氣象條件對梅州城區(qū)臭氧濃度的影響研究

郭 青，羅碧瑜，曾東好，曾惠娟，高國靖

(廣東省梅州市氣象局，廣東 梅州 514021)

1 引言

臭氧(O3)是一種具有氧化能力的重要大氣成分，隨著對流層前體物排放量的增大，臭氧超標(biāo)對公眾健康、社會生活以及生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重影響。伴隨著城市汽車擁有量的不斷攀升，汽車尾氣排放的大量NOX、CO、揮發(fā)性有機(jī)物(VOC)等在充足的陽光影響下，伴隨著合適的氣象條件，極易造成光化學(xué)反應(yīng)，引起O3的超標(biāo)。近年來，各地陸續(xù)開展O3監(jiān)測，不少學(xué)者對O3的影響機(jī)理開展了大量的研究工作。鄧雪嬌等[3]、李穎敏等[4]、陸克定等[5]、張浩月等[6]研究分析了珠江三角洲O3污染與相關(guān)氣象條件的關(guān)系。洪茂盛等[7]、朱毓秀等[8]、談建國等[9]、陳世儉等[10]針對不同地區(qū)的O3濃度與氣象要素的相關(guān)性獲得了大量的研究成果?？偟膩碚f，O3濃度變化的影響因子是多方面的。國內(nèi)外專家對這方面做了大量的研究工作[11-14]，梅州市作為廣東省重要的旅游城市，對空氣質(zhì)量的要求尤為嚴(yán)格。本文通過分析梅州城區(qū)的O3變化規(guī)律及其與相關(guān)氣象條件的關(guān)系，旨在為本地區(qū)的O3的監(jiān)測與預(yù)警預(yù)報提供科學(xué)依據(jù)。

2 資料來源及分析方法

2．1 資料來源

文中采用2014—2017年的O3監(jiān)測數(shù)據(jù)(O3-8 h，即指O3日最大8 h滑動平均值)來源于梅州市環(huán)境監(jiān)測中心，梅州城區(qū)的環(huán)境監(jiān)測站點(diǎn)目前包括北部的嘉應(yīng)大學(xué)站，西部的梅縣新城站以及南部的環(huán)境監(jiān)測中心站(見圖1)，其每日發(fā)布的O3監(jiān)測數(shù)據(jù)為三者的幾何平均值；同期的相關(guān)氣象資料(氣溫、氣壓、風(fēng)速、濕度、降水、日照時數(shù)、云量以及相關(guān)天氣形勢圖)來源于梅縣區(qū)國家氣象觀測站。

圖1 梅州城區(qū)環(huán)境監(jiān)測中心監(jiān)測站點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution map of monitoring stations in Meizhou urban environmental monitoring center

2．2 分析方法

空氣質(zhì)量參數(shù)的計算與超標(biāo)界定方法主要參考《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)[1]和《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定》(HJ633-2012)[2]，O3一級標(biāo)準(zhǔn)的濃度限值是100 μg/m3，二級標(biāo)準(zhǔn)的濃度限值是160 μg/m3，即當(dāng)日O3濃度最大滑動8 h平均值>100 μg/m3，則定義為一級超標(biāo)日；同理當(dāng)日O3濃度最大滑動8 h平均值>160 μg/m3為二級超標(biāo)日。

文中主要采用數(shù)理統(tǒng)計的分析方法，對梅州市環(huán)境監(jiān)測站2014—2017年的O3監(jiān)測數(shù)據(jù)以及同期的梅縣區(qū)國家氣象觀測站的氣象觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到了近3 a來梅州城區(qū)的O3濃度的現(xiàn)狀，并利用相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)方法對O3濃度與氣象要素的相關(guān)性進(jìn)行檢驗(yàn)。統(tǒng)計量n遵循顯著水平α=0.05的相關(guān)系數(shù)的顯著檢驗(yàn)，公式為：

(1)

