2014—2020年許昌市O3質(zhì)量濃度的變化特征

杜曉陽，劉暢，羅曉玲

（1.禹州市氣象局，河南禹州 461670；2.廣東省氣候中心，廣東廣州 510640）

近地面的O3是通過氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物等“前體物”在大氣中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成的［1］。隨著工業(yè)化、城市化快速發(fā)展，交通運(yùn)輸、工業(yè)能耗等迅速增加，O3已成為影響城市大氣環(huán)境質(zhì)量的重要污染氣體［2-6］。O3污染不僅對(duì)人體健康、森林生態(tài)、糧食產(chǎn)量造成影響［7］，還對(duì)氣候和自然生態(tài)系統(tǒng)等造成較大危害［8］，因此，統(tǒng)計(jì)分析O3的變化特征，對(duì)大氣污染治理具有重要意義。目前，對(duì)于大氣污染物的統(tǒng)計(jì)方法主要有算術(shù)平均法、百分位數(shù)法等［9-10］。算術(shù)平均法是將城市空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)中的小時(shí)、日均、年均等污染物數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單加和求平均數(shù)。算術(shù)平均法直觀簡(jiǎn)明，但易受極端值的影響。PM2.5質(zhì)量濃度變化特征的很多研究是基于此方法進(jìn)行的［11-12］。百分位數(shù)法提供了各數(shù)據(jù)項(xiàng)如何在最小值和最大值之間分布的信息，受數(shù)據(jù)缺失和極端值的影響小，但要求數(shù)據(jù)樣本量大。孟曉艷等［13］采用該方法研究了京津冀區(qū)域PM2.5質(zhì)量濃度的變化特征，二種方法各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，通常在空氣污染程度相對(duì)較低的城市，空氣質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定、沒有極端天氣事件頻發(fā)時(shí)，二種方法評(píng)價(jià)空氣質(zhì)量變化趨勢(shì)的結(jié)果較為相似。在污染事件頻發(fā)，正在大力治污的城市，二種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果往往存在差異，甚至相反。許昌市位于河南省腹地，北臨鄭州，西依伏牛山脈、中岳嵩山，東、南接黃淮海大平原，平均海拔72.8 m，屬暖溫帶季風(fēng)型氣候。平均年降水量600～700 mm，多集中在夏季。近年來，許昌市O3污染形勢(shì)嚴(yán)峻，O3已取代細(xì)顆粒物PM2.5，成為夏季影響空氣質(zhì)量的第一元兇，王愛琴［14］、張培鋒等［15］對(duì)此已有較多研究，但這些研究多是基于算術(shù)平均法進(jìn)行的，對(duì)O3質(zhì)量濃度變化特征的評(píng)價(jià)不夠全面。本研究采用算術(shù)平均法、百分位數(shù)法，分析許昌市O3質(zhì)量濃度更加細(xì)致的變化特征，以求全面、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)O3質(zhì)量濃度變化，為許昌市的O3污染防控提供依據(jù)。

1 資料與方法

2014—2020年許昌市逐日O3最大8 h平均質(zhì)量濃度來自中國(guó)空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)實(shí)時(shí)發(fā)布的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)按照《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095-2012）和《環(huán)境空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范（試行）》（HJ 663-2013）執(zhí)行［9-10］。

根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）》（HJ 633-2012）將O3質(zhì)量濃度劃分為5個(gè)等級(jí)：優(yōu)（1～100μg·m-3）、良（101～160 μg·m-3）、輕度污染（161～215μg·m-3）、中度污染（216～266μg·m-3）和重度及以上污染（＞266μg·m-3）［16］。

對(duì)于n個(gè)時(shí)間序列的O3質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)X1，X2，…，Xn，其算術(shù)平均值為［17］：

將n個(gè)O3質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)從小到大排列后，對(duì)應(yīng)于x%數(shù)值的百分位數(shù)PX為［17］

其中，L為欲求的百分位數(shù)所在組段的下限；i為該組段的組距；f X為該組段內(nèi)的頻數(shù)；n為總頻數(shù)；FL為小于L所在組段的累計(jì)頻數(shù)。

以日值為基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)月、季、年值，季節(jié)的劃分采用氣象季節(jié)，即上年12月至當(dāng)年2月為冬季、3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季。

以一元線性回歸定量描述O3質(zhì)量濃度的變化趨勢(shì)，采用F檢驗(yàn)進(jìn)行一元線性回歸方程的顯著性檢驗(yàn)［18］。

2 結(jié)果與分析

2.1 年際和月季變化

2014—2020年，許昌市O3質(zhì)量濃度年平均值為99μg·m-3，2019年最高（108μg·m-3），2014年最低（90μg·m-3）。年平均O3質(zhì)量濃度呈上升趨勢(shì)，年上升速率為2.5μg·m-3，通過0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，上升趨勢(shì)顯著（圖1）。

