西安市臭氧污染特征及其與氣象條件的關(guān)系

盧 娣，董自鵬，曹慧萍，李星敏

(1.陜西省氣象服務(wù)中心，西安 710014；2.陜西省氣象局秦嶺和黃土高原生態(tài)環(huán)境氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710016；3.陜西省氣象科學(xué)研究所，西安 710016)

自《陜西省“治污降霾·保衛(wèi)藍(lán)天”五年行動(dòng)計(jì)劃(2013—2017年)》實(shí)施以來(lái)，關(guān)中地區(qū)大氣污染防治取得了明顯成效，可吸入顆粒物(PM10)和細(xì)顆粒物(PM2.5)質(zhì)量濃度顯著下降[1-2](http://www.shaanxi.gov.cn/gk/zfwj/47050.htm)，但臭氧(O3)污染日數(shù)卻逐漸增多[3-4]，給人體健康和生態(tài)環(huán)境帶來(lái)不利影響，引起了人們的廣泛關(guān)注。目前，我國(guó)地面O3觀測(cè)研究主要集中在華北、珠三角和長(zhǎng)三角等地區(qū)[5-7]。已有的研究表明，對(duì)流層臭氧的來(lái)源主要有平流層輸入、區(qū)域輸送和光化學(xué)反應(yīng)，即交通、石化產(chǎn)業(yè)、燃煤排放的氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)等臭氧前體物，在陽(yáng)光照射下經(jīng)一系列化學(xué)反應(yīng)而生成O3[8-9]。近年來(lái)，我國(guó)O3污染不再局限于前體物排放源附近，已形成區(qū)域性污染[5]。O3污染的形成，不僅受其前體物影響，還與氣象條件密切相關(guān)。吳鍇等[10]在成都市的研究表明，當(dāng)相對(duì)濕度大于85%時(shí)，O3質(zhì)量濃度小于50 μg/m3，不會(huì)出現(xiàn)O3超標(biāo)情況；當(dāng)相對(duì)濕度介于40%～60%時(shí)，O3超標(biāo)率呈上升趨勢(shì)[11]。談建國(guó)等[12]研究發(fā)現(xiàn)上海市O3污染多發(fā)生在日照強(qiáng)、溫度高、風(fēng)速低的氣象條件下，并且郊區(qū)污染高于市區(qū)[13]。王磊等[14]發(fā)現(xiàn)南京近地面O3質(zhì)量濃度與氣溫、能見(jiàn)度、日照時(shí)數(shù)、總(凈)輻射顯著正相關(guān)，與相對(duì)濕度、總(低)云量負(fù)相關(guān)。張燦等[15]研究認(rèn)為影響重慶 O3質(zhì)量濃度的主要?dú)庀笠蛩貫樽罡邷囟?、溫差、太?yáng)輻射、降水量、相對(duì)濕度、水氣壓和壓差，并據(jù)此建立了O3質(zhì)量濃度預(yù)報(bào)方程。

位于關(guān)中平原中部的西安市是關(guān)中城市群中最大的城市，在西安開(kāi)展O3污染研究對(duì)關(guān)中平原大氣污染防治具有重要意義。目前，關(guān)于西安市O3污染的研究仍較少，馬文靜[16]以O(shè)3日最大8 h平均質(zhì)量濃度作為判定依據(jù)，對(duì)比了西安城區(qū)O3超標(biāo)日(最大8 h平均質(zhì)量濃度>160 μg/m3)和非超標(biāo)日(最大8 h平均質(zhì)量濃度<100 μg/m3)的氣象條件，認(rèn)為O3超標(biāo)日的氣溫和紫外輻射均明顯高于非超標(biāo)日，且在氣壓和濕度較低的情況下易發(fā)生O3超標(biāo)的情況。貝耐芳等[17]利用 WRF-Chem (weather research and forecasting model coupled with chemistry)模式對(duì)關(guān)中地區(qū)2015年7月25—30日的一次O3污染事件進(jìn)行了數(shù)值模擬。本文利用2014—2017年西安涇河、長(zhǎng)安氣象站和西安市環(huán)保局觀測(cè)資料，對(duì)西安市臭氧污染特征及其與氣象條件的關(guān)系進(jìn)行分析，以期為西安市臭氧污染預(yù)報(bào)與防治提供科學(xué)參考。