式中，rc為相關(guān)系數(shù)臨界值，α為顯著水平，tα通過查t分布表可得到。

當(dāng)因子間的相關(guān)系數(shù)R>rc時，表明相關(guān)性顯著；當(dāng)因子間的相關(guān)系數(shù)R

3 O3的現(xiàn)狀分析

3．1 O3年變化特征

由圖2可知，梅州地區(qū)2014—2017年AQI超標(biāo)日數(shù)逐年下降，而O3超標(biāo)日數(shù)維持穩(wěn)定水平，一級超標(biāo)天數(shù)分別為132 d、73 d、57 d、94 d，二級超標(biāo)天數(shù)分別為4 d、4 d、3 d、3 d。梅州空氣指數(shù)超標(biāo)的首要污染物是PM2.5和O3。O3二級超標(biāo)天數(shù)占AQI超標(biāo)日數(shù)的比例快速上升，4 a來占比分別為13.8%、28.6%、42.9%、60%。

由此可見，伴隨著政府對PM2.5的有效控制，梅州空氣質(zhì)量逐年提高，空氣質(zhì)量為優(yōu)的天數(shù)逐年提高，空氣質(zhì)量為輕度污染以上的天數(shù)逐年下降。但是O3污染依然維持穩(wěn)定的水平，近4 a來，梅州城區(qū)O3濃度依次88.9、75.8、71.1、80 μg/m3，O3已成為影響梅州市區(qū)空氣質(zhì)量重要因素。

圖2 空氣質(zhì)量指數(shù)及O3超標(biāo)日數(shù)的年變化曲線Fig.2 The annual variation curve of air quality index and ozone over the standard days

3.2 O3的季節(jié)變化

為了反映O3在四季中的變化規(guī)律，依據(jù)春季3—5月，夏季6—8月，秋季9—11月，冬季12月—次年2月的方法，對梅州城區(qū)的O3進(jìn)行分類統(tǒng)計分析。

由圖3可知，梅州市夏半年的空氣質(zhì)量狀況明顯優(yōu)于冬半年，超過半數(shù)以上的輕度污染發(fā)生在冬季，夏季污染頻次最低，秋季多于春季。而相對而言，O3污染狀況則冬季最優(yōu)，具體表現(xiàn)在O3濃度冬季最低，超標(biāo)日數(shù)最少；而春、夏、秋季的O3濃度差別不大，O3一級超標(biāo)日數(shù)秋季最多，春、夏季次之，冬季最少；O3二級超標(biāo)日數(shù)全部集中在春季和夏季。

圖3 空氣質(zhì)量指數(shù)及O3超標(biāo)日數(shù)的季節(jié)變化曲線Fig.3 The seasonal variation curve of the air quality index and the number of ozone over standard days

3.3 O3月變化

由圖4可知，O3濃度9月最高，月平均值達(dá)到92.4 μg/m3；4月次之，月平均值達(dá)到91.9 μg/m3；8—10月為一年中O3濃度的高值區(qū)域，11月—次年3月為O3濃度的低高值區(qū)域；O3濃度12月為全年最低，月平均值僅為63.3 μg/m3；O3二級超標(biāo)主要發(fā)生在3—8月，最多的是4月(二級超標(biāo)日數(shù)達(dá)到5 d)。9月沒有發(fā)生輕度污染以上的現(xiàn)象，主要原因可能是因?yàn)檫@段時間多連續(xù)性降水，如臺風(fēng)型降水。

由此可知，秋季冬季的首要污染物是PM2.5，而春季夏季的首要污染物主要是O3，因?yàn)镺3是由三個氧原子結(jié)合成為氣體，在太陽紫外線輻射的光化學(xué)作用下形成的；受溫度、濕度、光照等氣象要素的影響，春季、夏季O3光化學(xué)反應(yīng)速率較快，O3的二次生成濃度升高；相對而言，秋冬季平均氣溫、日照相對較低，光化學(xué)反應(yīng)速率較弱，因此O3濃度低，很難達(dá)到超標(biāo)的限值。同時，冬季顆粒物處于全年峰值區(qū)域，在一定條件下影響了氣溶膠的光學(xué)厚度，進(jìn)一步減緩了O3的光化學(xué)反應(yīng)速率，造成O3冬季最少。當(dāng)然，O3濃度也受前提物質(zhì)的排放與擴(kuò)散輸送有關(guān)。

