2018, Vol. 38
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2. 广州市突发事件预警信息发布中心, 广州 511430;
3. 广州市气候与农业气象中心, 广州 511430;
4. 暨南大学质谱仪器与大气环境研究所, 暨南大学广东省大气污染在线源解析系统工程技术研究中心, 广州 510632;
5. 中国气象局广州热带海洋气象研究所, 广州 510080;
6. 广东省环境监测中心, 广州 510308
2. Guangzhou Emergency Warning Information Release Center, Guangzhou 511430;
3. Guangzhou Climate and Agrometeorology Center, Guangzhou 511430;
4. Institute of Mass Spectrometer and Atmospheric Environment, Jinan University, Guangdong Engineering Research Centre for Online Atmospheric Pollution Source Appointment Mass Spectrometry System, Guangzhou 510632;
5. Guangzhou Institute of Tropical and Marine Meteorology, CMA, Guangzhou 510080;
6. Guangdong Environmental Monitoring Center, Guangzhou 510308
近年来, 随着我国经济发展和城市化进程的加速, 环境污染日趋严峻, 空气污染也由传统的煤烟型向混合型(煤烟型和机动车尾气混合污染)转变.在转型过程中, 氮氧化物(NOx)和挥发性有机物(VOCs)的排放量不断增加, 导致通过光化学反应造成的大气O3污染变得逐渐严重(周阳等, 2014；陈林等, 2012；刘建等, 2017；唐孝炎等, 2006).在珠三角地区, 近年来以PM2.5污染为主的灰霾现象逐渐减少, 而以高浓度O3为代表的光化学污染却日趋凸显, 甚至在大部分珠三角城市, O3已替代PM2.5成为首要污染物(刘建等, 2018).高空O3可以阻挡对人体有害的紫外线辐射, 但近地面O3浓度过高则会对人类、动植物和生态环境造成极大危害, 甚至导致各种疾病(陈仁杰等, 2010；郑有飞等, 2010；Avnery et al 2000), 近地面层O3增加也因此成为当今环境科学领域研究的热点之一.
广州地处南亚热带季风气候区, 台风是影响广州的主要天气系统之一.当台风逐渐接近陆地时, 大范围下沉气流会对陆地形成高压均压场, 不利于空气污染物的稀释、清除和扩散, 在这类天气系统的影响下, 容易导致珠三角地区高浓度臭氧及低能见度空气污染事件的出现(Feng et al., 2007; Wu et al., 2005; 吴蒙等, 2013).已有学者对台风影响O3浓度进行了研究, 例如, Shu等(2016)认为台风天气系统会对沿海城市O3浓度产生影响；Huang等(2005)认为台风登陆前香港地面O3浓度升高主要与大陆地区的传输和本地光化学生成有关；Jiang等(2008)认为夏季台风外围地表O3浓度升高主要来源于高层O3的垂直输送；Lee等(2002)研究发现暖季O3污染事件的发生通常与热带气旋靠近有关；严仁嫦等(2018)认为台风天气系统对杭州市近地面O3浓度有明显影响.但目前有关台风对广州O3浓度影响的研究较少, 因此, 本文针对2016年登陆广东省的台风“妮妲”过程对O3污染的影响进行探讨, 寻求台风过程与广州O3污染之间的联系, 以期为台风过程O3污染预报提供一定的借鉴, 并为政府部门做好灾害防御、减少O3污染提供依据.
2 资料来源(Data source)本文选取2016年7月27日—8月2日台风“妮妲”过程进行分析, 地面气象资料及微波辐射计资料来源于广州国家基本气象观测站, 主要包括温度、湿度、气压、风速、风向、降水等气象要素.FNL再分析数据来自于美国国家环境预报中心(NCEP), 水平分辨率为1°×1°.环境空气质量数据来源于广州市环境监测中心, 包括SO2、NO2、CO、O3、PM2.5、PM10 6种主要污染物共7项指标.O3质量浓度标准参照环保部标准HJ633—2012《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》, O3小时浓度超过200 μg·m-3和O3_8 h浓度超过160 μg·m-3均为O3超标.
其中, O3观测采用美国TFS公司生产的49i型紫外荧光法臭氧分析仪, 量程为20×10-6(体积分数, 下同), 最低检出限为1.0×10-9, 噪音为0.5×10-9, 精度为读数的1.0%, 零点漂移限±0.5×10-9(24 h), 响应时间为20 s, 流量为1~3 L·min-1.采样前后仪器均经过Thermo Fisher146i多种气体校准仪进行零点校正和满度校正, 每天连续24 h采样监测, 每5 min记录1次数据, 使用Microsoft Excel及Origin软件进行数据处理.
