PDF《烟雾 污染的气象条件》

第6卷第3期1986年9月环境科ACTASCIENTIAE学学报CIRCUMSTANTIAEVol.

6,No.感SePtembe t ,

19 8

6 兰州西固工业区夏季J光化学烟雾污染的气象条件陈长和 黄建国任阵 海彭贤安 (兰州 大学地理系) ( 中国环境科学研究院) 通过对兰州 西固工 业区 光化 学烟雾污染规律与气象条件 的关 系的研 究表明,在高 空槽后的低空弱高压控制下 , 西固 区出现高的臭氧浓度值 . 此 时大气层结稳定 , 风很 小.天气晴朗 . 但中午有浓重烟雾 . 臭氧浓度峰值在中午出现 . 该 区盆地内形成 的光化学烟 雾烟团水平面积达几 卜 公里 . 臭氧浓度的 日变化取决 于太阳总辐 射和大气边界层 的日 变化 . 关抽询 : 光化 学烟雾 ;

气象条件 ;

臭氧浓度 ;

臭氧输送 .

一、RlJ言随着我 国石油 化学 工业 的迅速 发展,光化学 烟 雾的污 染 问题 已引 起重抓 : : 兰州西周 区在七十年 代 中期开 始发 现有光 化学 烟雾 污染 的征 兆,并经

1 9

7 6 一19

8 0 年 的多次调 查所 证炙,该他尽在夏季 晴天 常被 烟雾笼 罩,居民感觉 眼和呼毋道 受瓤激 , 填知也受 到显著 危害.'

,___.兰州西 固区位 于青 藏高原 东侧 、 黄河 河谷 之中,海拔

1 5

6 0 m . 河谷东西长 ZOk m , 南北最宽 处约

7 k m , 四 周群 山环 绕,山的相 对 高度为

3 0

0 一SD0m.西固区是 以 石油 化工 为主 的 工业 区,区内各 厂排 出大 量碳 氢化合 物和 氮氧 化物 , 在太 阳紫外 线作用 下转 化为 以臭 氧为主要成 分的光 化学 烟雾.区内电厂 、 众多的锅炉 和其 它工 厂还 排 出二 氧 化硫 、 尘和 其它 污 染物 . 在不利 的 气象 条件下 , 飘 浮在空 气 中的 固态 、 液 态和 气态 的一 次和二 次 污染物在 西固区上空积 聚,造成 空气 污染.从1981年到1983年三 年 夏季 在 兰州西 固区及 附近地 区进 行 了大气 化学 和大气物 理相结合 的综合 性试 验,其中与本 文所 用资料 有关 的项 目有 : 在西 固区及其 下风 方布置 了大气监测 网;

用 手提 臭氧 仪车 载 流动监 测;

气球 携带 自动采 样器 进行 空中采 样监 测;

系留探空仪测大 气温 、 湿、风廓 线;

双向风标风 速 仪测大气 湍流 ;

太 阳辐射 观测 和常 规地面 气 象观 测.从三年 夏季在 西固 区监 测3

2 天的资料 得知,臭氧时均值 超过

1 0

0 p p b 以上 的共1

7 天,其中超过

2 0

0 p p b 的严 重污染 日1

0 天.本文 主 要讨论 重 污染 日出现 的气 象条件 及 污染 物浓度日变化规律 . 吞期陈长和 等:兰州西 固工 业区 夏季光化学烟雾污 染的 气象条件 合3弓

二、重污染 日 的气象条件 从 臭氧监 测 资料 与天气 形势 对 比分析 可见 , 高览槽和对 应 的冷空 气活 动过 程,对本地 区臭 氧浓度 有重大影 响.试验期 间有 两次 冷锋 经过 兰州 , 时 间是

19 8

2 年8月1

5 日和

1 9

8 3 年8月15日.在冷锋 到达 兰州 之前 , 兰州处于高 空槽 前,边界层 内层结 较不 稳定,风速 较大,西固区不 易 出现 污染,臭氧浓 度通 常在IO0 p p b 以下 . 冷 锋过 境,引起降 水,之后兰州处于 高 空槽后 低 空弱高压 区,层结 稳定,风速 微弱.天气虽然 晴朗,但中午前后 烟 雾很 浓,并出现

2 0

0 p p b 以上的臭 氧高 值.图1表明了19

8 3 年8月15日冷 锋降水 前后 矣 氧浓 度和气象因子的 变化 . .口主圈下降水前后臭 氧浓度和气象 因子的 逐 日变化 (

1 9

8 3 .

8 . n 一8 .

2 0 ) 伍:该日奥载最大浓度 ;

九0

0 一九0

0 : 早晨

8 时高度10 0一600.温差 . . 枷:12时300m高度的风速;

护兰 州站8 时地而气压下 O : 拐时s

0 分太阳 总辐射;

l : 招时能见距离;

阴影区 表示降水 . F i g .

