承德市O3污染特征及天气条件分析

陆 倩 王国辉 付 娇 谭国明

(1. 承德市气象局， 河北 承德 067000； 2. 承德石油高等专科学校， 河北 承德 067000；3. 河北省气象局人工影响天气办公室， 石家庄 050021)

承德市O3污染特征及天气条件分析

陆 倩1王国辉2付 娇3谭国明1

(1. 承德市气象局， 河北 承德 067000； 2. 承德石油高等专科学校， 河北 承德 067000；3. 河北省气象局人工影响天气办公室， 石家庄 050021)

采用承德市环境监测站的监测数据，对承德市的O3污染天气进行了分析，得出以下结论：承德市的污染天气主要由PM10、PM2.5和O3产生，近三年来，O3污染天数所占的比重呈逐年增加趋势，到2016年超过一半以上；承德市的O3污染呈现明显的季节变化，主要集中在4月到9月，污染强度以轻度到中度污染为主；承德市的O3污染日变化呈单峰型分布，午后浓度升高而夜间浓度下降；承德市O3污染的空间分布表现为O3浓度东北部低，西部及南部地区高的特征。O3连续污染过程出现的天气形势为500 hPa受高压脊和脊后偏西气流影响，850 hPa为暖脊和强暖平流，地面位于高压后部和低压前部之间的弱上升气流中；当经向度大的西风槽移过时，O3连续污染过程结束。O3连续污染过程的气象要素为过程日平均气温21～26℃、海平面气压1005～1009 hPa、相对湿度50%～70%、平均风速1.4～2.2 m/s、最小能见度4～10 km、天空总云量5～8成、混合层高度900～1500 m。

O3污染；时空分布；天气形势；气象条件

1 引言

随着工业发展，以O3为代表的光化学烟雾污染有愈演愈烈的趋势，其中最有代表性的当属发生在上个世纪40年代初的美国洛杉矶光化学烟雾污染事件。与此类似的还有日本东京的光化学污染，希腊雅典的烟云，墨西哥城的严重污染等。光化学烟雾的成分有臭氧(O3)、过氧乙酞硝酸醋(PAN)、醛类(RCHO)等，其中臭氧为主要成分。自上个世纪80年代起，我国的一些城市如兰州、北京也陆续地发生光化学烟雾污染。甚至近年来，区域性的光化学污染也出现在京津地区、长三角地区和珠三角地区等经济发达地区，以O3为主的空气污染防治也成为了大气环境保护的重要议题。

近年来，众多环境和气象工作者对O3污染进行了分析和研究，张天航等[1]对华东高海拔地区春夏季O3浓度的变化特征和来源进行了分析，陈宜然等[2]对上海O3及前体物变化特征相关性进行了研究，洪盛茂等[3]对杭州市区大气O3浓度变化和气象要素的影响进行了研究，张世国等[4]对北京地区大气O3与氮氧化物进行了测量分析，刘建等[5]分析了前体物与气象因子对珠江三角洲O3污染的影响，王占山等[6]对北京市的O3浓度的时空分布特征进行了分析。承德地区地处河北省东北部，每年轻度以上污染天数占全年的三分之一左右，主要污染物秋冬季以PM2.5为主，而夏季则以O3为主。本文将对承德市的O3污染情况进行分析，给出承德市O3污染的特征，为O3污染的防治提供可靠依据。

2 承德市空气质量概况

按照《环境空气质量标准》(GB3095-2012)，2014年承德市城区环境空气达标天数为249天，占总天数的68.2%，三级(轻度污染)及以上天数为116天，占总监测天数的31.8%；2015年承德市城区环境空气达标天数为260天，占总天数的71.2%，三级(轻度污染)及以上天数为105天，占总监测天数的28.8 %；2016年承德市城区环境空气质量达标天数为275天，占总天数的75.1%，三级(轻度污染)及以上天数为91天，占总监测天数的24.9%。

可见，三年以来，随着节能减排力度的增加，承德市的空气质量达标天数呈增加趋势，污染天数逐渐减少，空气质量逐渐好转。

3 承德市O3污染时间变化特征

3.1 总体变化

从图1可以看出，承德市的轻度污染及以上天气，主要由首要污染物PM10、PM2.5和O3产生。以PM10为首要污染物的天数，2014年为21天，2015年和2016年为17天，比2014年减少4天。以PM2.5为首要污染物的天数，2014年为54天，2015年为39天，2016年为25天，呈逐年递减趋势，节能减排治理成效显著。以O3为首要污染物的天数，2014年为43天，2015年为52天，2016年为51天，2015年和2016年与2014年相比呈增加趋势；且2014年O3污染天数占全年污染天数的36%,2015年O3污染天数占全年污染天数的48%，2016年O3污染天数占全年污染天数的55%。

