福建省PM_%282.5%29-O_%283%29双高特征与天气形势影响分析.pdf
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1、生态环境学报 2023,32(8):1440-1448 http:/ Ecology and Environmental Sciences E-mail: 基金项目:福建省自然科学基金项目(2021J01463;2021J01453;2022J01446);福建省环保科技计划项目(2022R011)作者简介:郑秋萍(1984 年生),女,高级工程师,硕士,从事天气预报与环境气象研究工作。E-mail:qp_ *通讯作者:王宏。E-mail: 收稿日期:2023-03-10 福建省 PM2.5-O3双高特征与天气形势影响分析 郑秋萍1,2,李菲1,2,赵芮3,4,蒋冬升5,王宏3,4*1.厦门市
2、海峡气象开放重点实验室,福建 厦门 361012;2.厦门市气象台,福建 厦门 361012;3.福建省灾害天气重点实验室,福建 福州 350007;4.福建省气象科学研究所,福建 福州 350007;5.福建省环境监测中心站,福建 福州 350003 摘要:为理清福建省天气形势对 PM2.5与 O3演变的影响,识别二者的不同趋势与特点,揭示双高过程的气象场特征,利用20152021 年 PM2.5与 O3连续观测资料,采用统计合成、天气学诊断等方法,探究 PM2.5与 O3变化趋势、污染状况及其与主导天气形势的关系,阐明气象因素对 PM2.5与 O3(简称“PM2.5-O3”)双高过程的协同
3、作用。结果表明:20152021 年福建省 PM2.5质量浓度年均值呈明显下降趋势,超标天数从 5.6 d(2015 年)下降到 0.3 d(2021 年)。O3日最大 8 h 平均(简写为 O3-8h)质量浓度的年均值呈先上升后略下降的趋势,2018 年 O3超标天数为 2016 年的 8 倍以上。天气形势对 PM2.5与O3的影响存在一致性特征,也存在差异性,20152021 年 PM2.5质量浓度在不利天气形势下从 34.9 gm3降至 24.8 gm3,在有利的天气形势下从 25.2 gm3降至 17.5 gm3,且不利天气形势下与有利天气形势下的质量浓度差在缩小。O3-8h 质量浓度
4、在有利的天气形势下呈现上升趋势,在中性-拉尼娜气候背景加不利天气形势下却呈略降趋势,可见近年来针对 O3的管控措施是有一定效果的。福建省 PM2.5-O3双高现象白天发生频率远高于夜间,协同控制最需要关注的是光化学型 PM2.5-O3双高现象(08:0020:00 的 PM2.5-O3双高现象),主要天气形势有两种,即 25 月锋前暖区下的静稳天气以及 79 月台风外围影响下的静稳天气;沿海代表性城市莆田市非光化学型 PM2.5-O3双高现象(21:00 至翌日 07:00 的 PM2.5-O3双高现象)占比 14.1%,说明加强上游区域的联防联控也是 PM2.5-O3协同控制的关键因素之一。
5、研究显示,近年来 PM2.5和 O3-8h 浓度演变与天气形势变化有密切关系。期望研究成果能为低污染排放区域 PM2.5与 O3协同控制、污染防控效果评估奠定基础。关键词:PM2.5-O3;演变特征;双高现象;天气形势;协同控制;福建省 DOI:10.16258/ki.1674-5906.2023.08.009 中图分类号:X51;X16 文献标志码:A 文章编号:1674-5906(2023)08-1440-09 引用格式:郑秋萍,李菲,赵芮,蒋冬升,王宏,2023.福建省 PM2.5-O3双高特征与天气形势影响分析J.生态环境学报,32(8):1440-1448.ZHENG Qiuping
6、,LI Fei,ZHAO Rui,JIANG Dongsheng,WANG Hong,2023.Analysis of the characteristics of PM2.5-O3 compound pollution and the impact of synoptic weather patterns in Fujian Province J.Ecology and Environmental Sciences,32(8):1440-1448.2013 年 1 月,中国中东部地区遭遇了罕见的雾霾天气过程(张人禾等,2014),污染强度强、持续时间长、发生范围广,引起了社会各界高度关注。近
