瓦里关地区气象因子对近地面臭氧浓度影响的分析Ξ
赵玉成1 何发祥1 乜 虹1 祁栋林1 温玉璞2
(11中国大气本底基准观象台,青海 西宁 810001;21中国气象科学研究院,北京 100081)
摘 要:文章给出了瓦里关地区1995～1999年近地面臭氧(O3)浓度年、季变化及日变化。分析了1999年气象因子对地面O3浓度的影响。结果表明:瓦里关地面O3浓度与云天状况、风向风速、垂直风速、气压等要素的变化比较明显。当瓦里关地区出现晴天、大风、偏NE风、下沉气流较强、地面受高压控制等天气时,为地面O3出现高浓度的天气条件。关键词:地面臭氧;气象因子中图分类号:X16 文献标识码:A 文章编号:100722454(2002)0220050204
1 引言大气臭氧具有温室效应,且是一种具有氧化能力的重要大气成分〔1〕,因此,了解它在对流层大气中的分布和行为,不仅是要研究它本身的气候效应,而且要理解它在对流层大气中同其它大气污染物质相互作用的化学过程。观测对流层大气臭氧的简便有效的方法是在高山站点进行地面观测。中国大气本底基准观象台位于青海省海南州的瓦里关山,测站坐标:东经100190°,北纬36129°,海拔3816m,属大气清洁地区,在这样的站址进行地面臭氧观测的目的在于了解我国清洁地区对流层的变化特征〔1〕。通过几年的观测发现,地面臭氧浓度的变化与气象因子的变化有着一定的关系。2 观测和方法地面臭氧观测系统,包括2台TECO-49型(美国ThermoElectronCo.)紫外吸收式臭氧分析仪(#1和#2)、1台TECO—49PS型(美国ThermoElectronCo1)紫外吸收式臭氧标定仪和配套的零气发生器。数据采集器通过一个控制接口,以1Hz的频率记录仪器输出的电压信号,并给出5min的统计量,如平均值,标准差及最大、最小瞬时值等。为了保证观测质量,采取了下列的质量控制措施:(1)2台分析仪每2d交替通入1h“零气”,检查仪器的零点漂移状况;(2)每周对分析仪的响应频率及噪音等参数进行检查和更换室外进气口过滤膜;(3)每3个月用49PS型标定仪的标准对分析仪进行线性检查;(4)每年对进气系统进行一次臭氧损耗检测;(5)每天的人员巡视及故障和现场操作记录,并在数据处理过程中根据这些记录排除无效观测记录;(6)2台仪器的平行观测比较;(7)每2a由全球质量控制中心的专家来台对49PS和49型分析仪进行检查和标定。本文所用的温度、气压、湿度、风及垂直风速的资料均为该站89m气象塔的自动观测资料。其中温度、气压、湿度为213m高度处,风向、风速为10m高度,垂直风速为80m高度。数据的获取方式及频率等同地面O3。云天状况的资料采用该站人工气候观测的资料(每日08时、14时、20时观测
3次)。3 结果分析
05青海环境 第12卷第2期(总第44期) 2002年6月
Ξ收稿日期:2002—01—28
311 地面O3浓度的年变化和日变化特点。经统计1995～1999年瓦里关地面O3浓度各月平均资
料得知(见表1):瓦里关地区地面O3浓度的水平较高,年平均为5014ppb,年较差为2011ppb。季节变化明显,春夏期间的地面O3浓度较高,冬季较小。全年地面O3浓度的最高值出现在6月份,其
平均为62157ppb,最小值出现在12月份,其平均为42144ppb。
表11995～1999年瓦里关各月地面O3浓度(ppb)
月份123456789101112平均
O344.546.1949.7754.0257.8462.5758.3354.6946.4544.343.7742.4450.41
由图1可以看出瓦里关地区1999年地面O3浓度的平均日变化情况,最低值出现在上午11～12时,之后地面O3逐渐增大,从傍晚19时至凌晨
05时出现最高值,且地面O3浓度变化很小,从05时至12时地面O3浓度呈明显的减弱趋势。另
外,瓦里关地区地面O3的日变化较小,最大日变
化为219ppb。
图1 1999年瓦里关地面O3浓度平均日变化312 各气象因子与地面O3浓度的关系。
31211 不同天气与地面O3浓度的关系。分别统
计了瓦里关1999年4～7月间晴天、多云、阴天、雨天4种天空状况下地面O3浓度各小时平均值,其参加统计的天数分别为18、23、20、29d。从图2可以看出,各时的地面O3浓度晴天高于多云天,多云天高于雨天,而雨天高于阴天。
