0 引言
随着城市化进程的加快，受光化学生成和区域传输共同影响（程龙等，2022），O3污染问题日益突出（陈培章和陈道劲，2019），影响范围和强度持续扩大（余益军等，2020；阮虞清等，2021）。O3污染主要出现在夏季，具有“单峰单谷”的日变化和月变化特征（黄蕾等，2023），周末效应显著（崔萌等，2019）。O3浓度的变化不仅受排放源影响，还与气象条件密切相关（刘枢等，2018；Lu et al.， 2019；步巧利等，2022；熊险平等，2022），不同季节、不同城市与气象因子的相关性具有差异性（齐艳杰等，2020）。研究表明，气温、日照、总辐射等因素与O3浓度呈正相关，而湿度、降雨、云量等与O3质量浓度呈负相关。风向、风速以及边界层高度等气象要素也明显影响O3质量浓度的变化。
1 资料与方法
1.1 研究区概况
内蒙古中西部地区位于华北地区西部，毗邻甘肃、宁夏、陕西、山西，并与蒙古国接壤。该区域包括阿拉善盟、乌海市、巴彦淖尔市、鄂尔多斯市、包头市和呼和浩特市。区域北部由东西走向的阴山山脉和阿拉善高原组成，东南部是鄂尔多斯高原，与贺兰山西麓相连（图1），地理环境独特，易引起污染物积累。经济主要以第二产业为主，特别是化工和煤炭开采及加工业，其中第二产业对阿拉善和乌海经济增长的贡献率超过80%，对鄂尔多斯和包头的经济增长贡献率为50%。由于工业活动旺盛，污染物排放问题严重。此外，该地区地理范围广阔、纬度较高，夏季高温且降水集中，这些因素共同导致了内蒙古中西部地区严重的O3污染问题。
图1
图1
内蒙古中西部地区地形及气象站点分布
注:基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站标准地图[审图号:GS(2020)4619号]制作，底图边界无修改，下同
Fig.1
Topography and distribution of meteorological stations in the central and western Inner Mongolia
1.2 数据来源
利用全国城市空气质量在线监测分析平台（https://www.aqistudy.cn/historydata/）提供的2015—2021年的O3_8 h滑动平均质量浓度（O3_8 h）；内蒙古自治区气象局提供的内蒙古中西部6个盟市国家级气象站2015—2021年逐日地面、高空气象观测资料，包括相对湿度、日最高气温、日照时数、2 min平均风速、最大风速风向；欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）提供的2015—2021年逐日再分析（ERA-interim）资料，包括500 hPa位势高度场、风速、海平面气压场等参数，水平分辨率为0.75°×0.75°。
1.3 研究方法
本研究使用O3_8 h作为评价O3污染程度的指标。利用欧盟科技合作733项目开发的天气客观分型软件，采用斜交旋转主成分分析法（obliquely rotated Principal Components in T-mode， PCT）分析O3污染过程的环流分型。该方法将原始的高维数据矩阵Z分解为两个较低纬度的矩阵F和A，即Z=FAT。其中，矩阵Z的每一行代表N个空间格点，每一列对应M个观测时次，F矩阵为主成分（PCs），而A矩阵为PCs的载荷（常炉予等，2019）。所有主成分根据其对应的特征值大小进行排序，选取累计贡献率超过85%的前K个（K≤M）主成分F来实现降维。PCT方法能精确反映原始大气环流场特征，得到稳定的时空场。此方法已在上海（许建明等，2016）、银川（严晓瑜等，2022）等地区的颗粒物污染研究中得到成功应用。
本文将内蒙古中西部地区3个及以上盟市同时出现O3污染的情况定义为一次区域性O3污染过程。文中所用时间均为北京时。
2 结果分析
2.1 环流场客观分型
表1 2015—2021年内蒙古中西部区域性O3污染过程环流类型及其占比
Tab.1
| 类型 | 500 hPa分型 | 海平面气压场分型 | 占比/% |
|---|---|---|---|
| 高压脊—均压场（类型1） | 高压脊型 | 均压场型 | 22 |
| 脊前西北气流—低压控制型（类型2） | 脊前西北气流型 | 低压控制型 | 27 |
| 平直西风—高压南部型（类型3） | 平直西风型 | 高压南部型 | 26 |
| 脊前西北气流—低压南部型（类型4） | 脊前西北气流型 | 低压南部型 | 20 |
| 脊前西北气流—均压场（类型5） | 脊前西北气流型 | 均压场型 | 5 |
