冀南地區(qū)近地面O3濃度變化特征及其與氣象因子相關(guān)性分析

張 珺，宋曉輝

(河北省邯鄲市氣象局，河北 邯鄲 056001)

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冀南地區(qū)近地面O3濃度變化特征及其與氣象因子相關(guān)性分析

張 珺，宋曉輝

(河北省邯鄲市氣象局，河北 邯鄲 056001)

摘要：以冀南地區(qū)邯鄲市為研究對象，采用邯鄲市環(huán)境監(jiān)測站近地面O3濃度資料和邯鄲市氣象站同期氣象資料，利用統(tǒng)計和相關(guān)分析方法，結(jié)合O3濃度的分布特征，對O3濃度及其與氣象因素的相關(guān)性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：邯鄲市近3年以O(shè)3為首要污染物的不達(dá)標(biāo)天氣出現(xiàn)了55 d；近地面O3平均濃度以夏季最高，冬季最低；近地面O3濃度受氣溫、降水、風(fēng)、氣壓等氣象條件的影響，它們之間存在一定的相關(guān)性。

關(guān)鍵詞：O3；氣象因子；冀南地區(qū)；相關(guān)分析

我國工業(yè)化進(jìn)程的加快導(dǎo)致城市的大氣污染現(xiàn)象嚴(yán)重，環(huán)境問題已受到越來越多人的關(guān)注。環(huán)保部2015年9月份發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，在8月份全國70多個城市的空氣質(zhì)量不達(dá)標(biāo)的天數(shù)中，O3已連續(xù)4個月成為空氣質(zhì)量超標(biāo)的首要污染物。過量的近地面O3是光化學(xué)煙霧的重要特征污染物，它是由工業(yè)活動和交通排放的氮氧化物通過光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的二次污染物[1-5]。O3濃度除了與局地光化學(xué)反應(yīng)有關(guān)外，還與氣象條件和其前體物NOx、VOCS、CO等的濃度密切相關(guān)。近地面O3對人的眼睛和呼吸系統(tǒng)有強(qiáng)烈的刺激性，其濃度的升高會對越來越多人的健康造成威脅[6-9]。邯鄲市位于河北省最南端，晉冀魯豫四省交界處，當(dāng)?shù)貒?yán)重的空氣污染已引起政府和群眾的普遍關(guān)注。近年來，冀南地區(qū)大氣污染程度十分嚴(yán)重，持續(xù)的霧霾天氣給當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)、經(jīng)濟(jì)、健康等方面造成了很大的負(fù)面影響。關(guān)于近地面O3濃度的特征及其氣象條件的研究，一直是眾多學(xué)者關(guān)心的焦點(diǎn)問題[10-14]。

1資料與方法

本文以冀南地區(qū)邯鄲市為研究對象，利用邯鄲市3年近地面O3質(zhì)量濃度連續(xù)觀測資料和同期地面氣象觀測資料，采用統(tǒng)計、相關(guān)分析等方法，對邯鄲市區(qū)近地面O3質(zhì)量濃度特征及其與氣象條件的相關(guān)性進(jìn)行了分析，以期為邯鄲市空氣質(zhì)量預(yù)報系統(tǒng)的建立提供依據(jù)，為政府科學(xué)決策提供技術(shù)支撐。

2結(jié)果與分析

2.1O3作為首要污染物的空氣質(zhì)量等級分布

在2013年1月1日～2015年11月18日期間，以O(shè)3作為首要污染物的天氣在2013年出現(xiàn)35 d， 2014年有21 d，2015年有30 d。3年中出現(xiàn)不達(dá)標(biāo)天氣的共計55 d，其中三級輕度污染47 d，占比54.7%；四級重度污染出現(xiàn)8 d，占比9.3%；未出現(xiàn)重度和嚴(yán)重污染。達(dá)標(biāo)天數(shù)31 d，其中一級優(yōu)出現(xiàn)2 d，二級良出現(xiàn)29 d，分別占比2.3%、33.7%。出現(xiàn)連續(xù)3 d以上以O(shè)3作為首要污染物的大氣污染2次，均出現(xiàn)在2013年：2013年6月26日～6月28日連續(xù)3 d，O3濃度分別為0.181、0.209、0.175 mg/m3，2013年8月19日～8月22日連續(xù)4 d，O3濃度分別為0.166、0.183、0.215、0.208 mg/m3(圖1)。