7、年来随着大气污染防治措施的深入实施,中国环境空气质量明显改善,PM2.5污染显著降低,重污染天数大幅减少,但同时 O3污染逐渐显现,20132019 年,全国 74 个重点城市年均 PM2.5质量浓度下降了 47.2%,然而 O3污染却呈现快速上升和蔓延态势,O3年评价值(日最大 8h 滑动平均 90 百分位浓度)上升了 28.8%(来源中国大气臭氧污染防治蓝皮书,2020 年),福建省的情况也类似,在 PM2.5质量浓度不断下降的同时,O3质量浓度在波动中上升。由于 PM2.5-O3污染具有同源性,二者物理化学过程密切相关,需要强化二者的协同控制。因此,目前 PM2.5-O3协同控制是持续改
8、善中国空气质量的关键(李红等,2019;姜华等,2022)。在福建省 PM2.5浓度相对低的环境下,识别区域PM2.5-O3协同关系及其影响因素是实施 PM2.5-O3协同控制的基础,其中探究天气形势对 PM2.5-O3协同关系的影响有重要的科学意义。国内外大量研究表明,PM2.5与 O3演变与气候背景(Hegarty et al.,2007;Tai et al.,2012;王宏等,2021)、区域输送(Fu et al.,2012;Lee et al.,2013;Lin et al.,2014;Itahashi et al.,2020;Lam et al.,2022)、气象条件的变化(王宏等
9、,2011;张小曳等,2020;He et al.,2021;邓慧颖等,2021;Vinoj et al.,2022;符传博等,2022)有密切关系,其中大部分研究将二者进行独立分析(Philipp et al.,2010;Zheng et al.,2015;Deng et al.,2019)。美国、加拿大、英国等国家对 PM2.5与 O3的形成机郑秋萍等:福建省 PM2.5-O3双高特征与天气形势影响分析 1441 制及控制策略等方面开展了长期研究,构建了应对PM2.5与O3污染的防治策略与技术体系(Hidy et al.,2010;Parrish et al.,2016;Barnes et
10、 al.,2018;Schumacher et al.,2019)。中国近年来关于 PM2.5-O3协同控制的研究逐渐增多,针对中国重点区域PM2.5与 O3的污染态势、形成过程、关键前体物、化学组分和气象条件对PM2.5-O3协同关系的影响等探究并提出了适合不同区域的有针对性的PM2.5-O3协同控制策略与路径分析(Zhang et al.,2013;邵平等,2017;陈楠等,2022;张子睿等,2022),从而科学制定协同管控的侧重点,加强 PM2.5-O3污染过程高发时期的监测与预报预警。花丛等(2022)分析显示,气象要素对中国中东部地区夏半年 PM2.5-O3双高复合污染过程具有重要
11、影响。孙金金等(2022)发现不同时间尺度上气象条件的影响可以削弱PM2.5-O3正协同(或增强负协同)关系,而相对湿度是削弱 PM2.5-O3正协同关系的主要气象要素,冬季受到风速和边界层高度影响,增强了 PM2.5-O3负协同关系。为理清福建省在大气污染防治的近 10 年时间里,气候背景、气象条件的变化对该区域 PM2.5与O3演变的影响特征,尝试开展天气气候对大气环境未来影响趋势的研判,为福建省PM2.5-O3协同控制、分析评估奠定基础。本文针对天气形势对 PM2.5与O3演变的影响及典型双高过程天气特征展开研究,利用 20152021 年福建省 PM2.5与 O3观测资料及气象观测与再
12、分析资料,分析 PM2.5与 O3的变化趋势、污染状况,及其与主导天气形势之间的关系,之后遴选出典型的PM2.5与O3双高过程进行天气学诊断分析,归纳双高的天气特点,以期为低污染排放区域 PM2.5-O3协同控制提供科技支撑。1 数据与方法 1.1 环境空气质量数据 PM2.5、O3资料来源于中国环境监测总站发布的逐时空气质量数据(https:/:18007),利用福建省 9 个地级市 2015 年 1 月 1 日2021 年12 月 31 日 PM2.5质量浓度、O3质量浓度逐时连续观测数据,参照 GB 30952012环境空气质量标准 和 HJ 6332013 环境空气质量指数(AQI)技
