張芊 祝祿祺 龐可 張?chǎng)?/p>

摘要：利用國(guó)控點(diǎn)蘭州城市污染資料以及歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心的 ERA-interim 再分析資料，分析了16年7月2日、18年7月9日兩次臭氧污染過(guò)程，對(duì)蘭州地區(qū)污染天氣的特征和過(guò)程進(jìn)行了分析研究并總結(jié)了蘭州地區(qū)臭氧污染類型天氣的特點(diǎn)。研究結(jié)果表明：（1）通過(guò)分析夏季蘭州的臭氧污染，結(jié)合污染天氣當(dāng)天各污染物的濃度趨勢(shì)以及風(fēng)速場(chǎng)、溫度場(chǎng)變化，得出蘭州市臭氧污染與NO₂、CO 兩種主要污染物的濃度以及太陽(yáng)輻射強(qiáng)度相互聯(lián)系，蘭州夏季臭氧污染時(shí)間周期短，持續(xù)污染能力較差，污染成分復(fù)雜，其污染過(guò)程主要集中在一天太陽(yáng)輻射最強(qiáng)烈的時(shí)段。

關(guān)鍵詞：大氣環(huán)境;蘭州;臭氧;氣象場(chǎng)

中圖分類號(hào)：X511文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

0 引言[1]

臭氧是一種強(qiáng)氧化劑，比重為空氣的1.66倍，常集聚在下層空間，其強(qiáng)烈刺激人的呼吸道，造成咽喉腫痛、胸悶咳嗽，引發(fā)支氣管炎和肺氣腫;造成人的神經(jīng)中毒，頭暈頭痛、視力下降、記憶力衰退;對(duì)人體皮膚中的維生素E起到破壞作用;破壞人體的免疫機(jī)能，誘發(fā)淋巴細(xì)胞染色體病變，加速衰老，致使孕婦生畸形兒等一系列健康問(wèn)題。因此，大氣環(huán)境中臭氧濃度上升所造成的污染天氣必須引起人們的高度重視。

對(duì)于蘭州地區(qū)的污染過(guò)程，已經(jīng)有不少學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究工作，并得到了很多有意義的結(jié)果。王穎等運(yùn)用CAMQ空氣質(zhì)量模式及WRF中尺度氣象模式，通過(guò)采用湍流閉合方案、混合層高度和湍流交換系數(shù)參數(shù)化方法等方面研究了WRF模式下不同邊界層參數(shù)化方案對(duì)模擬邊界層低層氣象要素特征的差異，驗(yàn)證了CAMQ模式模擬山谷地區(qū)城市中空氣污染物的輸送、擴(kuò)散、消亡以及轉(zhuǎn)化的能力，給出了適應(yīng)蘭州地區(qū)的污染數(shù)值模擬方案，分析了蘭州地區(qū)O₃、PM₁₀、CO等主要幾種污染物的時(shí)空變化分布特征，以及高架污染源對(duì)蘭州地區(qū)空氣質(zhì)量的貢獻(xiàn)率;楊雪玲利用 11-16 年蘭州地區(qū)的污染物濃度資料分析了蘭州污染物濃度的時(shí)空分布規(guī)律，探討了風(fēng)速風(fēng)向、氣溫、降水等氣象要素對(duì)污染物濃度分布的影響，并研究了重污染過(guò)程中環(huán)流形勢(shì)和氣象條件的變化特征。因此利用數(shù)值產(chǎn)品ERA-interim 再分析資料，定量分析蘭州地區(qū)年際范圍內(nèi)不同類型的污染過(guò)程，進(jìn)而研究不同環(huán)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)以及層結(jié)穩(wěn)定度，對(duì)污染物濃度的空間分布和時(shí)間變化的影響，以及探究蘭州地區(qū)全年不同類型污染事件發(fā)生發(fā)展的規(guī)律及特點(diǎn)。

