呂長(zhǎng)春
(周口市氣象局,河南 周口 466000)
近地面層的臭氧大部分是由氮氧化物(NOX)、可揮發(fā)性有機(jī)物(VOCS)及一氧化碳(CO)等前體物在太陽光照射下經(jīng)一系列復(fù)雜的光化學(xué)反應(yīng)生成的[1]。臭氧作為大氣污染物之一,對(duì)城市居民的身體健康具有重要影響。例如可損傷心血管系統(tǒng)[2],提高慢性阻塞性肺疾病、哮喘等呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)病率和病死率等[3]。隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的加快發(fā)展,城市機(jī)動(dòng)車輛增多,區(qū)域大氣污染物排放量迅速增加[4],城市臭氧污染問題日益嚴(yán)重[5-11],引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[12-18]。
近地面臭氧濃度的變化不僅與人類活動(dòng)有關(guān),還與氣象因素密切相關(guān)[19-23]。周學(xué)思等[24]研究發(fā)現(xiàn)高溫低濕的氣象條件有利于臭氧的生成。洪盛茂等[25]研究表明杭州市臭氧濃度超標(biāo)主要出現(xiàn)在高壓后部和副熱帶高壓控制等天氣類型下,受到溫度、相對(duì)濕度、日照、紫外線強(qiáng)度等氣象因素影響比較大。李昌龍[26]通過對(duì)2016年徐州市區(qū)的臭氧和氣象要素連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),臭氧濃度與溫度呈正相關(guān),與氣壓和濕度呈負(fù)相關(guān)。談昌蓉等[27]對(duì)西寧近地面臭氧的研究表明,不同季節(jié)不同高度風(fēng)速大小和風(fēng)向頻率對(duì)臭氧濃度影響不同,500 hPa 盛行風(fēng)向以西西北為主時(shí)有利于擴(kuò)散。薛文晧等[28]研究表明,臭氧的質(zhì)量濃度與氣象評(píng)估因素的相關(guān)性R在北京、天津和唐山分別為0.694、0.803和0.755。
自貢市位于四川盆地的西南部,為亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,近年來大氣污染嚴(yán)重。目前關(guān)于自貢市大氣污染的研究主要集中在可吸入顆粒物PM10及細(xì)顆粒物PM2.5兩個(gè)方面[29-30],關(guān)于臭氧濃度變化的研究較少。因此,本文利用2014-2018年自貢市逐日大氣污染物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及氣象數(shù)據(jù),分析近5年來自貢市臭氧濃度變化特征及其與氣象因素的關(guān)系,為自貢市大氣污染的治理提供有效信息。
利用中國(guó)空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)(https://www.aqistudy.cn/)中的2014-2018年自貢市逐日臭氧監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),以及同期逐日地面氣象要素(包括溫度、降水量、相對(duì)濕度、風(fēng)速等)數(shù)據(jù)。
季節(jié)劃分采取氣象上的季節(jié)定義:春節(jié)為3-5月,夏季為6-8月,秋季為9-11月,冬季為12-次年2月。同時(shí),根據(jù)環(huán)保部發(fā)布的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)[31]可知,環(huán)境空氣污染物中臭氧的一級(jí)日最大8 h平均濃度限值100 μg/m3,二級(jí)限值160 μg/m3;臭氧的一級(jí)1 h平均濃度限值為160 μg/m3,二級(jí)限值為200 μg/m3。因此,規(guī)定臭氧日最大8 h(記為O3-8h)平均濃度大于100 μg/m3時(shí)為O3-8h一級(jí)超標(biāo),大于160 μg/m3時(shí)為O3-8h二級(jí)超標(biāo);臭氧1 h(記為O3-1h)平均濃度大于160 μg/m3時(shí)為O3-1h一級(jí)超標(biāo),大于200 μg/m3時(shí)為O3-1h二級(jí)超標(biāo)。臭氧超標(biāo)率是指臭氧日最大8 h平均濃度超過一級(jí)或二級(jí)限值的天數(shù)與總天數(shù)之比。