图1 近3年来承德轻度污染以上各首要污染物天数

从每年O3污染的轻重程度来看，承德市的O3污染主要以轻度污染为主，其次为中度污染：2014年承德O3轻度污染38天，占O3污染总天数的88.4%，中度污染5天，占O3污染总天数的11.6%；2015年承德O3轻度污染37天，占O3污染天数的71.2%，中度污染14天，占O3污染天数的27%，重度污染1天，占O3污染天数的1.8%；2016年承德市O3轻度污染39天，占O3污染天数的76.5%，中度污染12天，占污染天数的23.5%。

承德市的O3污染占污染总天数的比重呈逐年增加趋势，O3污染强度主要以轻度到中度污染为主，O3污染问题越来越突出。

3.2 O3污染的季节变化

图2为承德市近3年三级(轻度污染)以上O3污染逐月日数，可以看到11月到次年2月无O3污染日数，3月份和10月份各在2016年出现了1天的轻度污染。O3污染主要出现在4月到9月，污染日数较多的主要集中在5月到8月,污染出现最多的月份为5月和7月。O3中度污染(图略)以上天气2014年4月出现一天，2014年和2015年8月各出现一天，而主要的中度污染以上天气集中出现在5月到7月。

图2 承德近3年三级以上O3污染逐月日数

图3为近3年逐月O3浓度(折线)及O3的AQI分指数(柱状)，可以看到O3的月平均浓度呈现明显的季节变化，冬季浓度低，最低浓度出现在12月份为47 μg/m3，夏季浓度高，在每年的5月和7月出现了两个峰值，月平均浓度达到了188 μg/m3，4-8月的O3月平均浓度均在135 μg/m3以上。从O3的AQI分指数可以看到4-8月O3的AQI月平均分指数均在50以上，而11月到1月的AQI月平均分指数均在20以下。

图3 近3年逐月O3浓度(折线)及O3的AQI分指数(柱状)

由以上分析可以发现，O3污染呈现明显的季节变化，集中出现在4-8月，而中度污染以上的天数以及O3浓度的峰值则主要集中在5月和7月。这主要是由于夏季太阳光照充足，强度大且持续时间长，太阳辐射较强，近地层温度较高，具有很好的O3生成条件。6月O3浓度反而比5月下降，则主要是因为6月份受大气环流转换的影响，承德地区多冷涡天气活动，日照较少，气温较低，不利于O3的生成。

3.3 O3污染的日变化

承德地区的O3污染天气可出现1天或者2天，大部分时间是连续出现，持续时间在3天以上，最长可达11天。

图4为O3浓度的日变化曲线，可以看出O3浓度值在一天中呈单峰型分布，O3浓度的最低值出现在早晨8时为65.3 μg/m3，上午9时开始急速上升为105.5 μg/m3，O3浓度峰值出现在下午15时为280.8 μg/m3，浓度值较高的时间段分布在11时到20时，甚至持续到晚上21时，之后夜间浓度值开始缓慢下降。O3浓度的日变化与气温的太阳辐射强度的日变化相符合。

图4 O3浓度的日变化

4 承德O3及其前体物NO2年平均浓度的空间变化

如图5(a)所示，承德市及各县区的年平均O3浓度在135 μg/m3到164 μg/m3之间，O3浓度的空间分布表现为东北部低和西部及南部地区高。低值中心位于承德市东北部的围场县，年平均O3浓度为135 μg/m3，这与围场县工业不发达，气象条件气温低关系密切；高值中心位于承德市的滦平县，年平均O3浓度为164 μg/m3，位于承德西北部的丰宁县和兴隆县O3的年平均浓度也呈现较高的分布，与北京地区的污染物输送有一定关系；在承德市的东南部地区的平泉县、承德县和宽城县，O3的年平均浓度呈现较高的分布，与这一地区工业发达，O3污染前体物的排放较多关系密切。

图5(b)为O3前体物NO2的空间分布，承德市及各县区的年平均NO2浓度在25 μg/m3到35 μg/m3之间，呈现北高南低的空间分布。承德市北部的围场、丰宁和隆化县较低，为25 μg/m3到26 μg/m3，这与承德市北部县区工业相对中南部地区欠发达，机动车辆较少有关；承德市区和中南部县区的年平均浓度在33 μg/m3到35 μg/m3之间，这与承德中南部县区工业发达、机动车辆较多有关。