1 資料選取

所選用的臭氧資料包括西安市環(huán)保局監(jiān)測(cè)的逐時(shí)O3質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)(C(O3))和逐日O3最大8 h平均質(zhì)量濃度(以下用C8h(O3)表示)數(shù)據(jù)，C(O3)數(shù)據(jù)選取時(shí)段為2014年4月1日—2017年7月31日，C8h(O3)數(shù)據(jù)為2014年1月1日—2017年12月31日；其中，C(O3)數(shù)據(jù)主要用于臭氧質(zhì)量濃度的日變化分析，C8h(O3)主要用于臭氧污染特征及其與氣象參數(shù)和輻射關(guān)系的分析。臭氧污染等級(jí)的劃分參照《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ633—2012)，C8h(O3)與空氣質(zhì)量分指數(shù)(IAQI)的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 C8h(O3)及其對(duì)應(yīng)的空氣質(zhì)量分指數(shù)和空氣質(zhì)量指數(shù)類(lèi)別

所采用的氣象數(shù)據(jù)包括涇河氣象觀測(cè)站的日最高氣溫(Tmax)、日平均氣溫(Tmean)、日平均相對(duì)濕度(Umean)、日最小相對(duì)濕度(Umin)、日平均風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)，數(shù)據(jù)的選取時(shí)段與臭氧相同。應(yīng)用到的輻射數(shù)據(jù)包括涇河氣象站觀測(cè)的總輻射日最大輻照度(Fmax)和日總輻射曝輻量，以及長(zhǎng)安氣象站觀測(cè)的日紫外輻射曝輻量。其中，涇河站輻射數(shù)據(jù)的選取時(shí)段為2015年8月23日—2017年7月31日，長(zhǎng)安站紫外輻射數(shù)據(jù)的選取時(shí)段為2015年1月1日—2017年3月30日。

2 西安市臭氧質(zhì)量濃度變化特征

2014—2017年西安市輕度以上(C8h(O3)≥160 μg/m3)臭氧污染主要出現(xiàn)在5—8月，并且以7月最多，8月次之。研究期內(nèi)，西安市年臭氧超標(biāo)污染日數(shù)逐年顯著增加，其中，2014年僅出現(xiàn)7 d，2015年出現(xiàn)14 d，2016年出現(xiàn)18 d，而2017年達(dá)到了47 d。

2.1 O3質(zhì)量濃度的日變化

圖1給出西安市O3質(zhì)量濃度日變化情況，可以看出，西安O3質(zhì)量濃度呈單峰型日變化，最小值22.2 μg/m3出現(xiàn)在07時(shí)，隨著太陽(yáng)輻射和光化學(xué)反應(yīng)的增強(qiáng)，日間O3質(zhì)量濃度逐漸上升，并在16時(shí)達(dá)到峰值100.7 μg/m3，此后單調(diào)下降至次日07時(shí)。由于20 時(shí)之后光化學(xué)反應(yīng)基本停滯，同時(shí)，臭氧受NO滴定作用不斷消耗[18]，夜間臭氧維持在低值。值得指出的是，西安市O3質(zhì)量濃度日變化幅度較大，最大值可是最小值的幾倍。

圖1 2014—2017年西安市O3平均質(zhì)量濃度日變化

2.2 O3質(zhì)量濃度的月變化

圖2給出2014—2017年C8h(O3)的逐月平均值，其月變化表現(xiàn)為明顯的單峰型結(jié)構(gòu)，峰值148.5 μg/m3出現(xiàn)在7月，谷值30.0 μg/m3出現(xiàn)在11月，谷峰之間單調(diào)遞增，反之亦然。這種變化與京津冀地區(qū)相似[6]，但與華南城市地區(qū)O3質(zhì)量濃度“M”型的月變化[19]有所不同。

圖2 2014—2017年西安市各月C8h(O3)平均值

3 C8h(O3)與輻射關(guān)系分析

3.1 C8h(O3)與總輻射關(guān)系

輻射是觸發(fā)光化學(xué)反應(yīng)進(jìn)而生成臭氧的重要條件之一，圖3給出2015年8月23日—2017年7月31日西安涇河氣象站Fmax與C8h(O3)的擬合曲線，可以看到，兩者具有明顯的指數(shù)關(guān)系，C8h(O3)隨Fmax增大而增大。在C8h(O3)>160 μg/m3的樣本中，F(xiàn)max最小值為798 W/m2；然而，在Fmax>800 W/m2的條件下， 仍然有31%的C8h(O3)<100 μg/m3，表明較高的Fmax是臭氧污染形成的必要但非充分條件。對(duì)日總輻射曝輻量與C8h(O3)的擬合分析(圖略)表明，兩者間也存在著類(lèi)似的指數(shù)關(guān)系。