图2
图2
高压脊—均压场型（a、b）、脊前西北气流—低压控制型（c、d）、平直西风—高压南部型（e、f）和脊前西北气流—低压南部型（g）的500 hPa位势高度场（等值线，单位：gpm）及风场（风矢，单位：m·s-1）（a、c、e）、海平面气压场（等值线，单位：hPa）及风场（风矢，单位：m·s-1）（b、d、f、g）
（红色框为研究区域，下同）
Fig.2
The 500 hPa geopotential hight fields (isolines, Unit: gpm) and wind fileds (vectors, Unit: m·s-1) (a, c, e), and sea-level pressure fields (isolines, Unit: hPa) and wind fileds (vectors, Unit: m·s-1) (b, d, f, g) of high pressure ridge-pressure equalization field type (a, b), the northwest flow at the front of the ridge-low pressure control field (c, d), the westerly flow pattern in flat direction-high pressure south field (e, f) and the northwest flow at the front of the ridge-low pressure south field (g)
(The red box is the research area, the same as below)
（1）高压脊—均压场型
500 hPa高度以径向环流为主，内蒙古中西部地区受暖脊控制，处在反气旋环流中，风场有弱辐合，以下沉运动为主。下沉运动导致地区增温，有利于逆温层形成并提高边界层O3浓度，同时抑制O3向高空输送。海平面气压场为均压场型，即弱形势场，内蒙古中西部地区处于高低压过渡区，较弱气压形势场，等值线稀疏，风速较小，不利于污染物扩散。高温晴朗的天气条件促进光化学反应，使得O3浓度不断上升并积累，导致出现O3污染。
（2）脊前西北气流—低压控制型
500 hPa高度以径向环流为主，内蒙古中西部受脊前西北气流控制。河西走廊附近出现高压脊，内蒙古中西部地区位于脊前西北气流中，伴有负涡度平流和盛行的下沉气流，使得污染物被抑制在边界层内。海平面气压场为低压控制型，内蒙古中西部地区受地面低压系统影响，地面主导风为偏南风，天气晴好、太阳辐射强，造成气温上升且空气干燥，这些条件均有利于O3的生成和积累，进而导致O3污染的发生。
（3）平直西风—高压南部型
500 hPa高度平直西风控制下的我国中西部地区以纬向环流为主，内蒙古中西部地区大气环流稳定，缺乏南北气流交换，风速较低，不利于大气污染物扩散。海平面气压场为高压南部型，贝加尔湖附近及以南受到高压控制，内蒙古中西部位于高压南侧的高低压过渡区，地面受东北风和偏北风影响，风速较小，不利于污染物扩散。此外，东南风可能引起气温升高，促进光化学反应，进而增加O3污染的发生概率。
（4）脊前西北气流—低压南部型
高空以径向环流为主，500 hPa为脊前西北气流型。海平面气压场为低压南部型，从贝加尔湖以南到内蒙古西部为东北向的低压控制，内蒙古中西部地区位于低压区南部，存在西北风与西南风辐合，不利于污染物扩散。另外，受西南风影响，气温容易回升。阴山山脉的地形效应导致污染物在其南侧聚集，在晴热高温条件下，光化学反应活跃，易发生O3污染。
（5）脊前西北气流—均压场型
500 hPa为脊前西北气流型。海平面气压场为均压场型。高空以经向环流为主，内蒙古中西部地区受脊前西北气流影响，天气晴朗，太阳辐射强，气温升高，为光化学反应提供了有利条件。地面为弱低压或均压场，存在弱辐合，水平风速小，边界层呈静稳状态，使污染物不断聚积，光化学反应生成的O3增多，易发生O3污染。
2.2 不同环流配置下O3污染情况
