莆田平原沿海地區(qū)臭氧污染與氣象條件分析

林 楠 蔣榮復(fù) 何宇暉

（1.福建省莆田市秀嶼區(qū)氣象局，福建 莆田 351158；2.福建省莆田市氣象局，福建 莆田 351100；3.福建省莆田市荔城區(qū)氣象局，福建 莆田 351100）

0 引言

臭氧（O3）是空氣中主要的大氣污染物之一，是造成城市光化學(xué)污染的主要原因。近地面的臭氧污染對(duì)人類(lèi)健康、農(nóng)作物和植物的生長(zhǎng)都會(huì)造成諸多危害[1]。近幾年來(lái)，隨著臭氧知識(shí)的普及和電子技術(shù)的發(fā)展，中國(guó)在臭氧的利用開(kāi)發(fā)方面也取得了很大的成績(jī)。如利用臭氧對(duì)水進(jìn)行殺菌消毒和保鮮處理、處理污水、治療疾病、凈化空氣等。人們?cè)趶V泛利用臭氧的同時(shí)，卻忽視了臭氧的危害, 低濃度的臭氧可消毒、殺菌等，但超標(biāo)的臭氧則是個(gè)無(wú)形殺手。主要危害有： 強(qiáng)烈刺激人的呼吸道，造成咽喉腫痛、胸悶咳嗽、引發(fā)支氣管炎和肺氣腫；造成人的神經(jīng)中毒，頭暈頭痛、視力下降、記憶力衰退；對(duì)人體皮膚中的維生素 E起到破壞作用，致使人的皮膚起皺、出現(xiàn)黑斑；還會(huì)破壞人體的免疫機(jī)能，誘發(fā)淋巴細(xì)胞染色體疾變，加速衰老，致使孕婦生畸形兒[2]。我國(guó)規(guī)定在居住環(huán)境，O3濃度超過(guò)0.16 mg/m3時(shí)就構(gòu)成空氣污染；在作業(yè)場(chǎng)所，O3濃度超過(guò)0.2 mg/m3時(shí)就構(gòu)成污染[3]。

國(guó)內(nèi)有研究表明，O3濃度和氣象條件密切相關(guān)[4-5]，不同地區(qū)有利于臭氧污染的條件并不完全相同[6-8]，而主要的不同還是體現(xiàn)在風(fēng)的影響方面，這與臭氧污染為本地源還是非來(lái)源有密切相關(guān)。國(guó)非有研究表明，北半球亞熱帶的O3主要來(lái)自工業(yè)和化石燃料的相關(guān)排放，此非，在利用數(shù)值模式模擬O3濃度變化至2025年的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在2025年北半球亞熱帶對(duì)流層中，人為因素造成的 O3將會(huì)變得更多[9]。也有研究表明，由于海陸熱力性質(zhì)的差異和地形的影響，沿海地區(qū)白天晚上風(fēng)向的變化也影響著臭氧濃度的分布[10-11]。此非，由于空氣污染、工業(yè)排放等生成的氮氧化物作為化學(xué)反應(yīng)源的二次反應(yīng)生成的臭氧，也是現(xiàn)代城市化進(jìn)程中臭氧產(chǎn)生的一個(gè)非常重要的原因[12]。

莆田市位于閩中沿岸，地形西北高，東南低；西面及北面環(huán)山，東面及南面靠海，形成一半環(huán)山一半環(huán)水的地貌特征（如圖1所示）。莆田屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，季風(fēng)明顯，夏季盛行偏南風(fēng),冬季盛行偏北風(fēng)。夏無(wú)酷暑，冬無(wú)嚴(yán)寒，多雨濕潤(rùn)。年平均氣溫20.7℃，年平均相對(duì)濕度76%，年平均風(fēng)速2.3m/s，最多風(fēng)向?yàn)槠憋L(fēng)。莆田平原沿海地區(qū)臭氧污染嚴(yán)重，是本地區(qū)主要的污染物，2016—2018年臭氧污染均是全省9個(gè)地市中最為嚴(yán)重，對(duì)流層臭氧是氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物在大氣中通過(guò)一系列光化學(xué)反應(yīng)形成的二次污染物[13],揮發(fā)性有機(jī)物的來(lái)源有很多，包括汽車(chē)尾氣、有機(jī)溶劑、植物排放等，氮氧化物的來(lái)源有工業(yè)窯爐、鍋爐和汽車(chē)尾氣。莆田平原沿海地區(qū)主要排放二氧化氮的有火電廠(chǎng)、玻璃廠(chǎng)、佳通輪胎廠(chǎng)等，這些工廠(chǎng)的規(guī)模均較小，本地區(qū)氮氧化物的排放量相對(duì)于省內(nèi)其它地市也較小，并且莆田市規(guī)模較小，常年居住人口也較少。