3 结果和分析(Results and analysis) 3.1 台风概况2016年第4号台风“妮妲”于7月29日20：00在菲律宾以东洋面生成, 生成时的位置是12.2°N、127.6°E, 中心附近最大风力为7级(15 m·s-1), 中心附近最低气压为1002 hPa, 为热带低压级.“妮妲”生成以后不断加强, 并向西北方向移动(路径见图 1), 30日17：00增强为热带风暴, 31日8：00增强为强热带风暴, 并于31日14：00左右登陆菲律宾东北角, 23：00进入巴士海峡, 并增强为台风级, 随后一直保持着向西北移动的路径, 向珠三角地区靠近.“妮妲”在登陆前达到最强, 中心附近最大风速为42 m·s-1, 中心附近最低气压为960 hPa, 为强台风级, 随后于8月2日3：45′以台风级在深圳大鹏半岛登陆, 登录后“妮妲”继续向西北行, 穿过深圳、东莞、广州、佛山、肇庆, 于17：00进入广西境内, 强度也迅速减弱为强热带风暴级.
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| 图 1 2016年7月30—8月2日CST台风“妮妲”路径图(1000 hPa风速及海平面气压(hPa)) Fig. 1 Track of typhoon CST Nida from 30th July to 2nd August |
表 1为7月27日—8月2日台风过程影响期间广州逐日空气质量情况.从表 1可以看出, 7月27日空气质量为优, 7月28—29日为良, 30日达到轻度污染, 31日达到中度污染, 8月1日降为良, 8月2日转为优, 期间首要污染物均为O3.对比台风生成的路径来看, 第4号台风“妮妲”于7月29日20：00生成并向西北方向移动, 广州地区处于台风的西北方向, 受台风外围下沉气流的影响, 7月29—31日, 广州空气质量逐步恶化, 从良变为中度污染, 首要污染物为臭氧.其中, 台风登陆前2天O3浓度升高比较明显, 达到本次过程的峰值, 即31日O3小时浓度最大值达293 μg·m-3, O3_8 h达249 μg·m-3, O3浓度超标46.5%, O3_8 h超标55.6%, 期间PM2.5及前体物NO2和CO浓度也略有升高, 但总体升高幅度不大, 都在良范围内.随着台风的进一步靠近, 风速逐渐增加, 8月1日空气质量转良, O3浓度较前一日明显降低, 2日凌晨台风登陆后带来风雨, 空气质量转优, O3浓度显著下降.
| 表 1 2016年7月27日—8月2日逐日广州空气质量 Table 1 Daily air quality from 27th July to 2nd August, 2016 in Guangzhou |
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臭氧浓度除与前体物如氮氧化物和挥发性有机物的排放有关, 与气象条件的关系也非常密切(齐冰等, 2017；姜允迪等, 2000；单文坡等, 2006；安俊琳等, 2010；易睿等, 2015；Li et al., 2017；Pu et al., 2017).台风过程期间, 广州的气压、气温、相对湿度、风速、降水等各气象要素及O3浓度逐时变化如图 2所示.从图 2可看出, 台风登录前(7月27日—8月1日), 气温总体上呈现明显的上升趋势, 7月28日—8月1日的日最高气温均在35 ℃以上(7月30日最高气温达37.0 ℃)；台风登陆后(8月2日), 带来强风和降水, 气温显著下降, 最高气温低于27 ℃.O3浓度和气温变化较为一致, 二者表现为正相关关系, 其相关系数达0.841, 通过0.001的显著性检验, 说明高温条件下有利于O3的生成.而相对湿度则与气温和O3浓度变化情况相反, 表现为负相关关系, 其相关系数为-0.812, 通过0.001水平的显著性检验.台风登陆前, 白天相对湿度低于60%, 其中, 7月29日17：00和18：00最低达45%, 30日最低为49%, 较低的相对湿度也有利于O3的生成, 台风登陆后, 白天相对湿度高于88%, 高相对湿度则有利于臭氧的干沉降(Sarah et al., 2017).对臭氧浓度与气温和相对湿度进行拟合, 结果见图 3.总体上, 高浓度臭氧主要出现在高温低湿的天气条件下.
