一次連續(xù)臭氧污染過程的氣象條件分析

楊允凌,郝巨飛,楊麗娜,王少明,張建波

(1.河北省邢臺市氣象局，河北 邢臺 054000；2.河北省邢臺市生態(tài)環(huán)境局，河北 邢臺 054000)

引 言

臭氧是O2的同素異形體，是天然大氣的重要微量成分，約90%的臭氧存在于平流層，僅有10%左右的臭氧分布在對流層[1]。平流層臭氧可以保護地球上生物免受紫外線輻射的傷害，而對流層中臭氧絕大部分是由NOX、VOCS經(jīng)光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的二次污染物[2]?？諝庵猩倭砍粞蹩梢云鸬较竞蜌⒕淖饔?，若近地面或?qū)α鲗哟髿庵谐粞鯘舛仍黾?，會對人類健康造成危害[3]，還會影響動植物生長，導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)[4]，給生態(tài)環(huán)境帶來嚴(yán)重危害[5]。另外，臭氧作為一種強氧化劑，在對流層許多化學(xué)過程中起著重要作用，是光化學(xué)煙霧的主要標(biāo)識物[6]。

近年來中國臭氧污染問題日趨嚴(yán)重，近地面高濃度臭氧已成為影響城市空氣質(zhì)量的重要污染物。針對不同區(qū)域的近地面臭氧分布特征及其影響因素，國內(nèi)外進行了大量相關(guān)研究[7-14]。不同區(qū)域近地面臭氧分布及變化呈現(xiàn)一定的區(qū)域性特征，如北京市臭氧濃度近年來呈上升趨勢[15]，臭氧重污染天數(shù)增加，有“周末效應(yīng)”(周末白天臭氧濃度高于工作日)[16-19]，城區(qū)臭氧濃度相對較低，而周邊區(qū)縣相對較高，臭氧濃度與溫度、風(fēng)速呈正相關(guān)關(guān)系，與氣壓、濕度、能見度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，臭氧與其前體物呈顯著的負(fù)相關(guān)性[15,20-21]。南京市北郊夏季臭氧濃度日變化呈單峰型，夜間變化平緩，白天變化劇烈[22-23]；太原市城區(qū)O3和相關(guān)氣象因子存在顯著季節(jié)性變化特征[24-25]；深圳市有利于O3污染的氣象條件為較高的溫度、充足的日照、干燥、無雨及弱風(fēng)[26]；河北省承德市臭氧污染主要出現(xiàn)在4—9月，臭氧污染日數(shù)及所占污染總?cè)諗?shù)的比重呈逐年增加趨勢，臭氧前體物濃度基本呈逐年下降趨勢[27]。邢臺市作為冀南地市級工業(yè)城市，2016—2018年臭氧濃度峰值逐年增大，重污染日從無到有，整體呈上升趨勢。2016—2018年邢臺市共出現(xiàn)臭氧污染過程25例，其中2018年6月10—24日的臭氧污染天氣過程，為近3 a持續(xù)時間最長、污染較重的臭氧污染天氣過程。因此，針對河北省邢臺市日益嚴(yán)重的臭氧污染，本文較細(xì)致地分析了此次連續(xù)臭氧污染過程的氣象條件，以期為邢臺市大氣污染防治提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 資料來源

利用2018年6月10—24日邢臺市環(huán)境監(jiān)控中心4個監(jiān)測點的大氣污染物(O3、NO2、PM10、CO、PM2.5、SO2)監(jiān)測數(shù)據(jù)，4個監(jiān)測點分別為路橋公司(114°31′E、37°05′N)、達活泉(114°28′E、37°05′N)、邢師高專(114°31′E、37°03′N)和市環(huán)保局(114°29′E、37°03′N)，依次位于市區(qū)的東北、西北、東南和西南，可以表征市區(qū)污染物濃度的變化情況。