圖3 2015-08-23—2017-07-31西安涇河C8h(O3)與總輻射日最大輻照度散點(diǎn)圖

3.2 C8h(O3)與紫外輻射關(guān)系

近紫外波段的太陽(yáng)輻射能夠影響NO2的光解反應(yīng)速率，進(jìn)而控制臭氧的生成速率[20]，對(duì)臭氧污染的形成至關(guān)重要。圖4給出2015年1月1日—2017年3月30日西安市長(zhǎng)安區(qū)氣象觀測(cè)站日紫外輻射曝輻量與西安市環(huán)保局長(zhǎng)安觀測(cè)點(diǎn)C8h(O3)的擬合關(guān)系，可以看到，兩者間顯著正相關(guān)，表明紫外輻射的增加促進(jìn)了近地面臭氧污染的形成。

圖4 2015-01-01—2017-03-30西安市長(zhǎng)安區(qū)不同溫度下日紫外輻射曝輻量與C8h(O3)散點(diǎn)圖

鑒于輻射與氣溫關(guān)系密切，因此，在分析紫外輻射與臭氧質(zhì)量濃度的關(guān)系時(shí)，進(jìn)一步考慮了Tmax在其中的影響，并將之劃分為：Tmax<20 ℃、20 ℃≤Tmax<30 ℃及Tmax≥30 ℃三個(gè)區(qū)間。圖4同時(shí)給出了不同溫度區(qū)間內(nèi)紫外輻射與C8h(O3)的關(guān)系。當(dāng)Tmax<20 ℃時(shí)，日紫外輻射曝輻量的平均值為242.5 kJ/m2，C8h(O3)平均值為41.5 μg/m3，且僅有2.6%的C8h(O3)>100 μg/m3；當(dāng)Tmax在20～30 ℃時(shí)，日紫外輻射曝輻量平均值增大至586.1 kJ/m2，C8h(O3)隨之增大，平均值達(dá)到98.9 μg/m3，有47.5%的C8h(O3)>100 μg/m3；而當(dāng)Tmax≥30 ℃時(shí)，日紫外輻射曝輻量平均值增大到957.4 kJ/m2，相應(yīng)地，C8h(O3)平均值增大至146.3 μg/m3，79.3%的C8h(O3)>100 μg/m3，其中，17.9%的C8h(O3)超過(guò)160 μg/m3，形成臭氧超標(biāo)污染。

4 C8h(O3)與氣象條件關(guān)系分析

由于5—8月是臭氧污染的集中期，因此，對(duì)于C8h(O3)與氣象要素關(guān)系的分析僅采用2014—2017年5—8月的數(shù)據(jù)。此外，氣溫、相對(duì)濕度等氣象要素的季節(jié)變化與臭氧質(zhì)量濃度的季節(jié)變化具有較高的相關(guān)性，只采用5—8月的數(shù)據(jù)，能夠一定程度上剔除氣象要素和臭氧協(xié)同變化對(duì)兩者關(guān)系的影響。

表2為西安在不同C8h(O3)情況下對(duì)應(yīng)的涇河氣象站日最高氣溫(Tmax)、日平均氣溫(Tmean)、日平均相對(duì)濕度(Umean)、日最低相對(duì)濕度(Umin)、日平均風(fēng)速及日照時(shí)數(shù)的平均值，可以看出，隨著C8h(O3)的增大，相應(yīng)的Tmax、Tmean的平均值在上升，而Umean、Umin和日平均風(fēng)速在下降，表明高溫、低濕、弱風(fēng)有利于O3生成和O3質(zhì)量濃度的增加。

表2 2014—2017年5—8月西安在不同C8h(O3)情況下涇河站各氣象要素平均值

注：①表示研究時(shí)段內(nèi)樣本數(shù)僅有2個(gè)。

4.1 C8h(O3)與氣溫的關(guān)系

從涇河Tmax與C8h(O3)的對(duì)應(yīng)關(guān)系(表2)來(lái)看：當(dāng)C8h(O3)>160 μg/m3時(shí)，Tmax的平均值為34.9 ℃，Tmax的最小值為26.3 ℃，Tmean的平均值為28.5 ℃；當(dāng)C8h(O3)>215 μg/m3時(shí)，Tmax平均值為37.0 ℃，Tmean的平均值為30.3 ℃，表明溫度越高越有利于O3的生成。從西安涇河站Tmax與C8h(O3)散點(diǎn)圖(圖5)來(lái)看，兩者具有明顯的正相關(guān)關(guān)系，Tmax越高，O3質(zhì)量濃度越大，當(dāng)Tmax高于35 ℃時(shí)，就應(yīng)警惕臭氧超標(biāo)污染的發(fā)生。

