, 马翠平1,2
, 赵娜1,21. 河北省环境气象中心, 石家庄 050021;
2. 河北省气象与生态环境重点实验室, 石家庄 050021
收稿日期: 2019-05-29; 修回日期: 2019-08-29; 录用日期: 2019-08-29
基金项目: 河北省重点研发计划(No.18273705D); 河北省气象与生态环境重点实验室开放研究基金(No.Z201604H); 国家重点研发计划(No.2016YFC0203302)
作者简介: 张智(1992-), 男, E-mail:492334268@qq.com
通讯作者（责任作者）: 马翠平, E-mail:1135075259@qq.com
摘要：利用欧洲中心ERA-Interim数据以及河北省环境监测站、气象站观测资料，对2018年7月22-24日台风"安比"影响河北前后的一次O3污染过程的生成、维持、清除进行动力分析，结果如下：台风外围的副热带高压天气型结构有利于河北南部地区污染物的积聚，其演变对预报大气光化学污染具有重要的意义；台风降水对O3污染有非常好的清除作用，降水量越大，清除效果越好；高压带内部的高温有利于光化学反应，有利于O3污染的形成；近地层的弱风辐合场与下沉气流的双重作用对O3污染形成有很好的贡献；旋转形变效应（ds）负值区与河北中南部O3污染区域对应；动力条件促使湍流运动加强，对O3污染的清除有很好的作用.通过相关系数检验发现石家庄、邢台5 cm土壤温度和臭氧小时浓度相关性较高（相关系数0.75~0.85），由于土壤温度增加速度低于地表温度增加速度，臭氧浓度增加速度也低于地表温度增加速度，因此5 cm土壤温度比地表温度更及时反映了臭氧光化学反应强度.
关键词：台风Okubo-Weiss参数O3污染特征分析
The character analysis on typhoon ampil effecting on ozone air pollution in the southeast of Hebei Province
ZHANG Zhi1,2
, MA Cuiping1,2, ZHAO Na1,21. Hebei Environmental Meteorological Center, Shijiazhuang 050021;
2. Hebei Key Laboratory of Meteorology and Ecological Environment, Shijiazhuang 050021
Received 29 May 2019; received in revised from 29 August 2019; accepted 29 August 2019
Abstract: Based on the data from the ERA-Interim (The European Center of Medium-range Weather Forecast), environmental monitoring stations and meteorological stations in Hebei Province, a dynamic analysis of Typhoon Ampil's effects on ozone pollution in the southeast of Hebei Province from the July, 22th to 24th, 2018 is studied. The results are as follows:The weather patterns of subtropical anticyclone outside Typhoon Ampil is beneficial to the accumulation of pollutants in the southeast of Hebei Province. Its evolution improves the prediction of atmospheric photochemistry pollution. The intense precipitation brought by Typhoon Ampil benefits on abatement of ozone pollution, with the larger precipitation leading to better air quality. The high temperature in subtropical high favors photochemistry reaction and formation of ozone pollution. The weak wind convergence and subsidence air flow both contribute to the formation of ozone pollution. The negative rotational deformation area (ds) corresponds to the ozone pollution area in the middle and south of Hebei Province. The dynamic conditions of intensify turbulence play an important role in clearing ozone pollution. According to correlation coefficient test (correlation coefficient 0.75~0.85), we find that the ozone concentration is negatively correlated with soil temperature of 5 cm depth in Shijiazhuang and Xingtai. This is because the increase rate of soil temperature is less than the surface temperature, the increase rate of ozone concentrationis is also less than the surface temperature, so the soil temperature of 5 cm depth more timely reflects the photochemical reaction intensity of ozone than the surface temperature.