圖4 O3的月變化曲線Fig.4 The monthly variation of ozone

4 O3特征與相關(guān)氣象條件關(guān)系

4.1 O3月平均濃度與相關(guān)氣象要素關(guān)系

利用公式(1)，計算出當(dāng)樣本容量n=12，顯著水平α=0.05時，相關(guān)系數(shù)的臨界值：rc=0.576。

通過計算O3的近4 a月平均濃度分別與同期氣溫、氣壓、濕度、降水、風(fēng)速、總云量、低云量、日照、變溫、變壓、變濕的相關(guān)系數(shù)(見表1)，通過相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)可得到：O3的月平均濃度與同期氣溫、日照顯著正相關(guān)，與同期的氣壓呈顯著負(fù)相關(guān)，與同期的其他相關(guān)氣象要素的相關(guān)性不顯著。

一年中，夏半年O3濃度高于冬半年，O3二級超標(biāo)日數(shù)全部集中在春季和夏季。夏季主要受低壓系統(tǒng)控制，氣溫高，日照時間長，太陽輻射強(qiáng)，這些條件都有利于促進(jìn)光化學(xué)反應(yīng)速率，使得O3的月平均濃度升高。而在冬半年，本地區(qū)主要受高壓系統(tǒng)控制，氣溫較低，日照時間較低，太陽輻射較弱，光化學(xué)反應(yīng)速率較慢，因而O3的月平均濃度較低。

4.2 O3污染過程濃度與相關(guān)氣象要素的關(guān)系

通過分析2014—2017年中的3次典型污染過程，計算O3濃度分別與同期氣溫、氣壓、濕度、降水、風(fēng)速、總云量、低云量、日照、變溫、變壓、變濕的相關(guān)系數(shù)(見表2)，通過相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)可得到：O3的逐日濃度與同期氣溫、日照顯著正相關(guān)，與同期的總云量、低云量、濕度呈顯著負(fù)相關(guān)，與同期的其他相關(guān)氣象要素的相關(guān)性不顯著。

①污染過程O3逐日濃度與同期氣溫呈顯著的正相關(guān)，通常在太陽輻射影響下，氣溫逐步升高，高溫加劇了光化學(xué)反應(yīng)的速率，造成二次生成的O3增加，進(jìn)而O3濃度伴隨著氣溫升高而升高。

表1 O3月平均濃度與相關(guān)氣象要素的相關(guān)系數(shù)Tab.1 Correlation coefficient of monthly average concentration of O3 and related meteorological elements

②O3逐日濃度與同期日照時數(shù)呈顯著的正相關(guān)，一般而言，日照時數(shù)越長，太陽輻射量越大，進(jìn)而氣溫升高加快光化學(xué)反應(yīng)速率，二次生成O3量從而增加，O3逐日濃度升高；

③O3逐日濃度與同期總云量、低云量呈顯著的負(fù)相關(guān)，通常情況下，總云量、低云量少時，天氣多晴朗，太陽輻射強(qiáng)，高溫利于促成光化學(xué)反應(yīng)生成O3，最終造成O3濃度升高；

④O3逐日濃度與同期濕度呈顯著的負(fù)相關(guān)，當(dāng)濕度大時，說明大氣中含水量高。通?？諝庵兴蠬、OH等自由基能將O3快速分解為氧分子，進(jìn)而降低O3濃度?？諝庵械乃部梢詫μ栕贤廨椛鋸?qiáng)度產(chǎn)生影響。

表2 O3濃度與相關(guān)氣象要素的相關(guān)系數(shù)Tab.2 Correlation coefficient of concentration of O3 and related meteorological elements