图5 2016年承德年平均(a)O3浓度和(b)NO2浓度的空间分布

5 承德O3污染的天气形势

对近三年来承德市发生O3污染时的天气形势进行分析，发现O3浓度开始达到轻度污染时，高空500 hPa(图6a)主要受高压脊影响，O3污染过程持续到500 hPa转为脊后偏西气流，当西风槽较浅且移动较快时，下一个高压脊继续影响承德，则承德地区将出现持续时间较长的O3污染天气；当脊后的槽较深，西南气流较强时，则O3污染天气结束,偶尔转为以PM2.5为主要污染物的天气。对850 hPa(图略)形势场进行分析，可以发现臭氧污染过程中，在我国内蒙古西部和中部地区有暖中心，受偏西气流影响，有较强的暖平流向承德市输送，在暖平流的作用下，承德地区增温明显，并有弱上升运动。对海平面气压场(图6b)进行分析，发现O3污染过程持续时段内，承德市多位于高压后部和低压前部之间的弱气压场内，由于在这一位置有弱的上升运动，天空会有一定量的云出现。

图6 (a)O3污染发生时的500hPa天气形势 (b)O3污染发生时的海平面气压场

对2014年和2015年承德市出现的13次以O3为主要污染物的污染天气过程分析(表1)，可以发现O3污染的平均AQI指数有10次在100到200之间，为轻度污染和中度污染。对污染O3过程的气温、海平面气压、相对湿度、风速、最小能见度、天空中总云量和混合层高度进行分析， 发现O3为主要污染物时的气象要素指标为：过程日平均气温21～26℃、海平面气压1005～1009 hPa、相对湿度50%～70%、平均风速1.4～2.2 m/s、最小能见度4～10 km、天空总云量5～8成、混合层高度900～1500 m。

表1 O3污染过程气象条件分析

续表1

6 结论

(1)承德市的污染天气主要由PM10、PM2.5和O3产生，近三年来，O3污染天数所占的比重呈逐年增加趋势，到2016年超过一半以上。

(2)承德市的O3污染呈现明显的季节变化，三级(轻度污染)以上污染天气主要集中在4月到9月，中度污染以上天气集中出现在5月到7月。

(3)承德市的O3污染日变化呈单峰型分布，午后浓度升高而夜间浓度下降。

(4)承德市O3污染的空间分布表现为O3浓度东北部低，西部及南部地区高的特征，与O3前体物NO2的排放关系密切。

(5)O3连续污染过程出现的天气形势：500 hPa受高压脊和脊后偏西气流影响，850 hPa为暖脊和强暖平流，地面位于高压后部和低压前部之间的弱上升气流中；当经向度大的西风槽移过时，O3连续污染过程结束。O3连续污染过程的气象要素指标：过程日平均气温21～26℃、海平面气压1005～1009 hPa、相对湿度50%～70%、平均风速1.4～2.2 m/s、最小能见度4～10 km、天空总云量5～8成、混合层高度900～1500 m。

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O3pollutioninChengdeandanalysisofweatherconditions

Lu Qian1，Wang Guohui2，Fu Jiao3，Tan Guoming1

(1. Chengde Meteorological Bureau, Chengde 067000;2. Chengde Petroleum College, Chengde 067000; 3. Hebei Weather Modification Office, Shijiazhuang 050021)

The pollution of O3in Chengde was analyzed based on the Chengde Environmental Monitoring Station's data, the conclusions are as follows: The polluted weather in Chengde is mainly produced by PM10, PM2.5and O3, the proportion of O3pollution days has increased year by year over the past three years,O3pollution days increased to more than half total pollution days in 2016. The pollution of O3in Chengde showed obvious seasonal change and mainly concentrated in April to September, the intensity of O3pollution in Chengde is dominated by mild pollution to moderate pollution. The diurnal variation of O3pollution in Chengde was a single peak type distribution, being increasing in the afternoon and decreased at night. The spatial distribution of O3pollution in Chengde is characterized by high O3concentration in the northeast and low O3concentration in the western and southern regions. The weather situation as continuous O3pollution process appeared was affected by the ridge of high pressure at 500 hPa ; while at 850 hPa, it was affected by strong warm advection and by weak pressure at sea level pressure field. When the strong westerly groove moved over, continuous O3

pollution process was then over. Meteorological elements for continuous O3pollution process were with average daily temperature from 21℃ to 26℃, sea level pressure from 1005hPa to 1009hPa, relative humidity from 50% to 70%, average wind speed from 1.4m/s to 2.2m/s, minimum visibility from 4km to 10km, the sky clouds from 50% to 80% and mixed layer height from 900m to 1500m.

O3pollution; spatial and temporal distribution; weather situation; weather condition

P431，X823

A

河北省气象局面上项目(17ky14)资助

2017-10-20; 2017-11-07修回

陆倩(1989-)，女，满族，工程师，学士，研究方向：环境气象预报。E-mail：919357276@qq.com