圖1　2013～2015年以O(shè)3作為首要污染物的空氣質(zhì)量分布特征

2.2近地面O3濃度逐日變化特征

通過對2013年1月1日～2015年11月18日近地面O3濃度進(jìn)行逐日統(tǒng)計分析(圖2)可以看出，O3濃度呈現(xiàn)以年為周期的波狀特征，濃度值以夏季較高，冬季較低，這是由于夏季太陽輻射強(qiáng)，溫度高，氮氧化物易發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，且邯鄲位于太行山側(cè)，地形條件不利于夏季空氣污染物擴(kuò)散，污染物易聚集在城市中。

橫線為O3濃度超標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)圖2　2013～2015年邯鄲市近地面O3濃度逐日變化

2.3近地面O3濃度的月、季變化特征

由邯鄲市2013～2015年近地面O3濃度月變化特征(圖3)可以看出，1月O3平均濃度最低，且2013年<2014年<2015年；2～5月，O3濃度呈逐漸上升趨勢；6～8月，O3濃度維持在高值狀態(tài)，平均濃度2013年>2014年>2015年；從9月開始O3濃度隨著溫度的降低呈快速下降趨勢。分析表明，冬季O3平均濃度最低，夏季O3平均濃度最高。2014年在5月份 O3平均濃度就已經(jīng)達(dá)到最高值，分析其原因可能與同期邯鄲高溫天氣較多有關(guān)，5月下旬邯鄲氣溫比常年同期值偏高達(dá)5.1 ℃。

對邯鄲2013～2015年近地面O3濃度日均值進(jìn)行分季節(jié)統(tǒng)計(表1)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)除了冬季外，其他3個季節(jié)都存在近地面O3濃度超過《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095─2012)二級標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定0.2 mg/m3濃度限值的現(xiàn)象。尤其是夏季，近地面O3濃度明顯偏高于其他季節(jié)，說明邯鄲地區(qū)光化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象比較嚴(yán)重。這3年相比，2013年近地面O3平均濃度最高，O3超標(biāo)天數(shù)比2014年、2015年超出78%以上，光化學(xué)污染最重；2014年O3平均濃度最低，且秋冬兩季均未出現(xiàn)O3超標(biāo)現(xiàn)象。分析這3年 O3濃度的最大值發(fā)現(xiàn)，2014年最大值出現(xiàn)在春季，2013年和2015年的最大值都出現(xiàn)在秋季。

圖3　邯鄲市2013～2015年近地面O3濃度月變化特征表1　邯鄲2013～2015年近地面O3日均濃度季節(jié)統(tǒng)計

年份季節(jié)最大值/(mg/m3)最小值/(mg/m3)平均值/(mg/m3)超標(biāo)天數(shù)/d超標(biāo)率/%2013春季0.2600.0200.12166.52夏季0.2860.0530.1672830.40秋季0.2980.0020.1171415.40冬季0.0940.0050.042002014春季0.2520.0500.11855.43夏季0.2060.0240.14788.70秋季0.1630.0160.08300冬季0.1180.0120.057002015春季0.3810.0270.11144.35夏季0.2390.0320.1391415.20秋季0.3330.0080.10199.90

2.4氣溫對近地面O3濃度的影響

O3的形成轉(zhuǎn)化主要受太陽輻射的控制，在近地面層，O3濃度的高低還受到氣溫、降水、風(fēng)、氣壓等氣象條件的影響。通過對2013年1月1日～2014年12月31日的O3小時濃度資料進(jìn)行統(tǒng)計分析(圖4)可以看出，近地面O3濃度的日變化特征呈現(xiàn)單峰型變化規(guī)律，隨著太陽輻射的增強(qiáng)，近地面O3濃度從早晨7：00開始隨著氣溫的升高而升高，15：00～16：00達(dá)到峰值(近地面O3濃度沒有在14：00左右達(dá)到最高是因為太陽輻射引起的光化學(xué)反應(yīng)需要一定的反應(yīng)時間)，17：00左右開始逐漸降低。這說明，O3濃度受日照、氣溫影響，白天濃度高，午后達(dá)到最高，傍晚逐漸下降。