1 D i u r n a l e h a n g e s i n o z o n e m e t e o r o lo g i e a l f a e t o r s i n e o n e e 立t r a t i o n a 杯d x i g u a r e a

一、阵卜8月12 日代表冷锋过境 前兰 州天气 , 在七

0 0 m b a r 等压 面图上 , 槽线在我 国新 疆以北,太平 洋副 热带 高压位置 也偏 北,兰州处于副 热带 高压后部西风槽前的 暖湿 气流之中,7Dom b a r 等压面 图上 , 兰州 受暖 空气 控制.由于 兰州位 于 高压后 部西风槽前上 升运 动区内,大气温度 垂 直递减率较大 , 层结 较不 稳定.14日高空 槽东 移,副热 带高压 南退,造成1斤日 、

1 6 日较大范围 的降水 . 此后 数天 兰 州位 于槽 后西北气流之 中,_不断受南下冷空 气的影响 . 在700垃b a r 图上 ( 图3),雨后 兰 州为 弱冷 高压控 制,高压区 的下 沉气流 使大气温度诬 层 结稳定 . 小股冷空 气活 动 或小 的低值 系 统也 可 引起 短时 间降水 , 随 之出现的不 一 很全 明显的辐散 流场也会导致 西固 区严重光 化学 烟雾 污 染的 出现一 认爪卜 : _ _ 一久公,:息3已 环境科学学报6卷t、、、?h川/了,、脚'

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19 55 年s月1

2 日a :

0 0 ) ― 等高线 - 一 等温 线Fig.270

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0 t n b a r 天气图(19

8 3年s月17日8 :

0 0 ) ( 图注同上) F i g .

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0 m b a r i s o b a r i e e h a r t ( A u g .

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12 日和

1 8 日的探测 资料可 用来 说 明上述 冷锋 过境前 后 的边 界层特 征,该资料是用TS一ZA 系 留探空仪探测得 到的 .

1 2 日臭氧最 高时均值 为80 p p b . 从图

4 可见 , 该 日边界 层 内风 速较大 , 层结为 中性 而无显著 日变化 , 大气 稀释扩 散 条件良好 .

1 8 日出现202ppb的高 臭氧值 , 边界层 特征如 图5,夜间有 贴地逆温 , 凌晨逆温延伸到高 度60 0二,上午3期陈长和 等:兰州 西固工业 区 夏季 光化 学烟 雾污染的 气象条件

33 7

1 0 时.8时混 合层开 始发 展,但发 展缓 慢,14时混合 层 高度为

6 0

0 0 . 上午风速微弱 , 中午12时,边界层内 平均风 速仅 l m / s , 此 时臭 氧 出现高 值.'

可见12日与

1 8 日边 界层内大气 稀 释扩 散能力有很 大差 别,从而导致 臭氧浓度的差 别.上述 两天 的太阳总 辐 射值都 较大 , 无m6〔)t, 凡(川舍0布l洲仰00. 3, . t 用日. 目口护叫打, 卜七护吮护, 尔, 尔一介一 皿4轻污染 日边界层特征(

1 9

8 3 年8月1

2 日) 一一等温 线-一等风速 线Fig.4Cliaraeteristiesoftheboundarylayeronadaywithslightpollution(A u g .

1 2 ,

1 9

5 5 )

20 0 仁仁___m000500J400翔目 圈5重污 染 日边界层特征(

1 9

8 3 年8月1

8 日) (横线阴影为逆温层 : 斜线 阴影为混合层 ) F i g .

5 C h a r a e t e r i s t i e s o f t h e b o u n d a r y l a y e r o n a d a y w i t h s e r i o u s P o l l u t i o n ( A u g .

1 8 ,

1 9

8 3 )

3 3

8 环境科学学报6卷显著 差别二_西固 区常在 雨后放 晴 时出现 高浓度 臭氧 , 北 京大学技 术物理 系和 甘肃省环境保 护研 究所等单位 通过 模拟 实验 否定了 几种可 能的大气 化学原因 . 从以上资料分 析我们 认为,雨后 放 晴臭 氧浓度 升高 是 由于天 气过程 影 响边界层 内气象 条件 , 使大 气稀释 扩 散能 力降低所致 . 出现 臭氧高 浓度 值 的外部 条件 , 除了强 的太 阳辐射外 , 气象条件仍是重要因子.

三、西固区臭氧浓度 日变化 西固区形成 臭氧 的前体 物主 要来 源于 工厂 , 排放 源强无 大的昼夜差 别.臭氧 浓度日变化主 要取 决于太 阳辐 射和 气象条件的 日变 化.图6表示

19 8

3 年8月

18、

19、20日三 天臭 氧 浓度 和气象 因子的平 均变 化,图中污 染物浓 度采 用五 个监 测点的平 均值 . 臭 氧峰 值出现在

1 2 时,与太 阳辐 射 峰值相 对应 , 而NO:的峰值 出现 较早 , 在 接近 中午臭氧 浓度迅 速增 加时 , N O Z 浓 度下 降.上述情况与美 国洛 杉 矶光化 学烟雾 的臭 氧和 N O : 峰值出现 时间 接近,尽管洛杉 矶主 要污染 源为 汽车排放 而西固区 以工 厂排放 为主 二西固区气 象 条件的 宜言 扮白4800(日 ) 沈公全?侧形60036004002400200