图2 1999年4～7月不同天气地面O3浓度的日变化晴天时的地面O3浓度最低值出现在上午10时左右,其值为5818ppb,从10时后地面O3逐渐增加,至傍晚18时出现第一峰值(6514ppb),凌晨02时出现第二峰值(6314ppb),但不太明显。晴天状况下地面O3的平均日较差为516ppb。多云的日变化与晴天相似,最低值出现时间较晴天推迟1h(北京时间11时),其值为5618ppb,而最高值出现较晴天提前1h(北京时间17时),其值为6015ppb,多云天的日较差为317ppb,阴天的最低值出现在上午11时左右,其值为5115ppb,其后缓慢增加,但变化较小,至凌晨5时出现最高值,其值为5619ppb,阴天的日较差为515ppb,雨天的日变化不规则,这和降雨出现的时间以及降雨的淋洗作用有一定的关系,雨天各时的地面O3浓度值高于阴天,目前尚无很好的解释。31212 不同风速与地面O3浓度的关系。表2统
计了瓦里关1999年不同风速范围相应的地面O3小时平均浓度。从表2看出,瓦里关地面O3小时
平均浓度随风速增加而呈现增加的趋势。当风速≤210mΠs时,风速每增加110mΠs,地面O3浓度增加315ppb;当风速在210～510mΠs之间时,风速每增加110mΠs,地面O3浓度增加018ppb;当风速在
510～1210mΠs之间时,风速每增加110mΠs,地面O3浓度增加014ppb;当风速在1211～1710mΠs之间时,风速每增加110mΠs,地面O3浓度增加
110ppb,地面O3浓度随风速的增加而增加具有一定相关性,经对1999年5995组各小时平均值样本的计算,得出拟合方程为:M(O3浓度)=014993
V(风速)+49160。地面O3小时平均浓度随风速的增加而增加
15瓦里关地区气象因子对近地面臭氧浓度影响的分析 赵玉成 何发祥 乜 虹等
可能解释为:风速的增加有利于光化学反应速率的提高,也和动力传输作用有关,包括平流、对流、湍流等作用。这与文献〔1〕中得到的瓦里关地面O3浓度的变化受传输作用所控制的结论相一致。
表2不同风速(mΠs)范围内的地面O3浓度小时平均浓度(ppb)
风速范围≤110111～210211～3.03.1～4.04.1～5.05.1～6.06.1～710711～8.08.1～9.0
O3浓度风速范围O3浓度4717911～1010541250121011～1110541750181111～1210541951171211～1310551051181311～1410561952131411～1510571153101611～1610571453141611～171058145318≥17116010表3不同风向时地面O3小时平均浓度(ppb)
风向NNNENEENEEESESESSESSSWSWWSWWWNWNWNNW
O3541665713255.853.3754.3355.6554.7353.2851.5749.8949.0148.1548.5949.9851.3252.76
31213 不同风向与地面O3浓度的关系。表3统计了瓦里关1999年不同风向范围内的地面O3小时平均浓度。可以看出,瓦里关地面O3浓度与风
向的关系比较明显。最高地面O3浓度出现在吹
NNE风,最低值出现在吹WSW风。在N-ENE-SE扇形区内(来自兰州、西宁人口较密集的城市)的地面O3值较高,平均为55112ppb。在S—
WSW—NW扇形区内(来自人口较少的荒漠、草原)的地面O3值较低,平均为49136ppb。近几年研究发现,人类活动排放的NOx、NMHC、CO、CH4,对地面O3的光化学过程产生着重要作用,常造成城市及城市下游地区的严重污染〔2〕。
表4不同垂直风速(mΠs)范围内的地面O3浓度(ppb)垂直风速≤-112-1.1～0.9-0.8～0.6-0.5～0.3-0.2～0.00.1～0.30.4～0.60.7～0.91.0～1.21.3～1.51.6～1.81.9～2.1≥212地面O355.8355.6755.2253.6952.1350.6550.751.9552.352.5353.0154.6255.87
31214 垂直风速与地面O3浓度的关系。表4统计了瓦里关1999年不同垂直风速范围相应的地面O3小时平均浓度,得知垂直风速与地面O3的关系比较明显,随垂直风速的增大相应的地面O3浓度也增加。当垂直风速为上升气流(即为正值)时的地面O3浓度增加值比下沉气流(即为负值)时的浓度值小。这说明因瓦里关山海拔较高下沉气流可将上层的高浓度O3下传到近地面,从而使地面O3浓度增加,且随着下沉风速的增大,地面
