关中地区五城市臭氧污染的气象影响定量评估及其对区域臭氧管控的启示

《Toxics》：Quantitative Evaluation of Meteorological Impacts on Ozone Pollution in Five Cities of China’s Guanzhong Region: Implications for Regional Ozone Pollution Control

　　

臭氧（O3）污染已成为制约中国内陆典型半封闭地形——关中地区空气质量改善的重要因素。基于2019至2023年关中地区五个关键城市的逐时空气质量与气象观测数据，本研究利用相关性分析、气象综合指数（Meteorology Synthetic Index，MSI）以及用于识别山谷风日的矢量风分解法，探究了O3的时空演变特征及其对气象驱动因子的响应。结果表明，区域年均O3浓度总体呈上升趋势，月峰值出现在6至7月，时峰值出现在北京时间14:00至17:00。值得注意的是，夜间O3增幅约为白天的四倍，表明存在显著的夜间累积效应。空间上，O3水平呈现西低东南高的格局，西安与咸阳为持续高值区。在关中地区，O3超标日频繁出现在气温高于30°C、相对湿度低于50%、风速小于4 m·s?1的气象条件下。在非污染日，气象因子可解释MDA8 O3方差的35%，而在中重度污染事件期间，该解释力降至4%。山谷风日占总天数的43%，其MDA8 O3水平比非山谷风日高出12.6 ± 5.7 μg·m?3。这种差异在白天的谷风阶段最为显著，并在中重度污染事件中进一步加剧。谷风对O3产生的差异化昼夜增强效应进一步补充了全球关于地形诱导型O3停滞的知识体系，为亚洲、北美和欧洲同类盆地区域的O3削减提供了分层级、跨区域的协同管控指导。

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一、研究背景与科学问题

近年来，随着中国大气细颗粒物（PM_2.5）浓度的显著下降，臭氧（O₃）污染问题日益凸显，已成为仅次于PM_2.5的影响中国空气质量的主要污染物。O₃是一种二次污染物，由氮氧化物（NO_x）和挥发性有机物（VOCs）在太阳紫外辐射作用下经光化学反应生成。其生成与积累受到前体物排放、气象条件及地形效应的共同调控。高温、低湿、强辐射等气象条件可加速O₃的形成，而复杂地形如盆地中的山谷风环流则可能促进污染物的局地累积与再循环，加剧区域污染。

关中地区位于中国内陆中部，南依秦岭、北靠黄土高原，形成典型的半封闭盆地地形——渭河盆地。该地区工业密集、城市化进程快，加之盆地地形对污染物扩散的限制，使其成为中国O₃污染最严重的区域之一。尽管已有研究关注了其他盆地地区的山谷风对O₃的影响，但针对关中地区仍存在两个显著不足：一是缺乏多年尺度的系统观测分析来量化山谷风对O₃日变化尤其是夜间累积的调制作用；二是尚未充分评估在不同情景下（普通日 vs. 中重度污染事件）综合气象信号对O₃变异的解释能力。为此，本研究聚焦关中五市（西安、咸阳、渭南、宝鸡、铜川），利用2019至2023年的长期监测数据，系统分析了O₃的时空演变规律及其与气象因素和山谷风环流的关联，旨在为区域O₃污染预警与精准管控提供科学依据。

二、关键技术方法

研究人员采用了几种关键分析方法：首先，运用皮尔逊相关分析法检验MDA8 O₃浓度与气温、湿度、风速、气压等气象要素的相关性；其次，构建了气象综合指数（Meteorology Synthetic Index，MSI），该指数由光化学反应条件（Photochemical Reaction Condition，PRC，即温度与紫外辐射的乘积）和物理扩散能力（Physical Dispersion Capacity，PDC，即标准化风速）的比值构成，用以综合表征气象条件对O₃形成的有利程度；最后，采用矢量风分解法识别山谷风日，通过计算逐时风的局地分量并根据各城市地形特征设定风向阈值，将同时满足夜间山风（20:00至次日07:00）和白天谷风（08:00至19:00）各自持续至少4小时的日子判定为山谷风日。研究数据来源于陕西省空气质量监测平台及欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的ERA5再分析资料。

三、主要研究结果

3.1 O₃变化特征及其对空气质量的影响

时间变化： 2019至2023年间，区域年均O₃浓度总体呈先降后升趋势。西安和咸阳的年O₃评估值（日均MDA8 O₃的第90百分位数）分别从2019年的166和162 μg·m^?3升至2023年的172和171 μg·m^?3，而渭南和铜川呈小幅波动下降，宝鸡则略有上升。月峰值集中在6至7月，时峰值出现在14:00至17:00。五年间，夜间（20:00至次日06:00）平均O₃浓度从52 μg·m^?3增至59 μg·m^?3，增幅达13.4%，约为白天增幅（3.0%）的四倍，表明夜间累积效应显著。

