台风外围静小风加深的成因机制

The Analysis of Cause Mechanism of Weak Winds Deepening in the Peripheral Subsidence Region of Typhoon

摘要: 台风是引起珠三角地区高臭氧污染发生的典型天气系统。台风发生时其外围下沉区气象要素会发生显著变化。比如，高温、低湿、高辐射以及近地面出现静小风等。气象要素的显著变化是高浓度臭氧发生的主要原因而非排放源的突然增加。很多研究表明：边界层内静小风不利于臭氧污染的扩散，是臭氧污染发生的一个重要气象因素。并且，相关研究指出，台风发生时其外围下沉区不仅会出现静小风而且会出现静小风厚度加深。静小风厚度加深不利于边界层上层臭氧污染的扩散，在垂直混合作用下，上层臭氧污染会被带到地面，从而引起地面高臭氧污染的发生。热成分理论可以一定成都上解释静小风厚度加深的成因机制。

Abstract: Typhoons are a typical weather system that triggers high ozone pollution in the Pearl River Delta region. When a typhoon occurs, significant changes take place in meteorological factors within its peripheral subsidence zone, such as high temperatures, low humidity, intense solar radiation, and calm or light winds near the surface. These pronounced changes in meteorological conditions, rather than a sudden increase in emission sources, are the primary cause of high-concentration ozone events. Numerous studies have shown that calm or light winds within the boundary layer hinder the dispersion of ozone pollution, serving as a key meteorological factor in ozone pollution episodes. Furthermore, relevant research indicates that during typhoon events, not only do calm or light winds occur in the peripheral subsidence zone, but the depth of the calm-wind layer also increases. The thickening of this calm-wind layer impedes the diffusion of ozone pollution in the upper boundary layer. Through vertical mixing, ozone pollution from the upper layers is transported to the surface, leading to the occurrence of high ground-level ozone pollution. The thermal component theory can, to some extent, explain the formation mechanism behind the deepening of the calm-wind layer.

1. 引言

珠江三角洲位于中国南部沿海地区，经常受台风系统影响，经历了重大的经济发展和城市化，并伴随着空气污染大幅增加和能见度下降(Wang et al., 1998 [1], 2001 [2]; Lai and Sequeira, 2001 [3])。臭氧污染是该地区最重要的空气污染挑战，并自2014年以来一直是“主要污染物”(Ministry of Ecology and Environment of China, 2016 [4])。臭氧除了对人类健康有害，还对植被和农作物等有有害影响(Aunan et al., 2000 [5]; Felzer et al., 2007 [6]; Feng et al., 2015 [7])。臭氧浓度取决于其前体物质的光化学反应和当地气象条件。然而，臭氧污染事件主要是由天气条件而非排放源突然增加所触发的(Ziomas et al., 1995 [8]; Giorgi and Meleux, 2007 [9]; Lin et al., 2019 [10]; Li et al., 2018 [11])。

许多研究(Gao et al., 2018)已经将影响区域污染事件的天气型分为多种类型，如冷锋、移向海洋的冷高压系统、均匀气压场、西太平洋副热带高压、热带气旋外围和弱冷高压脊等[12]。多项研究利用观测数据报告了热带气旋活动对有利于珠江三角洲地区空气污染的气象因素的影响(Feng et al., 2007 [13]; Chen et al., 2008 [14]; Wu et al., 2013 [15])。热带气旋是导致珠江三角洲地区高臭氧和PM2.5污染的典型天气系统( Deng et al., 2019 [16])。

中国广东珠江三角洲及其他沿海地区的先前研究已经表明台风对臭氧(TC-臭氧)事件产生有着显著影响。TC-臭氧事件通常发生在高温、高辐射通量、低相对湿度和静小风等气象条件下。基于观测和数值模拟的研究表明，TC-臭氧事件与静小风有关。研究指出：台风外围下沉区会出现静小风，该静小风不利于臭氧污染的扩散，从而有利于臭氧浓度的升高；除此之外，台风外围下沉区静小风厚度也会有所加深，从而不利于边界层上层臭氧污染的扩散，垂直混合会将此处高臭氧浓度带到近地面，从而导致臭氧浓度的升高(Li et al., 2022 [17])。

