2015—2019 年貴港市臭氧污染特征及其與氣象要素的關(guān)系

謝汶靜，王盛繁，何林宴，黃巾旗，李婷，蒙金鳳

（貴港市氣象局，廣西 貴港市 537100）

引言

近年來，隨著城市化進(jìn)程的加快以及經(jīng)濟(jì)和工業(yè)的快速發(fā)展，O3引起的污染問題日益突出［1］。近地面形成的O3污染不僅影響植物的生長，導(dǎo)致農(nóng)作物的減產(chǎn)，而且還會對人體健康造成威脅和傷害［2-3］。O3的主要影響因素也可以歸類為排放、化學(xué)過程、氣象條件三類。然而同一排放源在不同的氣象條件下也可能產(chǎn)生不同的污染狀況［4-7］。程念亮等［8］、陸克定等［9］、王闖等［10］、易睿［11］等分別對北京、珠三角、沈陽和長三角等地O3污染與氣象條件之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，認(rèn)為O3濃度與溫度、風(fēng)速成正比，與濕度、氣壓及以能見度成反比。有學(xué)者認(rèn)為O3污染變化的重要因子是綜合氣象條件，干燥、無雨、弱風(fēng)以及充足的日照是形成O3污染的重要?dú)庀髼l件［12］?？偠灾?，O3污染的發(fā)生是多種因素共同作用的結(jié)果，而氣象條件等又因地而異，且近年來，廣西O3污染問題日益突出，但對本區(qū)域O3污染的演變趨勢及其與氣象要素的相關(guān)性研究較少［13-14］，因此，有必要開展貴港市O3污染特征及氣象要素對其影響的研究，為貴港市O3污染防治提供依據(jù)。

1 資料來源與方法

使用2015 年1 月1 日—2019 年12 月31 日的貴港市空氣自動監(jiān)測站數(shù)據(jù)、貴港國家氣象觀測站的風(fēng)、氣溫、相對濕度等地面資料。采用統(tǒng)計(jì)分析方法研究2015—2019 年貴港O3污染變化趨勢，并對氣溫、相對濕度（RH）、日照時數(shù)（SSH）等氣象要素與O3濃度關(guān)系進(jìn)行相關(guān)性分析。參照《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》［15］（GB3095—2012），按照二類功能區(qū)所對應(yīng)的二級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價和分析，當(dāng)O3日最大8h 平均濃度超過160μg·m-3時空氣質(zhì)量就不達(dá)標(biāo)，其中濃度在160～215μg·m-3區(qū)間為輕度污染，在215～265μg·m-3為中度污染，而在265～800μg·m-3時為重度污染。

2 結(jié)果與討論

2.1 2015-2019 年貴港市臭氧質(zhì)量濃度基本特征

2.1.1 年變化特征

對貴港市2015—2019 年O3濃度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可知，2015—2019 年貴港市8h 的O3濃度為6～272μg·m-3，平均值為94μg·m-3，8h 的O3濃度大于160μg·m-3共出現(xiàn)127d，占城市監(jiān)測總天數(shù)（1826d）的7.0%，其中，輕度污染116d，占O3超標(biāo)總天數(shù)的91.3%，中度污染10d，占7.9%，重度污染1d，占0.8%，無嚴(yán)重污染天氣。

由表1 可知，貴港市近5aO3持續(xù)性污染呈加重的趨勢。2015 年O3持續(xù)性污染最長時間為4d，之后呈波動增加，至2019 年，貴港市O3持續(xù)性污染最長時間增長為13d，持續(xù)性污染（連續(xù)O3超標(biāo)≥2d）次數(shù)增至8 次。從表2 可知，貴港市由8h 的O3濃度造成的污染天數(shù)基本呈逐年增加的趨勢，由2016 年16d 逐步增長到2019 年的43d。另一方面，由PM2.5造成的污染呈減弱的趨勢，這可能說明貴港環(huán)境污染由細(xì)顆粒物污染正逐步轉(zhuǎn)換為O3污染。

表1 2015—2019 年貴港市O3持續(xù)性污染情況

2.1.2 月及季節(jié)變化特征

貴港市2015—2019 年8h 的O3月均值情況和污染情況如圖1a 所示，1—12 月均有出現(xiàn)日超標(biāo)現(xiàn)象，O3超標(biāo)天數(shù)分布不均，主要出現(xiàn)在8—11 月。同時，8—10 月8h 的O3濃度均處于較高水平，其中9月8h 的O3平均濃度最高，為124μg·m-3，其O3超標(biāo)天數(shù)也最高，為28d，1 月、3 月8h 的O3平均濃度最低，為72μg·m-3，O3超標(biāo)天數(shù)1 月、3 月、6 月和12月最少，為1d。將O3污染數(shù)據(jù)按春季（3—5 月）、夏季（6—8 月）、秋季（9—11 月）、冬季（12 月至次年2月）分類后，從8h 的O3濃度季節(jié)平均值（圖1b）分布來看，O3季節(jié)變化明顯，呈單峰型，其中秋季O3濃度最高，為111μg·m-3，其次是夏季，冬季最低，為78μg·m-3。O3超標(biāo)天數(shù)的季節(jié)變化趨勢與其濃度季節(jié)變化一致，秋季累計(jì)污染天數(shù)最多，為67d，占O3超標(biāo)總天數(shù)的52.8%；夏季次之，為26d，冬季最少，為11d。從分布上看，春季O3污染主要出現(xiàn)在4 月，夏季為8 月，而秋季為9—10 月。