臭氧監(jiān)測儀器為美國Teledyne-API公司生產(chǎn)的T400型臭氧分析儀，檢測方法為紫外吸收法，原理為臭氧吸收波長為254 nm的紫外光，根據(jù)檢測樣品通過紫外光時被吸收的程度來計算臭氧的質(zhì)量濃度，檢測量程為0～1071 μg·m-3，最低檢測限為4 μg·m-3。臭氧觀測采用24 h連續(xù)觀測，每5 min獲取1次數(shù)據(jù)。NO2監(jiān)測儀器為美國Teledyne-API公司生產(chǎn)的T200NO-NO2-NOX分析儀，檢測方法為化學(xué)發(fā)光法，檢測量程為0～1026 μg·m-3，最低檢測限為4 μg·m-3。顆粒物濃度監(jiān)測采用河北先河公司生產(chǎn)的XHPM2000E自動監(jiān)測儀，該儀器利用β射線吸收原理直接測量懸浮塵粒和細(xì)粒子的質(zhì)量濃度，儀器測量范圍0～10 mg·m-3，濾紙帶為玻璃纖維材料，校準(zhǔn)膜重現(xiàn)性≤2%。每天由第三方運行維護公司對市區(qū)的4個監(jiān)測點數(shù)據(jù)進行審核，剔除儀器故障或設(shè)備維護期間的異常值和無效值，數(shù)據(jù)真實可靠。

氣象資料為2018年6月10—24日邢臺市氣象站逐時地面輻射、氣溫和降水量，2018年6月邢臺市氣象站逐時相對濕度，2016—2018年邢臺市氣象站逐日相對濕度，2018年6月10—24日金華小學(xué)區(qū)域站逐時地面風(fēng)場資料[28]。小時臭氧質(zhì)量濃度指1 h臭氧質(zhì)量濃度平均值，日最大8 h臭氧滑動平均值表征日臭氧質(zhì)量濃度，全市平均值指4個環(huán)境監(jiān)測點的平均值。各指標(biāo)的含義、計算方法和日評價方法詳見《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095—2012)[29]和《環(huán)境空氣質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》(試行)(HJ663—2013)[30]。

1.2 原理和方法

O3的生成過程主要是過氧自由基(HO2、RO2)氧化NO產(chǎn)生NO2，NO2隨后光解產(chǎn)生O3，一般來說，生成O3的光化學(xué)過程可以用(R1)～(R3)來表示(φ表示RO2氧化NO生成NO2的產(chǎn)率)，同時O3還可以由一些光化學(xué)反應(yīng)去除，如(R4)～(R8)[17]。

HO2+NO→NO2+OH

(R1)

RO2+NO→φNO2+HO2

(R2)

NO2+hv→NO+O3

(R3)

O3+NO→NO2+O2

(R4)

O3+hv→O1D+H2O→2×OH

(R5)

O3+OLE(烯烴)→products

(R6)

O3+OH→HO2+O2

(R7)

O3+HO2→OH+O2

(R8)

后向軌跡利用美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)空氣資源實驗室和澳大利亞氣象局聯(lián)合研發(fā)的HYSPLIT(hybrid single particle lagrangian integrated trajectory model)模式，該模式是歐拉和拉格朗日混合擴散模式，廣泛用于跟蹤氣流攜帶的粒子或氣體的移動方向、分析污染物的來源和傳輸路徑等方面[11]。

1.3 環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)

《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)》(AQI)技術(shù)規(guī)定(HJ633—2012)[31]中將空氣質(zhì)量等級劃分為：0300為嚴(yán)重污染。2018年6月10—24日邢臺市出現(xiàn)連續(xù)以臭氧為首要污染物的污染天氣，其中8 d輕度污染，6 d中度污染，1 d重度污染(6月12日)。

2 臭氧濃度變化

2.1 逐日變化

圖1為2018年6月10—24日邢臺市4個監(jiān)測點(路橋公司、達活泉、邢師高專和市環(huán)保局)臭氧質(zhì)量濃度的日變化?？梢钥闯?，4個監(jiān)測點臭氧質(zhì)量濃度變化趨勢基本一致，其中邢師高專最高，達活泉次之，路橋公司第三，市環(huán)保局最低。總體上，6月10—24日邢臺市臭氧質(zhì)量濃度逐日平均值在170～276 μg·m-3之間，過程平均濃度為221 μg·m-3。