O3浓度也呈增加的趋势。同时,上升气流也是随
风速的增大而增大的。这种现象有待今后进一步的研究。
表5不同相对湿度(%)范围内的地面O3浓度(ppb)
相对湿度≤202011～303011～404011～505011～606011～707011～808011～90≥90地面O357.6648.9849.452.8153.0855.8555.8755.1853.53
31215 湿度与地面O3浓度关系。表5统计了瓦里关1999年不同相对湿度范围内地面O3小时平均浓度,可以看出,瓦里关相对湿度与地面O3的
关系也比较明显。地面O3
浓度的最高值出现在相对湿度小于20%的范围内,最低值出现在相对湿度为2011%～40%的范围内。当相对湿度在2011%～80%之间时,随相对湿度的增大,地面O3浓度值也呈现增加的趋势。但是,当相对湿度大于80%时,地面O3浓度值则出现降低的趋势。这种原因有待进一步的研究。
25青海环境 第12卷第2期(总第44期) 2002年6月
表6不同气压(mb)范围内的地面O3浓度(ppb)
气压范围≤63063011～63263211～63463411～63663611～63863811～64064011～64264211～64464411～646>646地面O346113471934813648179481305216855106551455613161109
31216 气压与地面O3浓度关系。从表6看出,瓦里关地面O3浓度与气压的关系比较明显。随气压的升高,地面O3浓度值明显增加。尤其当气压超过638mb时,这种增加的趋势非常明显(气压每升高2mb,地面O3平均增加215ppb)。这是因为瓦里关地处青藏高原,海拔较高,当本地处在高压中心。高压楔或高压带的控制下时,高压系统产生的下沉气流将高空浓度较高的O3带到近地面所致。地面O3与天气系统的关系有待进一步
的研究。4 结论411 瓦里关地面O3浓度水平较高,季节变化明显,春夏期间(4～8月)的地面O3浓度较高,冬季
较小。最高值出现在6月,最低值则出现在12月。日变化也比较明显,最低值出现在11～12时左右,最高值出现在午夜至凌晨。412 春夏季瓦里关晴天和多云时地面O3呈双峰型。晴天时地面O3最低值出现在上午10时左
右,峰值出现在傍晚18时,凌晨02时左右有一个次峰出现。多云时最低值出现时间较晴天推迟1h左右,而最高值出现时间则提前1h。阴天和雨天时日较差较小,且日变化不明显,最低值也出现在上午10时左右,最高值出现在凌晨05时左右。413 随着风速的增大相应的地面O3浓度也增加。414 在N—ENE—SE扇形区内(来自兰州、西宁人口较密集的城市)的地面O3值较高,平均为5512ppb,最高地面O3浓度值出现在NNE风向时。
在S—WSW—NW扇形区内(来自人口较少的荒漠、草原)的地面O3值较低,平均为4913ppb,最低值出现在WSW风向时。415 随垂直风速的增大相应的地面O3浓度也增
加,且垂直风速为下沉气流时比上升气流时的地面O3浓度值高。
416 相对湿度小于20%时,地面O3浓度值较高。相对湿度在2011%～80%之间,随相对湿度的增大,地面O3浓度值也呈现增加的趋势。当相对湿度大于80%时,地面O3浓度值出现降低的趋势。
417 随地面气压的升高相应的地面O3浓度值明
显增加。尤其当地面气压超过638mb时,这种增加的趋势非常明显。418 当瓦里关地区出现晴天、大风、偏NE风、下沉气流较强、地面受高压控制等天气时,为出现高浓度地面O3的天气条件。
5 参考文献1 汤洁等1青海瓦里关山地面臭氧的观测和初步结果1中国地区大气臭氧变化及其对气候环境的影响(一)〔M〕1北京:气象出版社,1996119～292 S1A1Mckeen,HsieEYandLiuSC1991.Astudyofthede2pendenceofruralozoneprecursorsintheEasternUnitedStaes.J.Geophys.Res.,96(6)∶15377～153943 丁国安等1龙凤山本底站地面O3与气象条件初探,中国地区大气臭氧变化及其对气候环境的影响(一)〔M〕1北京:气象出版社,1996130～37(责任编辑 朱丽新)
2002年“六・五”世界环境日主题
让地球充满生机
35瓦里关地区气象因子对近地面臭氧浓度影响的分析 赵玉成 何发祥 乜 虹等