台风外围下沉区静小风作为对臭氧污染有着重要影响的气象因子之一，之前的研究仅仅是对静小风以及静小风厚度加深对臭氧污染影响的机制进行了分析，而对静小风及其厚度加深的成因机制没有相关研究。为了更好的进行空气质量预报和预防，本研究通过热成分理论探讨台风外围下沉区静小风厚度加深的成因机制。第2节提供了详细数据，第3节给出静小风厚度加深的成因机制。结论总结在第4节。

2. 数据

在这项研究中，我们获取了中国大陆2016年的逐小时地面臭氧浓度数据，数据由中国环境保护部提供。我们使用中国气象局提供的3D风廓线雷达数据、自动气象站数据、云数据和太阳辐射测量数据进行台风尼伯特的气象分析。描述台风尼伯特环流的全球再分析数据(FNL)来自美国国家环境预报中心(NCEP)，水平分辨率为1˚ × 1˚，有27个垂向层面。

3. 静小风成因机制分析

3.1. 台风外围水平风特征

台风是有利于珠三角地区高O₃污染发生的典型天气系统。观测数据表明：台风发生时其外围往往伴随高温低湿、高辐射以及静小风等气象条件。研究分析认为：这些气象条件是O₃污染发生的主要原因而不是排放源的突然增加。李莹等人的最新研究进一步指出：台风外围下沉区不仅会出现静小风，而且会出现静小风厚度较深；静小风厚度较深不利于边界层中上层O₃浓度的扩散，垂直混合会把此处高浓度O₃带到地面，从而导致地面O₃浓度的显著升高。图1是广东省59284和59486风廓线雷达站水平风速演变。在台风尼伯特发生期间，其外围下沉气流区明显出现静小风厚度加深现象，并且伴随静小风厚度加深，出现O₃浓度的显著升高。

Figure 1. The profile evolution of horizontal wind speed from 3 to 13 July. The black solid lines are the surface ozone concentrations at (a) 59284 and (b) 59486 wind profile radar station

图1. 7.3~7.13日水平风速廓线演变。黑色实线分别是59284 (a)和59486 (b)风廓线雷达站地面O₃浓度

3.2. 台风外围水平风特征成因分析

由热成风公式(1)式可知，热成风是高层地转风与低层地转风之差，即高层地转风为低层地转风与热成风之和，如(2)式所示。在自由大气中，一般用地转风近似实际风，静小风厚度的加深也可以理解为高层风速的减小。因此，根据公式(2)，温度分布不均匀引起的热成风的变化将会对高层风速的大小有着一定影响。

${\overrightarrow{V}}_T={\overrightarrow{V}}_{g1}-{\overrightarrow{V}}_{g0}$ (1)

或

${\overrightarrow{V}}_{g1}={\overrightarrow{V}}_{g0}+{\overrightarrow{V}}_T$ (2)

图2(a)~(d)分别为7月7日08时、7月7日14时、7月8日08时以及7月8日14时700 hPa广东地区温度分布图。由图可知，在700 hPa各时刻均表现出广东省中东部温度高于西部温度，并且随着时间的推移，高温区有西移的趋势，这与台风西移从而外围下沉高温区西移相一致。根据热成风原理，背风而立，高温在右，低温在左。因此，台风外围下沉气流导致的温度分布不均匀，使得产生偏南的热成风，部分地区产生偏西的热成风。如图3(b)、图3(d)、图3(f)、图3(h)所示。图3(b)、图3(d)、图3(f)、图3(h)分别为7月7日08时、14时和7月8日08时、14时700 hpa热成风。图3(a)、图3(c)、图3(e)、图3(g)分别为7月7日08时、14时以及7月8日08时、14时700 hpa地转风。由图可知，700 hPa热成风基本表现为偏南风或者偏西风；700 hPa地转风基本表现为偏南风或者偏西风。因此，根据(2)式，台风下沉气流引起的东西温度差异产生的热成分对高层地转风有减弱作用。