2.2 逐時變化

圖2為2018年6月10—24日邢臺市4個監(jiān)測點臭氧平均質(zhì)量濃度逐時變化?？梢钥闯?，4個監(jiān)測點均呈單峰型變化，05:00—06:00(北京時，下同)O3質(zhì)量濃度最低，15:00最高，之后隨太陽輻射強度減弱、氣溫下降，臭氧質(zhì)量濃度開始降低。臭氧在大氣中發(fā)生復(fù)雜的光化學(xué)反應(yīng)，夜間光照較弱，生成臭氧的化學(xué)反應(yīng)弱，同時NO不斷消耗臭氧，因此夜間時段臭氧質(zhì)量濃度較低；06:00開始受太陽輻射和氣溫升高影響，生成臭氧的光化學(xué)反應(yīng)強烈，臭氧含量開始累積升高，在15:00前后達到峰值，因此白天時段臭氧質(zhì)量濃度較高。

圖1 2018年6月10—24日河北邢臺市4個監(jiān)測點臭氧質(zhì)量濃度逐日變化Fig.1 Daily change of ozone mass concentration at four monitoring points in Xingtai of Hebei Province from 10 to 24 June 2018

圖2 2018年6月10—24日河北邢臺市4個監(jiān)測點臭氧平均質(zhì)量濃度逐時變化Fig.2 The hourly variation of ozone mass concentration at four monitoring points in Xingtai of Hebei Province from 10 to 24 June 2018

邢師高專、路橋公司、達活泉、市環(huán)保局O3小時質(zhì)量濃度最低值分別為33、36、50、53 μg·m-3，除路橋公司最低值出現(xiàn)在05:00外，其他站點最低值均出現(xiàn)在06:00；邢師高專、達活泉、市環(huán)保局和路橋公司O3質(zhì)量濃度日最高值均出現(xiàn)在15:00，分別為248、246、226、224 μg·m-3。說明邢師高專臭氧質(zhì)量濃度晝夜差最大，市環(huán)保局晝夜差最小?？傮w上，邢臺市小時平均臭氧質(zhì)量濃度在44～236 μg·m-3之間，日平均值為135 μg·m-3，最小值出現(xiàn)在06:00，最大值出現(xiàn)在15:00。

2.3 不同天氣條件下臭氧濃度日變化

選取2016—2018年5—8月邢臺市晴天(30 d)、陰天(34 d)和雨天(20 d)，統(tǒng)計3種不同天氣條件下臭氧質(zhì)量濃度的逐時變化(圖3)。由圖3可以看出，晴天、陰天、雨天臭氧質(zhì)量濃度變化趨勢大致相同，日變化均呈“單峰型”特征，晴天時谷值最低(24 μg·m-3)，雨天時谷值最高(50 μg·m-3)，晴天和雨天谷值均出現(xiàn)在05:00，而陰天谷值出現(xiàn)在06:00；晴天時峰值最高(181 μg·m-3)，雨天峰值最低(101 μg·m-3)，晴天和雨天峰值出現(xiàn)在16:00，陰天峰值則出現(xiàn)在15:00，這與趙輝等[22]、譚建國等[32]研究南京、上海晴天臭氧濃度峰值比陰雨天出現(xiàn)時間推遲的結(jié)論不一致，可能原因是分析的時間和地點有差異。雨天臭氧濃度變化最為平緩，晴天則變化幅度最大。

圖3 2016—2018年5—8月河北邢臺市不同天氣條件下臭氧質(zhì)量濃度逐時變化Fig.3 The hourly variation of ozone mass concentration under different weather conditions in Xingtai of Hebei Province from May to August during 2016-2018

3 氣象條件

氣象條件是影響近地面臭氧濃度變化的原因之一。一方面，太陽輻射、溫度、相對濕度等影響光化學(xué)反應(yīng)的條件，另一方面風(fēng)向和風(fēng)速等影響O3的區(qū)域輸送及累積作用[32]。因此，重點分析氣溫、太陽輻射、相對濕度、風(fēng)速和風(fēng)向?qū)Τ粞鯘舛鹊挠绊憽?/p>