空间分布： O₃浓度呈西低东南高的格局，西安、咸阳及渭南南部为持续高值区，宝鸡和铜川浓度较低。2022至2023年污染面积迅速扩大。

对空气质量的影响： O₃对空气质量综合指数的贡献率逐年上升，五年间在多数城市增加4至5个百分点。O₃作为首要污染物的天数共计922天，其中92.4%为轻度污染日。

3.2 气象因子对O₃浓度的影响

相关性分析： MDA8 O₃与日最高气温和风速呈显著正相关，与相对湿度和气压多呈负相关，但城际间存在差异。

超标日气象特征： 在973个O₃超标日中，84.6%伴随日最高气温超过30°C，72.3%的相对湿度低于50%，98.8%的风速低于4 m·s^?1，表明高温、干燥、静稳是超标事件的常见气象背景。

MSI定量评估： MSI与MDA8 O₃在五市均表现出较好的拟合关系。在全有效日样本中，MSI可解释约35%的O₃方差，但在中重度污染事件中，解释力骤降至约4%。这表明在严重污染时，前体物排放、非线性光化学反应及区域传输等因素的主导作用增强。

3.3 山谷风对O₃浓度的影响

分布特征： 2019至2023年，各城市年均山谷风日数为155±41天，宝鸡最多，渭南最少。山谷风日数与O₃浓度的年际变化趋势一致，均在2022年达到峰值。

对日均O₃的影响： 山谷风日的MDA8 O₃普遍高于非山谷风日，五市平均差值达12.6±5.7 μg·m^?3，其中宝鸡差值最大（21 μg·m^?3），铜川最小（4 μg·m^?3）。差异在暖季尤为显著。

对逐时O₃的影响： 山谷风日的逐时O₃浓度整体更高，差异从09:00开始增大，于15:00至19:00（谷风最强时段）达到最大。在中重度污染条件下，差异进一步扩大，尤其在西安和宝鸡的傍晚至夜间时段更为明显。夜间O₃在山谷风日显著高于非山谷风日（西安+5.71 μg·m^?3、咸阳+3.68 μg·m^?3、渭南+4.33 μg·m^?3、宝鸡+2.66 μg·m^?3），但铜川无显著差异。重污染下，仅西安和宝鸡的夜间差异保持统计显著。

四、讨论与结论

研究人员在讨论中指出，上述发现为关中地区O₃污染的分级、分区管控提供了重要依据。气象条件虽不可人为调控，但历史观测到的超标气象范围（气温>30°C、相对湿度<50%、风速<4 m·s^?1）可作为高风险预警的参考指标，结合实时前体物排放背景，提前启动减排措施。鉴于山谷风环流对O₃的显著增强作用，单城市管控难以阻断污染物的区域传输与反馈，必须强化五市间的协同防控与统一规划。此外，应加强气象场与O₃生成、输送过程的耦合模拟，提升预报精度。

研究结论部分翻译如下：

2019至2023年间，区域O₃基线浓度显著上升，高浓度区域水平亦呈升高趋势。西安和咸阳的年O₃评估值呈波动上升，渭南和铜川呈小幅波动下降，宝鸡略有上升。O₃峰值主要集中在6至7月，时峰值出现在14:00至17:00。五年间夜间O₃增幅（13.4%）是白天（3.0%）的四倍。空间上呈西低东南高格局。O₃对空气质量综合指数的贡献逐年增加。气象因子对O₃变异具有显著影响，MDA8 O₃与日最高气温和风速呈显著正相关。超标事件多发生在气温>30°C、相对湿度<50%、风速<4 m·s^?1的条件下。MSI在全有效日可解释约35%的MDA8 O₃方差，但在中重度污染条件下降至约4%。

山谷风环流总体上有利于提高关中大部分盆地和平原城市的O₃浓度，但在重污染条件下其影响的空间异质性增强。山谷风日的MDA8 O₃比非山谷风日高出12.6±5.7 μg·m^?3。自助法比较显示，在正常条件下，西安、咸阳、渭南和宝鸡的夜间O₃在山谷风日显著升高，但铜川不显著。重污染条件下，仅西安和宝鸡的差异保持统计显著。这些发现揭示了局地环流与夜间O₃之间的空间异质性关联，但并未确立山谷风是导致所观察差异的唯一或主导原因。

对于受山谷风环流强烈影响的盆地地区，未来应着力改进气象-空气质量集成预报，加强跨区域联防联控，实施针对性前体物减排，并推进更一体化的区域治理，从而为同类盆地环境的精准O₃污染控制提供更坚实的科学基础。