2014—2020年关中地...臭氧污染特征及气象条件分析_黄蕾.pdf
《2014—2020年关中地...臭氧污染特征及气象条件分析_黄蕾.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《2014—2020年关中地...臭氧污染特征及气象条件分析_黄蕾.pdf(10页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 41 卷 第 3 期2023 年 6 月Vol.41 No.3June,2023干旱气象Journal of Arid Meteorology20142020年关中地区近地面臭氧污染特征及气象条件分析黄蕾1,3,王丽1,3,杜萌萌1,3,刘慧2,金丽娜1(1.陕西省西安市气象局,陕西 西安 710016;2.陕西省气象台,陕西 西安 710014;3.秦岭和黄土高原生态环境气象重点实验室,陕西 西安 710016)摘要:关中作为西北地区最重要的城市群落,近年来O3污染逐渐成为影响当地空气质量的突出问题,探究其变化特征和影响因素对该地区大气环境治理有重要意义。基于20142020年关中地区5
2、地市国控环境监测站O3质量浓度逐小时观测资料和国家气象站地面气象要素逐小时观测资料,对比分析关中地区近地面O3污染特征及其气象影响因素。结果表明:(1)近7 a来,O3已逐渐取代PM10成为关中地区仅次于PM2.5的大气首要污染物,以O3为首要污染物的天数占比总体呈波动增加态势。(2)关中地区O3质量浓度呈典型的单峰型月际、日变化,夏季(68月)浓度较高,且浓度值自西安、咸阳、渭南、铜川、宝鸡依次减小;07:0008:00为谷值,15:0016:00为峰值。(3)当最高气温大于36、相对湿度为45%70%、平均风速为23 ms-1时,关中地区O3易超标,且最高气温越高,O3超标率越大;西安、铜
3、川、咸阳、渭南O3污染的有利风向为东北风(NE),而宝鸡则为东南风(SE)或西北风(NW)。(4)源自河南中西部的偏东路径是影响西安夏季O3质量浓度最主要的传输路径,除本省相邻城市影响外,河南中西部、山西南部运城及湖北北部也是西安O3污染主要的潜在贡献源区。关键词:臭氧污染;时空变化;气象条件;潜在源;关中地区文章编号:1006-7639(2023)03-0413-10 DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2023)-03-0413中图分类号:X16 文献标志码:A引 言臭氧(O3)是一种氧化性较强的温室气体,对人体健康、农业生产及生态环境等有严重危害(Wang et
4、al.,2012;耿春梅等,2014)。近年来,我国O3污染问题日益显现,污染程度逐年加重。2019年全国以O3为大气首要污染物的超标天数占比(41.8)仅次于PM2.5(45.0),O3已成为导致部分城市夏季空气质量超标的首要污染物(郭欣瞳等,2020)。因此,科学认识城市近地面O3时空变化规律及其影响因素,对城市空气污染科学防治有重要意义。除平流层少量输送外,近地面层O3主要由氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)和挥发性有机化合物(VOCs)等前体物在一定气象条件下发生光化学反应产生(耿福海等,2012;盛裴轩等,2013;刘楚薇等,2020),O3的时空分布差异主要受下垫面、前体物排放、
5、区域传输及本地气象条件等因素影响(李霄阳等,2018;王定定等,2019;严晓瑜等,2020)。研究表明,在排放源稳定情况下不同城市近地面O3质量浓度与当地气象条件关系密切,气温、相对湿度及太阳辐射影响近地面生成O3的光化学反应速率,风向风速则影响O3的稀释、扩散及输送过程,同时外来污染输送对本地O3浓度也有重要影响(王芳等,2009;樊文雁等,2022),高温、少云、低湿、弱风的气象条件往往造成本地 O3浓度升高(王闯等,2015;周贺玲等,2017;谢祖欣等,2020)。然而,不同区域的地域环境、气候背景、经济发展程度、产业结构等明显不同,其O3污染时空特征及其与气象条黄 蕾,王 丽,杜萌
6、萌,等.20142020年关中地区近地面臭氧污染特征及气象条件分析 J.干旱气象,2023,41(3):413-422,HUANG Lei,WANG Li,DU Mengmeng,et al.Characteristics of near-ground ozone pollution and relationships with meteorological conditions in Guanzhong region from 2014 to 2020 J.Journal of Arid Meteorology,2023,41(3):413-422,DOI:10.11755/j.issn.1