3.1 氣溫

氣溫升高會加強光化學(xué)反應(yīng)速率，容易出現(xiàn)高濃度臭氧。分別計算臭氧1 h平均質(zhì)量濃度與小時平均氣溫、小時最高氣溫和小時最低氣溫的相關(guān)性，得出臭氧質(zhì)量濃度隨氣溫的升高而升高，兩者的相關(guān)性顯著，相關(guān)系數(shù)分別是0.817、0.821、0.816，且均通過α=0.01的顯著性檢驗。圖4為2018年6月10—24日邢臺市臭氧質(zhì)量濃度和小時最高氣溫的逐時變化?？梢钥闯?，01:00—06:00臭氧質(zhì)量濃度隨最高氣溫的下降而降低，06:00—15:00則隨著最高氣溫的上升而升高，15:00以后伴隨著最高氣溫的逐漸下降，臭氧質(zhì)量濃度又呈降低趨勢。臭氧質(zhì)量濃度和最高氣溫的低值均出現(xiàn)在06:00，臭氧質(zhì)量濃度峰值出現(xiàn)在15:00，最高氣溫的峰值出現(xiàn)在16:00，比臭氧質(zhì)量濃度滯后1 h，說明臭氧濃度與氣溫具有密切的聯(lián)系。

3.2 太陽輻射

臭氧濃度與太陽輻射呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.330，且通過α=0.01的顯著性檢驗。圖5為2018年6月10—24日邢臺市臭氧濃度與總輻射輻照度的逐時變化。可以看出，05:00—12:00太陽輻射強度逐漸增強，12:00—19:00逐漸減弱。06:00—15:00臭氧質(zhì)量濃度逐漸增加，15:00—24:00逐漸降低。臭氧質(zhì)量濃度最大值出現(xiàn)在15:00，其出現(xiàn)時間比太陽輻射峰值出現(xiàn)時間(12：00)滯后3 h，說明臭氧是由于太陽輻射而形成的二次污染物，其前體物經(jīng)光化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為臭氧有一定的滯后性[33]。

圖4 2018年6月10—24日河北邢臺市臭氧質(zhì)量濃度與最高氣溫的逐時變化Fig.4 The hourly variation of ozone mass concentration and maximum air temperature in Xingtai of Hebei Province from 10 to 24 June 2018

圖5 2018年6月10—24日河北邢臺市臭氧質(zhì)量濃度與總輻射輻照度的逐時變化Fig.5 The hourly variation of ozone mass concentration and total radiation irradiance in Xingtai of Hebei Province from 10 to 24 June 2018

3.3 相對濕度

相對濕度在一定程度上可以反映空氣中的水汽含量。臭氧含量與相對濕度(RH)的關(guān)系比較復(fù)雜，統(tǒng)計河北邢臺市日臭氧質(zhì)量濃度、逐時臭氧質(zhì)量濃度和相對濕度，當(dāng)日臭氧質(zhì)量濃度大于160 μg·m-3時為臭氧超標(biāo)日，當(dāng)小時臭氧質(zhì)量濃度大于200 μg·m-3時為臭氧小時超標(biāo)。2016—2018年邢臺市臭氧質(zhì)量濃度隨著相對濕度的增加呈先上升后下降趨勢，臭氧超標(biāo)率隨相對濕度的增加呈波動上升和下降趨勢(表略)。一定濕度范圍內(nèi)(當(dāng)RH≤60%時)，濕度越大，水分子越多，大氣中的紫外輻射和反射等會被水分子大量吸收，促進空氣中臭氧的生成[34]。表1列出2018年6月河北邢臺市不同相對濕度下的臭氧平均質(zhì)量濃度及其超標(biāo)率?？梢钥闯?，2018年6月相對濕度在30%～60%時，臭氧質(zhì)量濃度和臭氧超標(biāo)率均較高。而當(dāng)RH>60%時，臭氧超標(biāo)率和臭氧質(zhì)量濃度隨濕度增加均呈下降趨勢，可能原因是濕度過高時對污染物產(chǎn)生濕沉降，使空氣中污染物濃度降低[32]。針對此次污染過程(6月10—24日)，當(dāng)RH≤60%時，臭氧質(zhì)量濃度平均值和臭氧超標(biāo)率均比2018年6月高；當(dāng)RH>70%時，臭氧超標(biāo)率為0%，臭氧平均濃度較低；此次污染過程臭氧超標(biāo)率隨相對濕度增加而降低，其質(zhì)量濃度隨相對濕度增加先升后降。因此，在一定的濕度范圍內(nèi)，臭氧質(zhì)量濃度與相對濕度有一定的相關(guān)性。