13、术规定(试行)计算 PM2.5日均质量浓度值、O3日最大 8 h 滑动平均质量浓度(O3-8 h 质量浓度)以及 PM2.5、O3超标天数。超标是指 PM2.5质量浓度日均值75 gm3、O3-8h 质量浓度160 gm3,即超过 GB 30952012 二级标准限值。为了简洁地说明福建省全省 PM2.5浓度、O3浓度的变化特征以及各种天气形势对二者的影响,将全省 9 个地级市作为整体来论述数据,针对不同的统计数据主要采用以下两种方式:对于 PM2.5-O3双高现象个数,采用 9 个地级市的数据直接相加;对于超标天数、各种天气形势下的 PM2.5浓度、O3-8 h浓度,采用 9 个地级市数据的
14、算术平均值。1.2 PM2.5-O3双高现象定义 PM2.5-O3双高现象定义为 O3小时质量浓度值超过 160 gm3且 PM2.5小时质量浓度值超过 50 gm3的现象,一天中只要有 1 个时次出现该现象,则定义该日为 PM2.5-O3双高日。因福建省近年来PM2.5质量浓度不断降低,PM2.5小时质量浓度值超过 75 gm3的情况较少,因此取 PM2.5小时质量浓度值的第 90 百分位数,约为 50 gm3。1.3 气象数据来源与处理 天气形势分型以 08:00 或 20:00 的东亚 850 hPa高空图为主,结合地面图和 500 hPa 高空图作判别,选取 2035、110125E
15、为关键区,利用天气学原理将天气形势分为 8 种,即冷高压脊(LG)、变性冷高压(BG)、低涡切变(DQ)、高空槽(GC)、锋前暖区(NF)、副热带高压及边缘(BB)、台风(热带辐合带)(TT)、台风(热带辐合带)外围(TW)(王宏等,2008)。再 分 析 资 料 为 欧 洲 中 期 天 气 预 报 中 心(ECMWF)第五代再分析数据 ERA5,分辨率为0.250.25。基于再分析数据,针对相似的天气形势的不同个例,对 500 hPa 高度场、850 hPa 风场分别求平均值。2 结果与讨论 2.1 20152021 年 PM2.5与 O3变化趋势及污染状况 2.1.1 PM2.5变化趋势及
16、污染状况 由20152021年福建省PM2.5质量浓度年均值分布(图 1)可见,近年来福建省 PM2.5质量浓度年均值呈现明显的下降趋势,2015 年全省 PM2.5质量浓度年均值最高,为 29.2 gm3(各地级市 PM2.5质量浓度年均值在 2534 gm3之间),2020 年最低,为 20.6 gm3,接近欧洲第二阶段标准限值20 gm3,且各地级市年均值区间差值缩小到 4 gm3(各地级市年均 PM2.5质量浓度在 18.422.4 gm3之间)。从空间分布来看,福建省南部的漳州市、中部的三明市和莆田市 PM2.5质量浓度年均值较高,而西北部的南平市和西南部的龙岩市PM2.5质量浓度年
17、均值较低。从福建省 PM2.5质量浓度分布来看,12 月至翌年 3 月 PM2.5质量浓度较高(图 2),该时段也是福建省的雾-霾高发期,PM2.5质量浓度均值明显高于全年均值。20152021 年全省 PM2.5超标天数分别1442 生态环境学报 第 32 卷第 8 期(2023 年 8 月)为 5.6、3.8、1.9、2.7、1.1、0.7、0.3 d,可见全省PM2.5超标天数下降明显。2.1.2 O3变化趋势及污染状况 20152021 年福建省 O3-8h 质量浓度年均值(图 3)与 PM2.5质量浓度呈下降趋势不同,O3-8h质量浓度在波动中上升。2015 年较低,各地级市O3-8
18、h 质量浓度年均值为 5180 gm3,2017 年最高,上升到 79109 gm3,2019 年之后略降,2021年为 7797 gm3。从空间分布来看,福建省东部的沿海城市 O3-8h 质量浓度年均值明显高于西部的内陆城市。从月分布来看,与其他低纬度地区类似,45月和 910 月是福建省 O3-8h 质量浓度的高值区,即月分布呈现双峰型,该时段 O3-8h 质量浓度明显高于全年均值(图 4)。20152021 年福建省 O3超标天数分别为 1.9、1.6、12.7、13.4、5.3、4.3、2.6 d,2015 年和 2016 年超标天数较少,2017 年和 2018年明显增多,连续 2
19、a 平均数超过 12 d,2019 年之后逐年减少,虽然超标天数较 2017 年和 2018 年明显减少,但 O3-8h 质量浓度年均值并没有明显降低,只是略降。2.2 天气形势对PM2.5与O3变化的影响及对比 20152021 年福建省影响 PM2.5质量浓度从高到低的天气形势依次是锋前暖区,出现频率 3.9%,均值 40.4 gm3;其次是变性冷高压,出现频率19.1%,均值 30.3 gm3;再次是冷高压脊,出现频率 18.5%,均值 28.9 gm3;在高空槽、低涡切变、副热带高压及边缘、台风(热带辐合带)及其外围影响下,PM2.5质量浓度依次降低至 12.0 gm3(图 5)。O3