圖1 2014—2020年許昌市O3質(zhì)量濃度算術(shù)均值變化

從許昌市O3質(zhì)量濃度逐月分布（圖略）可以看出，許昌市O3質(zhì)量濃度呈現(xiàn)明顯的單谷特征，6月O3質(zhì)量濃度最高，接近160μg·m-3，12月最低，只有46μg·m-3。從季節(jié)變化來看，夏季（6—8月）O3質(zhì)量濃度最高，達(dá)139μg·m-3；春季次之，為115μg·m-3；冬季最低，僅55μg·m-3，其主要原因是O3質(zhì)量濃度受日照強(qiáng)度和日照時(shí)間的影響較大，夏季強(qiáng)烈的太陽輻射和較高的溫度，易使氮氧化物、揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）等發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生O3。春季風(fēng)力大利于污染物擴(kuò)散，但是氣溫略高且干燥又有利于化學(xué)反應(yīng)達(dá)到平衡；秋季氣溫涼爽、冬季溫度過低，都不利于氮氧化物、揮發(fā)性有機(jī)物的化學(xué)反應(yīng)［15］。

2.2 不同百分位O3質(zhì)量濃度變化

2014—2020年許昌市O3質(zhì)量濃度百分位評(píng)價(jià)結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，許昌市7年O3日均質(zhì)量濃度總體呈偏態(tài)分布，質(zhì)量濃度值范圍主要集中在40～97μg·m-3，并呈現(xiàn)2個(gè)主要特征。

圖2 2014—2020年許昌市O3質(zhì)量濃度日均百分位值分布

1）2014—2017年O3百分位質(zhì)量濃度呈現(xiàn)向右移動(dòng)的惡化趨勢(shì)；2018—2020年總體呈向左移動(dòng)的改善趨勢(shì)。

2）2019—2020年，二級(jí)達(dá)標(biāo)曲線向上抬升改善。O3日均質(zhì)量濃度達(dá)到《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095-2012）二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)160μg·m-3的天數(shù)從2019年的80.8%升高到2020年的91.5%，說明2020年O3治理效果顯著。

許昌市第5、10、25、50、75、90、95百分位7年變化情況見圖3和表1。從圖3和表1可以看出，第10、25和50百分位O3質(zhì)量濃度呈顯著上升趨勢(shì)，而第75、90和95百分位O3質(zhì)量濃度上升趨勢(shì)不顯著，說明O3質(zhì)量濃度并沒有出現(xiàn)整體抬升的現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為低值區(qū)質(zhì)量濃度明顯上升，而高值區(qū)質(zhì)量濃度上升不明顯。

圖3 2014—2020年許昌市O3質(zhì)量濃度算術(shù)平均值和不同百分位數(shù)值變化

表1 2014—2020年許昌市O3質(zhì)量濃度算術(shù)均值和百分位數(shù)變化趨勢(shì)及顯著性檢驗(yàn)

2.3 典型年O3質(zhì)量濃度變化

2019年，許昌市O3質(zhì)量濃度算術(shù)均值相比上一年上升5%，第50、75、90百分位數(shù)相比上一年分別上升9%、11%和8%（表2），表明2019年O3質(zhì)量濃度主要是高值區(qū)上升明顯。從圖4也可以看出，輕度、中度污染天氣污染天數(shù)從2018年的40 d上升到2019年的79 d，增加39 d。

2020年，許昌市O3質(zhì)量濃度算術(shù)均值相比上一年下降7%，第50、75、90和95百分位數(shù)也均下降，且降幅均大于算術(shù)均值的降幅，同時(shí)第5百分位數(shù)上升幅度為27%，約為算術(shù)均值的4倍，表明2020年O3質(zhì)量濃度表現(xiàn)為高值區(qū)下降、低值區(qū)上升。從圖4還可以看出，輕度、中度污染天數(shù)從2019年的79 d下降到2020年的32 d，而優(yōu)、良等級(jí)天數(shù)從2019年的286 d增加到2020年的334 d。

表2 2014—2020年許昌市O3質(zhì)量濃度變化1）

圖4 2014—2020年許昌市O3質(zhì)量濃度各級(jí)別天數(shù)比較

3 結(jié)論

1）2014—2020年，許昌市O3質(zhì)量濃度年平均值為99μg·m-3，2019年最高，2014年最低。年平均O3質(zhì)量濃度以每年2.5μg·m-3的速率顯著上升。月O3質(zhì)量濃度呈明顯的單谷特征，6月最高接近160μg·m-3，12月最低只有46 μg·m-3。季節(jié)上夏季最高為139μg·m-3，春季、秋季次之，冬季最低為55μg·m-3。

2）2014—2020年，許昌市O3日均質(zhì)量濃度范圍主要集中在40～97μg·m-3，并表現(xiàn)為O3低值區(qū)質(zhì)量濃度明顯上升，而高值區(qū)質(zhì)量濃度上升不明顯。

3）許昌市O3質(zhì)量濃度2019年表現(xiàn)為高值區(qū)上升明顯，2020年表現(xiàn)為高值區(qū)下降、低值區(qū)上升。