1 引言(Introduction)

臭氧污染会刺激和伤害人的眼睛、呼吸系统、心血管系统(Zhang et al., 2006；晋乐飞等, 2015), 造成农作物产量和品质出现不同程度的下降(王春乙等, 1995).近年来, 随着大气污染防治计划的实施, 灰霾污染问题正得到逐步解决, 而臭氧污染问题却日益凸显(Zhang et al., 2011；王占山等, 2014；易睿等, 2015；Lu et al., 2018), 并受到越来越多的关注.武汉是人口超过1000万的特大城市, 随着城市的快速建设和发展, 臭氧浓度呈逐年上升的趋势, 2015年平均浓度较2013年上升5.6%, 较2014年上升9.0%, 目前, 臭氧已成为武汉市继细颗粒物之后的第二大首要空气污染物(陈楠等, 2017).2019年武汉市举办第七届世界军人运动会期间, 臭氧也成为需要重点管控的空气污染物之一.但由于武汉市从2013年才开始监测臭氧, 目前对臭氧的研究还相对较少, 相关研究亟待深入.

气象条件是决定能否形成一次明显的空气污染过程的重要因素.对霾污染来说, 边界层较低的气温、较高的湿度、较小的风速有利于形成重污染过程(张人禾等, 2014；赵子菁等, 2015).臭氧浓度同样与气象因子有明显关系, 与气温成正比, 与相对湿度、云量、风速成反比关系(徐晓斌等, 1998；谈建国等, 2007；梁碧玲等, 2017).研究发现, 北京市地面吹南风时易输入污染物(Duan et al., 2008), 广州市地面为偏西风时臭氧浓度最高(黄俊等, 2018).而大气环流对云量、雨量、风向风速、气温、湿度等气象条件有直接影响(朱乾根等, 2000), 环流的改变或异常可以使气象条件发生改变, 进而导致霾污染程度的差异(Chen et al., 2018;Wang et al., 2019).同样, 不同的环流背景可导致不同的光化学反应效率和污染输送过程, 进而也会对臭氧污染浓度产生影响. 程念亮等(2017)研究发现, 北京市臭氧超标日的地面环流以均压场占比最高.常炉予等(2019)指出, 副高是有利于上海市臭氧浓度升高的环流型, 而低压系统不利于上海市臭氧污染的形成.

环流分型是对影响大气污染浓度的高空、低空、地面环流背景进行分类, 包括客观分型和主观分型两种.其中, 客观分型是用数学方法来进行分类, 适用于年份长、数据多的情况；而主观分型是依靠预报员的主观预报经验来分类, 与实际业务联系更紧密.以往对冬半年PM_2.5污染环流分型的研究较多(高庆先等, 2017；陈璇等, 2018), 对夏半年臭氧污染环流分型的研究较少, 对环流型的气象特征, 特别是垂直方向的气象特征进行的研究更是少见.而在每日的空气污染预报业务中, 大气环流背景的主观分析是必要的分析手段.基于此, 本研究使用武汉市近3年(2017—2019年)的臭氧污染数据和气象数据, 研究造成武汉市臭氧污染超标的环流型种类, 不同环流型的温湿结构特征, 对污染输送的影响, 以及造成的臭氧浓度差别, 以期为武汉市的臭氧污染预报提供指导.

2 数据和方法(Data and methods) 2.1 数据

武汉的臭氧污染主要出现在夏半年(尹珩等, 2017), 因此, 本研究使用的资料包括2017—2019年4—10月的武汉市臭氧8 h日报实况数据, 该数据来源于中国环境监测总站数据发布平台(http://106.37.208.233:20035/).高低空、地面环流资料使用的是每日两次的高空观测和逐3 h一次的地面观测, 来源于中国气象局.气象要素(气温、相对湿度、风向风速、总云量、辐射)使用的是武汉站(站号57494)逐小时自动观测数据.雨量使用的是武汉市5个国家站(武汉站、蔡甸站、黄陂站、新洲站、江夏站)的逐小时自动观测数据.武汉市白天雨量计算方法为：将每个站8：00—19：00的逐小时雨量求和即为当日每个站的白天累计雨量, 将这5个国家站的白天累计雨量求平均即为当日武汉市白天雨量.垂直方向气象要素数据为NCEP-DOE 2.5°×2.5°日平均再分析格点数据.