表2 臭氧及PM2.5引起的污染天數(shù)

圖1 O3濃度月均值、季節(jié)O3濃度均值和污染天數(shù)

2.1.3 日變化特征

O3濃度日變化與近地面大氣光化學(xué)反應(yīng)過程密切相關(guān)，由圖2 可以看出，貴港O3濃度日變化呈單峰型，O3濃度一般在日出前后達(dá)到谷值，之后隨著太陽輻射增強(qiáng)，O3生成的速率加快，O3質(zhì)量濃度不斷增大，在15 時前后達(dá)到峰值，此后隨著太陽輻射減弱，O3濃度逐漸下降。已有學(xué)者指出O3的日循環(huán)主要分為四個階段［16-17］：O3及其前體物的前夜累積階段、清晨NOx 大量排放的O3抑制階段、O3 光化學(xué)生成階段、O3消耗階段。由于夜間太陽輻射弱，夜間生成O3的光化學(xué)反應(yīng)較弱，而近地層NO 對O3的不斷消耗導(dǎo)致夜間O3濃度逐漸降低，且一直保持在低濃度區(qū)，O3濃度谷值一般在清晨8：00 左右出現(xiàn)。8∶00—16∶00 左右為O3光化學(xué)生成階段，10∶00后，由于太陽輻射逐漸增強(qiáng)、NO3的大量光解以及溫度的逐漸升高，生成O3的光化學(xué)反應(yīng)逐漸增強(qiáng)，O3濃度在15∶00 左右達(dá)到峰值，之后由于太陽輻射的減弱而逐漸降低。16∶00 左右到午夜是O3消耗減少階段，主要是由于16∶00 以后太陽輻射減弱、垂直混合、水平輻散加強(qiáng)以及下班高峰期的NO 排放對O3消耗作用，使O3在夜間下降到全日濃度低值區(qū)。

圖2 2015—2019 年貴港市O3濃度日變化曲線

2.2 臭氧污染與氣象要素的關(guān)系

2.2.1 氣溫與日照時數(shù)對臭氧污染的影響

選取2015—2019 年貴港出現(xiàn)連續(xù)性O(shè)3污染時的O3小時監(jiān)測結(jié)果和同時刻的氣溫，按季節(jié)分類后進(jìn)行回歸分析可知（圖2），O3小時濃度與氣溫呈正相關(guān)，不同季節(jié)相關(guān)系數(shù)稍有差異，但相關(guān)系數(shù)都達(dá)0.7，并在0.01 水平上顯著相關(guān)。這表明O3的產(chǎn)生與氣象條件關(guān)系密切，而氣溫上升表明太陽輻射增強(qiáng)，這時NO2開始大量光解，使得O3濃度累積。

從氣溫與O3散點(diǎn)圖（略）可知，隨著氣溫的升高，O3濃度明顯增加，在同一溫度條件下，低濕條件和較小風(fēng)速條件下更容易引起O3濃度超標(biāo)現(xiàn)象的產(chǎn)生。

高日照時數(shù)意味著太陽輻射強(qiáng)烈，大氣光化學(xué)反應(yīng)愈活躍，從不同日照時數(shù)（SSH）下O3超標(biāo)率圖（略）可以看出，隨著SSH 的增大，O3超標(biāo)率明顯上升。8h 的O3濃度均值與SSH 呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r為0.679，通過0.01 水平的顯著性檢驗(yàn)。當(dāng)SSH＜2h時，無O3超標(biāo)現(xiàn)象，且8h 的O3平均濃度最低，為65μg·m-3；當(dāng)SSH≥2h，8h 的O3平均濃度為95μg·m-3，并且開始出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象；當(dāng)SSH≥8h 時，O3超標(biāo)率明顯增大，為22.0%。當(dāng)SSH＞10h，8h 的O3平均濃度最高，為136μg·m-3。陰雨天氣不利于O3的生成，而日照時間越長，越有利于O3濃度的累積。