2015—2021年，内蒙古中西部地区的O3污染与500 hPa环流场和海平面气压场中的大尺度环流形势及其配置密切相关。不同环流配置类型O3污染情况如图3所示。类型1，O3_8 h为154~168 μg·m-3，其中鄂尔多斯最高，乌海最低；O3超标率为30%~65%，阿拉善超标率最高，巴彦淖尔最低。类型2，O3_8 h为158~175 μg·m-3，其中鄂尔多斯最高，阿拉善最低；O3超标率为43%~78%，包头超标率最高，巴彦淖尔最低。类型3，O3_8 h为163~171 μg·m-3，其中鄂尔多斯最高，呼和浩特和巴彦淖尔最低；O3超标率为37%~72%，鄂尔多斯超标率最高，巴彦淖尔最低。类型4，O3_8 h为157~172 μg·m-3，鄂尔多斯最高，乌海最低；O3超标率为48%~67%，鄂尔多斯最高，乌海最低。类型5，O3_8 h为155~163 μg·m-3，其中，鄂尔多斯最高，阿拉善最低；O3超标率为30%~78%，乌海最高，阿拉善最低。
图3
图3
不同天气型下内蒙古中西部地区O3污染特征
（黑色线杆代表质量浓度±标准差）
Fig.3
Characteristics of O3 pollution in central and western Inner Mongolia under different weather patterns
（The black bars represent the concentration ± standard deviation）
5种环流配置类型中，类型2（脊前西北气流—低压控制型）O3_8 h和O3超标率最高，表明O3污染在该类型下最为严重，尤其是东部地区。其次，类型3（平直西风—高压南部型）和类型4（脊前西北气流—低压南部型），也表现出较高的O3污染倾向，影响整个内蒙中西部地区。类型1（高压脊—均压场型）主要在内蒙古东南部和阿拉善地区易发生O3污染，而类型5（脊前西北气流—均压场型）的O3_8 h最低。
具体到各地区的O3超标情况，阿拉善在类型1（高压脊—均压场型）超标率最高；乌海和鄂尔多斯在类型5（脊前西北气流—均压型）超标率最高；巴彦淖尔在类型4（脊前西北气流—低压南部型）超标率最高；包头和呼和浩特在类型2（脊前西北气流—低压控制型）超标率最高。此外，阿拉善和乌海在类型3（平直西风—高压南部型）O3_8 h最高，而其他城市在类型2（脊前西北气流—低压控制型）最高。
2.3 典型个例分析
选取2016年7月3—8日、2017年6月26日—7月3日、2017年7月11—19日、2018年6月14—18日4次典型区域性O3污染过程（分别简称“过程1、2、3、4”）进行分析（图4），4次过程中O3_8 h分别为255、231、256、247 μg·m-3。
图4
图4
内蒙古中西部地区4次典型区域性O3污染过程实况
Fig.4
Actual situation of four typical regional O3 pollution processes in central and western Inner Mongolia
2.3.1 环流场分析
从图5可看出，4次过程中，500 hPa亚洲中高纬环流显示出较大的径向度和明显的斜压性，伴有较强暖平流，有利于低层减压。过程1受副热带高压（简称“副高”）西部边缘影响，过程2和过程4受高压前部东北气流影响并处于高层暖脊控制下，而过程3则受强盛高压脊控制。在这些情况下，内蒙古中西部地区普遍存在下沉气流，天气晴朗且日照强烈，易出现35 ℃以上高温天气，有利于光化学反应的发生，从而导致出现O3污染。
图5
图5
内蒙古中西部地区过程1（a）、过程2（b）、过程3（c）、过程4（d）500 hPa位势高度场（黑色实线，单位：dagpm）及温度场（红色虚线，单位：℃）
Fig.5
The 500 hPa geopotential height fields （black solid lines， Unit： dagpm） and temperature fields （red dashed lines， Unit： ℃） in the central and western regions of Inner Mongolia at Process 1 （a）， Process 2 （b）， Process 3 （c）， and Process 4 （d）
700 hPa（图略）和850 hPa（图略）环流形势与500 hPa类似，过程1、2、3均位于低压前部，伴有暖中心和偏南风；海平面气压场均为低压前部型（图略），受东南气流控制，有利于气温升高且存在弱辐合现象，不利于污染物扩散，为O3污染的发生提供有利条件。过程4则受高压控制，并伴有暖中心，海平面气压场为高压南部型，天气晴好且利于气温上升，光化学反应导致O3浓度不断升高，特别是在最高气温出现前后，O3污染更为严重。
2.3.2 近地层气象要素对O3污染的影响