Figure 2. The temperature distribution at 700 hPa in Guangdong ((a): 08:00 on July 7; (b): 14:00 on July 7; (c): 08:00 on July 8; (d): 14:00 on July 8), unit: K

图2. 广东省700 hPa温度分布((a)：7月7日08:00；(b)：7月7日14:00；(c)：7月8日08:00；(d)：7月8日14:00)，单位：K

为了直观展现热成风对地转风影响的垂直分布，图4给出广东省东部地区(图2(a)中黑色方框D1所围区域)与西部地区(图2(a)中黑色方框D2所围区域)平均温度差垂直廓线。从图4可以看出，7月5日和7月6日，低层东西部的温度差异大于7月7日和7月8日，但随着高度的增加，温度差异迅速减小。800 hPa时，温度差异基本减少到0，并在800和600 hPa之间保持在0值。这表明在800~600 hPa之间，东西部的温度梯度较小。因此，热风对地转风场的减弱效应较小，因此弱风的深度较低。虽然7月7日和7月8日低层的东西部温度差异较小，但随着高度的增加，温度差异增加。温度差异在700 hPa左右达到最大值1。这表明在800和600 hPa之间，温度梯度大，热风较大，对地转风的减弱效应更大。因此，弱风的深度更深。7月11日，广东不再处于热带气旋外围下沉区。从7月11日东西部地区平均温度差的剖面图可以看出，当时广东西部的温度高于东部，因此热风将从原先的南风变为北风，这将有助于风速增加。这与图1中弱风深度减少的情况是一致的。

Figure 3. (b), (d), (f), and (h) are the thermal wind at 700 hPa at 08:00 on July 7, 14:00 on July 7, 08:00 on July 8, and 14:00 on July 8 respectively; (a), (c), (e), and (g) are the geostrophic wind at 700 hPa at 08:00 on July 7, 14:00 on July 7, 08:00 on July 8, and 14:00 on July 8 respectively, unit: m/s

图3. (b)、(d)、(f)和(h)分别为7月7日08:00、7月7日14:00、7月8日08:00和7月8日14:00时700 hPa热成风；(a)、(c)、(e)和(g)分别为7月7日08:00、7月7日14:00、7月8日08:00和7月8日14:00时700 hPa地转风，单位：米/秒

Figure 4. The vertical profiles of the difference in regional average temperature between D1 and D2 from 1000 to 600 hPa on July 5, July 6, July 7, July 8 and July 11, unit: K

图4. 7月5日、7月6日、7月7日、7月8日和7月11日1000 hpa~600 hpa D1和D2区域平均温差垂直廓线

总的说来，当广东处于热带气旋外围下沉区时，下沉会导致云量减少、辐射增加，使得广东气温异常上升，导致温度分布不均匀。温度分布不均匀产生的热成风对高空风可能会有一定的抑制作用，从而导致静小风厚度的加深。

4. 总结

台风是有利于珠三角地区高O₃污染发生的典型天气系统。台风发生时其外围下沉区会引起温度、湿度、风速等气象要素的显著变化。这些气象要素的显著变化是O₃污染发生的主要触发机制而不是排放源的突然增加。静小风厚度加深是一个对O₃污染发生有重要影响的气象因子。静小风厚度的加深不利于边界层上层臭氧污染的扩散，垂直混合会将边界层上层高浓度O₃带到地面，从而有利于地面O₃浓度的生高。静小风厚度的加深是台风外围下沉气流区温度异常升高引起的温度分布不均匀产生的热成风导致。

基金项目

滁州学院科研启动基金资助项目(No. 2022qd022)；安徽省高校优秀科研创新团队资助(2024AH010023)。