氣象因子與天氣系統(tǒng)對臨滄市O3 污染影響的探討

邱東云，何劍勇

云南省臨滄市氣象局，云南臨滄 677000

氣象因子與天氣系統(tǒng)是決定空氣質(zhì)量的兩大關(guān)鍵因素，但是在國家工業(yè)高度發(fā)達(dá)的當(dāng)代社會中，空氣質(zhì)量始終得不到重視，整體表現(xiàn)水平較低，其中霧霾、酸雨等惡劣氣象狀況頻頻出現(xiàn)，城市環(huán)境污染嚴(yán)重。為此，深入研究氣象因子與天氣系統(tǒng)之間的相互關(guān)系還是有必要的。

1 氣象因子與天氣系統(tǒng)之間的相互關(guān)系

我國天氣系統(tǒng)中的空氣質(zhì)量污染物較多，其中SO2污染最嚴(yán)重，NO2吸入顆粒污染物也非常之多，一般在每年4月開始就呈現(xiàn)下降趨勢。在分析天氣系統(tǒng)后可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)中的相對濕度會導(dǎo)致某些氣象因子污染物濃度下降。例如：SO2的濃度變化會通過濕度下降來形成酸雨，不利于農(nóng)作物農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程(對農(nóng)作物傷害較大)，對農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)長期可持續(xù)發(fā)展也極為不利。

對氣象因子產(chǎn)生變化的主要影響因素包括以下幾種：第一種是相對濕度指標(biāo)，如果空氣中相對濕度偏高，空氣中的污染物就會明顯減少，一般在冬季和初春季節(jié)，氣象因子中相對濕度指標(biāo)較高，但是溫度指標(biāo)較低，所以天氣系統(tǒng)中的污染物會轉(zhuǎn)化為固體形態(tài)存在于空氣中，如可見性相對偏弱的大霧中，相對濕度指標(biāo)會明顯上升。

第二種是逆溫影響指標(biāo)。根據(jù)相關(guān)研究文獻(xiàn)記載可以發(fā)現(xiàn)，由于逆溫所產(chǎn)生的無風(fēng)或風(fēng)小情況比較多。這一情況也會出現(xiàn)在冬季和初春。以無風(fēng)情況為例，天氣系統(tǒng)中的各種污染物是不容易分散的，所以距離地面相對較近的區(qū)域污染物濃度會大幅度增加，不利于城市居民的生產(chǎn)生活。

第三種是燃煤影響指標(biāo)。在我國農(nóng)村地區(qū)存在燃煤取暖指標(biāo)超標(biāo)問題，這是因?yàn)檗r(nóng)村居民未能應(yīng)用先進(jìn)的燃煤技術(shù)，所產(chǎn)生的污染問題較大。其中，所產(chǎn)生的可吸入顆粒污染物和SO2量大，它們直接加快了空氣質(zhì)量的惡劣進(jìn)程。

第四種是浮塵天氣影響指標(biāo)。這一天氣系統(tǒng)指標(biāo)存在于春季。因?yàn)榇杭敬箫L(fēng)氣候特征表現(xiàn)明顯，所以容易產(chǎn)生浮塵天氣，導(dǎo)致空氣中污染物含量進(jìn)一步增多，空氣質(zhì)量也會明顯下降。

在深入分析天氣系統(tǒng)中的空氣質(zhì)量，探討其與氣象因子之間所產(chǎn)生關(guān)系時(shí)，需要進(jìn)一步了解污染物濃度與氣象因子之間的單相關(guān)系數(shù)，如風(fēng)速、降水量、相對濕度、最高氣溫變化等，都與天氣系統(tǒng)息息相關(guān)。在分析天氣系統(tǒng)中空氣質(zhì)量與氣象因子之間關(guān)系時(shí)，需要再次舉例說明。例如：每日最高氣溫在SO2影響下逐漸下降，所產(chǎn)生的關(guān)系也呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。在每日最高氣溫的影響下，SO2指標(biāo)水平會逐漸升高，由此判定兩者之間會產(chǎn)生正相關(guān)關(guān)系?；谏鲜龇治龇绞娇梢园l(fā)現(xiàn)，空氣中的各種污染物濃度與氣象因子有關(guān)，當(dāng)污染物濃度發(fā)生變化時(shí)，是多種氣象因子影響所致的。所以要充分考慮氣象因子影響，由此了解氣象因子與天氣系統(tǒng)兩者關(guān)聯(lián)關(guān)系[1]。