3.4 風(fēng)向風(fēng)速

圖6為2018年6月10—24日河北邢臺市臭氧質(zhì)量濃度與平均風(fēng)速的逐時變化。可以看出，總體上臭氧質(zhì)量濃度隨著風(fēng)速的增大而升高，隨著風(fēng)速減小而降低，小時臭氧質(zhì)量濃度與平均風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)為0.282，且通過α=0.01的顯著性檢驗。風(fēng)速較大時，臭氧質(zhì)量濃度較高，風(fēng)速較小時，臭氧質(zhì)量濃度較低，平均風(fēng)速最小值出現(xiàn)在04:00，臭氧質(zhì)量濃度最低值出現(xiàn)在06:00，平均風(fēng)速最高值出現(xiàn)在13:00，臭氧質(zhì)量濃度最高值出現(xiàn)在15:00，臭氧濃度與風(fēng)速變化存在一致性，但在時間上滯后2 h，這與王闖等[35]研究的沈陽市風(fēng)速對臭氧濃度的影響基本一致，但沈陽市臭氧濃度和平均風(fēng)速的日變化沒有滯后現(xiàn)象。風(fēng)是影響污染物水平稀釋和輸送的重要氣象因子。風(fēng)速較小時，由于臭氧的本身不穩(wěn)定性，在隨風(fēng)遷移過程中，臭氧會被分解為氧原子和氧分子，風(fēng)速較大時，臭氧能在未完全分解前被檢測到，而且風(fēng)速較大還有利于降低與臭氧發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)前體物的濃度[35]，因此具備一定的風(fēng)速時，有利于臭氧濃度升高。

表1 2018年6月河北邢臺市不同相對濕度下的臭氧質(zhì)量濃度及其超標(biāo)率Tab.1 Ozone mass concentration and its exceeding standard rate under different humidity conditions in Xingtai of Hebei Province in June 2018

圖7為2018年6月10—24日河北邢臺市風(fēng)向頻率及不同風(fēng)向下平均風(fēng)速、臭氧質(zhì)量濃度分布。風(fēng)向頻率統(tǒng)計[圖7(a)]顯示，污染過程期間靜風(fēng)占19.0%、東南風(fēng)占9.2%、南風(fēng)占9.0%；污染過程期間整體風(fēng)速較小，平均風(fēng)速0.6 m·s-1，在西北和南西南方向風(fēng)速相對較大[圖7(b)]；不同風(fēng)向時臭氧質(zhì)量濃度差異較大，當(dāng)風(fēng)向為東北、東和東東北時，臭氧質(zhì)量濃度分別為182、178、174 μg·m-3，其值普遍偏高；當(dāng)風(fēng)向為西西北、西西南和北時，臭氧質(zhì)量濃度分別為86、92、100 μg·m-3，其值普遍偏低[圖7(c)]。因此此次臭氧污染過程，主要受偏東風(fēng)、東南風(fēng)的影響。這與風(fēng)向上游生產(chǎn)企業(yè)的污染排放有關(guān)。臭氧污染防治的關(guān)鍵在于臭氧前體物的減排防控，采取源頭控制，主要針對氮氧化物、揮發(fā)性有機化合物的總量控制。

3.5 污染過程期間天氣形勢和邊界層特征

6月13日、16—17日地面受低壓倒槽控制、500 hPa受槽線影響、700 hPa受切變線影響，出現(xiàn)陰雨天氣，臭氧質(zhì)量濃度有所下降。其他污染時段高空受槽后偏西氣流控制，天氣晴朗，氣溫偏高，臭氧污染程度有所上升。

逆溫指溫度隨高度的增加不變甚至升高的一種現(xiàn)象，它反映了大氣層結(jié)的穩(wěn)定程度，逆溫的存在會嚴(yán)重制約污染物在垂直方向的擴散[36-38]。對河北省中南部邢臺探空站08:00 1500 m以下第一層逆溫底高、頂高、厚度和強度進行計算，此次污染過程的平均逆溫層厚度為197.2 m、逆溫強度為2.0 ℃·(100 m)-1，與2018年6月邢臺市平均逆溫層厚度227.1 m、逆溫強度1.6 ℃·(100 m)-1比較，此次污染過程期間逆溫層厚度低，逆溫層強度較強。大氣混合層高度也是反映大氣垂直擴散能力的重要參數(shù)[39]?；旌蠈痈叨仍降?，越不利于污染物擴散。污染過程期間邢臺市日均混合層高度為866～2259 m，平均值1314 m，與2018年6月邢臺市混合層高度(830～3482 m)及其平均值(1668 m)比較，此次污染過程期間混合層高度偏低。臭氧污染過程混合層平均高度比月平均值低，逆溫差異不明顯。相比秋冬季重污染天氣，邊界層氣象特征并不明顯。