20、-8h 质量浓度在副热带高压及边缘、冷高压脊控制下最高,分别为 95.4 gm3和 95.3 gm3,其次是台风(热带辐合带)外围、变性冷高压及锋前暖区,在台风(热带辐合带)影响下,O3-8h 质量浓度最低,只有 58.0 gm3,其次是低涡切变,图 1 20152021 年福建省 PM2.5质量浓度逐年变化分布图 Figure 1 Inter-annual variations of PM2.5 concentrations during 2015 to 2021 in Fujian province 箱线图中白圆圈为平均值,箱内横线为中值 图 2 福建省 PM2.5质量浓度统计图 Figu
21、re 2 The box and whisker plot of PM2.5 concentrations in Fujian province 郑秋萍等:福建省 PM2.5-O3双高特征与天气形势影响分析 1443 为 66.7 gm3。锋前暖区、变性冷高压、冷高压脊这 3 种天气形势下 PM2.5质量浓度和 O3-8h 质量浓度均较高。在暖区辐合控制下,高低空受一致的西南暖湿气流影响,气温上升,湿度增大,地面存在弱辐合场,风速较小,不利于大气污染物的扩散。变性冷高压包括高压底部和高压后部,高压底部控制下,冷空气势力减弱,大气层结稳定,不利于大气污染物的垂直输送和水平扩散;高压后部控制时高压
22、主体入海,风向以偏南风为主,天气回暖,易造成大气污染物浓度升高。受冷高压脊控制时,一般有北方冷空气入侵,地面偏北风较大,有利于大气污染物的水平扩散,但同时有可能产生北方污染物远距离输送至福建省的情况。在台风(热带辐合带)、低涡切变、高空槽这3种天气形势下PM2.5质量浓度和O3-8h质量浓度均较低。台风或热带辐合带影响下,易出现强降水,这种天气形势最有利于大气污染物的清除,主要出现在夏季。低涡切变影响下也容易出现降水,对大气污染物有清除作用。在高空槽控制下,地面气压场较弱,风速较小,但 850 hPa 主导风向为西南风,西南暖湿气流控制下,也易出现降水,较有利于污染物清除。在台风(热带辐合带)
23、外围易出现大风天气,有利于污染物的水平扩散,而处于副热带高压边缘时,大气层结不稳定,垂直扩散条件好,且易出现午后热雷雨天气,大气污染物容易被清除,因此PM2.5质量浓度在这 2 种天气形势下较低。而 O3的生成与光化学作用密切相关,副热带高压及边缘控制下,多晴热天气,光化学作用强烈,台风(热带辐合带)外围控制下,干热的下沉气流可能将中高层的 O3输送到近地层(Jiang et al.,2015),且干 箱线图中白圆圈为平均值,箱内横线为中值 图 4 福建省 O3-8h 质量浓度统计图 Figure 4 The box and whisker plot of O3-8h concentratio
24、ns in Fujian province 图 3 福建省 O3-8h 质量浓度年均值逐年变化分布图 Figure 3 Inter-annual variations of O3-8h concentrations from 2015 to 2021 in Fujian province 1444 生态环境学报 第 32 卷第 8 期(2023 年 8 月)热气流下,光化学作用强烈,因此 O3-8h 质量浓度在这 2 种天气形势下较高,这是天气形势影响PM2.5-O3变化存在的差异性(图 5,虚线框处)。根据各类天气形势对 PM2.5质量浓度和 O3-8h质量浓度的影响特点,(1)将锋前暖区、
25、变性冷高压、冷高压脊 3 种定义为对 PM2.5影响不利的天气形势,其余 5 种为有利的天气形势。(2)将副热带高压及边缘、台风(热带辐合带)外围、锋前暖区、变性冷高压、冷高压脊 5 种天气形势归纳为O3的不利天气形势,其余 3 种为有利的天气形势。统计 PM2.5质量浓度和 O3-8h 质量浓度在有利和不利天气形势下的逐年变化情况(表 1),PM2.5质量浓度在有利天气形势下逐年降低,下降了 7.7 gm3,降幅 30.6%;在不利天气形势下也呈现下降趋势,下降了 10.1 gm3,降幅 28.9%;在有利和不利天气形势下的质量浓度差值从 9.7 gm3降至 7.3 gm3。而 O3-8h
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