2 臨滄市O3污染概況

臨滄市位于云南省西南部，是省下轄地級市。當(dāng)?shù)厥艿轿髂霞撅L(fēng)氣候的影響，所以西南渦流氣候現(xiàn)象較明顯。臨滄市干雨季分明，雨水較多，日照時(shí)間較長(年平均日照數(shù)超過2 000 h)。所謂西南低渦就是指我國西南地區(qū)所存在的中尺度氣旋低壓系統(tǒng)，其尺度可以達(dá)到300～500 km，是典型的中尺度渦旋。在臨滄市，由于受到西南低渦影響，城市中的O3濃度變化較大，所產(chǎn)生的影響也是多種多樣的。在臨滄市冬夏半年低渦日與非低渦日的O3濃度差異變化較大，需要結(jié)合顯著性檢驗(yàn)展開，并進(jìn)行0.05水平的顯著性檢驗(yàn)。因此，臨滄市是容易受到西南低渦影響的，O3濃度差異性較大，進(jìn)而導(dǎo)致O3污染產(chǎn)生，治理工作難度越來越大。

3 氣象因子與天氣系統(tǒng)對云南省臨滄市O3污染的影響

3.1 氣象因子對臨滄市O3污染的影響

3.1.1 太陽輻射強(qiáng)度因子對臨滄市O3污染所產(chǎn)生的影響目前，臨滄市深受O3濃度增大影響，其在一天內(nèi)的變化幅度大，在臨滄市不同月份之間的表現(xiàn)存在顯著的差異。其中，所受到的氣象因子影響較多，包括太陽輻射強(qiáng)度氣象因子影響，它直接影響了臨滄市天氣系統(tǒng)中的O3濃度高度變化，導(dǎo)致NO2被光合分解進(jìn)而產(chǎn)生O3，為地表提供大量熱量，導(dǎo)致氣溫水平升高。為此，深入分析由O3所產(chǎn)生的熱化學(xué)反應(yīng)也是有必要的，例如：2019—2022年臨滄市的O3小時(shí)濃度與輻射強(qiáng)度監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果來看，如果臨滄市輻射強(qiáng)度有所下降，其O3小時(shí)濃度應(yīng)該達(dá)到0～150 μg/m3濃度范圍。伴隨太陽輻射強(qiáng)度的逐漸增加，低濃度范圍內(nèi)的數(shù)值會逐漸減少；如果輻射強(qiáng)度達(dá)到500～600 W/m2范圍時(shí)，O3小時(shí)濃度會出現(xiàn)較多超標(biāo)時(shí)刻，超標(biāo)率達(dá)到3.3%左右[2]。

綜上所述，需要了解臨滄市中O3、NO2的光解速率變化，包括光解速率與其季節(jié)、時(shí)刻所產(chǎn)生的密切關(guān)系。因?yàn)楣饨馑俣葧殡S太陽輻射強(qiáng)度的增加而逐漸加快，就會促進(jìn)O3濃度水平不斷升高。以臨滄市為例，其日出時(shí)間大為06:00～07:00，日出后太陽輻射水平逐漸上升，O3小時(shí)濃度也會逐漸升高。但在下午太陽輻射水平有所下降，O3的生成速率有所放緩，且濃度大幅度下降。在臨滄市，全年太陽輻射強(qiáng)度規(guī)律變化較大，其中夏季最強(qiáng)，冬季最弱，但是O3濃度變化規(guī)律相對一致[3]。

3.1.2 溫度因子對臨滄市O3污染所產(chǎn)生的影響溫度因子對于臨滄市O3污染所產(chǎn)生的影響較大，從2019—2022年臨滄市不同溫度區(qū)間展開分析，其在1 h之內(nèi)的濃度變化較大，例如：臨滄市O3小時(shí)濃度會伴隨溫度升高而增加，如果溫度低于28 ℃時(shí)，O3小時(shí)濃度一般都處于低值區(qū)，但較少出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象問題。具體來說，O3超標(biāo)時(shí)刻多集中在高于28 ℃，且溫度段內(nèi)O3濃度水平普遍較高；但如果溫度低于28 ℃時(shí)，O3小時(shí)濃度是同樣處于高值區(qū)的[4]?？傮w來講，溫度變化對前體物濃度產(chǎn)生的影響更大，導(dǎo)致大量O3的生成，屆時(shí)O3濃度變化明顯。溫度因子變化較大，在不斷升高后，O3小時(shí)濃度的前體物濃度顯著上升。在臨滄市，要結(jié)合溫度與O3濃度變化來展開分析，保證兩者溫度變化趨勢趨于一致，全面證明溫度因子對于O3小時(shí)濃度的具體影響[5]。