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| 图 2 2016年7月27日—8月2日逐时O3和气象要素 Fig. 2 Hourly O3 and meteorological elements from 27th July to 2nd August, 2016 |
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| 图 3 O3浓度与气温、相对湿度的散点拟合曲线 Fig. 3 Scatter point fitting curve between O3 concentration and temperature and humidity |
风向、风速对O3浓度也有一定的影响.台风登录前, 风向主要是以偏北风为主, 在偏北风影响下, 空气湿度较低；台风登陆深圳之后, 广州地区的风场转为偏南风控制, 带来了强降水过程, 相对湿度上升.台风登陆前, 地面风速主要集中在1.0~2.0 m·s-1, 其中, 7月30日16：00风速突然增加至7.9 m·s-1, 主要是在晴热天气时午后发生强对流天气, 该时次小时降水达20.7 mm, 在强降水和大风的影响下该时次的O3浓度从15：00的242 μg·m-3骤降至174 μg·m-3, 到17：00降至104 μg·m-3；31日地面风速全天基本都低于2 m·s-1, 扩散条件最弱, 且该日未发生降水, 使得O3浓度达到此次污染过程的最大值293 μg·m-3, 之后随着台风的进一步靠近, 地面风速在8月1日9：00开始增大至3 m·s-1, 在台风登陆后, 地面风速增加至4 m·s-1以上, 且出现强降水, 有利于污染物的扩散.
综上, 由于台风“妮妲”在向广州地区靠近过程中, 导致大陆环境背景气象场发生改变.台风登陆前期, 广州地区受副高控制, 气压逐渐降低, 地面受弱的偏北风场控制, 气温逐渐升高, 相对湿度降低, 高温低湿的气象条件有利于大气中的O3前体物快速发生光化学反应生成O3(图 3), 台风对O3生成的影响主要在台风登陆前的2~3 d较大, 在台风外围不利的扩散条件下使得近地面O3浓度升高造成污染(黄俊等, 2018).8月2日台风登陆后, 广州地区气温下降, 地面风速加大并伴有强降水, 气象条件不利于O3的生成, 空气质量转优, 此次污染过程结束.
3.4 台风过程对广州O3浓度的影响 3.4.1 天气形势分析图 4、图 5分别为7月30日和31日广州地面场和500 hPa高度场.从图中可以看出, 台风“妮妲”在巴士海峡以东洋面活动, 并沿北偏西路径移动, 30日和31日覆盖广州的副高北抬, 处于巴士海峡以东的台风“妮妲”逐渐加强, 广州受副高控制, 天气晴好, 出现高温, 紫外线强, 加快了NOx光解, 有利于大气光化学反应, 地面持续处于均压场, 风速较小, 不利于污染物稀释、扩散, 使得O3超标.
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| 图 4 2016年7月30日(a)和31日(b)广州地面气压场气压(1000 hPa风速及气压(图中等值线, 单位：hPa)) Fig. 4 Ground pressure field on 30th (a) and 31st (b) July, 2016 in Guangzhou |
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| 图 5 7月30日(a)和31日(b)广州位势高度场(图中等值线表示等高线, 单位：位势米(gpm)) Fig. 5 Geopotential height field on 30th (a) and 31st (b) July, 2016 in Guangzhou |
图 6为2016年7月30日和31日14：00广州垂直速度剖面图, 表明台风“妮妲”中心附近存在剧烈的上升运动, 外围区域以下沉运动为主, 形成了较为典型的热带气旋垂直循环结构.在台风登陆之前, 随着台风强度的增强和中心逐渐靠近珠三角, 广州处于台风外围下沉气流区域, 增强的下沉气流运动使得气流存在垂直方向的传输, 近地面O3积聚, 造成O3污染, 7月30日和31日14：00的下沉速度约为0.1~0.2 Pa·s-1.但由于O3形成机理复杂, 垂直传输过程是直接输送O3到近地面, 还是输送生成O3的前体物到近地面, 而后O3在近地面生成, 还需做进一步研究.