2.2.2 相對濕度

從不同相對濕度（RH）下O3超標(biāo)率（略）可以看出，隨著RH 的上升，O3超標(biāo)率表現(xiàn)為先上升后下降的趨勢。其中，在RH 小于40%時，基本沒有出現(xiàn)O3超標(biāo)，而隨著相對濕度的上升，O3超標(biāo)率明顯上升。RH 在40%～50%時，O3超標(biāo)率最高，超標(biāo)率達(dá)26.7%，RH 在50%～60%時，超標(biāo)率為26.2%，略有下降，后隨著RH 的升高，O3超標(biāo)率和O3-8h 平均濃度均明顯下降。當(dāng)RH≥90%時，沒有出現(xiàn)O3超標(biāo)現(xiàn)象，且O3-8h 濃度均值最低，為43μg·m-3，這一結(jié)論與長三角、珠三角和京津冀等地區(qū)的研究有一致性［18-19］。將O3和RH 進(jìn)行相關(guān)性分析可知，O3質(zhì)量濃度與RH 存在負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r 為-0.655，在0.01水平上顯著相關(guān)。

結(jié)合RH 與O3散點(diǎn)圖（圖3c）進(jìn)一步分析可知，在相同RH 情況下，O3濃度高值主要集中在高溫及較小風(fēng)速的氣象條件下。大氣中的水汽能影響太陽紫外輻射的強(qiáng)度，因此水汽在光化學(xué)反應(yīng)有著重要的作用。有學(xué)者也指出，影響O3污染的前體物NOx在RH 為60%左右時是光化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)度最大值的臨界值，在60%之后隨著RH 的升高而減?。?5］；此外，高相對濕度是形成濕清除的重要指標(biāo)之一，此時大氣中水汽所含的自由基OH、H 等可以迅速將O3分解為氧分子，從而降低O3濃度，因此高的RH 不利于O3質(zhì)量濃度的積累。

2.2.3 風(fēng)向與風(fēng)速

有學(xué)者研究表明，形成O3污染的重要原因是穩(wěn)定邊界層對大氣擴(kuò)散的不利影響及O3富集層的向下輸送作用［20］。風(fēng)向反映了污染過程中污染物輸送的來向，風(fēng)速的大小能反映出污染物輸送效率或清除過程的效率，另一方面也反映了邊界層穩(wěn)定度的強(qiáng)度，風(fēng)速增大對O3濃度變化的影響主要體現(xiàn)在兩方面：一方面是使大氣邊界層高度增大，垂直動量輸送增強(qiáng)，大氣湍流作用加強(qiáng)，有利于上層O3向地面?zhèn)鬏?；另一方面增?qiáng)了O3的水平擴(kuò)散作用，稀釋O3。這兩種作用同時發(fā)生，當(dāng)風(fēng)速較低時，O3的向下輸送作用強(qiáng)于O3水平擴(kuò)散作用，因此隨著風(fēng)速的增大O3超標(biāo)率增大。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定值時，水平擴(kuò)散作用占主導(dǎo)地位，隨著風(fēng)速的增加O3超標(biāo)率下降。

對2015—2019 年風(fēng)向頻率的季節(jié)性變化進(jìn)行分析可知（圖4），貴港盛行風(fēng)為N、NE 和E 風(fēng)，其中春季和夏季主要為NE 風(fēng)，秋季、冬季主要為N 風(fēng)。當(dāng)風(fēng)速較小時，春季—秋季均有些O3濃度高值出現(xiàn)，這與風(fēng)速較小，有利于污染物的聚集反應(yīng)有聯(lián)系。其中春季多在E—SW 風(fēng)時較易出現(xiàn)較高O3濃度值；夏季多在W—NE、E—SE 風(fēng)；秋季在NW—SW 風(fēng)控制下都較易出現(xiàn)O3高值；而冬季O3超標(biāo)日數(shù)較少，但在偏NE、偏S、偏SW 風(fēng)時有較高值出現(xiàn)，在W—NW 風(fēng)控制下，O3濃度值低。

圖4 貴港市不同季節(jié)風(fēng)向風(fēng)速變化的O3濃度分布圖

3 結(jié)論

通過統(tǒng)計(jì)分析2015—2019 年貴港市O3污染特征及其與氣象要素的關(guān)系，得到以下結(jié)論：

（1）2015—2019 年貴港市O3污染主要是輕度污染，O3污染持續(xù)時間不斷延長，O3超標(biāo)天數(shù)呈逐年增長趨勢，O3污染日益突出。

（2）2015—2019 年貴港市O3濃度變化呈顯著的季節(jié)性變化，在夏末和秋季（8—11 月）O3超標(biāo)現(xiàn)象最為常見，且秋季超標(biāo)占總超標(biāo)天數(shù)的一半以上，O3濃度最低出現(xiàn)在冬季。O3濃度日變化呈單峰型特征，在每天的15：00—16：00 達(dá)到峰值，谷值出現(xiàn)在8：00。

（3）高溫低濕條件有利于貴港市O3污染的發(fā)生。O3濃度與日照時數(shù)、氣溫呈顯著的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.679 和0.7 以上；與相對濕度呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.655。日照時數(shù)大于8h、相對濕度40%～70%，O3超標(biāo)率較高。

（4）不同季節(jié)出現(xiàn)O3濃度高值時的風(fēng)向不盡相同，秋季在NW—SW 風(fēng)控制下，O3濃度容易出現(xiàn)高值，夏季為W—NE、E—SE 風(fēng)。