蘭州市空氣污染多發(fā)，分析 1999、2000 年兩年的空氣污染指數(shù)的結(jié)果表明，蘭州平均的空氣污染指數(shù) AQI 年平均達(dá)到 239，是我國(guó) 42 個(gè)主要城市里空氣污染最為嚴(yán)重的城市，在 42 個(gè)主要城市的 AQI 年平均指數(shù)中，蘭州是唯一一個(gè) AQI 年平均指數(shù)超過(guò)了200 的地區(qū)。蘭州地區(qū)的三大主要污染類型分布在不同季節(jié)，春季以沙塵暴和浮沉污染為主，夏季以臭氧等光化學(xué)煙霧污染為主，冬季以煤煙型污染為主。通過(guò)量化分析蘭州地區(qū)的空氣污染發(fā)生、發(fā)展及消亡的過(guò)程，得出蘭州地區(qū)空氣污染的主要形成原因及擴(kuò)散、消亡的特點(diǎn)，將對(duì)及時(shí)防災(zāi)減災(zāi)、提高人們生活質(zhì)量和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有重要現(xiàn)實(shí)意義;對(duì)空氣污染做出定量準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)和監(jiān)測(cè)，將對(duì)制定預(yù)防人體健康危害的措施，具有顯著的科學(xué)價(jià)值和十分重要的實(shí)際意義;同時(shí)，依照研究的結(jié)論也將對(duì)對(duì)城市污染的治理，城市的管理規(guī)劃起到重要的支撐作用。

1 方法介紹

1.1 資料選取

ERA-Interim再分析資料是ECMWF繼ERA40資料之后推出的一套新的再分析資料，包含1979年至今的時(shí)段，與ERA40時(shí)段上有部分重疊（1989—2002年），但在資料同化處理上有很大的進(jìn)步一是由原先的三維同化系統(tǒng)（3D VAR）變更為現(xiàn)今使用的四維同化系統(tǒng)（4D VAR）;二是更新了同化模型，最新的綜合預(yù)報(bào)系統(tǒng)為IFS Cy45r1;三是提升了格網(wǎng)分辨率，水平格網(wǎng)能提供不高于0.75°×0.75°精度的數(shù)據(jù);四是應(yīng)用了更多的衛(wèi)星數(shù)據(jù)包括：衛(wèi)星亮溫資料、GPS掩星資料、散射計(jì)資料，以及地面觀測(cè)資料。其地面資料獲取仍使用TESSEL過(guò)程（Tiled ECMWF Scheme for Surface Exchanges over Land）。ERA-Interim能夠提供不同氣壓位的多種氣象數(shù)據(jù)，由1000 hPa上升到1 h Pa高度，1000hPa至100 h Pa的壓強(qiáng)間隔為25 h Pa。數(shù)據(jù)時(shí)段包括00時(shí)、06時(shí)、12時(shí)、18時(shí)（世界時(shí)），其中00時(shí)和12時(shí)為分析產(chǎn)品，06時(shí)和18時(shí)為預(yù)報(bào)產(chǎn)品。

1.2 資料使用方法

NCL（The NCAR Command Language）是一種專門為科學(xué)數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)的高級(jí)語(yǔ)言，很適合用在氣象數(shù)據(jù)的處理和可視化上。NCL 包含了現(xiàn)代編程語(yǔ)言的許多常見(jiàn)功能：條件語(yǔ)句、循環(huán)、數(shù)組運(yùn)算等。此外，NCL 還包括許多有用的內(nèi)置函數(shù)和過(guò)程用來(lái)進(jìn)行處理和操作數(shù)據(jù)，其中包括統(tǒng)計(jì)函數(shù)、插值、EOF 分析、波譜分析等

本文選用 ERA-interim 再分析資料提供的16年7月2日，18年7月9日的單日資料，運(yùn)用 NCL 進(jìn)行可視化處理。再分析資料提供了當(dāng)日世界時(shí) 0時(shí)、6時(shí)、12時(shí)、18時(shí)的四次觀測(cè)資料，本文運(yùn)用每個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)影響蘭州地區(qū)的風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)進(jìn)行分析。運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)蘭州市及各站點(diǎn)的O_3、CO_、NO₂濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)合NCL處理再分析資料得出的氣象場(chǎng)圖形資料，研究蘭州地區(qū)的各個(gè)污染過(guò)程。