Keywords: typhoonOkubo-Weiss parameterozone pollutionmechanism analysis
1 引言(Introduction)我国夏季以O3为主要污染物的污染事件近年来发生频率逐步增加, 最早从20世纪80年代起, 以兰州和北京为代表, 陆续出现光化学烟雾污染, 给当地人民的身体健康带来极大危害(Wang et al., 2008).近地面高浓度O3导致农作物减产, 且破坏人体免疫功能, 引起新生儿畸形(许宏等, 2007；Yang et al., 2012; Liu et al., 2013), 社会各界对于夏季O3污染事件的关注度逐年上升.目前, 国内****对京津冀、长三角、珠三角地区O3污染进行了大量的研究, 近地面O3污染是由前体物(NOx和VOCs)在光照作用进行化学反应形成的二次光化学反应物(Li et al., 2012), 不同的气象条件和O3浓度呈非线性关系(王雪松等, 2009), 导致很难确定O3污染源, 从而无法量化制定防治措施.北京地区天气条件和近地面O3的相互作用月变化明显, O3浓度具有明显的季节特征, O3浓度从地面到上层主要分为冬季型、夏季型、春秋季型, 且地面O3浓度和温度相关性高达0.85以上(宗雪梅等, 2007).唐贵谦等(2010)指出北京地区位于低压前部时, 高温、低湿以及山谷风造成O3累积, 高压前部控制时, 低温、低湿以及系统性北风造成O3低值.华北地区边界层O3受气象传输影响明显, 灰霾期间O3在地面和边界层具有单峰日变化的特征(迟茜元, 2018).上海地区排放NOx和VOC, 导致下风区的佘山、嘉兴地区污染物累积, 风场辐合作用也是形成高浓度O3的重要天气条件(朱帅, 2006), 上海地区O3前体物浓度周末比工作日低, 形成代表性的“O3周末效应”(唐文苑等, 2009).夏季O3污染形成和前体物、温度、相对湿度和辐射强度有密切的联系(谈建国等, 2007；洪盛茂等, 2009；安俊琳等, 2009).何清等(2010)利用系留汽艇对于乌鲁木齐冬季O3垂直观测发现, O3高浓度分布出现在逆温层底, 垂直分布和相对湿度呈反相关.水汽和臭氧反应是对流层臭氧的重要汇, 反应生成的自由基(·OH)是大气光化学过程的重要触发机制, 丰富的水汽是反应的前提条件(任丽红等, 2005).在动力机制研究方面, 西风带急流极地侧的气旋切变、对流层顶折叠均会引起平流层臭氧丰富气团向下输送至对流层(Langford, 1999; 崔宏等, 2005).强风切变产生的机械对流有利于高层臭氧向低层臭氧输送, 引起充分的混合, 使混合层内臭氧浓度垂直梯度大幅度减小(林莉文等, 2018).在热带气旋研究中, Okubo-Weiss参数对于气旋的辐合作用取得较好的诊断效果, 河北太行山地区常年存在一个弱风场辐合, 近地面风场辐合有利于O3污染物在太行山地区积累, 故Okubo-Weiss参数对于O3的强度和区域诊断具有一定的应用意义(管靓等, 2016；李山山等, 2018).暖性系统控制下易造成臭氧质量浓度高(王宏等, 2012), 加之下沉气流的作用, 使O3易堆积在近地层, 导致臭氧质量浓度升高.本文利用Okubo-Weiss参数, 重点从气象动力机制和水平和垂直条件上, 对2018年7月22—24日台风“安比”(图 1)影响河北的一次O3污染的生成、维持、清除过程进行动力分析.
图 1(Fig. 1)
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| 图 1 台风“安比”移动路径和地形图(涂色) Fig. 1Typhoon Ampil′s moving path and topographic map (color) |
2 数据和方法(Data and methods)2.1 数据来源本文采用的空气污染数据为河北省环境监测站提供的石家庄市和沧州市区2个观测站平均值, 内容包括污染物浓度、首要污染物、空气质量指数和空气质量级别等.气象数据采用欧洲中心ERA-Interim数据, 空间分辨率为0.125°×0.125°, 石家庄、邢台观测站风廓线雷达数据提供0~1000 m高度的水平风速和垂直速度.
