武進(jìn)區(qū)大氣臭氧濃度與氣象條件的關(guān)系

何偉 何濤

摘 要：利用后向軌跡聚類和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)2017年武進(jìn)區(qū)的臭氧來(lái)源及氣象條件對(duì)臭氧濃度的影響做了分析。結(jié)果表明，該區(qū)域的臭氧濃度受氣團(tuán)來(lái)向、溫度、濕度、風(fēng)速和風(fēng)向的影響十分顯著，高溫、低濕、小風(fēng)有利于臭氧的生成。此外，東南和西南方向的氣團(tuán)對(duì)該區(qū)域臭氧濃度影響較大。

關(guān)鍵詞：臭氧濃度;聚類分析;氣象因素

中圖分類號(hào) X51 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1007-7731（2018）24-0091-3

Abstract：Backward trajectory clustering and mathematical statistics were used to study the ozone sources in Wujing district in 2017 and its relations with meteorological factors. The results showed that the ozone concentration in this area was greatly affected by the direction of airflow， temperature， relative humidity and wind speed. High temperature， low humidity and light wind were favorable to the formation of ozone. In addition， the airflow in the southeast and southwestern would be a great impact on the ozone concentration in the area.

Key words：Ozone concentration;Cluster analysis;Meteorological factors

近地面臭氧（O3）是一種重要的大氣污染物，是城市大氣光化學(xué)煙霧污染的主要成分之一[1，2]，主要是在一定氣象條件下通過(guò)二氧化氮光解產(chǎn)生。臭氧作為一種強(qiáng)氧化劑，不但會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境和人體健康產(chǎn)生嚴(yán)重影響[3，4]，而且還會(huì)加速PM2.5等污染物的轉(zhuǎn)化形成[5，6]，更進(jìn)一步影響空氣質(zhì)量。目前，特別是在夏季，臭氧已成為影響我國(guó)中東部地區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量的主要污染物，并成為繼PM2.5后困擾城市空氣質(zhì)量改善和達(dá)標(biāo)管理的另一種重要污染物。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)近地面臭氧生成、傳輸和影響因素的研究較多，氣象因素對(duì)臭氧的影響存在區(qū)域性差異。安俊琳等[7]對(duì)北京的研究結(jié)果表明，臭氧濃度與溫度、風(fēng)速成正相關(guān)，與相對(duì)濕度成負(fù)相關(guān)，北京盛行東南、偏南和偏西氣流時(shí)，易造成臭氧濃度高。臭氧濃度分布具有一定的區(qū)域性特征，并受到區(qū)域間的相互傳輸影響。趙陽(yáng)等[8]對(duì)珠三角地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，臭氧高值區(qū)主要分布在珠三角南部，其中53%的氣團(tuán)輸送來(lái)自于NOx高值區(qū)。何濤等[9]的研究結(jié)果也表明常州市臭氧的區(qū)域輸送和潛在源區(qū)主要分布在其周邊200km以內(nèi)的區(qū)域，且集中在從南京至上海的長(zhǎng)江下游沿線區(qū)域和杭州灣區(qū)域。嚴(yán)茹莎等[10]通過(guò)數(shù)值模擬研究表明，遠(yuǎn)距離輸送對(duì)上海平日臭氧貢獻(xiàn)較大，占50%以上。

臭氧的生成除受其前體物等相關(guān)污染源區(qū)域分布影響外，還受到氣象因素的影響，氣象因素是導(dǎo)致臭氧濃度日變化和季節(jié)性變化的重要原因[11]。筆者擬通過(guò)后向軌跡聚類和數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，來(lái)研究氣團(tuán)來(lái)源和氣象條件對(duì)臭氧濃度的影響，以期為臭氧污染防治和臭氧污染預(yù)報(bào)提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

常州市位于長(zhǎng)三角中部區(qū)域，與上海和南京等距相望。選取江蘇省常州市武進(jìn)區(qū)國(guó)家環(huán)境空氣評(píng)價(jià)點(diǎn)武進(jìn)監(jiān)測(cè)站（31°42′N、119°56′E）作為研究對(duì)象，選取該站點(diǎn)2017年全年的臭氧、溫度、風(fēng)速風(fēng)向和相對(duì)濕度等小時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