4次过程中低层均存在逆温层或等温层，逆温强度为0.556~2.339 ℃·（100 m）-1，O3_8 h为179~232 μg·m-3。逆温强度的增加加剧了O3污染的程度和持续时间，特别是清晨和傍晚。由于逆温多为贴地逆温，其强度大且厚度小，限制了垂直气象扩散条件，导致近地层污染物只能在较低空间内聚积（陈荣等，2023）。
地面日最高气温和12：00—18：00平均相对湿度与O3_8 h存在明显相关（图6）。4次典型区域O3污染过程中，乌海最高气温超过33 ℃，阿拉善、巴彦淖尔、包头超过30 ℃，鄂尔多斯、呼和浩特超过27 ℃。平均相对湿度方面，鄂尔多斯和呼和浩特为15%~45%，其他城市≤30%。
图6
图6
内蒙古中西部地区4次典型区域性O3污染过程的日最高气温、O3_8 h和平均相对湿度
Fig.6
Maximum temperature， O3_8 h and average relative humidity during four typical regional O3 pollution processes in central and western Inner Mongolia
O3浓度超标通常与晴朗且日照强烈的天气条件有关，这有利于光化学反应的发生。4次过程中（图略），阿拉善、乌海、巴彦淖尔的日照时数均≥10 h，鄂尔多斯≥9 h，包头和呼和浩特≥8 h。
各城市的O3污染与特定的风向和风速有关。图7为内蒙古中西部地区4次典型区域性O3污染过程中O3_8 h及风向、风速的分布，可看出，阿拉善的O3污染主要在东南风条件下发生，风速为2.0~5.0 m∙s-1；乌海的O3污染主要出现在东南风、南风和西南风条件下，风速为2.0~4.0 m∙s-1；巴彦淖尔主要在东北风条件下发生，风速为2.0~5.0 m∙s-1，其中东南风时O3_8 h较高；鄂尔多斯的O3污染以东南风和西南风为主，风速为1.5~4.0 m∙s-1；包头在各个风向上均可能出现O3污染，尤其是东南风和偏东风时，风速为1.5~5.0 m∙s-1；呼和浩特在东南风和西北风时发生严重O3污染，风速为2.0~5.0 m∙s-1。
图7
图7
内蒙古中西部地区4次典型区域性O3污染过程中O3_8 h（填色）及风向、风速的分布
Fig.7
Distribution of O3_8 h （shaded）， wind direction and wind speed during four typical regional O3 pollution processes in central and western Inner Mongolia
总体而言，6个城市中，在西南风、南风、东南风时O3_8 h高于其他风向，易发生O3污染，且风速在2.0~5.0 m∙s-1之间。
3 结论
本文使用2015—2021年内蒙古中西部6个盟市的O3质量浓度数据和逐日地面、高空气象观测资料及ECWFM再分析资料综合分析了该地区的区域性O3污染过程，得到以下主要结论。
（1）内蒙古中西部地区的O3污染过程在500 hPa和海平面气压场中可划分为5种环流配置类型：高压脊—均压场型、脊前西北气流—低压控制型、平直西风—高压南部型、脊前西北气流—低压南部型、脊前西北气流—均压场型。其中，阿拉善和乌海地区在平直西风—高压南部型最易发生O3污染，而其他城市则以脊前西北气流—低压控制型下最易发生O3污染。
（2）O3污染的主要大气环流背景是高空受暖高压脊或脊前西北气流控制，地面则受热低压和均压场影响。这种配置下天气晴好、气温较高，有利于光化学反应的发生，导致O3浓度升高，从而触发O3污染。另一种环流形势是高空为平直西风气流，地面为暖高压，风速较小，不利于污染物扩散，导致近地层NOX等前体物浓度升高，进一步促进O3污染的形成。
（3）典型的区域性O3污染过程多发生在有利的大气环流形势下，边界层存在逆温层或等温层。逆温强度越强，垂直扩散条件越差，不利于近地面污染物的扩散。地面最高气温、日照时数和平均相对湿度对O3污染具有联合作用。在阿拉善、乌海和巴彦淖尔，O3浓度超标时，最高气温通常≥30 ℃，日照时数≥10 h，平均相对湿度≤30%；在鄂尔多斯、包头和呼和浩特，O3浓度超标时，最高气温通常≥27 ℃，日照时数≥8 h，平均相对湿度为15%~45%。此外，当风向为西南风、南风或东南风，风速为2.0~5.0 m∙s-1时，更易出现O3污染。
参考文献
Exploring 2016-2017 surface ozone pollution over China: Source contributions and meteorological influences
[J].
广州2014—2019年气象条件对O3污染影响的定量评估
[J].