3.1.3 相對濕度因子對臨滄市O3污染所產(chǎn)生的影響從2019—2022年臨滄市不同的相對濕度區(qū)間展開分析，其O3小時(shí)濃度變化較大，且伴隨相對濕度因子增加變化后，臨滄市的O3小時(shí)濃度會呈現(xiàn)先增加、后減少的發(fā)展態(tài)勢。如果相對濕度低于50%時(shí)，O3小時(shí)濃度會不斷增加；如果相對濕度高于50%時(shí)，則O3小時(shí)濃度與濕度之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。再分析臨滄市O3小時(shí)濃度達(dá)到40%～70%這一濕度范圍時(shí)，其相對濕度也會增加70%以上。因此，需要分析相對濕度因子對臨滄市O3污染產(chǎn)生的負(fù)面影響，了解其中低于100 μg/m3的濃度段。同時(shí)分析O3超標(biāo)時(shí)刻逐漸減少這一問題，其相對濕度大于70%，超標(biāo)率不足0.1%[6]。

第一，臨滄市如果由于雨季而導(dǎo)致相對濕度較高，需要在臨滄市植物中打開氣孔，大量吸收O3確保O3實(shí)現(xiàn)干性沉淀；第二，臨滄市如果相對濕度較高，可以將O3直接轉(zhuǎn)化為氧化劑，并保證低價(jià)態(tài)酸性物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高價(jià)態(tài)的硝酸鹽和硫酸鹽，了解O3的被消耗過程。如果臨滄市屆時(shí)水汽含量相對較高，則需要分析SO2顆粒物表面吸收水汽轉(zhuǎn)化情況，這樣對提高氧化反應(yīng)速率大有裨益，有利于加速O3消耗；第三，如果水汽含量較高，則需要保證H2O與O3光解速率不斷提高，形成激發(fā)態(tài)氧原子反應(yīng)，最后生成OH自由基，這樣對O3前體物反應(yīng)變化影響顯著，會導(dǎo)致O3濃度升高。一般來說，相對濕度是能夠通過吸收太陽輻射間接影響O3小時(shí)濃度的，而臨滄市天氣系統(tǒng)中的水汽含量變化則會影響地面太陽輻射程度，通過影響光化學(xué)反應(yīng)速率變化來調(diào)整O3濃度變化。如果根據(jù)2019—2022年臨滄市氣象觀測數(shù)據(jù)計(jì)算，可以了解到當(dāng)?shù)厮麑μ柨傒椛涞奈樟颗c水汽含量之間呈現(xiàn)出正相關(guān)變化關(guān)系，如果水汽含量增大，所吸收的太陽總輻射量越多，然而太陽輻射強(qiáng)度在接近地面后會大幅度減小，如此就能影響到O3的生成[7]。

3.2 天氣系統(tǒng)對臨滄市O3污染的影響

天氣系統(tǒng)對臨滄市O3污染產(chǎn)生的影響較大，就2019—2022年臨滄市夏半年非低渦日為例(非低渦日天數(shù)為590 d)，其中有340 d發(fā)生降水情況。臨滄市下半年低渦日天數(shù)為120 d，其中濕低渦日為60 d，如果結(jié)合這些數(shù)據(jù)分析O3污染濃度分級變化，則需要了解O3污染濃度天數(shù)變化與天氣系統(tǒng)之間所產(chǎn)生的影響關(guān)系[8]?？傮w來講，無論是低渦日還是濕位渦日，都需要了解降水情況變化對O3污染產(chǎn)生的影響，了解高濃度頻率下的濕位渦日變化情況，表明除降水情況以外，引發(fā)O3污染效應(yīng)的問題還有很多。這里重點(diǎn)討論低渦活動，它導(dǎo)致臨滄市中O3小時(shí)濃度明顯下降[9]。

根據(jù)相關(guān)研究對比可以發(fā)現(xiàn)，2019—2022年范圍內(nèi)臨滄市在發(fā)生降水的非低渦日發(fā)生了O3濃度變化，此時(shí)需要分析低渦活動與O3污染效應(yīng)對于臨滄市O3濃度產(chǎn)生的影響，了解其影響程度[10]。為此，臨滄市采用了概率密度函數(shù)PDF來表征說明臨滄市非低渦日情況，了解O3濃度之間所產(chǎn)生的差異變化。在分析臨滄市夏半年濕位渦日變化后，需要了解其O3污染濃度變化中非低渦日顯著差異的問題，基于這一現(xiàn)象表明在低渦活動的影響下O3濃度影響程度變化，此時(shí)需要分析降水量。根據(jù)相關(guān)研究，充分運(yùn)用2019—2022年污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)變化過程中，需要結(jié)合同期氣象資料分析西南低渦統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)變化，結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)了解臨滄市O3濃度影響變化，并得出有價(jià)值的研究結(jié)論[11]。

在深度分析2019—2022年西南低渦活動影響下臨滄市的O3污染變化時(shí)，需要深入了解其O3濃度下降變化情況。主要是在夏半年低渦日分析O3濃度是否顯著低于非低渦日。在分析0.05水平下的顯著性檢驗(yàn)的過程中，需要了解冬半年O3濃度變化，建立顯著性檢驗(yàn)工作機(jī)制。在深入分析濕低渦變化時(shí)，需要了解臨滄市中的濕位渦發(fā)生情況，保證O3濃度影響程度明顯小于降水所引發(fā)的濕清除效應(yīng)。如果沒有發(fā)生降水，低渦活動就會對臨滄市O3污染中O3濃度產(chǎn)生影響，大幅度降低O3濃度[12]。