2.2 方法

本文对臭氧污染超标环流和污染清除环流均进行了统计.2017—2019年4—10月武汉市臭氧超标日(臭氧8 h日报＞160 μg·m^-3)共计117 d, 其中, 2017年30 d, 2018年26 d, 2019年由于湖北出现了干旱日数历史排名第3位的伏秋连旱, 超标日最多为61 d.本文将臭氧8 h日报浓度从超标日降至＜100 μg·m^-3的当天自定义为清除日(仅包含臭氧浓度＜100 μg·m^-3的第1天), 2017—2019年4—10月武汉市臭氧清除日共62 d, 其中, 2017年21 d, 2018年16 d, 2019年25 d.

3 结果与讨论(Results and discussion) 3.1 臭氧污染的大气环流类型

根据表 1可知, 占比较高的超标日高空500 hPa的主要环流型有槽后西北气流(本文简称为槽后)、西太平洋副热带高压(简称西太副高)、脊型、平直西风气流(简称平直气流)、大陆高压5种类型, 超标日低空的环流主要有偏北气流、反气旋环流, 地面环流主要是均压场或者弱气压梯度场, 这样的环流配置有利于天气晴好且地面弱风速(表 2), 从而有利于臭氧浓度的增长.西太副高和大陆高压控制下, 偶尔午后会有阵雨, 但范围小、时间短、雨量不大.如表 1所示, 清除日高空500 hPa的主要环流型有槽前西南气流、平直气流、登陆台风3种类型, 低空常有明显的切变线, 30%的切变线右侧伴有低空急流, 地面环流近半数有中等或以上的气压梯度, 这样的环流配置有利于成云致雨和地面风速加大(表 2).当低空切变线和急流越明显时, 低空的水汽辐合越强, 降水越强, 当地面气压梯度越明显时, 地面风速越大, 从而有利于污染的清除.地面弱气压梯度为距离武汉4个经度或者4个纬度处与武汉的气压差小于4 hPa, 中等气压梯度为距离武汉4个经度或者4个纬度处与武汉的气压差为4~6 hPa.

臭氧生成的关键因素是晴空的紫外辐射, 是否晴空是高空、低空、地面环流共同作用的结果, 但由于高空环流对低空和地面环流有引导作用, 对天气的晴雨常常起到主导作用, 因此, 本文使用高空环流的名称来命名环流型, 环流型代表的是环流垂直配置.将某环流型对应的所有超标日或清除日的500 hPa、700 hPa、地面环流分别进行平均得到高空、低空和地面环流的合成图(图 1).

① 超标日-槽后西北气流型.当高空500 hPa上槽线位于中国东部或者以东的洋面上, 武汉处于槽线后部西北气流控制下, 低空700 hPa或850 hPa多处于冷切变线后部的偏北气流中(图 1a1、1b1), 有时低空为反气旋环流.该型引起的臭氧超标在4—10月均有出现, 主要出现在5、6和8月(图 2a).该型在臭氧超标日中出现的概率最大, 为29%.

② 超标日-西太副高型.太平洋副热带高压常年存在于洋面上空, 是暖性的深厚高压系统, 其势力范围一般为588等位势高度线内, 冬弱夏强, 夏季由西太平洋向我国中东部地区伸展, 当处于西太副高控制下时, 天气晴热高温(朱乾根等, 2000), 此时低空武汉常常处于海上反气旋环流西侧的偏南气流中(图 1a2、1b2).该型是超标环流型中总云量最多的(平均5.2成), 该型引起的臭氧超标出现在6—10月, 7月和8月最多(图 2a).该型在臭氧超标日中出现的概率为22%.

③ 超标日-脊型.脊为不闭合的反气旋环流, 出现在东、西两个低槽之间, 低空常配合有反气旋环流或脊(图 1a3、1b3).由其导致的臭氧超标出现在4—6月和10月, 其中5月和6月较多(图 2a).该型在臭氧超标日中出现的概率为17%.

④ 超标日-平直气流型.平直气流为高空的偏西气流, 导致臭氧超标时, 低空配合为偏北气流或者弱切变线(图 1a4、1b4), 天气以多云为主, 由其导致的臭氧超标在多个月份均有出现, 其中6月最多(图 2a).该型在臭氧超标日中出现的概率为16%.

⑤ 超标日-大陆高压型.大陆高压一般在夏季生成于青藏高原上, 在高原加热场作用下得以发展加强并向东伸展, 在我国陆地上空呈现出588位势米以上的闭合高压环流(朱乾根等, 2000).大陆高压控制我国中东部时, 带来晴热天气.当武汉高空处于大陆高压控制下时, 低空常为反气旋环流前部的偏北气流(图 1a5、1b5).由于热力作用对其影响是主要的, 因而大陆高压在8、9月比较明显多见, 由其导致的臭氧超标也主要出现在8月和9月(图 2a).该型在臭氧超标日中出现的概率为11%, 是5个主要污染环流型中出现概率最低的.