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| 图 6 2016年7月30日(a)和31日(b)14：00台风中心到广州的垂直速度剖面 Fig. 6 Vertical velocity profile from typhoon centre to Guangzhou at 14:00 on 30th(a) and 31st(b) July, 2016 |
利用广州国家基本气象站常规气象观测数据, 根据罗氏法计算了污染日的混合层高度, 7月27日最大混合层高度为1367 m, 28日为1334 m, 29日增加至1556 m, 之后略有降低, 30日为1260 m, 31日为1185 m, 8月1日又增加至1779 m.对比表 1可知, 混合层高度的降低可能会使得近地面O3的扩散效率降低, 使O3累积造成污染.图 7为广州国家基本气象站的微波辐射计观测的气温廓线.从图中可以看出, 白天时段600 m高度内的气温可达30 ℃以上, 且7月30—31日2 km高度内均有持续逆温的存在, 逆温高度主要在700 m以下, 逆温使得大气层结稳定; 同时混合层顶低, 不利于污染物的扩散, 造成O3及其前体物堆积, 在高温低湿条件下有利于光化学反应生成高浓度的O3.
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| 图 7 2016年7月30—31日广州温度廓线 Fig. 7 Temperature profile on 30th to 31st July, 2016 in Guangzhou |
利用HYSPLIT模型和NECP再分资料对广州进行72 h后向轨迹分析, 结果如图 8所示, 时间为北京时间6月31日12：00.从图中可以看出, 100、500、1000 m高度气流中的臭氧均来自广州以西的区域, 气流使广州以西的阳江、肇庆、佛山、江门等地污染物围绕广州呈顺时针方向旋转从广州东南偏南方向输送至广州地区, 且100 m高度的后向轨迹显示来自于1000 m以上高度气流随时间的推移逐渐下沉, 可能会将高层的污染物输送至地面；而500 m和1000 m高度的后向轨迹显示来自于近地面的气流随时间的推移而逐渐向上抬升, 使得高空和地面的污染物在近地层发生混合累积, 并且气流轨迹距离较短, 在广州地区顺时针兜转回流, 污染物无法有效的向外扩散, 加上受台风影响出现的高温低湿及小风的气象条件, 造成了7月31日广州出现O3浓度中度污染事件.
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| 图 8 2016年7月31日4：00起72 h后向轨迹 Fig. 8 Back trajectory at 4:00 UTC on 31st July, 2016 |
1) 7月27日—8月2日台风“妮妲”过程期间, 7月27—29日和8月1—2日广州空气质量未超标, 30日空气质量为轻度污染, 31日为中度污染, 首要污染物均为O3, 31日O3浓度达293 μg·m-3, O3_8 h达249 μg·m-3, O3浓度超标46.5%, O3_8 h超标55.6%, PM2.5及前体物NO2和CO浓度也略有升高, 但总体升高幅度不大, 都在良范围内.
2) 台风过程期间, 广州地区气温总体上呈明显的上升趋势, 7月28日—8月1日的日最高气温均在35 ℃以上(7月30日最高气温达37.0 ℃), 白天时段相对湿度低于60%, 其中, 7月29日17：00和18：00最低达45%, 30日最低为49%, 地面风速主要集中在1.0~2.0 m·s-1, 风向主要是以偏北风为主.O3浓度与温度和风速正相关, 与相对湿度和气压负相关, 且均通过p < 0.01相关置信度检验.说明高温低湿、风速1.0~2.0 m·s-1范围内、低气压有利于大气光化学反应发生, 容易导致O3浓度超标.
3) 台风登陆前广州受副高控制, 天气晴热, 紫外辐射强, 有利于光化学二次反应生成O3, 且广州均压场维持, 混合层高度低, 7月27—31日混合层高度逐日降低, 7月30日和31日边界层高度白天最高在1300 m以下, 夜间在200 m左右, 最低不足60 m, 混合层高度的降低可能会使得近地面的O3扩散效率降低, 从而使O3累积造成污染.同时，7月30—31日2 km高度内均有持续逆温的存在, 逆温高度主要在700 m以下, 逆温使得大气层结稳定, 且混合层顶低, 后向轨迹显示, 臭氧存在水平输送和高空地面混合, 气流在广州地区顺时针兜转回流, 使污染物无法有效的向外扩散, 加上受台风影响出现的高温低湿及小风的气象条件, 造成了7月31日广州出现O3浓度中度污染事件.
4) 在台风登陆前2~3 d, 广州受台风外围下沉气流控制, 存在气流垂直输送, 使得地面O3浓度超标, 但由于O3形成机理复杂, 下沉气流是直接输送O3到达近地面, 还是输送形成O3的前体物到地面, O3在地面生成, 还需做进一步研究.
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