2.2 潜在辐合切变Okubo-Weiss参数采用Okubo-Weiss(以下简称OW)参数来定量表达气流旋转和变形的相对大小(Dunkerton et al., 2009；Tory et al., 2013).该参数的计算公式如下：
 | (1) |
 | (2) |
 | (3) |
3 个例实况(Case introduction)3.1 天气背景分析在500 hPa图上(图 2a), 台风“安比”在2018年7月22日08:00(本文均为北京时)在上海登陆, 途经江苏、山东、天津、河北、辽宁, 24日夜间减弱为温带气旋, 之后其强度逐渐减弱消失(图 1), 河北为西伸环绕于台风外围的副热带高压控制, 高压脊线为WSW-ENE向, 副热带高压属暖性高压, 从西太平洋海上西伸至中国大陆, 是影响河北夏季最主要的天气系统, 在其控制下, 天气晴热, 太阳辐射强烈, 温度高, 湿度大, 河北境内为一致的西南(SW)风；与其对应的925 hPa图上(图 2d), 河北同样处于副热带高压内部, 风速小, 均为2 m·s-1, 风向为偏南风, 由于西风槽的东移逼近, 河北西中部地区已经开始出现降水, 河北的中东部地区仍以暖湿气流为主, 大气热力和动力条件好, 光化学反应充分, 有利于污染物在河北中东部的形成和积聚, 22日河北中东部地区(沧州、廓坊、唐山、秦皇岛和天津市)AQI日平均分布均达轻度污染(O3_8 h最大小时浓度值为161~215 μg·m-3), 沧州部分地区达中度污染(O3_8 h最大小时浓度值为216~265 μg·m-3)(图 3d), 首要污染物为O3；23日20:00(图 2b、2e), 高压脊线转向为NW-SE向, 台风“安比”继续向东北方向行进, 经山东德州北部地区移动进入河北沧州西部, 同时西风槽继续东移至103°E附近, 风速明显加大(张家口风速加大至16 m·s-1), 台风、西风槽及副热带高压的共同作用下, 河北中东部及天津降水逐渐加大, 对应925 hPa上风速也有所加大, 且风向由偏南风转为东南风, 降水的冲刷和近地层风速的加大, 23日河北中东部地区空气质量均达优良(O3_8 h最大小时浓度值为0~160 μg·m-3), 沧州东部地区空气质量达优, O3_8 h最大小时浓度值为60 μg·m-3(图 3e)；24日20:00(图 2c、2f), 西风槽位于110°E附近, 台风沿沧州、天津、唐山、承德东北部移出河北地区, 河北东北部降水维持, 从而使得河北中东部地区空气质量为优良, 而对应925 hPa弱偏南风的河北南部地区, 空气质量则再度出现轻度污染, 个别点达中度污染.
图 2(Fig. 2)
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| 图 2 2018年7月22日08:00, 23日20:00, 24日20:00 500 hPa高度场(a~c)、925 hPa风场(d~f)天气形势图 Fig. 2Weather situation chart of 08:00 on 22 July 2018, 20:00 on 23 and 20:00 on 24 July 2018 at 500 hPa height(a~c) and 925 hPa (d~f)wind on 24 July 2018 |
图 3(Fig. 3)
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| 图 3 2018年7月22—24日河北省降水(涂色)及AQI日均(涂色点)污染等级分布图 Fig. 3Daily average distribution of precipitation(color) and AQI dayly(scatter) in Hebei Province from 22 to 24 July 2018 |
3.2 降水对污染的影响从图 3中可看到, 降水对O3污染有一个很好的冲刷清除作用, 且降水量越大, 空气质量就越好.22日(图 3a、3d)受西风槽前与副热带高压外围的西南暖湿气流影响, 降水开始, 在河北西北部地区有大范围的降水, 出现中雨落区对应O3污染等级为良好, 零星小雨以及未降水落区对应O3污染等级为轻-中度污染, 降水量级对于污染的清除作用有具有正相关；23日(图 3b、3e), 当台风“安比”移动到山东德州地区, 河北省位于台风外围与西风槽交界处, 致使河北省出现大范围的小-中雨降水, 河北中东部降水较强且伴有大风天气, O3污染等级由轻-中度污染迅速转为优良, 中南部太行山沿线城市O3污染得到缓解, 空气质量以良-轻度为主；24日(图 3c、3f), 随着台风东北方向的移动, 致使河北沧州、廓坊、唐山、秦皇岛和天津市降水达大到暴雨, 暴雨天气继续向东北方向移动, 受降水的冲刷作用, 河北东部地区空气质量全部转为优良.而位于台风左侧偏北气流的石家庄、邢台、邯郸、衡水地区, 因降水量较小, 甚至部分地区没有降水形成, 从而使得24日西南部的空气质量再度出现轻-中度污染.