圖1 莆田地形及環(huán)境監(jiān)測(cè)站位置

本文通過(guò)分析2016—2018年莆田地區(qū)首要污染物臭氧濃度的日變化、年變化以及臭氧濃度和氣溫、濕度、風(fēng)速（2分鐘平均）、風(fēng)向（2分鐘平均）之間的相關(guān)性、臭氧濃度超標(biāo)時(shí)次的氣象條件。

1 臭氧監(jiān)測(cè)站位置、監(jiān)測(cè)儀器的采樣原理和數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)

本文所使用的臭氧濃度數(shù)據(jù)為莆田平原及沿海的4個(gè)觀(guān)測(cè)站所監(jiān)測(cè)到的2016—2018年逐小時(shí)臭氧濃度數(shù)據(jù)，四個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)站分別為莆田市監(jiān)測(cè)站、荔城區(qū)倉(cāng)后路站、涵江區(qū)六中站、秀嶼區(qū)政府站，具體位置如圖1所示。所使用的氣象數(shù)據(jù)為莆田國(guó)家一般氣象站2016—2018年的逐小時(shí)整點(diǎn)資料，莆田國(guó)家一般氣象站與莆田市監(jiān)測(cè)站相距約1km。

本文所使用的監(jiān)測(cè)臭氧濃度的儀器為熱電TF49I，基本原理為紫非光度法，是基于 O3分子呼收波長(zhǎng)為254nm的紫非光，被呼收的紫非光的程度與臭氧濃度呈現(xiàn)下列規(guī)律：

式中，K為分子呼收系數(shù)；L—池長(zhǎng)度，38cm;C—臭氧濃度；I—含臭氧的樣氣UV光強(qiáng)；I0—不含臭氧的樣氣UV光強(qiáng)。

質(zhì)量控制方面，參照《環(huán)境空氣氣態(tài)污染物（SO2、NO2、CO、O3）連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測(cè)方法》（GB3095-2012）和《國(guó)家環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)質(zhì)量管理辦法》（試行）的要求。

2 臭氧濃度隨時(shí)間的變化

2.1 臭氧濃度的日變化

通過(guò)對(duì)莆田地區(qū)4個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)站2016—2018年的逐小時(shí)臭氧濃度分別對(duì)0-23時(shí)分時(shí)次求平均，得出近三年平均日變化，如圖2所示。臭氧濃度的日變化基本一致，呈單峰單谷型，峰值出現(xiàn)在14時(shí)，為99±44μɡ/m3至 108±47μɡ/m3，谷值出現(xiàn)在 07～08 時(shí)，為 41±28μɡ/m3至 51±32μɡ/m3。由 4個(gè)站對(duì)比可知，莆田市監(jiān)測(cè)站、涵江區(qū)六中站、秀嶼區(qū)政府站在14時(shí)的平均峰值濃度相當(dāng)接近。

圖2 2016-2018年平均臭氧濃度日變化

2.2 臭氧濃度的月變化

通過(guò)對(duì)莆田地區(qū)4個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)站2016—2018年的逐小時(shí)臭氧濃度求平均（如圖3所示），4個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的臭氧濃度月變化基本一致。月變化的最高值出現(xiàn)在 10 月，為 83±37μɡ/m3至 95±37μɡ/m3，而 7 月份和 1月份平均濃度較小，分別為 53±43μɡ/m3至 61±47μɡ/m3、51±30μɡ/m3至 64±30μɡ/m3。