2 16年7月2日臭氧污染過(guò)程分析

近年以來(lái)，臭氧污染頻繁發(fā)生，已經(jīng)成為主要環(huán)境污染的之一。臭氧是存在于大氣層中的抗氧化物和碳?xì)浠衔锏缺惶?yáng)照射，進(jìn)而發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)而形成的，其廣泛存在于人類生活的大氣層中，但是當(dāng)人類活動(dòng)區(qū)域周邊的臭氧濃度超過(guò)一定范圍時(shí)，會(huì)造成光化學(xué)煙霧等污染。臭氧在空氣中的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他組成成分，對(duì)它的科學(xué)研究尚不充分。本文選取2016年7月2日和2018年7月9日兩次典型臭氧污染過(guò)程，對(duì)蘭州地區(qū)的夏季臭氧特點(diǎn)進(jìn)行分析。

2.1 污染物濃度分析

蘭州市7月2日臭氧濃度嚴(yán)重超標(biāo)，根據(jù)圖1（c）O₃實(shí)時(shí)濃度變化曲線反應(yīng)的變化趨勢(shì)，臭氧濃度在0時(shí)到7時(shí)維持在較低濃度水平，在8時(shí)開(kāi)始增加，在9時(shí)到12時(shí)濃度劇烈增加達(dá)到峰值，此后直到20時(shí)呈現(xiàn)階梯式下降趨勢(shì)，20時(shí)后維持在150-200區(qū)間，達(dá)到峰值后雖有下降，但臭氧濃度始終保持在一個(gè)較高的濃度范圍。依照?qǐng)D1（a）（b）反應(yīng)的CO、NO₂逐小時(shí)濃度變化曲線，CO濃度在7時(shí)至12時(shí)達(dá)到最高，NO₂濃度在0時(shí)至12時(shí)始終維持在較高的水平，在當(dāng)日13時(shí)CO、NO₂濃度均劇烈減少，且在13至23時(shí)兩種污染物維持在較低的水平。由此可以判斷，O₃進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)依賴于污染物NO₂、CO的濃度，NO₂、CO在早晨維持一個(gè)較高濃度的水平，在進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)后，濃度劇烈下降，而O₃在午間達(dá)到峰值，并隨著NO₂、CO的濃度遞減而減少。

2.2 蘭州市氣象場(chǎng)分析

圖2（a、b）顯示蘭州市當(dāng)日風(fēng)向上午8時(shí)為西南風(fēng)，下午2時(shí)為北風(fēng)，由于蘭州市河谷地形因素的影響，蘭州市的污染物擴(kuò)散能力弱，易于累積;圖3（a、b、c、d）分別為當(dāng)日2時(shí)、8時(shí)、14時(shí)、20時(shí)的溫度場(chǎng)分布，2時(shí)溫度為286K，8時(shí)溫度升至298K，14時(shí)溫度達(dá)到303K，20時(shí)溫度回落至292K，當(dāng)日溫度峰值不低于30攝氏度，可判斷當(dāng)日太陽(yáng)輻射在8時(shí)至14時(shí)強(qiáng)烈，并易于NO₂、CO參與的光化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)生，起到催化作用。

3 18年7月9日臭氧污染程分析

3.1 污染物濃度分析

蘭州市7月9日臭氧濃度超標(biāo)，根據(jù)圖4（c）O₃實(shí)時(shí)濃度變化曲線反應(yīng)的變化趨勢(shì)，臭氧濃度在0時(shí)到8時(shí)維持在較低濃度水平，在8時(shí)到16時(shí)濃度緩慢增加達(dá)到峰值，此后直到18時(shí)濃度維持在較高水平，18時(shí)后濃度劇烈下降，在當(dāng)天23時(shí)達(dá)到較低水平。依照?qǐng)D4（a）（b）反應(yīng)的CO、NO₂逐小時(shí)濃度變化曲線，CO濃度全天維持較高濃度的水平，在12時(shí)出現(xiàn)下滑，至23時(shí)達(dá)到最低值;NO₂濃度在0時(shí)至9時(shí)始終維持在較高的水平，在當(dāng)日10時(shí)NO₂濃度緩慢減少，在10時(shí)至23時(shí)污染物始終維持在較低的水平。本次污染過(guò)程三種污染物濃度的變化情況與16年7月2日的污染物濃度變化相似，均為NO₂、CO在早晨維持一個(gè)較高濃度的水平，在進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)后，濃度劇烈下降，在下午維持較低水平，而O₃在午后達(dá)到峰值，并隨著NO₂、CO的濃度遞減而減少。