在分析天氣系統(tǒng)對臨滄市O3污染所產(chǎn)生影響的過程中，需要分析臨滄市O3濃度變化情況，了解O3污染影響城市氣象因子變化過程。同時(shí)，需要基于太陽輻射強(qiáng)度對所生成的O3變化展開分析，了解其擴(kuò)散程度變化，確保混合成高度O3濃度呈現(xiàn)出一定的正相關(guān)關(guān)系。在這一過程中，若臨滄市的風(fēng)速小于2 m/s，也需要分析臨滄市出現(xiàn)O3污染后主要表現(xiàn)出的風(fēng)向變化情況。例如：強(qiáng)太陽輻射有利于臨滄市O3污染變化，其中O3超標(biāo)集中出現(xiàn)在溫度＞28 ℃時(shí)的濕度情況，其濕度范圍控制在40%～80%范圍內(nèi)，其太陽輻射量大致控制在500 W/m2以上，這一期間O3污染嚴(yán)重，O3超標(biāo)率達(dá)到最高水平。

4 氣象因子與天氣系統(tǒng)對云南省臨滄市O3污染影響問題的解決對策

目前，國內(nèi)對流層中O3污染的形成機(jī)理明確，它從單一O3污染逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镻M2.5和O3復(fù)合污染。在構(gòu)建監(jiān)測預(yù)警預(yù)報(bào)機(jī)制的過程中，需要明確減排法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，分析其中關(guān)鍵控制技術(shù)。為此，探討了氣象因子與天氣系統(tǒng)對臨滄市O3污染影響問題的解決對策。

臨滄市需要加強(qiáng)對PM2.5和O3復(fù)合污染成因機(jī)理的深入研究，科學(xué)建立協(xié)同控制機(jī)制，分析其中可能存在的污染演變過程，并將影響因素進(jìn)行量化處理?？傮w來講，要結(jié)合多種要素、尺度、維度數(shù)據(jù)來厘清PM2.5和O3復(fù)合污染成因機(jī)理。在探索過程中，也需要了解臨滄市復(fù)合污染擴(kuò)散模型，同時(shí)做好定性定量的環(huán)境因子分析。因此，目前臨滄市正在加速建設(shè)以VOCs、NOx為主的大氣O3監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系。

要深入了解O3污染成因，通過長時(shí)間、大范圍、大尺度研究理解臨滄市區(qū)域的O3污染成因和來源情況。目前，臨滄市已經(jīng)結(jié)合國內(nèi)大量研究來識別各個(gè)敏感區(qū)域、解析污染來源、分析影響因素與機(jī)理、提出具體防治措施，展開系統(tǒng)性管理工作。在后續(xù)的精細(xì)化污染防控工作中，臨滄市需要結(jié)合氣象、環(huán)境以及季節(jié)、政策等因素制定適合于臨滄市的“一市一策”防止措施，主要分析不同O3污染等級，制定相應(yīng)的應(yīng)急和管制方案，滿足臨滄市O3污染影響問題的針對性、精細(xì)化防控管理要求。

臨滄市科學(xué)優(yōu)化了大氣O3評價(jià)指標(biāo)，主要對O3污染影響研究結(jié)果進(jìn)行分析，定期審核設(shè)定O3評價(jià)指標(biāo)，解讀其評價(jià)指標(biāo)的科學(xué)性和合理性。臨滄市結(jié)合國內(nèi)氣象因素與環(huán)境條件分析并提煉數(shù)據(jù)，制定出符合城市污染影響處理要求的評價(jià)指標(biāo)、考核方法。同時(shí)持續(xù)推進(jìn)城市O3污染防控措施的實(shí)施。例如：制作VOCs排放清單，同時(shí)對O3污染影響進(jìn)行分區(qū)分時(shí)管控，制定一系列常態(tài)化防控管理辦法。

5 結(jié)束語

當(dāng)前，氣象因子與天氣系統(tǒng)都會影響城市O3污染變化，其中對O3濃度指標(biāo)的影響最大。因此，需要深入研究臨滄市的空氣質(zhì)量與氣象因子變化，思考其中的相互關(guān)聯(lián)關(guān)系，分析空氣中各種污染物所呈現(xiàn)出的變化趨勢。同時(shí)，基于一定結(jié)果分析氣象因子與天氣系統(tǒng)之間關(guān)系，為臨滄市O3污染變化與O3超標(biāo)程度展開深層次分析，為臨滄市未來天氣系統(tǒng)、氣象因子朝良性發(fā)展變化創(chuàng)造條件。