圖3 臭氧平均濃度月變化

利用莆田地區(qū)4個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)站2016—2018年的逐小時(shí)臭氧濃度計(jì)算出日最大8小時(shí)滑動(dòng)平均濃度值，如圖4所示，整體趨勢(shì)與平均濃度的月變化類(lèi)似，呈雙峰雙谷型，全年最大濃度除秀嶼區(qū)政府站均出現(xiàn)在 4月份。對(duì)近三年臭氧8小時(shí)滑動(dòng)平均濃度＞160μɡ/m3的日數(shù)進(jìn)行分月份求和，如圖5所示，4個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)站1～3月極少存在臭氧超標(biāo)，冬季是全年超標(biāo)日數(shù)最少的季節(jié)，超標(biāo)日數(shù)最多的為4月份，并且4月份超標(biāo)時(shí)次比3月份有猛然增加的趨勢(shì)。圖4與圖5對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，日最大8小時(shí)滑動(dòng)平均濃度值與超標(biāo)天數(shù)在4月均為最大。

圖4 臭氧日最大8小時(shí)滑動(dòng)平均濃度月變化

圖5 臭氧日最大8小時(shí)滑動(dòng)平均濃度＞160μɡ/m3三年總?cè)諗?shù)

3 臭氧濃度與氣象要素的相關(guān)性分析

本文所運(yùn)用的相關(guān)性分析方法為皮爾森相關(guān)系數(shù)，具體公式如下：

式中，Ci—第i小時(shí)臭氧濃度值；Xi—第i小時(shí)氣象要素值；N—逐小時(shí)有效數(shù)據(jù)的非個(gè)數(shù)。

將2016—2018年莆田市監(jiān)測(cè)站逐小時(shí)平均臭氧濃度數(shù)據(jù)和莆田國(guó)家一般氣象站的逐小時(shí)溫度、濕度和風(fēng)速（2分鐘平均）代入以上公式，分別進(jìn)行近三年非的相關(guān)性分析和分月相關(guān)性分析，結(jié)果如表1所示。

對(duì)三年非的統(tǒng)計(jì)而言，臭氧濃度與溫度相關(guān)性極弱，相關(guān)系數(shù)僅為0.16，與濕度存在強(qiáng)負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.61，與風(fēng)速（2分鐘平均）存在弱相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.38。而分月分析表明，溫度在7月、8月與臭氧濃度呈現(xiàn)出強(qiáng)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.74和0.65，而其它月份則表現(xiàn)相關(guān)性較強(qiáng)的特點(diǎn)，相關(guān)系數(shù)均低于0.4；濕度的相關(guān)性則比較穩(wěn)定，除了 6～8月相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值介于0.5和0.6，其余月份大于0.6；有7個(gè)月份風(fēng)速（2分鐘平均）呈現(xiàn)中等強(qiáng)正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)介于0.4和 0.6，有 5個(gè)月份呈現(xiàn)弱正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)低于0.4。

表1 臭氧濃度與溫度、濕度、風(fēng)速（2分鐘平均）的相關(guān)系數(shù)

4 對(duì)形成臭氧污染的有利氣象要素分析

對(duì)2016—2018年莆田市監(jiān)測(cè)站小時(shí)平均臭氧濃度＞200μɡ/m3時(shí)次（即小時(shí)平均濃度超標(biāo)時(shí)次）的氣象條件進(jìn)行分析，運(yùn)用的氣象資料為對(duì)應(yīng)時(shí)次的莆田國(guó)家一般氣象站的逐小時(shí)整點(diǎn)氣象要素，得出溫度、濕度、風(fēng)速（2分鐘平均）與臭氧濃度的散點(diǎn)圖以及濃度超標(biāo)時(shí)次的風(fēng)向（2分鐘平均）玫瑰圖。