圖7 2018年6月10—24日河北邢臺市風(fēng)向頻率(a，單位：%)，不同風(fēng)向時平均風(fēng)速(b，單位：m·s-1)及臭氧質(zhì)量濃度(c，單位：μg·m-3)分布Fig.7 Wind direction frequency (a, Unit: %), average wind speed (b, Unit: m·s-1) and ozone mass concentration (c, Unit: μg·m-3) distribution under different wind directions in Xingtai of Hebei Province from 10 to 24 June 2018

3.6 臭氧濃度超標(biāo)時段的氣象特征

選取2018年6月10—24日邢臺市臭氧污染過程期間，臭氧1 h平均質(zhì)量濃度超標(biāo)(大于200 μg·m-3)樣本，共計92個樣本。參照《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[29]統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)：臭氧超標(biāo)時段主要在12:00—19:00；臭氧超標(biāo)時，小時最高氣溫為26.9～35.2 ℃，相對濕度為25%～61%，總輻射輻照度超過580 W·m-2，主導(dǎo)風(fēng)向為偏南風(fēng)，風(fēng)速為0.0～1.6 m·s-1。

3.7 污染氣團的后向軌跡

選取邢臺市4個監(jiān)測點的中心位置(37.07°N、114.50°E)，作為邢臺市空氣質(zhì)量的代表點，進行后向軌跡分析。軌跡起始高度300 m，用NOAA的全球同化系統(tǒng)，繪制2018年6月10—24日(時間選取每日11:00、14:00、17:00、20:00)72 h的后向軌跡(圖8)，并對獲得的軌跡進行聚類分析?？梢钥闯?，第1簇氣流起源于河北省張家口西部陽原縣附近，向東經(jīng)北京轉(zhuǎn)向偏南途經(jīng)河北省保定市、石家莊市到達邢臺市，氣團起始高度2500 m，在污染發(fā)生前12 h時下降到300 m，氣團移速緩慢，占比18%；第2簇氣流起源于寧夏回族自治區(qū)石嘴山附近，向東南偏東，經(jīng)陜西、山西到達邢臺市，氣團起始高度3500 m，在污染發(fā)生前1 h時下降到300 m，氣團移速較快，占比12%；第3簇為局地東南氣流，氣團起始高度2000 m，在污染發(fā)生前3 h時下降到300 m，移速非常緩慢，占比20%；第4簇氣流來源于山東青島附近，向西經(jīng)山東省濟南市、聊城市到達邢臺市，氣團起始高度300 m，在低層大氣中傳輸，移速緩慢，占比17%；第5簇氣流來源于我國黃海，首先沿偏西路徑途經(jīng)江蘇、安徽省，然后氣流轉(zhuǎn)為西北向，途經(jīng)河南省到達邢臺，氣團路徑起始高度800 m，在污染發(fā)生前36 h時下降到300 m，氣團移速較快，占比為28%；第6簇氣流來源于貝加爾湖東南側(cè)，向南經(jīng)蒙古國進入我國，隨后沿偏南路徑經(jīng)內(nèi)蒙古自治區(qū)到達河南省鶴壁市，最后轉(zhuǎn)為偏北路徑到達邢臺市，氣團起始高度5000 m，在污染發(fā)生前2 h時下降到300 m，氣團移速很快，占比為5%。邢臺市污染過程期間，主要受第5簇、第3簇和第4簇氣團傳輸影響。

圖8 2018年6月10—24日河北邢臺市污染時段氣團后向軌跡Fig.8 The backward trajectory of air mass during the pollution period in Xingtai of Hebei Province during 10-24 June 2018