圖4　O3濃度的日變化特征

2.5降水對近地面O3濃度的影響

對2013～2015年夏季(6～8月)有無降水時的O3濃度進(jìn)行統(tǒng)計(表2)。結(jié)果表明，降水時(降水量>0 mm)這3年近地面O3平均濃度為0.145 mg/m3，無降水時為0.154 mg/m3。因為夏季太陽輻射強(qiáng)烈，氣溫高，有利于氮氧化物的光化學(xué)反應(yīng)，因此O3濃度較高；降水天氣太陽輻射小，氣溫較低，不利于O3的形成，另外，降水對O3有一定的吸收、清除作用。

表2　2013～2015年夏季有無降水時O3濃度分布

2.6風(fēng)對近地面O3濃度的影響

2.6.1風(fēng)頻分析對2013～2015年夏季(6～8月)風(fēng)向頻率進(jìn)行統(tǒng)計(圖5)，結(jié)果表明：這3年夏季風(fēng)向頻率大體一致，以南風(fēng)(S)為主，均占比20%左右；北北西風(fēng)(NNW)最少，在2013、2014、2015年中分別占比0.82%、0.41%和0.10%。

2.6.2風(fēng)速分析從2013～2015年邯鄲市夏季(6～8月)風(fēng)速玫瑰圖(圖6)可以看出，各風(fēng)向上平均風(fēng)速總體相當(dāng)，2013、2015年均為南風(fēng)(S)的平均風(fēng)速最大，分別為2.71、2.39 m/s，2014年北風(fēng)(N)的平均風(fēng)速最大，為2.46 m/s；2013年東東南風(fēng)(ESE)的平均風(fēng)速最小，為1.23 m/s，2014年西北風(fēng)(NW)的平均風(fēng)速最小，為1.18 m/s，2015年北西北風(fēng)(NNW)的平均風(fēng)速最小，為1.32 m/s。前面風(fēng)頻分析中得知在夏季邯鄲常刮南風(fēng)，從南風(fēng)風(fēng)向上平均風(fēng)速比較，2013年>2015年>2014年。

單位：%圖5　2013～2015年夏季風(fēng)向頻率玫瑰圖

單位：m/s圖6　2013～2015年夏季風(fēng)速玫瑰圖

2.6.3各風(fēng)向下近地面O3濃度分布圖7是根據(jù)2013～2015年夏季各個風(fēng)向上近地面O3平均濃度做出的玫瑰圖： 2013年、2014年的近地面O3平均濃度在刮東南風(fēng)(SE)時均為最高，分別為0.135、0.117 mg/m3，2015年刮東風(fēng)(E)時最高，為0.085 mg/m3；2013年刮西風(fēng)(W)時最小，為0.081 mg/m3，2014年刮西西北風(fēng)(WNW)時最小，為0.042 mg/m3，2015年刮北西北風(fēng)(NNW)時最小，為0.036 mg/m3。可以看出，2015年夏季 O3濃度較2013和2014年在各個風(fēng)向上明顯下降，2014年夏季近地面O3濃度較2013年在各個風(fēng)向上也均有所下降。

單位：mg/m3圖7　2013～2015年夏季各個風(fēng)向上近地面O3平均濃度玫瑰圖

2.7氣壓對近地面O3濃度的影響

通過對2013～2015年夏季(6～8月)平均氣壓和O3濃度進(jìn)行統(tǒng)計分析(圖8)可以看出，平均氣壓和O3濃度的日變化規(guī)律均為單峰型，從0:00到4:00，氣壓和近地面O3濃度變化趨勢一致，均呈下降趨勢；從5:00開始，氣壓呈上升趨勢，10:00達(dá)到最大值，為1009.7 hPa;隨后呈下降趨勢，16:00達(dá)最小值1006.6 hPa;17:00開始?xì)鈮河殖手饾u上升趨勢。近地面O3濃度從8：00開始逐漸上升，分析其原因：一是與太陽輻射增強(qiáng)有關(guān)；另一方面，8：00是上班高峰期，機(jī)動車排放的尾氣中含有的NOX、CO、揮發(fā)性有機(jī)物VOC易發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生O3，從而引起O3濃度增加[15-18]。15：00～16：00 O3濃度達(dá)到峰值0.09 mg/m3，17：00開始下降。從圖8中可以看出，從10：00開始，氣壓和O3濃度呈明顯的反相關(guān)關(guān)系。