3.3 温度平流对O3的作用2018年7月22日, 河北处于副热带高压西南暖湿气流中, 温度较高, 河北中南部地区22日14:00 850 hPa相对湿度为40%~60%(图 4a), 日最高气温达33.0 ℃(图 4d), 太阳辐射较强, 有利于O3生成, 因此出现了大范围轻度-中度污染天气(图 3d).23日, 东南部地区受登陆北上台风降水及外围大风影响, 850 hPa相对湿度为70%以上(图 4b), 温度下降至30.0 ℃(图 4e), O3污染清除.尤其是沧州东部在23日夜间至24日上午观测降水累积达到50 mm以上(图 3b、3c), 强降水天气对O3污染有明显的冲刷, 河北东南部空气质量迅速达良好-优良.但河北西南部地区近地层仍以暖平流为主, 温度继续升高, 日最高气温达35.1 ℃(图 4e), 湿度达50%以上, 仍为臭氧轻度污染.24日河北西南部地区仍受南风控制, 太行山沿线地区存在弱风场辐合, 不利于污染物扩散, 同时太行山沿线邯郸、邢台、石家庄地区维持高温天气, 最高观测温度达到38.0 ℃, 高压带内部的高温和适宜的湿度条件作用(图 4c、4f), 有利于O3污染的形成, 从而造成24日西南部地区沿太行山地区保定、石家庄、邢台、邯郸的首要污染物仍为O3污染, 强度达轻-中度污染, 河北东部地区受台风外围降水和扰动影响, 有利于O3污染的清除.
图 4(Fig. 4)
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| 图 4 2018年7月22日、23日、24日14:00 850 hPa温度平流(等值线, 单位: ℃·s-1)、湿度(涂色)、1000 hPa风场(风羽杆, 单位: m·s-1)(a~c)及22—24日(d~f)日均实测2 m气温(涂色) Fig. 4Temperature advection (contour, unit: ℃·s-1), humidity (color), 1000 hPa wind field on 850 hPa at 14:00 July 22, 23 and 24, 2018 (a~c) and daily mean actual observations 2 m temperature (d~f) from 22 to 24 July, 2018(color) |
由上得到, 高压带有利的暖湿条件加强光化学反应, 促使O3浓度升高.
3.4 Okubo-Weiss参数对污染区诊断分析本文应用925~1000 hPa高度上的OW值大小, 来描述河北近地层气流的强弱及风场辐合.通过对比图 3d和图 5a、5d可以清楚看到, 2018年7月21日08:00—14:00为污染的累积阶段, 在此时段河北中南部受较强的暖湿偏南气流控制, 最大风速达6 m·s-1, 而且在河北中南部地区, 多为河北的主要重工业城市, 其工业排放量较大, 特别是太行山和燕山山脉的作用, 使大量污染物在中南部地区得以积聚(图 5a、5b).22日08:00—14:00(图 5c、5d), 西南风转为南风, 且风速减小, 中南部地区OW参数为大范围正值区, 最高中心强度为38×10-10s-2, 且呈东北-西南向的带状分布, 说明在这个区域风场以弱辐合为主, 大气趋于静稳, 有利于污染物的滞留及堆积, 不利于大气扩散.这里值得注意的是, 由于邢台、石家庄西部受太行山地形影响, 风场失真, 出现OW的异常正值区, 本文认为是不可信.从图 5c中看到河北东南部的西南风转为偏南风, 且风速减小为2 m·s-1, 山东西北部的风向由偏南风转为东到东南风, 风向呈逆时针旋转, 这正是台风“安比”北行的外围, 受台风“安比”外围扰动影响, 22日河北中南部O3污染达最严重(图 3a), 风速也减小至2 m·s-1, OW参数正值区北上速度减慢, 滞留在河北东南部与山东的交界处. 22日14:00(图 5d), 河北大部分地区风速达最小, 风向由南风转为东南风, 并趋于静风状态, 22日沧州出现臭氧中度污染, 同时也正好与OW正值极值区对应, 弱风加上辐合, 有利于污染物的滞留.从垂直速度切变(图 5e~5h)上也可以看到21—22日在石家庄、廊坊、天津、唐山是一个明显的正值带, 沧州近地面为一明显的垂直速度切变, 在此地湍流弱, 因此本地大气垂直扩散条件较差, 湿度明显上升, 由60%上升至80%以上, 并伴有零星小雨, 因此更进一步促使了污染加重.其中21日08:00—14:00(图 5e、5f)垂直速度切变的下沉气流区主要位于石家庄、保定、廊坊、唐山一带, 22日08:00—14:00受持续南风的控制, 垂直速度切变正值中心范围扩大, 相对于21日气象扩散条件更加不利, 近地层的弱风场辐合与弱下沉气流双重因子作用下(图 5g、5h), 河北出现全省性的大范围轻-中度O3污染.