7、006-7639(2023)-03-0413收稿日期:2022-04-19;改回日期:2022-10-25基金项目:陕西省气象局秦岭和黄土高原生态环境气象重点实验室开放研究基金课题(2022G-27)资助作者简介:黄蕾(1991),女,甘肃天水人,工程师,主要从事大气环境及数值模拟研究。E-mail:。通信作者:杜萌萌(1986),女,河南孟津人,工程师,主要从事大气环境预报方法研究。E-mail:。41 卷干旱气象件的关系存在一定差异,如云南省O3浓度与气温呈弱相关(宋雪燕等,2020);太原南部城区O3浓度与相对湿度呈负相关(卢盛栋等,2021),而佛山O3浓度在相对湿度 45%75%环境
8、下变化不大,当相对湿度超过75%时明显下降(陈辰等,2020)。因此,针对O3污染严重的地区开展O3浓度时空特征及其影响因素分析,掌握O3污染天气特征和影响机制,对科学制定本地化的臭氧污染防治对策有重要意义。关中盆地地处秦岭和黄土高原之间,污染物扩散能力较差,大气污染较为严重。近年来,在政府部门多项举措下PM10、PM2.5等颗粒物污染有明显好转,而O3污染问题却日趋严峻,已成为继PM2.5后影响关中地区空气质量的重要污染物。本文利用关中5个地市地面气象观测资料及环境监测数据,分析O3污染的时空特征及其与气象条件的关系,并采用 HYSPLIT(Hybrid Single-Particle La
9、grangian Integrated Trajectory)模型探讨O3输送路径及潜在源贡献,以期为关中地区近地面O3污染防治提供一定科学依据。1资料与方法1.1资 料所用资料包括:(1)20142020年陕西关中5个地市(西安、咸阳、宝鸡、渭南、铜川)共33个环境空气质量监测国控点(图1)O3质量浓度逐小时监测数据;(2)充分考虑站点代表性及数据完整性,在上述5个地市分别选取1个国家基本气象站(图1)20142020年地面气象要素逐小时观测资料;(3)2020年68月美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)
10、全球气象资料同化系统(Global Data Assimilation System,GDAS)再分析资料,空间分辨率为 0.50.5,用于驱动 HYSPLIT后向轨迹模型。文中涉及的中国各省及地市行政边界基于国家测绘地理信息局标准地图服务网下载的审图号为GS(2019)3333号的标准地图制作,底图无修改。文中时间均为北京时。1.2方 法依据 环境空气质量评价技术规范(试行):HJ 6632013(中国环境监测总站和沈阳市环境监测中心站,2013),采用O3质量浓度日最大8 h滑动平均值作为日评价指标,当其大于160 gm-3时则定义当天为O3污染日;以某一年内O3质量浓度日最大8 h滑动平
11、均值的第90百分位数作为年评价指标,而以某一月内O3质量浓度日最大8 h滑动平均值的第90百分位数作为月评价指标。根据 环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行):HJ 6632012(中国环境监测总站等,2012),O3作为污染物指标时其质量浓度评价标准为:0CO3100 gm-3时,空气质量分指数为一级(优);100CO3160 gm-3时,为二级(良);当160CO3215 gm-3时,为三级(轻度污染);当215CO3265 gm-3时,为四级(中度污染);当 265CO3800 gm-3时,为五级(重度污染);当CO3800 gm-3时,为六级(严重污染)。其中,CO3为O3质量浓度
12、日最大h滑动平均。通过计算不同城市间的空间离散系数(Coefficient of Divergence,COD)来定量评估不同城市污染差异,其取值范围为01,数值越接近0表明差异越小,越接近1表明差异越大(Xie et al.,2012)。计算公式如下:CODf,h=1ni=1n()xif-xihxif+xih2(1)式中:CODf,h为 f 市和 h 市的空间离散系数;xif、xih(gm-3)分别为i日f市和h市的O3质量浓度;n(d)为总日数。HYSPLIT 是目前应用最广泛的大气传输和扩散模型之一,它由美国国家海洋和大气管理局开发,常用于分析描述污染物的大气传输、扩散过程及来源(Wan
