2013-2018年华北地区O3区域污染特征及气象成因分析

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本文采用了国家城市空气质量实时发布平台公布的北京、天津、河北、河南、山西和山东省内所有监测点的有效O3小时浓度数据,计算得到华北地区58个城市站点的O3日最大8小时滑动平均浓度值,分析了2013-2018年华北地区O3区域污染特征及气象成因,主要结论如下:(1)2013-2018年,华北地区夏季近地面臭氧污染呈现出明显的年变化特征,在污染强度和持续时间上都表现为明显加剧的趋势。MDA8 O3浓度在6月达到峰值,河北南部,河南北部以及山东西部等地区为O3重污染区。2014-2018年,华北地区臭氧日污染超标率在5年内上升了39.8%,伴随着清洁天和局地污染天数的减少以及大范围污染天数的明显增长。此外,2017年大范围区域臭氧污染事件首次出现在9月,华北地区近地面臭氧污染的持续时间在季节上表现出增长。(2)当发生区域臭氧污染时,华北地区表现为强太阳辐射,高温低湿,且低层存在南风异常。通过构建综合表征该气象要素场的臭氧区域污染指数(I_ROP),我们发现I_ROP与MDA8 O3的相关系数为0.77,远高于各单独气象要素与MDA8 O3之间的相关性。结果表明MDA8 O3浓度在华北地区受多种气象因素影响,而非单一因素。I_ROP与MDA8O3的良好相关性表明其可以作为一个相对简单的中国华北地区臭氧区域污染的气象预报指标。(3)基于臭氧污染类型客观识别算法,我们一共选取了19次区域臭氧污染事件。根据500h Pa位势高度场的环流形势配置,华北地区的区域臭氧污染事件可大致分为纬向西风型和高压脊型两种类型,其污染频次分别为6次和12次。值得注意的是在19次污染过程中存在一次特殊的区域污染事件,当臭氧污染事件发生时,华北地区受到局地高压中心控制。(4)在对高压脊型和高压中心型污染个例的分析中,我们发现华北地区上空存在局地高压系统(高压脊/高压中心)时,高温晴稳的气象条件有利于臭氧光化学反应的增强,从而导致臭氧的局地生成增多;对流层低层的偏南风有利于污染物的水平传输;华北地区上空深厚的下沉气流则进一步抑制了污染物的垂直扩散,导致污染加重。局地光化学生成,水平传输作用以及不利的垂直扩散条件是导致华北地区大范围区域臭氧污染事件发生发展的重要原因。除了直接影响华北区域气象要素场特征的天气系统,背景环流场的调控以及中小尺度系统的活动对华北地区臭氧区域污染特征也有着重要影响。通过对高压中心型个例的分析,我们发现罗斯贝波波动能量的传输以及台风系统形成的次级环流对华北地区上空高压的形成与发展都有着重要作用,从而影响该区域的臭氧区域污染特征。
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