图 5(Fig. 5)
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| 图 5 2018年7月21—22日08:00、14:00 925~1000 hPa垂直平均OW参数(涂色)和垂直速度切变(wp)图(涂色)、风场(风羽, 单位: m·s-1) Fig. 5Vertical average OW parameters (color) and vertical velocity shear (wp) Diagrams (color) and wind field (wind barb, unit: m·s-1) 925~1000 hPa on 08:00 and 14:00 July 21—22, 2018 |
近地层的弱风场辐合与弱下沉气流双重因子作用而促使河北中南部地区出现轻-中度O3污染.
3.5 旋转切变效应(ds)参数与污染图 6给出了2018年7月22—23日14:00 925 hPa旋转切变效应(ds)参数及O3污染实况图, 22日14:00(图 6a), 旋转形变效应(ds)两个负值中心(衡水东部、唐山和秦皇岛地区)达到-7×10-5s-1和-9.2×10-5 s-1, 23日14:00(图 6b)河北省中南部太行山沿线的保定、石家庄、邢台、邯郸地区存在狭长的负值中心带, 负值中心带臭氧小时浓度在160~215 μg·m-3之间, 负值中心区域很好的对应河北中南部O3小时浓度大值区(图 6c、6d).
图 6(Fig. 6)
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| 图 6 2018年7月22日14:00和23日14:00的925 hPa旋转切变效应(ds)参数(涂色)、风场(箭头, 单位: m·s-1)(a~b)及对应时刻O3小时浓度(涂色点)污染分布图(c~d) Fig. 6925 hPa rotational deformation effect (ds) parameters (color), wind field (arrow, unit: m·s-1) (a~b) and O3 hourly(scatter, unit: μg·m-3) distribution maps (c~d) of corresponding time at 14:00 on 21 July and 14:00 on 22 July, 2018 |
4 河北西南部地区再次出现污染的原因分析(Analysis of emergence of pollution in Southwest Hebei)4.1 动力因子对污染的作用24日08:00, 邯郸、石家庄、邢台(河北西南部)近地面风速均小于2 m·s-1, 假相当位温随着纬度增加而增大, 900 hPa以上假相当位温线条十分稀疏, 大气层结稳定, 在40°~41°N中低层存在一个弱风区(图 7a).与之相对应的图 7c中, 36.8°N以北地区位于台风的西部, 近地层受其影响, 转为北风控制, 北部清洁空气迅速改善其空气质量, 在36.5°~37°N存在一个南风和北风辐合区, 且垂直方向为下沉气流, 此地区垂直和水平扩散能力都比较差, 有利于污染的累积.24日08:00(图 7b), 38.9°N附近整层的小风区, 正好与台风眼相对应, 此刻降水达到30 mm·h-1.沧州、廊坊、天津地区假相当位温随着纬度增加而减小, 大气不稳定度加剧, 虽然近地面风速很小, 由于降水的冲刷作用, 空气质量达优.在图 7d中, 在35°~38°N范围内受南风影响, 为明显的上升运动, 虽然没有产生降水, 近地层为正涡度控制, 大气的垂直扩散条件较好, 空气质量为优良.在38°~41°N大气层结极为不稳定, 并伴随强烈的上升运动, 导致38°N以北地区出现大范围暴雨, 较强的湍流运动和降水的冲刷作用, 空气质量达优.
图 7(Fig. 7)
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| 图 7 2018年7月24日08:00沿114.75°E、117°E的u、v合成风速(涂色)、假相当位温(等值线, 单位:K)(a~b)及沿114.75°E、117°E的涡度(涂色)、v、w合成风速(流线)垂直剖面图(黑色区域为地形, 绿色柱状为降水量：mm)(c~d) Fig. 7The vertical profile of u and v synthetic wind velocities along 114.75°E and 117°E at 08:00 on July 24, 2018 (color), pseudo-equivalent potential temperature (isoline, unit: K)(a~b), and vorticity (color)), v and w synthetic wind velocities (streamline) along 114.75°E and 117°E (black area represents terrain, green column represents precipitation unit: mm) (c~d) |
动力条件促使湍流运动加剧, 对于污染的清除有很好的作用.