13、g et al.,2010)。本文基于 HYSPLIT 模型和 ArcGIS 技术相结合的 TrajStat 工具(Wang et al.,2009),对夏季O3污染最严重的西安市进行气流后向轨迹聚类分析和潜在源贡献分析。潜在源贡献因子(Potential Source Contribution Factor,PSCF)是研究区域内经过网格(i,j)的污染轨迹点数量(Mij)与经过该网格所有轨迹点数量(Nij)图1关中地形高度(彩色填充区,单位:m)及国控环境监测站、气象观测站分布Fig.1The distribution of terrain elevation(color filled a
14、reas,Unit:m)and national environmental monitoring sites,national meteorological observation stations in Guanzhong region414第 3 期黄蕾等:20142020年关中地区近地面臭氧污染特征及气象条件分析的比值(Karaca et al.,2009),其值越大表示该网格区域对目标点污染物浓度的影响越大。计算公式如下:PSCF=MijNij(2)2结果与分析2.1关中地区O3污染时空变化特征2.1.1O3污染时间变化从20142020年关中地区O3超标站次比(O3超标站数占有效监
15、测总站数的百分比)及质量浓度时间序列(图2)看出,2014、2015年关中5地市主要以O3轻度污染为主,超标站次仅占当年总监测站次的2.0%左右,O3质量浓度小于 120.0 gm-3;2016、2017年O3超标站次急剧增加,超标站次比分别增至12.9%和 16.6%,中度污染以上站次也明显增加,2017年8站次出现重度污染天气,且O3质量浓度在2016年陡然上升到168.0 gm-3,2017年持续升至峰值 181.0 gm-3;20182020年 O3超标站次明显减少、质量浓度略有下降(均超过150.0 gm-3),超标站次比分别降为8.5%、9.1%和8.0%,且均有O3中度污染以上的
16、站点出现。总体来看,20142020年关中地区O3超标站次比及质量浓度总体呈波动增加态势,O3污染问题不可轻视。为明确O3对关中地区空气质量污染的贡献,对空气质量超标日大气首要污染物为O3、PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO 的日数占比进行统计,发现 20142020 年关中地区主要大气污染物为 PM2.5、PM10和O3,PM2.5为首要污染物的日数最多,占比 64.5%79.5%;PM10为首要污染物的日数占比在2015年达到峰值(22.5%)后总体呈波动减小趋势,到2020年降至最低2.9%,这与近年来生态环境改善、植被覆盖率增加以及政府推行的节能减排措施有关;O3为首要污染物的
17、日数占比呈波动式增加,到2020年达最大31.0%(图3)。可见,O3逐渐取代PM10成为仅次于PM2.5的首要污染物。20142020 年关中 5 地市 O3质量浓度月际变化特征整体一致(图4),均呈典型的单峰型分布,夏季(68月)O3质量浓度较高,进入秋、冬季后持续下降,12月降到最低,不足70.0 gm-3。对比发现,5地市O3质量浓度差异主要表现在68月,其值自西安、咸阳、渭南、铜川、宝鸡依次减小,除宝鸡外,峰值均出现在6月,且O3质量浓度月变化幅度西安最大、宝鸡最小。关中地区O3质量浓度日变化特征(图5)与太阳辐射相似,呈典型的单峰型日变化,夜间变化较白天平缓。这与近地面O3生成的大
18、气光化学过程有关,即夜间生成O3的光化学反应较弱,且主要以NO对O3的消耗为主,从而使得O3质量浓度不断降低,07:0008:00降至最低,之后伴随着太阳辐射的增强,近地面生成O3的光化学反应增强,O3质量浓度图220142020年关中地区 O3超标站次比及质量浓度时间序列Fig.2Time series of station number ratio of ozone exceeding standard and mass concentration of ozone in Guanzhong region from 2014 to 2020图320142020年关中地区大气首要污染物发生日
19、数占比Fig.3The proportion of occurring days of primary atmospheric pollutants in Guanzhong region from 2014 to 2020图420142020年关中地区平均O3质量浓度月际变化Fig.4The monthly variation of mean ozone mass concentration in Guanzhong region from 2014 to 202041541 卷干旱气象逐渐升高,15:0016:00达到峰值。另外,夏季全天各时次O3质量浓度值及变化幅度均高于其他季节,各时次