4.2.2 蘭州市氣象場(chǎng)分析

圖5（a、b）顯示蘭州市當(dāng)日風(fēng)向上午8時(shí)，下午2時(shí)均為北風(fēng)，由于蘭州市河谷地形因素的影響，蘭州市的污染物擴(kuò)散能力弱，易于累積;圖6（a、b、c、d）分別為當(dāng)日2時(shí)、8時(shí)、14時(shí)、20時(shí)的溫度場(chǎng)分布，2時(shí)溫度為286K，8時(shí)溫度升至296K，14時(shí)溫度達(dá)到298K，20時(shí)溫度回落至286K，與16年7月2日的污染過(guò)程相比較，其最高溫度較低，且劇圖4（c）O₃濃度的峰值在15時(shí)才達(dá)到峰值，因此可判斷太陽(yáng)輻射的強(qiáng)烈程度與產(chǎn)生O₃的光化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間與劇烈程度呈正相關(guān);7月2日當(dāng)天的NO₂濃度是此次污染天氣過(guò)程N(yùn)O₂濃度的兩倍，同時(shí)7月2日當(dāng)天O₃的峰值濃度也約為此次污染過(guò)程O₃峰值濃度的一倍，因此可推斷反應(yīng)物濃度決定了生成物O₃的濃度。

3結(jié)論

在利用污染資料以對(duì)蘭州地區(qū)發(fā)生的兩種類型的三次污染過(guò)程進(jìn)行污染物濃度及變化趨勢(shì)的研究，以及結(jié)合歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心的 ERAinterim 再分析資料，對(duì)污染時(shí)段內(nèi)的氣象場(chǎng)加以分析，我們得出以下結(jié)論：

夏季蘭州的污染天氣類型多為臭氧污染，結(jié)合污染天氣當(dāng)天各污染物的濃度變化及趨勢(shì)和風(fēng)速場(chǎng)、溫度場(chǎng)等氣象場(chǎng)要素，得出蘭州市臭氧污染與NO₂、CO兩種主要污染物的濃度以及太陽(yáng)輻射強(qiáng)度相互聯(lián)系;NO₂、CO濃度的高低是生成物O₃濃度高低的決定因素之一;當(dāng)天太陽(yáng)輻射的強(qiáng)弱與產(chǎn)生O₃的光化學(xué)反應(yīng)的時(shí)間長(zhǎng)短及反應(yīng)劇烈程度相關(guān);當(dāng)天主要污染濃度呈現(xiàn)NO₂、CO在早晨達(dá)到峰值，在太陽(yáng)輻射的催化作用下，參與光化學(xué)反應(yīng)生成O₃并消耗，在當(dāng)天午后呈現(xiàn)不斷下降的趨勢(shì)，而O₃在凌晨濃度穩(wěn)定，在光化學(xué)反應(yīng)發(fā)生后，在中午或者下午時(shí)段達(dá)到峰值，且濃度增長(zhǎng)率與太陽(yáng)輻射的強(qiáng)度正相關(guān)，在NO₂、CO反應(yīng)停止后，由于產(chǎn)生源消失，O₃濃度呈不斷下降趨勢(shì)。蘭州夏季臭氧污染時(shí)間周期短污染成分復(fù)雜，持續(xù)污染能力較差，其污染過(guò)程主要集中在一天太陽(yáng)輻射最強(qiáng)烈的時(shí)段。

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基金項(xiàng)目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（No.lzujbky-2017-66）

作者簡(jiǎn)介：張芊，（1997-），男，碩士研究生，研究方向：大氣物理與大氣環(huán)境，環(huán)境影響評(píng)價(jià)