热带气旋时, 区域臭氧浓度超标频率变化不大.
(3) 当B型热带气旋发生时, 珠三角各市臭氧浓度增加明显, 区域ρ(MDA8)平均增幅为19 μg·m-3, 其中珠海、江门等城市臭氧浓度增幅最大, ρ(MDA8)增幅超过20 μg·m-3.在A型或C型热带气旋出现时, 珠三角ρ(MDA8)的平均增幅在5 μg·m-3左右, 部分城市臭氧浓度可能下降.此外, 珠三角不同城市受热带气旋的影响有明显差异, 西部城市受影响更大.
(4) 2015~2020年, 珠三角秋季臭氧平均浓度呈上升趋势.若不考虑热带气旋的影响, 秋季臭氧浓度依然呈上升趋势, 说明热带气旋并未影响珠三角秋季臭氧浓度的年际变化趋势, 仅影响了上升速率.
(5) 当发生B型热带气旋时, 珠三角太阳辐射增强, 日照变长, 云量减少, 气温升高, 相对湿度降低, 这些变化均有利于光化学反应, 同时下沉气流增多, 下沉气流将高空高浓度臭氧输送至地面, 从而进一步促进地面臭氧浓度升高.当发生A型或C型热带气旋时, 气象条件变化并不完全有利于臭氧浓度升高, 某些情况下甚至出现降雨等不利气象条件, 从而导致区域臭氧超标频率小于B型热带气旋.此外, 在热带气旋影响下, 珠三角西部地区的日照时数、气温等气象要素的增加幅度大于东部, 更有利于臭氧生成.
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