1 2

0 0 班班班QF19 图6污染物 浓度和 气象 因子 日变化 太阳 总辐射 . 高度5

0 0 m 以下 平均风速 H 混合层 高度

6 D i u r n a

1 e h a n g e s i n t h e e o n e e n t r a t i o n s o f P o l l u t a n t s a n d t h e m e t e o r o l o g i e a l f a e t o r s 特征是上 午风 速小 , 有利于污染物 的积 累,午后 风速增加,臭氧浓 度迅速 减小.上午混合层高度不 断增加,臭氧及其 前体物的 扩 散空 间增 加,但由于 臭氧发 生率很快增加 而 并未影 响臭氧 浓度 的__丘升 . 资料 分析 表明,混合层内比湿q 、 位温 e 和动量u 的 分布是比较均 匀的 ( 图钓 , 但臭 氧浓 度 的垂直 分布 并不 均匀,近地 面浓 度 减小 , 可能 是近 地面排 放的 一 氧化氮 消耗了臭氧所 致.西固区面 源 和低矮 烟 囱排放 氮氧化物 达200kg/h以上,其中主要是一氧化氮.Cla r k 〔 , , 和MacCraeken卿等都 认为NO消耗近地 而臭 氧而 使臭 氧浓 度降低 . 臭氧浓 度水 平分布的 变 化如 图8 . 图8中西 固 区位 于黄河 以南1600m等高 线 以下 的地 区,13个监 测点 资 料表 明了浓 度水平 分布特 征.10对3

0 分,西固 区开 始 出现一 片臭 氧 浓度 大于100ppb的地 区.11寸3

0 分有小 块地 区臭 氧浓 度大于

2 0Op p b , 位 置在 西部 , 与 污染 源集 中地 区对应 .

1 2 时30分高 浓度地 区扩 大,浓度大 于10

0 p p b 的地 区约有

3 0 k m , 而一 般 情况

3 期陈长和 等:兰州 西固_[业区夏季光化学烟雾污 染的气象 条件 夕了声?了q..'

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一、.乙钦O,0八U下,污染 日中午浓度大于 I O0 p p b 的 面积约 在 切一3Ok m Z 范围内 .

1 3 时3 Q分随着东风 风速 增_加,高浓度区向西移 动,西固 区臭 氧浓度有所 降低 . 到扭时

3 0 分,西固区 臭氧 浓度已普遍 降低到100ppb以下.西固区臭 氧浓 度 日变 化可分 为 三个阶段 :

1 、 上 午积累 阶段 , 在风小 、 混 合层 高度 低、太阳辐射 增强的条 件下 , 臭氧 浓度不 断增 加,但前体物二 氧化氮的浓 度则在9时以后 下降.冬中午峰 值阶 段.中午边 界层 内风 速处于最低 值.虽是 夏季 , 但 中午混合 层 高度 仅600m,而太阳总 辐射通量达最 大值,这些 是臭 氧 峰值 出现 的有利气象条 件.西固 电厂是 西 固区 最大的乞 氧化氮排放源 ( 排放量.公.-/产尸 /

3 1

0 ,

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1 0

0 图7Fig混合层 中臭 氧浓度0

3 、 风速公、 比湿q 和位温 O 的垂直 分布

7 V e r t i e a l d i s t r i b u t i o n s o f o z o n e e o n C e n t r a t i o n 渔、 户呀・谧彝爵伊声人一~一一,.一一一-一~图日.臭氧浓度水平分布的 日变化(

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8 3 年8月1

9 日,童位 ;

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19 .

5 D i 取r n a l e 五a n g e s o f h o r i z o n t a l '

d i s t r l b u t i o n o f o z o n e e o n - J e e 五t r 粤t i o n ( p p b ) 环境科学学报6卷为359.69kg/助,在小风 条件下 有效 源高约5

0 0 m , 中午烟 云正好 处于混合 层内,烟气迅速 向地面扩 散,为臭氧 的形成 提 供了充 分的前 体物 . 根 据在 兰州的 平衡气球试 验,小风下的局 地扩散是很大 的帕 . 从这 次试 验的 双 向风 标资料也 可见 , 中午小风 条件下湍强相 当大( 表1).小风条件下 的强扩 散使 污染 物在 盆地 内部弥散成 水平 面积几十平方公 里的 烟团.3.午后 消散 阶段 . 午后 风速增 加,烟团向下风 向 输送 , 混合层 高度继续增 加.午后 对流云 的发展 , 使部分臭 氧被排 入混 合层 以 上大 气中的 . 太 阳辐 射减弱 , 导致奥氧 发生率 减小 . 上 述因 素均可 使臭氧浓度迅速 降低 . 衰!Turbulenee重污 染日小风 条件下的湍强(

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3 年8月2.日) T a b le i n t e n s i t y o n a d a y w ................