4 臭氧濃度與其他污染物的相關(guān)性

對2018年6月10—24日邢臺市4個監(jiān)測點臭氧與其他5項污染物(NO2、PM10、CO、PM2.5、SO2)的小時質(zhì)量濃度做相關(guān)性分析(圖略)。結(jié)果顯示，臭氧與其他5項污染物呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，臭氧質(zhì)量濃度與NO2、PM10、CO、PM2.5的相關(guān)系數(shù)分別為-0.772、-0.345、-0.309、-0.191，且均通過α=0.01的顯著性檢驗，與SO2的相關(guān)系數(shù)為-0.086，但未通過顯著性檢驗。

因此對與臭氧關(guān)系密切的NO2、PM10污染物進一步分析。圖9為2018年6月10—24日河北邢臺市O3、PM10、NO2質(zhì)量濃度的逐時變化。可以看出，01:00—05:00 NO2質(zhì)量濃度逐漸上升，05:00達到最高58 μg·m-3，05:00—15:00逐漸下降，15:00達到最低15 μg·m-3，15:00以后NO2質(zhì)量濃度呈上升趨勢。01:00—05:00 NO2質(zhì)量濃度較高，夜間空氣穩(wěn)定和早晨汽車尾氣排放使NO2含量增大，白天伴隨太陽輻射加強，氣溫升高，光化學(xué)反應(yīng)加強，O3不斷被NO2光解生成，NO2質(zhì)量濃度不斷下降，O3質(zhì)量濃度則不斷升高。到14:00左右，光照最強，光化學(xué)反應(yīng)加劇，O3質(zhì)量濃度在15:00左右達到峰值，NO2質(zhì)量濃度則達到谷值。15:00以后，太陽輻射逐漸變?nèi)?，光化學(xué)反應(yīng)強度減弱，O3質(zhì)量濃度逐漸下降，NO2質(zhì)量濃度逐漸上升。傍晚至凌晨城市大氣邊界層處于穩(wěn)定狀態(tài)，空氣對流減弱，不利于大氣污染物的擴散，導(dǎo)致NO2質(zhì)量濃度持續(xù)上升。

01:00—06:00 PM10質(zhì)量濃度逐漸上升，06:00最高106 μg·m-3，06:00—16:00 PM10質(zhì)量濃度逐漸下降，16:00達最低69 μg·m-3，16:00—22:00 PM10質(zhì)量濃度又逐漸升高，23:00有所降低，至24:00又升高，這與臭氧濃度的變化趨勢基本相反，即PM10質(zhì)量濃度最高值與臭氧質(zhì)量濃度最低值出現(xiàn)時間一致，PM10最低值出現(xiàn)時間比臭氧最高值出現(xiàn)時間滯后1 h。說明氣溶膠的存在會影響大氣光化學(xué)反應(yīng)的進程，從而影響臭氧的光化學(xué)反應(yīng)生成[40]。

圖9 2018年6月10—24日河北邢臺市臭氧、PM10、NO2質(zhì)量濃度的逐時變化Fig.9 The hourly variation of mass concentration of O3, PM10 and NO2 in Xingtai of Hebei Province from 10 to 24 June 2018

5 結(jié) 論

(1)邢臺市4個監(jiān)測點臭氧質(zhì)量濃度變化趨勢基本一致，邢師高專最高，市環(huán)保局最低。邢臺市臭氧質(zhì)量濃度日變化呈單峰型，05:00—06:00最低，15:00最高，邢師高專臭氧質(zhì)量濃度晝夜差最大，市環(huán)保局則最小。

(2)晴天、陰天、雨天臭氧質(zhì)量濃度變化趨勢大致相同，日變化均呈單峰型，晴天臭氧質(zhì)量濃度日變化劇烈，雨天日變化平緩。

(3)臭氧質(zhì)量濃度與平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、太陽輻射、平均風(fēng)速均呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。與其他5項污染物均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中與NO2、PM10、CO、PM2.5的相關(guān)系數(shù)通過α=0.01的顯著性檢驗。

(4)經(jīng)過較強太陽輻射照射后，當(dāng)最高氣溫在29 ℃及以上，相對濕度在30%～60%之間，風(fēng)向為偏南風(fēng)時，臭氧質(zhì)量濃度在12:00—19:00時段易超標(biāo)。