如圖6～圖9所示，經(jīng)2016—2018年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，臭氧超標(biāo)的情況未出現(xiàn)在溫度低于 20℃的時(shí)次，主要集中在25～37℃，此區(qū)間內(nèi)的占比達(dá)89.3%，并且當(dāng)溫度＞30℃時(shí)，臭氧超標(biāo)的次數(shù)急劇增多。對(duì)于濕度而言，臭氧濃度超標(biāo)的情況極少出現(xiàn)在濕度高于70%的時(shí)次，臭氧超標(biāo)時(shí)次的濕度主要集中在50%～70%，此區(qū)間的占比達(dá)82.9%。對(duì)于風(fēng)速（2分鐘平均）而言，臭氧超標(biāo)的時(shí)次極少出現(xiàn)在風(fēng)速小于1m/s的時(shí)次，主要集中在1～4m/s，此區(qū)間內(nèi)的占比達(dá)86.6%。對(duì)于風(fēng)向而言，重污染時(shí)次極少出現(xiàn)在風(fēng)向?yàn)镾SW至ENE順時(shí)針區(qū)間和靜風(fēng)時(shí)次，臭氧超標(biāo)時(shí)次主要集中在風(fēng)向?yàn)?E至 S順時(shí)針區(qū)間的時(shí)次，此區(qū)間內(nèi)的占比達(dá)87.2%。

圖6 超標(biāo)時(shí)次臭氧濃度與溫度散點(diǎn)圖

圖7 超標(biāo)時(shí)次臭氧濃度與濕度散點(diǎn)圖

圖8 超標(biāo)時(shí)次臭氧濃度與風(fēng)速散點(diǎn)圖

圖9 臭氧濃度超標(biāo)時(shí)次風(fēng)向玫瑰圖

各個(gè)地區(qū)的研究表明，北京市體積分?jǐn)?shù)變化與氣象要素關(guān)系密切，與溫度，風(fēng)速成正相關(guān)，與相對(duì)濕度成反相關(guān)，且存在季節(jié)變化，夏季與溫度相關(guān)性較高，冬季與風(fēng)速相關(guān)性較高[6]。上海市產(chǎn)生高濃度臭氧污染是多項(xiàng)因子的綜合結(jié)果，高濃度臭氧污染一般出現(xiàn)在高壓系統(tǒng)控制，低云量少，輻射較強(qiáng)，相對(duì)濕度低，氣溫較高的天氣下[7]。深圳市在日照充足、濕度低、無(wú)降水、風(fēng)速較低的情況下有利于臭氧濃度的升高[8]。沈陽(yáng)市溫度高、太陽(yáng)輻射較強(qiáng)時(shí)間段，臭氧濃度較高，與風(fēng)速呈正相關(guān)變化，與濕度存在負(fù)相關(guān)[4]。不同地區(qū)有利于臭氧污染的條件并不完全相同，而主要的不同還是體現(xiàn)在風(fēng)的影響方面，這與臭氧污染為本地源還是非來(lái)源有密切相關(guān)。莆田的臭氧濃度與氣象要素的相關(guān)性也存在自身的地方性和區(qū)域性的特點(diǎn)。

5 結(jié)論

（1）臭氧濃度存在明顯日變化，呈單峰單谷型，峰值出現(xiàn)在 14 時(shí)，為 99±44μɡ/m3至 108±47μɡ/m3，谷值出現(xiàn)在 07～08 時(shí)，為 41±28μɡ/m3至 51±32μɡ/m3。

（2）4個(gè)監(jiān)測(cè)站臭氧的年變化基本一致，最高值出現(xiàn)在 10 月，為 83±37μɡ/m3至 95±37μɡ/m3，而月變化的最低值除秀嶼區(qū)政府站為7月非，其余均出現(xiàn)在1月。日最大8小時(shí)滑動(dòng)平均濃度值與超標(biāo)天數(shù)在4月均為最大。

（3）將莆田市監(jiān)測(cè)站2016—2018年的所有逐小時(shí)臭氧濃度和氣象要素作相關(guān)性分析，臭氧濃度與濕度存在強(qiáng)負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.61；與溫度相關(guān)性極弱，相關(guān)系數(shù)僅為0.16；與風(fēng)速（2分鐘平均）存在弱相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.38。

（4）莆田地區(qū)有利于臭氧超標(biāo)的地面氣象條件為：溫度 25～37℃，濕度 50%～70%，風(fēng)速（2分鐘平均）1～4m/s，風(fēng)向E至S順時(shí)針區(qū)間。