圖8　2013～2015年夏季(6～8月)平均氣壓和O3濃度日變化

2.8近地面O3濃度與氣溫、降水、氣壓、風(fēng)等氣象要素的相關(guān)性分析

對統(tǒng)計期間近地面O3濃度與同期氣象要素作相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)近地面O3濃度與氣溫呈顯著正相關(guān)，與降水量呈極顯著負(fù)相關(guān)，與氣壓呈顯著負(fù)相關(guān)，與風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)，與霾日數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)，與霧日數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，與云量呈負(fù)相關(guān)，與相對濕度呈負(fù)相關(guān)，其中風(fēng)速云量、相對濕度與O3濃度的相關(guān)性均沒有通過顯著性檢驗(表3)。

表3　O3濃度與氣象因子間的相關(guān)系數(shù)

注：“*”代表通過α=0.05的相關(guān)性檢驗；“**”代表通過α=0.01的相關(guān)性檢驗。

3結(jié)論與討論

3.1結(jié)論

近3年來，受邯鄲市產(chǎn)業(yè)發(fā)展結(jié)構(gòu)及所處地理位置等因素影響， 邯鄲市出現(xiàn)以O(shè)3為首要污染物的不達(dá)標(biāo)天氣55 d，以輕度污染為主。近地面O3濃度呈現(xiàn)以年為周期的波狀特征，濃度值夏季較高，冬季較低，近地面O3濃度在夏季表現(xiàn)為2013年>2014年>2015年； 2013年O3平均濃度最高，近地面O3超標(biāo)天數(shù)比2014年、2015年超出78%以上，光化學(xué)污染最重。

O3濃度的變化與氣象條件有著非常密切的關(guān)系。影響近地面O3濃度的氣象因素主要有氣溫、降水、風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓等。O3的日變化特征呈現(xiàn)單峰型變化規(guī)律，O3濃度隨著氣溫的升高而升高；降水天氣太陽輻射小，氣溫較低，不利于O3的形成，且降水對O3有一定的吸收、清除作用；2015年夏季 O3濃度較2013和2014年在各個風(fēng)向上均有明顯下降；平均氣壓和O3濃度的日變化規(guī)律均為單峰型；O3濃度與氣溫、氣壓、降水等氣象因素具有顯著相關(guān)性。

3.2討論

盡管本文對邯鄲市近地面O3濃度變化特征及影響因素研究得出了上述幾點(diǎn)結(jié)論，但是由于O3濃度及氣象資料的時間尺度較短，數(shù)據(jù)較少，本文對其研究僅僅是初步的，所得的結(jié)論也是初步的，對邯鄲市近地面O3濃度和氣象條件的相關(guān)性及其影響等方面的分析仍需大量的觀測及更深入的研究。由于時間關(guān)系，對于O3受其他氣象因素的影響本文還未進(jìn)行研究，計劃在下一步的工作中進(jìn)行分析探討。

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(責(zé)任編輯：許晶晶)

收稿日期：2015-12-23

基金項目：河北省科技計劃項目“邯鄲市重污染天氣預(yù)報預(yù)警研究”; 河北省氣象局氣象科研項目“河北中南部重污染天氣氣象條件及其預(yù)報研究”。

作者簡介：張珺(1984─)，女，河北邯鄲人，工程師，碩士研究生，主要從事環(huán)境氣象方面的研究。

中圖分類號：X823

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-8581(2016)07-0111-05

Change Features of O3Concentration near Ground and Its Correlation with Meteorological Factors in South Hebei

ZHANG Jun, SONG Xiao-hui

(Meteorological Bureau of Handan City in Hebei Province, Handan 056001, China)

Abstract：According to the data of O3 concentration near the ground provided by Environmental Monitoring Station of Handan City, as well as the meteorological data in the same period from Weather Station of Handan City, adopting the methods of statistics and correlation analysis, this paper studied the distributive and change features of O3 concentration near the ground, and analyzed the correlation between O3 concentration and meteorological factors. The results showed that: in recent 3 years, O3 was the primary pollutant in Handan city, and the pollutants did not reach the standard for 55 days; the average concentration of O3 was the highest in summer, and the lowest in winter; the O3 concentration was related to some meteorological factors, such as air temperature, precipitation, wind, and air pressure.

Key words：O3; Meteorological factor; South Hebei; Correlation analysis