后向軌跡模式采用美國(guó)大氣海洋局（NOAA）開(kāi)發(fā)的HYSPLIT4.9，并利用Ward's方差法進(jìn)行聚類分析，該方法基于2條軌跡的平均角度距離進(jìn)行分類[12]，有利于研究受體點(diǎn)的后向軌跡輸送在水平方向上的來(lái)向。以武進(jìn)監(jiān)測(cè)站為后向軌跡起始點(diǎn)，逐小時(shí)模擬后向軌跡，起始高度為100m，計(jì)算時(shí)長(zhǎng)48h。氣象資料采用NCEP提供的全球資料同化系統(tǒng)GDAS數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分辨率為1°×1°。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣團(tuán)來(lái)源對(duì)臭氧的影響 為研究武進(jìn)區(qū)低層大氣氣團(tuán)的主要來(lái)源路徑對(duì)臭氧的影響，分析了2017年武進(jìn)區(qū)逐小時(shí)氣流后向軌跡的聚類分析結(jié)果（見(jiàn)圖1）。表1為每類軌跡區(qū)域特征及對(duì)應(yīng)的污染物小時(shí)平均質(zhì)量濃度。氣團(tuán)軌跡被分為6類，從軌跡的空間分布看，東南、東北以及偏東方向上軌跡分布相對(duì)集中，而西南方向的軌跡占比相對(duì)較少，這與該區(qū)域的主導(dǎo)風(fēng)向東南偏東風(fēng)較為一致。從軌跡及其污染特征可見(jiàn)，經(jīng)東海、浙江東部、杭州灣、江蘇等地影響武進(jìn)區(qū)的聚類D和西南方向上的聚類E對(duì)臭氧的影響相對(duì)較大，其中聚類D對(duì)應(yīng)的臭氧平均濃度最高，為87μg/m3，且聚類D和E對(duì)應(yīng)的平均氣溫最高、平均濕度相對(duì)較低，說(shuō)明東南和西南方向上影響臭氧濃度的前體物較多，且溫濕度等氣象條件適合光化學(xué)反應(yīng)生成臭氧。其次是偏東方向上的聚類C對(duì)應(yīng)的臭氧平均濃度相對(duì)較高，為65μg/m3。聚類A對(duì)應(yīng)的臭氧和NO2濃度最低，其次是東北方向上的聚類B對(duì)應(yīng)的臭氧濃度較低，說(shuō)明北方氣團(tuán)對(duì)臭氧的影響相對(duì)較小。

武進(jìn)區(qū)東南方向和偏東方向?yàn)殚L(zhǎng)三角區(qū)域經(jīng)濟(jì)和交通最為發(fā)達(dá)的區(qū)域，人口密度也較大。根據(jù)黃成等[13]的研究結(jié)果表明，該區(qū)域的能源消耗量以及人為污染物的排放量均相對(duì)較大，導(dǎo)致該方向上的氣團(tuán)對(duì)臭氧濃度的影響較大。而西南方向主要以山區(qū)丘陵地帶為主，植被覆蓋率較高，植物等排放的VOCs等天然源較多，導(dǎo)致該方向氣團(tuán)對(duì)應(yīng)的臭氧濃度相對(duì)較低。

2.2 相對(duì)濕度對(duì)臭氧的影響 光化學(xué)反應(yīng)生成臭氧需要在一定的太陽(yáng)輻射條件下，一般認(rèn)為太陽(yáng)輻射越強(qiáng)，臭氧濃度越高，而氣溫很好的代表了太陽(yáng)輻射的強(qiáng)弱，其與太陽(yáng)輻射的變化趨勢(shì)基本一致。但實(shí)際上太陽(yáng)輻射與臭氧的生成并非簡(jiǎn)單的正相關(guān)關(guān)系。圖2為臭氧濃度隨溫度和濕度的變化趨勢(shì)分布圖。為排除降水的影響，圖2選取該站點(diǎn)2017年全年無(wú)降雨情況下8：00～20：00時(shí)段的臭氧、溫度、風(fēng)速風(fēng)向和相對(duì)濕度等小時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

從圖2可見(jiàn)，左上角區(qū)域的臭氧濃度最高，且超過(guò)160μg/m3，該區(qū)域的臭氧數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)著高溫，低濕的氣象條件;非降雨日，臭氧濃度隨著溫度的升高總體呈上升趨勢(shì)，氣溫在20℃以下時(shí)，臭氧濃度超過(guò)160μg/m3的概率較小，說(shuō)明氣溫高于20℃后，大氣光化學(xué)反應(yīng)明顯加劇。相對(duì)濕度大于60%以上時(shí)，臭氧濃度超過(guò)160μg/m3的概率較小，說(shuō)明高濕度可能導(dǎo)致到達(dá)近地面的太陽(yáng)輻射減弱，并使臭氧前體物發(fā)生其他反應(yīng)，從而不利于大氣光化學(xué)反應(yīng)生成臭氧。

2.3 風(fēng)速和風(fēng)向?qū)Τ粞醯挠绊?圖3選取臭氧濃度大于160μg/m3的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，給出了高濃度臭氧在不同風(fēng)速和方向下的分布情況。從圖3可見(jiàn)，武進(jìn)區(qū)臭氧濃度超標(biāo)具有明顯的風(fēng)速風(fēng)向特征，高濃度臭氧主要分布在風(fēng)速小于3m/s的情況下，且以東南、西南風(fēng)向以及東、西方向上為主，與上述氣團(tuán)來(lái)源分析的結(jié)論較為一致，東南和西南方向?qū)υ搮^(qū)域的臭氧影響較大。而北風(fēng)、西北風(fēng)、東北風(fēng)以及南風(fēng)情況下臭氧高濃度數(shù)據(jù)分布較少。

3 結(jié)論

（1）武進(jìn)區(qū)O3濃度受氣團(tuán)來(lái)源影響較顯著，其中東南方向氣團(tuán)對(duì)應(yīng)的O3濃度最高，其次是西南方向和偏東方向氣團(tuán)，而北方氣團(tuán)和西北方向的氣團(tuán)對(duì)武進(jìn)區(qū)的O3影響相對(duì)較小。

（2）O3的生成受光化學(xué)反應(yīng)的影響，其中氣象條件對(duì)于光化學(xué)反應(yīng)起著較為重要的作用。武進(jìn)區(qū)的O3濃度受溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)場(chǎng)的影響具有較明顯的特征，其中溫度大于20℃、相對(duì)濕度小于60%和風(fēng)速小于3m/s對(duì)O3的生成較為有利。

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（責(zé)編：徐世紅）