瓦里关地区气象因子对近地面臭氧浓度影响的分析

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O
3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)022*******
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TEC O-49型(美国Therm o E lectron C o.)紫外吸收式臭氧分析仪(#1和#2)、1台TEC O—49PS型(美国Therm o E lectron C o1)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1H z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O
3。

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
Ξ收稿日期:2002—01—28
311　地面O 3浓度的年变化和日变化特点。

经统
计1995～1999年瓦里关地面O 3浓度各月平均资料得知(见表1):瓦里关地区地面O 3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O 3浓度较高,冬季较小。

全年地面O 3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O 3浓度(ppb )月份
123456789101112平均
O 3
44.5
46.19
49.77
54.02
57.84
62.57
58.33
54.69
46.45
44.3
43.77
42.44
50.41
由图1可以看出瓦里关地区1999年地面O 3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O 3逐渐增大,从傍晚19时至凌晨05时出现最高值,且地面O 3浓度变化很小,从05
时至12时地面O 3浓度呈明显的减弱趋势。

另外,瓦里关地区地面O 3的日变化较小,最大日变化为219ppb。

图1　1999年瓦里关地面O 3浓度
平均日变化
312　各气象因子与地面O 3浓度的关系。

31211　不同天气与地面O 3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O 3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O 3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O 3
浓度的日变化
晴天时的地面O 3浓度最低值出现在上午10时左右,其值为5818ppb ,从10时后地面O 3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O 3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O 3浓度值高于阴天,目前尚无很好的解释。

31212　不同风速与地面O 3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O 3小时平均浓度。

从表2看出,瓦里关地面O 3小时平均浓度随风速增加而呈现增加的趋势。

当风速≤210m Πs 时,风速每增加110m Πs ,地面O 3浓度增加315ppb ;当风速在210～510m Πs 之间时,风速每增加110m Πs ,地面O 3浓度增加018ppb ;当风速在510～1210m Πs 之间时,风速每增加110m Πs ,地面O 3浓度增加014ppb ;当风速在1211～1710m Πs 之
间时,风速每增加110m Πs ,地面O 3浓度增加110ppb ,地面O 3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 (O 3浓度)=014993V (风速)+49160。

地面O 3小时平均浓度随风速的增加而增加
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≤110111～210211～3.0 3.1～4.0 4.1～5.0 5.1～6.0 6.1～710711～8.08.1～9.0
O3浓度风速范围O3浓度
4717
911～1010
5412
5012
1011～1110
5417
5018
1111～1210
5419
5117
1211～1310
5510
5118
1311～1410
5619
5213
1411～1510
5711
5310
1611～1610
5714
5314
1611～1710
5814
5318
≥1711
6010
表3不同风向时地面O3小时平均浓度(ppb)
风向N NNE NE E NE E ESE SE SSE S SSW SW WSW W W NW NW NNW 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O
3小
时平均浓度。

可以看出,瓦里关地面O
3
浓度与风
向的关系比较明显。

最高地面O
3浓度出现在吹NNE风,最低值出现在吹WSW风。

在N-E NE-SE扇形区内(来自兰州、西宁人口较密集的城市)的地面O
3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O
3值较低,平均为49136ppb。

近几年
研究发现,人类活动排放的NO
x
、NMHC、C O、CH
4
,
对地面O
3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≤-112-1.1～0.9-0.8～0.6-0.5～0.3-0.2～0.00.1～0.30.4～0.60.7～0.9 1.0～1.2 1.3～1.5 1.6～1.8 1.9～2.1≥212地面O
355.8355.6755.2253.6952.1350.6550.751.9552.352.5353.0154.6255.87
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O
3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O
3浓度也增加。

当垂直风速为上升气流(即为正值)
时的地面O
3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O
3下传到近地面,从而使
地面O
3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O
357.6648.9849.452.8153.0855.8555.8755.1853.53
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O
3小时平
均浓度,可以看出,瓦里关相对湿度与地面O
3
的
关系也比较明显。

地面O
3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O
3浓度值则出现降低的趋势。

这种原因有待进一步的研究。

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O
346113471934813648179481305216855106551455613161109 31216　气压与地面O3浓度关系。

从表6看出,
瓦里关地面O
3浓度与气压的关系比较明显。

随
气压的升高,地面O
3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O
3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O
3带到近地
面所致。

地面O
3
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O
3
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O
3
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—E NE—SE扇形区内(来自兰州、西宁
人口较密集的城市)的地面O
3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O
3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O
3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%～%之间,随相对湿度的增
大,地面O
3浓度值也呈现增加的趋势。

当相对湿
度大于80%时,地面O
3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O
3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,1996119～29
2　S1A1Mckeen,HsieE Y and Liu S C1991.A study of the de2
pendence of rural ozone precurs ors in the Eastern United S taes.J.
G eophys.Res.,96(6)∶15377～15394
3　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。