⑥ 清除日-槽前西南气流型.高空为槽前西南气流, 低空一般都有明显切变线或低涡配合(图 1a6、1b6), 且切变线或低涡右侧常有低空急流输送水汽, 该型常常带来大范围的明显阴雨天气.低槽东移有时会引导地面冷空气由高纬地区南下, 造成地面风力加大.根据表 2可知, 在3个清除型中, 该型造成的降雨最明显, 所以该型对臭氧污染的清除以雨清除为主.该型在4—10月均有出现, 主要出现在5、6、9月(图略).该型在臭氧清除日中出现概率最大, 为44%.

⑦ 清除日-平直气流型.高空为平直西风气流, 或短波东移, 低空一般都有明显切变线(图 1a7、1b7), 有时切变线右侧伴急流, 地面时有冷空气南下, 造成地面风力加大.该型通常也会造成明显阴雨, 但雨量较槽前西南气流型略偏弱, 该型对臭氧污染的清除也以雨清除为主.该型在多个月份均有出现, 主要出现在5、6、9月(图略).该型在臭氧清除日中出现概率为29%.

⑧ 清除日-登陆台风型.当台风位于海上时, 由于距离遥远, 通常对武汉的天气影响不大, 但台风从华南或华东登陆我国以后(图 1a8、1b8), 较大的风力也会有利于污染的清除, 同时台风外围云系通常会覆盖到武汉上空, 且带来降水.根据表 2可知, 在3个清除型中, 台风风力较其他清除型明显偏大, 平均风力为3.5 m·s^-1, 因此, 该型对臭氧污染的清除以风清除为主.由于登陆台风的个数较少, 所以该型在臭氧清除日中出现概率较低, 为10%.该型主要出现在7、8、9月.

从超标日数的月份分布来看(图 2a), 夏半年超标日数随月份呈M型分布特征, 6月和8—9月超标日数较多, 4、7、10月超标日数较少.槽后型和平直气流型分布月份最广.槽后型、平直气流型、脊型在5—6月的初夏季节比较多见, 槽后型8月也常见；西太副高型和大陆高压型在8—9月的盛夏和初秋季节多见.从超标浓度的月份分布来看(图 2b), 夏半年超标浓度在7—9月最高, 对每种环流型来说, 浓度最高的月份也主要分布在7—9月, 其他月份的超标浓度相对偏低.

3.2 臭氧超标环流型的污染浓度对比分析

如图 3所示, 将5种超标环流型的臭氧浓度进行对比, 发现大陆高压型对应的臭氧浓度各分位均最高, 平均值或中位数比其他环流型下的臭氧浓度高5~20 μg·m^-3, 臭氧中度污染主要出现在此环流型.平直气流型浓度次高.

3.3 臭氧超标环流型的温湿结构对比分析

从5种超标环流型的2 m日最高气温对比来看(图 4a), 超标日的日最高气温基本在27 ℃以上, 因此, 27 ℃可以作为判别超标的最高气温阈值.另外, 西太副高型最高气温是5种环流型中最高的, 平均值为35 ℃, 其次为大陆高压型, 平均值为34.2 ℃, 这与两种环流型主要出现在7—9月的季节性有关, 7月和8月为武汉盛夏季节, 9月虽然进入初秋, 但白天气温仍然较高, 俗称“秋老虎”.其他3种环流型的最高气温比较接近, 平均值在32 ℃附近.

从5种超标环流型的2 m日最低相对湿度对比来看(图 4b), 超标日的日最低湿度基本在65%以下, 因此, 65%可以作为判别超标的最低湿度阈值.按照最低湿度平均值由低到高顺序依次为脊型(38%)、大陆高压型(40%)、槽后西北气流型(41%)、平直气流型(44%)、西太副高型(50%).

700 hPa以下的低空气温对比结果(图 5a)与地面相似, 西太副高型气温最高, 其次为大陆高压型, 较其它3种环流型气温偏高1~4 ℃, 垂直方向上的气温差别同样反映出不同季节整层气柱热力差异.另外, 边界层的气温在湍流作用下影响地面气温, 使得地面的气温对比分布与低空具有一致性.