图 8a中24日14:00, 邯郸、石家庄、邢台(河北西南部)为一致的南风, 假相当位温随着纬度增加而增大, 在其上空假相当位温线条变得稀疏, 河北西南部大气层结十分稳定, 在39°N附近由于地形作用, 沿太行山脉前部近地层出现2 m·s-1以下的小风区, 有利于污染物在山前堆积, 导致24日邢台、石家庄出现了O3中度污染(图 3f).在图 8c中, 河北西南部近地层1000~875 hPa为一气旋式环流, 环流中心位于36.9°N附近, 高度仅达925 hPa, 辐合流场有利污染物的滞留, 与辐合中心相对应的上空为下沉气流, 下沉气流阻碍污染物的向上传输, 大气扩散条件较差, 大量污染物聚集在大气边界层, 形成河北西南部的污染.此外, 辐合中心与污染强度中心非常吻合, 导致河北太行山沿线地区在24日出现臭氧中度污染.图 8b、8d中, 24日14:00, 39°N以北地区大气层结极为不稳定, 降水量达到8 mm·h-1, 36.8°~39°N地区的近地面受较强北风控制, 风力为3~8 m·s-1, 垂直层出现整层大风区(图 8b).在图 8d中, 35°~41°N大范围地区在垂直层(1000~850 hPa)有一个正涡度中心, 涡度极值达到15×10-5 s-1, 较强的湍流运动, 有利于污染物的消散, 使得京津冀东部地区的空气质量迅速达优.39°N以南地区受台风后部偏北气流影响, 近地层受偏北风控制, 且风力较大, 气象扩散条件有利.39°N以北地区受台风中心气流影响, 近地面为南风控制, 带来大范围的强降水, 降水有利于降低前提物的浓度, 强烈的冲刷作用下, 京津冀东部地区在24日空气质量均达到优良水平.
图 8(Fig. 8)
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| 图 8 2018年7月24日14时沿114.75°E、117°E的u、v合成风速(涂色), 假相当位温(等值线, 单位:K)(a~b)及沿114.75°E、117°E的涡度(涂色)、v、w合成风速(流线)垂直剖面图(黑色区域为地形, 绿色柱状为降水量：mm)(c~d) Fig. 8The vertical profile of u and v synthetic wind velocities along 114.75°E and 117°E at 14:00 on July 24, 2018 (color), pseudo-equivalent potential temperature (isoline, unit: K)(a~b), and vorticity (color)), v and w synthetic wind velocities (streamline) along 114.75°E and 117°E (black area represents terrain, green column represents precipitation unit: mm) (c~d) |
4.2 垂直扩散条件对O3污染的影响22日15:00—16:00(图 9a)0~4000 m高空存在风速大值区, 石家庄市区有短暂的强对流天气, 累积降水量为3.7 mm(图略), 抑制了臭氧浓度的继续增长.23日(图 9b)0~1000 m高度垂直运动较弱, 垂直方向上为系统性的北风影响有利于污染的扩散.24日08:00(图 9c)以后0~1000 m受系统性的南风影响, 携带VOCs为臭氧的形成提供充足的前体物, 同时边界层(0~1000 m)存在强烈的下沉运动, 不利于污染的垂直方向的扩散, 导致臭氧集中在近地面.同样邢台(图 9d~9f)0~1000 m高度均存在下沉气流大值区, 形成持续的下沉气流, 垂直扩散条件十分不利, 系统性的南风有利于污染物输送, 导致24日石家庄、邢台出现臭氧中度污染.
图 9(Fig. 9)
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| 图 9 石家庄市(a~c)和邢台市(d~f)22—24日逐小时风廓线雷达图(其中涂色为垂直速度, 风羽杆为水平风向(单位：m·s-1)) Fig. 9The hourly wind profiles radar maps of Shijiazhuang City(a~c) and Xingtai City(d~f) from 22th to 24th(the color is vertical velocity (m·s-1) and the wind plume is horizontal wind (m·s-1)) |
4.3 气象因子与O3变化关系4.3.1 O3浓度与气象要素相关性特征利用O3_1 h浓度与各气泵要素进行相关性分析(表 1)发现, O3_1 h浓度与5 cm、10 cm土壤温度相关性最高, 达0.85以上；O3_1 h浓度与相对湿度呈负相关, 相关系数为-0.43~-0.72.表 2中, 2017年臭氧污染季(5月1日—9月30日)石家庄、邢台市的2 m气温和相对湿度和O3_1 h浓度没有明显的滞后效应.地表温度延迟2~3 h和O3_1 h浓度相关系数得到较大提升(上升0.15~0.16).5 cm、10 cm土壤温度和O3_1 h浓度相关系数为0.74~0.85, 较好的反映了温度对于臭氧光化学反应的强度变化.2018年臭氧污染季(5月1日—9月30日)石家庄、邢台市的O3_1 h浓度和2 m气温、相对湿度没有明显滞后效应, 地表温度延迟2~3 h和O3_1 h浓度相关系数明显上升(升幅0.12~0.15).5 cm、10 cm土壤温度相对及时反映了温度对于臭氧光化学反应的强度, 相关系数为0.74~0.85, 延迟1~3 h相关系数上升很小或显著下降.经以上分析, 初步认为由于5 cm土壤温度增温速度滞后于地表温度1~2 h, 且相对2 m温度、地表温度等要素相关性最高, 更好的反映了臭氧光化学反应强度变化趋势.
