深圳臭氧污染的环境气象特征分析_李磊.pdf

第 43 卷第 1 期2023 年 1 月Vol.43，No.1Jan.，2023环境科学学报Acta Scientiae Circumstantiae深圳臭氧污染的环境气象特征分析李磊1，5，何钰清1，4，兰紫娟2，黎煜满1，杨红龙3，范绍佳1，5，*1.中山大学大气科学学院，珠海 5190822.深圳市环境科学研究院，深圳 5180013.深圳市国家气候观象台，深圳 5180404.广州市环境科学研究院，广州 5106205.南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海），珠海 519082摘要：基于20152020年深圳污染物浓度监测资料、自动气象站资料以及再分析格点资料，分析了对深圳O3浓度有显著影响的环境气象特征.结果表明：深圳O3的月均浓度变化规律与其他主要污染物不同，O3月均浓度的峰值出现在10月，恰好是夏季风向冬季风转换的季节.从地面气象要素来看，深圳O3的浓度与气温及相对湿度的关系最为密切，当气温大于29 的时候，开始出现O3浓度超标的情况，当气温大于32 时O3的浓度和超标率均大幅增加.当相对湿度为40%55%时，O3浓度超标率以及O3浓度均值达到最高.后向轨迹统计分析表明，易导致深圳出现O3污染的气流路径主要有3条，分别是东北福建路径、东北江西路径和西北粤西北路径，全部来自偏北的内陆地区.而对深圳O3污染存在影响的潜在源区多位于深圳的东北部和北部.气流的垂直运动对深圳O3污染有着显著影响.污染日整个深圳上空都存在下沉气流；而非污染日深圳的边界层以上为上升气流.关键词：臭氧污染；环境气象；大气边界层；深圳文章编号：0253-2468（2023）01-0109-10 中图分类号：X51 文献标识码：AEnvironmental meteorological characteristics of ozone pollution in ShenzhenLI Lei1，5，HE Yuqing1，4，LAN Zijuan2，LI Yuman1，YANG Honglong3，FAN Shaojia1，5，*1.School of Atmospheric Sciences，Sun Yat-Sen University，Zhuhai 5190822.Shenzhen Research Academy of Environmental Sciences，Shenzhen 5180013.Shenzhen National Climate Observatory，Shenzhen 5180404.Guangzhou Research Academy of Environmental Sciences，Guangzhou 5106205.Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory（Zhuhai），Zhuhai 519082Abstract：Based on the observed pollutants concentration data from 2015 to 2020，the data from automatic weather stations and gridded reanalysis data，the characteristics of environmental meteorological conditions that have significant impacts on ozone（O3）concentration in Shenzhen are analyzed.The results show that：the variation characteristics of the monthly average concentration of O3 in Shenzhen is different from those of the other major pollutants，such as PM2.5 and NO2.The peak value of the monthly average concentration of O3 appears in October，which is the time when the summer monsoon changes to the winter monsoon.In terms of ground level meteorological elements，the concentration of O3 in Shenzhen is most closely related to the temperature and relative humidity.When the temperature is greater than 29，the concentration of O3 begins to rise.When the temperature is greater than 32，the concentration of O3 and the possibility of exceeding the national standard increase significantly.When the relative humidity is in the range of 40%55%，the possibility of O3 concentration exceeding the national standard and the average value of O3 concentration reach the highest.The statistical analysis of backward trajectory shows that there are three main