4.2 C8h(O3)與相對(duì)濕度的關(guān)系

從表2可以看出，隨著O3質(zhì)量濃度的增加，Umean平均值在減小。當(dāng)C8h(O3)>160μg/m3時(shí)，Umean的平均值為52.5%；當(dāng)C8h(O3)>215 μg/m3時(shí)，Umean的平均值為43.6%。這表明濕度低更有利于O3的生成。圖6為C8h(O3)與Umean散點(diǎn)圖，由圖6可以看出：在Umean>75%的樣本中，80.6%的C8h(O3)<100 μg/m3，C8h(O3)超過(guò)160 μg/m3的僅有1 d；在50%215 μg/m3，達(dá)到了中度污染；而在Umean≤50%的樣本中，41.8%的C8h(O3)>160 μg/m3，發(fā)生臭氧超標(biāo)污染的日數(shù)占整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)臭氧超標(biāo)污染總?cè)諗?shù)的55.7%，其中有17 d的C8h(O3)>215 μg/m3，達(dá)到中度污染，占研究時(shí)段內(nèi)中度以上臭氧污染總?cè)諗?shù)(18 d)的94.44%。

圖5 2014—2017年5—8月西安涇河站日最高氣溫與C8h(O3)散點(diǎn)圖

圖6 2014—2017年5—8月西安涇河站日平均相對(duì)濕度與C8h(O3)散點(diǎn)圖

考慮到臭氧超標(biāo)污染主要出現(xiàn)在白天，而相對(duì)濕度(U)日變化的低值也主要出現(xiàn)在白天，因此，進(jìn)一步分析Umin與C8h(O3)的關(guān)系(表2)。Umin>70%時(shí)，僅有2 d的C8h(O3)超過(guò)100 μg/m3，但仍小于160 μg/m3，未出現(xiàn)臭氧超標(biāo)污染；40%160 μg/m3，出現(xiàn)輕度臭氧污染天氣，但未出現(xiàn)中度污染；在Umin≤40%的樣本中，84.2%的C8h(O3)>100 μg/m3。研究時(shí)段內(nèi)臭氧超標(biāo)污染天氣共出現(xiàn)115 d，其中有102 d的Umin≤40%，占88.7%，而中度以上臭氧污染全部出現(xiàn)在這一相對(duì)濕度條件下；因此Umin小于40%時(shí)，需要警惕臭氧超標(biāo)污染的發(fā)生。

4.3 C8h(O3)與日照時(shí)數(shù)、日平均風(fēng)速關(guān)系

分析5—8月C8h(O3)與日照時(shí)數(shù)的關(guān)系發(fā)現(xiàn)：當(dāng)C8h(O3)>160 μg/m3時(shí)，日照時(shí)數(shù)的平均值在10.5 h以上(表2)，96.5%的臭氧超標(biāo)污染日的日照時(shí)數(shù)大于6 h，89.6%的臭氧污染日的日照時(shí)數(shù)大于8 h；而C8h(O3)<100 μg/m3的日數(shù)中，72.8%的日照時(shí)數(shù)小于3 h。因此，較長(zhǎng)的日照更有利于臭氧的生成。

從表2可以看出，隨著臭氧質(zhì)量濃度的增大，日平均風(fēng)速的平均值也在減小，臭氧超標(biāo)污染日的平均風(fēng)速小于非臭氧超標(biāo)污染日。綜合C8h(O3)與日照時(shí)數(shù)和日平均風(fēng)速的分析結(jié)果來(lái)看，在晴天、小風(fēng)情況下，更容易出現(xiàn)臭氧污染。

5 結(jié)論與討論

(1)西安市臭氧質(zhì)量濃度的日變化和月變化具有明顯的單峰型特征，研究時(shí)段內(nèi)日最大值(100.7 μg/m3)和最小值(22.2 μg/m3)分別出現(xiàn)在16時(shí)和07時(shí)，C8h(O3)月最大值(148.5 μg/m3)和最小值(30.0 μg/m3)分別出現(xiàn)在7月和11月；近年來(lái)，西安市臭氧超標(biāo)污染日數(shù)增加明顯。

(2)總輻射日最大輻照度、日總輻射曝輻量和日紫外輻射曝輻量與C8h(O3)均具有顯著的正相關(guān)關(guān)系。其中，前兩者與C8h(O3)表現(xiàn)為指數(shù)函數(shù)關(guān)系，而日紫外輻射曝輻量與C8h(O3)表現(xiàn)為線性函數(shù)關(guān)系，并且紫外輻射與C8h(O3)的相關(guān)系數(shù)高于總輻射，表明其在臭氧形成過(guò)程中所起的作用更為重要。

(3)日最高氣溫、平均氣溫、日照時(shí)數(shù)和C8h(O3)正相關(guān)，風(fēng)速和相對(duì)濕度與C8h(O3)負(fù)相關(guān)，表明晴空條件下，高溫、低濕、小風(fēng)更有利于大氣中臭氧的形成。在5—8月，當(dāng)日最高氣溫大于35 ℃或者日最低相對(duì)濕度小于40%時(shí)，應(yīng)警惕臭氧超標(biāo)污染的發(fā)生。