20、O3质量浓度自夏季、春季、秋季、冬季依次减小,但秋季与冬季夜间差异不明显。这是由于秋、冬季太阳辐射与气温均不利于O3的光化学反应发生,而春季和夏季光照强,气温升高使得光化学反应活跃,致使O3质量浓度增加。2.1.2关中5地市O3污染差异为定量评估关中不同城市O3污染差异,计算了不同城市间O3质量浓度的空间离散系数。从图6看出,关中5地市总的COD值从大到小依次为铜川、西安、宝鸡、咸阳、渭南,铜川与其他地市的O3质量浓度空间离散系数均较大,表明铜川市O3污染情况与其他地市差异较大,且受其他地市影响较小。其原因:一方面,可能与铜川第二产业的O3前体物排放高有关(郑小华等,2021),在春、秋、冬三
21、季铜川市O3质量浓度明显高于其他地市;另一方面,关中地区东宽西窄的喇叭口地形使得常年盛行东北风(NE),铜川市正位于上风向,不易受到其他地市的影响。2.2关中地区O3质量浓度与气象条件的关系近地面层 O3主要由其前体物(NOx、CO、VOCs等)在合适的气象条件下发生光化学反应产生。为探究关中地区气象条件对O3污染的影响,统计分析5地市不同气象要素与O3质量浓度及超标率(超标日数占监测总日数的百分比)的关系。2.2.1O3质量浓度与气象条件的整体关系太阳辐射是生成O3的光化学反应发生的重要条件之一,太阳辐射越强,气温越高,生成O3的光化学反应越强,O3质量浓度越高。从图 7(a)、(b)看出,
22、随着日最高气温、太阳辐射的增加,O3平均质量浓度及超标率呈指数增长。当日最高气温低于20 时,O3平均质量浓度小于70.0 gm-3,基本未出现超标情况;当日最高气温为2022 时,O3超标情况开始出现,且随着日最高气温增加,超标率逐渐增大,日最高气温每增加2,O3平均质量浓度及超标率分别增加9.5 gm-3、6.8%;当日最高气温为3638 时,O3平均质量浓度超过160.0 gm-3,超标率达48.3%以上;当日最高气温超过38 时,O3超标率达50.5%。同样地,当太阳辐射小于9 MJm-2时,O3平均质量浓度低于44.3 gm-3,且随太阳辐射变化不大,超标率极低;当太阳辐射大于9 M
23、Jm-2时,O3平均质量浓度及超标率随太阳辐射增加明显增大,太阳辐射每增加3 MJm-2,O3平均质量浓度、超标率分别增加 17.3 gm-3、6.4%;当太阳辐射超过27 MJm-2时,O3超标率达35.3%。不同相对湿度条件下O3超标率与平均质量浓度存在差异 图7(c),当相对湿度小于45%时O3平均质量浓度与超标率随相对湿度增加而增大,当相对湿度为 45%50%时 O3超标率达最大 15.2%;之后,随着相对湿度增加O3平均质量浓度与超标率略有减小,当相对湿度超过70%时二者随相对湿度增加明显减小,当相对湿度大于90%时基本不出现O3超标情况。其原因可能是:一方面,大气中水汽含量较高会减
24、弱近地面太阳辐射,从而削弱产生O3的光化学反应,导致O3质量浓度降低;另一方面,在相对湿度较高的环境下以消耗O3的光化学反应为主,且有利于O3的干沉降,从而导致O3质量浓度降低。风对近地面污染物的稀释和扩散有重要影响,风向影响着污染物的传输路径,而风速则决定着污染物在本地聚集与否。图7(d)是不同平均风速条件下O3超标率与平均质量浓度变化,发现随风速增大O3平均质量浓度及超标率均呈先增后减的变化特征。当平均风速小于1 ms-1时未出现O3超标情图520142020年关中地区不同季节平均O3质量浓度日变化Fig.5The diurnal variation of average ozone ma
25、ss concentration in different seasons in Guanzhong region from 2014 to 2020图620142020年关中5地市O3质量浓度COD值(色标条上的数值)及其占比Fig.6The COD values(numbers in color bars)of ozone mass concentration and its proportion in five cities of Guanzhong region from 2014 to 2020416第 3 期黄蕾等:20142020年关中地区近地面臭氧污染特征及气象条件分析况,当平
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 2014 2020 年关 臭氧 污染 特征 气象条件 分析
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。