airflow paths to cause O3 pollution in Shenzhen，namely，the northeast Fujian path，the northeast Jiangxi path and the northwest Guangdong northwest path，all from the inland areas.Most of the potential sources of O3 pollution in Shenzhen are located in the northeast and north of Shenzhen.The vertical airflow has a significant impact on O3 pollution in Shenzhen.On the pollution days，there are a downward flow over Shenzhen.On the non-pollution days，there is an updraft flow in the boundary layer of Shenzhen.Keywords：ozone pollution；environmental meteorology；atmospheric boundary layer；ShenzhenDOI：10.13671/j.hjkxxb.2022.0408李磊，何钰清，兰紫娟，等.2023.深圳臭氧污染的环境气象特征分析 J.环境科学学报，43（1）：109-118LI Lei，HE Yuqing，LAN Zijuan，et al.2023.Environmental meteorological characteristics of ozone pollution in ShenzhenJ.Acta Scientiae Circumstantiae，43（1）：109-118收稿日期：2022-08-31 修回日期：2022-10-17 录用日期：2022-11-15基金项目：国家自然科学基金（No.42075059）；广东省科技计划项目（科技创新平台类）（No.2019B121201002）作者简介：李磊（1977），男，E-mail：；*责任作者，E-mail：环境科学学报43 卷1引言（Introduction）自改革开放以来，珠江三角洲（珠三角）的社会经济经历了长足的发展.过去40余年，珠三角城市建成区不断扩张，工业生产企业大幅增加，交通路网变得越来越密集，汽车保有量也变得越来越多，珠三角已成为中国乃至世界都举足轻重的经济圈.然而，在经济发展的同时，珠三角也面临着大气环境问题.在很长一段时间内，珠三角经历了以细颗粒物浓度急剧增加为主要特征的空气质量恶化问题（Wu et al.，2006；王茜，2013；Deng et al.，2013；Xin et al.，2014）.然而，自2000年代中期以后，随着区域产业结构优化和大气环境质量工作的不断深入开展，珠三角的细颗粒物污染迅速减轻，气象部门观测到的灰霾日数也越来越少（Li et al.，2021）.但令人遗憾的是，在细颗粒物浓度下降的同时，过去5年珠三角的臭氧（O3）浓度却在振荡上升，O3逐渐成为珠三角地区的首要污染物（沈劲等，2021）.深圳是珠三角地区的重要城市，它不仅在社会经济发展方面是珠三角的缩影，而且在大气环境质量变迁方面也相当具有代表性.气象部门的监测表明，深圳的灰霾日在2004年达到187 d之后，即开始振荡下降（Zhang et al.，2018）；而根据 深圳市环境状况公报，自 2012年按照新版 大气环境质量标准（GB3095-2012）开展监测以来，深圳PM2.5浓度总体上呈振荡下降趋势.然而 深圳市环境状况公报 也表明，深圳的O3浓度自2015年以来确实呈振荡上升趋势，从而引起了地方政府的高度重视.一般认为大气污染的形成与两个因素有关，即污染排放和不利气象条件.由于大气运动复杂多变，它对大气输送扩散的影响机制又十分复杂，因此关于环境气象的科学研究一直是大气科学中的热门领域之一.范绍佳等（2005）分析了珠三角污染发生时的边界层结构，提出了区域污染的气象条件概念模型.吴兑等（2008）在综合考虑风速和风向变化的基础上提出了风矢量和的概念，并分析了矢量和与大气环境的关系（吴蒙等，2012）.深圳地处华南沿海的亚热带季风气候区，气象条件的变化对于大气环境质量的影响至关重要.深圳及周边地区下垫面比较明显的特点是处于海陆交界处且具有高度密集的城市建成区，城市热岛与海陆风的相互作用，对于边界层结构产生了复杂的影响，并进一步影响到了环境气象条件（李磊，2021）.针对深圳，张丽等（2016）主要基于地面气象观测数据对深圳污染气象条件进行了研究.兰紫娟等（2020）进一步基于大量的地面自动气象站观测数据建立了适用于深圳的环境气象条件分级指标体系，并系统地回顾了气候条件的变化对深圳大气环境质量的影响.然而这些研究所针对的主要污染物是PM2.5，而近期的一系列研究表明，O3污染的背景气象条件与PM2.5污染存在显著差异（黎煜满等，2022）.因此，针对深圳O3污染治理的需要，有必要进一步开展研究，以提升关于深圳O3污染环境气象条件特征的科学认识.2数据与方法（Data and method）本文选取深圳市4个环境空气质量国控站点20152020年的逐小时数据，站点分布见图1，分别为城区的华侨城站、通心岭站、洪湖站和位于郊区的葵涌站，包括O3、NO2、CO以及PM2.5等4种数据.利用逐小时O3数据，进行滑动平均，00：0007：00的平均值记为00：00时刻的8 h滑动平均值，进而得到这一天24个时刻的滑动平均值，取最大值记为MDA8O3.其中，若连续的8个小时数据中，缺测数据超过6个则将得到的8 h平均数据视为无效数据.环境空气质量标准（GB 3095-2012）中明确规定：1 h平均O3浓度限值为200 g m-3、日最大