4.3 O3污染過程濃度與同期天氣形勢的關(guān)系

過程1(圖5a)：2014年6月11日起，500 hPa我區(qū)上空為槽后西北氣流控制，850 hPa為高壓脊底部東北氣流控制，地面為弱高壓脊控制，云量開始減少，日照時數(shù)增多，氣溫逐日升高，12日、13日O3濃度分別達(dá)到181 μg/m3、173 μg/m3，均超過了二級超標(biāo)限值；13日起，南海北部的熱帶擾動逐漸增強(qiáng)并開始北抬，逐漸向粵東沿?？拷?，我市上空云量逐日增多，日照時數(shù)逐日減少，O3濃度不斷下降；15日開始，我區(qū)轉(zhuǎn)受季風(fēng)槽影響，天氣陰沉，有陣性降水出現(xiàn)，O3濃度均小于100 μg/m3。

過程2(圖5b)2015年4月12日,隨著500 hPa東亞大槽逐漸東移并過境，我市降雨逐步停止轉(zhuǎn)為多云天氣，偶見陽光，O3濃度開始升高；13日起我市轉(zhuǎn)受槽后西北氣流控制，低層為受偏北氣流控制，天空云量減少，日照時數(shù)增多，O3濃度開始攀升，15—17日O3濃度分別達(dá)到162 μg/m3、168 μg/m3、169 μg/m3，連續(xù)3 d O3濃度達(dá)到二級超標(biāo)限值；18日，850 hPa上廣東轉(zhuǎn)為西南急流控制，低層受發(fā)展的西南低槽影響，我區(qū)上空為偏南氣流控制，云量增多，最低氣溫明顯上升，溫度日較差小，O3濃度急劇下降，均低于100 μg/m3。

過程3(圖5c)2016年7月21日起，西太平洋副高明顯西伸加強(qiáng)，我區(qū)轉(zhuǎn)受副高控制，天氣晴好，全市維持高溫天氣，光化學(xué)反應(yīng)速率加快，O3濃度急劇升高；特別是24日，副高強(qiáng)度達(dá)到鼎盛，592線包圍本地區(qū)，全市最高溫度普遍在38 ℃以上，對應(yīng)O3濃度也達(dá)峰值(168 μg/m3)；27日，受北部灣熱帶低壓環(huán)流影響，我市轉(zhuǎn)受偏南氣流影響，低層比濕增大，有分散陣雨出現(xiàn)，促進(jìn)了O3的分解，O3濃度快速下降，逐日濃度均低于100 μg/m3。

5 結(jié)論

文章利用2014—2017年梅州城區(qū)的O3監(jiān)測數(shù)據(jù)和相關(guān)氣象觀測資料，對本地區(qū)的O3的變化特征及影響O3的氣象條件進(jìn)行了相關(guān)分析，結(jié)果表明：

①梅州地區(qū)2014—2017年O3超標(biāo)日數(shù)維持穩(wěn)定水平，O3二級超標(biāo)日數(shù)全部集中在春季和夏季；二級超標(biāo)天數(shù)分別為4 d、4 d、3 d、3 d，O3二級超標(biāo)天數(shù)占AQI超標(biāo)日數(shù)的比例快速上升，O3二級超標(biāo)主要發(fā)生在3—8月，最多的是4月，O3是影響梅州市區(qū)空氣質(zhì)量重要因素。

圖5 (a-c)O3污染過程濃度變化曲線Fig.5 (a-c)The variation of ozone concentration in pollution process

②O3的月平均濃度與同期氣溫、日照顯著正相關(guān)，與同期的氣壓呈顯著負(fù)相關(guān)；O3污染過程中，O3的逐日濃度與同期氣溫、日照顯著正相關(guān)，與同期的總云量、低云量、濕度呈顯著負(fù)相關(guān)。

③O3污染過程中，二級超標(biāo)日的天氣形勢分別為：500 hPa我區(qū)上空為槽后西北氣流控制，850 hPa為高壓脊底部東北氣流控制，地面為弱高壓脊控制；500 hPa東亞大槽逐漸東移并過境后，轉(zhuǎn)受槽后西北氣流控制，低層為受偏北氣流控制；西太平洋副高明顯西伸加強(qiáng)，本地區(qū)副高強(qiáng)度達(dá)到鼎盛，592 hPa線包圍本地區(qū)。

④本文對O3與氣象條件關(guān)系的分析，基于有限的資料分析得出，具有一定的局限性, 有待于今后采集更多的個例做深入的分析研究。