表 1(Table 1)
| 表 1 7月22—24日污染过程O3_1 h浓度与气象要素相关系数表 Table 1 Correlation coefficients of essential factors with ozone hourly concentrationon 22—24, July | |||||||||||||||||||||||||||||||
表 1 7月22—24日污染过程O3_1 h浓度与气象要素相关系数表 Table 1 Correlation coefficients of essential factors with ozone hourly concentrationon 22—24, July
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表 2(Table 2)
| 表 2 2017年和2018年臭氧污染季(5月1日—9月30日)不同气象要素和臭氧小时浓度相关系数表 Table 2 Correlation coefficient of different meteorological elements and ozone hourly concentration in ozone pollution seasons(May 1 to September 30) of 2017 and 2018 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
表 2 2017年和2018年臭氧污染季(5月1日—9月30日)不同气象要素和臭氧小时浓度相关系数表 Table 2 Correlation coefficient of different meteorological elements and ozone hourly concentration in ozone pollution seasons(May 1 to September 30) of 2017 and 2018
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通过相关系数检验, 石家庄、邢台5 cm土壤温度和臭氧小时浓度相关性较高(相关系数0.75~0.85), 初步认为由于土壤温度增温速度相对滞后于地表温度1~2 h, 臭氧浓度滞后于地表温2~3 h, 5 cm土壤温度相对2 m温度、地表温度等要素相关性最高, 更好更及时的反映了臭氧光化学反应强度变化趋势.
4.3.2 O3浓度与气象因子的阈值特征分析通过统计2018年7月出现臭氧轻度污染以上天气的气象要素得到, 石家庄2018年7月份出现臭氧轻度污染以上天气17 d, 臭氧污染天气平均相对湿度为67%, 平均风速为1.8 m·s-1, 平均最高气温为34.0 ℃, 其中22—24日石家庄市平均AQI为125.0, 平均相对湿度为76.2%, 平均最高气温34.2 ℃；邢台市2018年7月份出现臭氧轻度污染以上天气16 d, 臭氧污染天气平均相对湿度为68%, 平均风速为2.8 m·s-1, 平均最高气温为33.9 ℃.24日石家庄、邢台均出现臭氧中度污染, 平均相对湿度范围分别为74%、76%, 最高气温34.3 ℃以上, 高于臭氧污染天气平均最高气温, 故相较于通常情况, 台风影响下河北西部石家庄、邢台地区出现臭氧中度污染天气时, 具有更高的湿度和温度条件.
5 结论(Conclusions)1) 台风“安比”造成河北中东部地区大范围暴雨天气, 对污染物具有很好的冲刷作用, 河北太行山沿线邯郸、邢台、石家庄地区受台风外围气流控制, 利用近地层垂直平均的广义OW参数正值区和污染落区有很好的指示作用.垂直速度垂直切变(925~1000 hPa)其正值区与污染聚集地区相对应, 近地层下沉气流, 不利于污染物垂直方向扩散.
2) 高压带内部晴朗天气带来的暖湿气流为光化学反应提供了有利的温度和湿度条件, 促进臭氧污染的形成；近地层的弱风场辐合与弱下沉气流双重因子作用对臭氧污染形成有很好的正贡献；伸缩形变效应负值区正好与河北中南部臭氧污染区域对应；动力条件促使湍流运动加剧, 对于污染的清除有很好的作用.
3) 台风外围的偏南暖湿气流相对于北风控制下更有利于臭氧污染的形成, 通过相关系数检验, 石家庄、邢台5 cm土壤温度和臭氧小时浓度相关性较高(相关系数0.75~0.85), 由于土壤温度增温速度相对滞后于地表温度, O3_1 h浓度滞后于地表温度, 5 cm土壤温度更及时的反映臭氧光化学反应强度变化.
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