O3质量浓度受气象因子和污染源排放共同影响,为了定量化评估污染控制措施减排对广州市O3质量浓度影响的效果,需将由污染源排放的O3质量浓度数据分离出来。利用Kolmogorov-Zurbenko(KZ)滤波将广州市2014—2019年逐日O3质量浓度数据和同期气象数据分解为长期分量、短期分量和季节分量,计算各分量方差对原始时间序列方差的贡献率;结合多元线性逐步回归方法建立O3质量浓度各分量与相应尺度气象要素的线型回归模型,将气象因子和污染源排放对O3质量浓度的贡献分离开来,得到仅由气象条件影响的O3质量浓度贡献。分析结果表明:(1)广州O3质量浓度长期序列总体呈波动上升趋势,季节分量和短期分量波动基本一致,季节分量表现为春末夏初O3质量浓度出现高值,夏末秋初出现次高峰,冬季谷值;(2)分析各分量方差对O3质量浓度原始序列总方差的贡献率发现,短期分量方差贡献率最大,其次为季节分量,长期分量方差贡献最小,表明广州O3质量浓度的波动主要由前体物排放和气象条件的季节和短期变化引起,长期排放及气候条件的变化并不是引起监测波动的主要原因;(3)从解释方差来看,气象变量对O3质量浓度长期分量的解释能力最高,季节分量其次;(4)经逐步回归消除气象条件影响的O3质量浓度长期分量有波动下降趋势,结合2014—2019年O3污染有所加重,表明这几年广州气象条件对O3扩散不利。
银川市大气边界层逆温影响因素及其与冬季PM2.5的关系
[J].为了探究银川市大气边界层逆温特征和影响因素及其与冬季PM2.5污染的关系，利用2015—2020年银川气象站探空、地面气象观测资料及银川市空气质量监测数据，在分析银川市大气边界层逆温及地面气象要素特征基础上，以冬季为研究时段，探讨逆温与地面气象要素对PM2.5污染的影响。结果表明：（1）银川市清晨大气边界层较傍晚更易出现逆温，且逆温多为贴地逆温，贴地逆温较悬浮逆温强度大、厚度小；逆温频率和厚度冬季最大、夏季最小，逆温强度秋季最强、夏季最弱。（2）冬季晴天，地面平均风速1.0~1.5 m·s-1、相对湿度30%~60%的气象条件下易出现逆温。（3）贴地逆温是影响冬季PM2.5污染天气的主要气象因素之一，当逆温厚度超过596 m、强度超过1.4 ℃·（100 m）-1时，易出现PM2.5污染天气，且随着逆温厚度增大、强度增强，污染加重。（4）冬季PM2.5污染天气下，清晨天空状况多为晴天，通常地面平均风速小于1.3 m·s-1、相对湿度大于54%，且随着湿度增大污染加重。（5）边界层高度与PM2.5质量浓度存在显著负相关，边界层高度越低，PM2.5污染越重。
2014—2020年关中地区近地面臭氧污染特征及气象条件分析
[J].关中作为西北地区最重要的城市群落，近年来O3污染逐渐成为影响当地空气质量的突出问题，探究其变化特征和影响因素对该地区大气环境治理有重要意义。基于2014—2020年关中地区5地市国控环境监测站O3质量浓度逐小时观测资料和国家气象站地面气象要素逐小时观测资料，对比分析关中地区近地面O3污染特征及其气象影响因素。结果表明：（1）近7 a来，O3已逐渐取代PM10成为关中地区仅次于PM2.5的大气首要污染物，以O3为首要污染物的天数占比总体呈波动增加态势。（2）关中地区O3质量浓度呈典型的单峰型月际、日变化，夏季（6—8月）浓度较高，且浓度值自西安、咸阳、渭南、铜川、宝鸡依次减小;07：00—08：00为谷值，15：00—16：00为峰值。（3）当最高气温大于36 ℃、相对湿度为45%~70%、平均风速为2~3 m·s-1时，关中地区O3易超标，且最高气温越高，O3超标率越大;西安、铜川、咸阳、渭南O3污染的有利风向为东北风（NE），而宝鸡则为东南风（SE）或西北风（NW）。（4）源自河南中西部的偏东路径是影响西安夏季O3质量浓度最主要的传输路径，除本省相邻城市影响外，河南中西部、山西南部运城及湖北北部也是西安O3污染主要的潜在贡献源区。
河北沧州市臭氧质量浓度与气象因子的关系分析
[J].利用2014—2020年河北沧州逐小时气象与环境监测数据,对沧州市臭氧(O3)污染加剧现状及其与气象因子的关系进行分析。结果表明:(1)沧州地区O3污染呈加剧态势,且O3已上升为该地区首要污染物;O3污染集中出现在5—9月,O3质量浓度日变化呈单峰单谷型,最大浓度出现在16:00前后;(2)5—9月O3日最大8 h平均质量浓度(简称“O3-8 h”)所处时段,平均气温、最高气温、相对湿度、总辐射辐照度与O3质量浓度的相关性较好,本站气压、水汽压和平均风速与O3质量浓度的相关性未通过显著性检验;(3)5—9月O3-8 h时段,当同时满足8 h平均气温高于30.9 ℃、最高气温高于32.7 ℃、平均相对湿度低于42.1%、平均总辐射辐照度高于505.8 W·m-2时,出现O3污染的概率达84%;(4)气象因子不是O3小时质量浓度快速增长的充分条件。