垂直方向上, 700 hPa以下的低空相对湿度的对比结果(图 5b)也与地面相似, 西太副高型相对湿度最高, 为55%~82%, 比其它环流型相对湿度高8%~20%.造成湿度对比差异的原因与环流有关, 西太副高型控制武汉时, 低空为反气旋环流西侧偏南气流(图 1b), 将海上的潮湿水汽向内陆输送, 而其他环流型的低空以偏北气流为主, 相对西太副高型偏干.大气中的水汽绝大部分分布在低空(杨红梅等, 1998；盛裴轩等, 2003), 低空湿度偏高将明显减少到达地面的太阳辐射, 因为水汽偏多导致云量偏多, 云可以把部分太阳辐射反射回太空, 空气中的水汽也将吸收部分太阳辐射.如图 6所示, 尽管西太副高型气温最高, 但到达地面的总辐射并不高, 这可能就是湿度大造成的辐射削减.此外, 水汽可以分解O₃, 因此, 西太副高型在5种超标环流型中的臭氧浓度并不高.

如图 6所示, 大陆高压型的总辐射平均值较槽后型、脊型、平直气流型偏低, 但污染浓度却最高, 这可能是因为大陆高压型对应气温更高, 高温可以加速光化学反应, 气温越高臭氧浓度也越高.

3.4 臭氧超标环流型的地面风向对比分析

武汉市5种超标环流型对应的地面风向有所不同(图 7), 大陆高压以偏东风为主, 平直气流型以西北风为主, 槽后型以偏南风为主, 脊型以偏北风和偏西风为主, 西太副高型以偏北风和偏东风为主.

从图 8的臭氧污染空间分布来看, 2017—2019年湖北中东部的臭氧污染整体上呈加重趋势, 尤其位于武汉西部的潜江、仙桃、天门三市, 2018年较2017年明显增长, 2018年和2019年武汉与周边临近城市臭氧浓度均超标, 周边城市与武汉的臭氧污染浓度相差不大, 因此, 不同的地面风向都有可能将周边城市的污染向武汉输送.但从与武汉国控站点的平均距离来看, 孝感市的距离最近为64 km, 且孝感的臭氧污染在周边城市中较为严重, 2017、2018年孝感市的臭氧浓度均较武汉偏高, 2019年孝感市的臭氧浓度仅次于武汉.因此, 武汉周边城市中, 孝感对武汉的输送影响可能最大.平直气流型地面风向以西北风为主, 可以将孝感的污染物向武汉输送, 因此, 平直气流型可能是最有利于污染输入的环流型, 这可能是造成平直气流型臭氧浓度次高的原因.

4 结论(Conclusions)

1) 按照高空500 hPa环流进行分类, 武汉市的臭氧超标环流型主要有：槽后西北气流型(占比最高, 29%)、西太副高型、脊型、平直气流型、大陆高压型；臭氧清除环流型主要有：槽前西南气流型(占比最高, 44%)、平直气流型、登陆台风型.超标环流型对应的低空以反气旋环流或偏北气流为主, 地面以均压场或弱气压梯度场为主；清除环流型对应的低空以低涡或切变线为主, 地面近半数有中等及以上气压梯度.

2) 武汉市臭氧超标环流型的共性天气特征有：基本无降水发生, 白天晴到多云, 地面风速小, 日最高气温≥27 ℃, 日最低相对湿度≤65%.臭氧清除环流型的天气特征有：有降水, 云量多, 地面平均风速2.0~3.5 m·s^-1, 其中, 槽前西南气流型和平直气流型雨清除特征更突出, 登陆台风型风清除特征更突出.

3) 对5种超标环流型进行对比发现, 大陆高压型多见于初秋季节, 天气特征是高温(平均日最高气温34.2 ℃)、低湿、少云, 最有利于光化学反应, 臭氧浓度最高；平直气流型多见于初夏季节, 气温相对偏低、多云, 地面西北风为主, 最有利于污染输入, 臭氧浓度次高；西太副高型多见于盛夏季节, 气温最高(平均日最高气温35 ℃), 但由于地面及低空湿度均最大、云量最多, 云和水汽对太阳辐射的削减作用较大, 臭氧浓度一般.槽后型和脊型多见于初夏季节, 这两型均呈气温相对偏低、低湿、少云, 臭氧浓度一般.

5 展望(Prospect)

本文分别针对臭氧8 h日报值>160 μg·m^-3和< 100 μg·m^-3的日期研究了环流分型, 但分型结果并不应局限于这两种浓度, 可将分型结果广义理解为臭氧污染增长环流型和臭氧污染减弱环流型.此项研究工作可以为预测武汉市的臭氧污染浓度提供指导, 未来在大陆高压环流控制下、高温、低湿、微风时, 应加大污染管控, 避免出现中度以上的臭氧污染, 同时要注意周边城市污染的发展变化及输送的影响.