圖1為2014-2018年臭氧月平均濃度變化和年平均濃度變化。由圖1可知,2014-2018年總體上自貢市臭氧月平均濃度峰值出現(xiàn)在7月份,從年平均濃度變化上看,自貢市O3-8h濃度呈逐年上升趨勢(shì),每年平均增長(zhǎng)10.6 μg/m3。2015年臭氧年平均濃度較2014年的增長(zhǎng)了約44.7%,2016年的增長(zhǎng)速率減緩,較2015年的僅增長(zhǎng)了7.3%,2017年的與2016年的相比增加了24.7%,至2018年臭氧年平均濃度達(dá)100 μg/m3,與2017年的相比增加了9.9%。
圖1 2014-2018年O3-8h月平均濃度(a)和年平均濃度(b)變化
圖2為2014-2018年間逐月臭氧月平均濃度變化。由圖2可知,自貢市臭氧濃度的月際變化呈單峰分布,從1月份開始逐漸上升,至夏季臭氧濃度值達(dá)到頂峰,此后呈逐月下降趨勢(shì)。2015年、2017年臭氧月平均濃度峰值出現(xiàn)在7月份,2014年、2016年、2018年臭氧月平均濃度峰值出現(xiàn)在8月份。近幾年自貢市夏季臭氧濃度呈上升趨勢(shì),2016年臭氧月平均濃度峰值較2015年的雖有所下降,但2017年的臭氧月平均濃度峰值又迅速增加,2018年8月份的臭氧月平均濃度達(dá)156 μg/m3。
圖2 2014-2018年O3-8h月平均濃度變化
圖 3為不同濃度區(qū)間內(nèi)O3-8h頻率分布。濃度區(qū)間劃分參考《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ633-2012)[32],根據(jù)O3日最大8 h平均劃分為0-100 μg/m3、101-160 μg/m3、161-215 μg/m3和216-265 μg/m3四個(gè)區(qū)間??芍?014-2018年0~100 μg/m3區(qū)間的O3-8h頻率逐年減少,101-160 μg/m3區(qū)間的O3-8h頻率逐年增加,增速為每年6.3%,且自2016年開始出現(xiàn)161-215 μg/m3區(qū)間,2017年開始出現(xiàn)216-265 μg/m3區(qū)間,至2018年頻率達(dá)到最大。
圖3 2014-2018年不同濃度區(qū)間內(nèi)O3-8h頻率分布
根據(jù)上述分析結(jié)果可知,2014-2018年夏季臭氧濃度呈上升趨勢(shì),因此對(duì)2014-2018年的夏季臭氧日變化特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。圖4為自貢市春華路和大塘山兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)2014-2018年的夏季臭氧1 h平均濃度日變化。
圖4 2014-2018年夏季O3-1h日變化特征
由圖4可知,2014年夏季春華路O3-1h平均濃度呈單峰變化,00:00-10:00的O3-1h平均濃度基本在51 μg/m3附近波動(dòng),自11:00開始緩慢上升,在17:00達(dá)到峰值,而后逐漸下降,21:00之后呈水平波動(dòng)。而大塘山O3-1h平均濃度變化基本呈水平波動(dòng),最高O3-1h平均濃度出現(xiàn)在06:00。由此可看出,2014年夏季春華路和大塘山未出現(xiàn)明顯的臭氧超標(biāo)問題。
2015-2018年夏季春華路和大塘山O3-1h平均濃度日變化均呈現(xiàn)明顯的單峰變化。2015年夏季春華路的O3-1h平均濃度明顯高于大塘山的。其中,春華路O3-1h平均濃度峰值為110 μg/m3,出現(xiàn)在15:00;大塘山O3-1h平均濃度峰值為98 μg/m3,出現(xiàn)在14:00。2016年夏季大塘山的O3-1h平均濃度高于春華路的,春華路O3-1h平均濃度峰值為98 μg/m3,大塘山O3-1h平均濃度峰值為112 μg/m3,兩者峰值均出現(xiàn)在14:00。2017、2018年夏季春華路和大塘山的O3-1h平均濃度日變化幾乎一致,變化曲線基本重合。其中,2017年夏季春華路和大塘山的O3-1h平均濃度峰值出現(xiàn)在16:00,均大于120 μg/m3;2018年夏季春華路的O3-1h平均濃度峰值出現(xiàn)在16:00,大塘山的O3-1h平均濃度峰值出現(xiàn)在15:00,濃度均大于140 μg/m3。
總體而言,近5年來夏季春華路和大塘山的O3-1h平均濃度峰值呈逐年上升趨勢(shì),至2018年春華路的O3-1h平均濃度峰值達(dá)到154 μg/m3,即2018年自貢市已出現(xiàn)明顯的O3-1h濃度超標(biāo)問題。從5年來的平均狀況來看,2014-2018年夏季春華路和大塘山的O3-1h平均濃度日變化曲線基本一致,00:00-09:00的O3-1h平均濃度在50 μg/m3附近上下波動(dòng),而后從10:00開始逐漸上升,在15:00達(dá)到濃度峰值,此后又緩慢下降。
根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)[31]中的臭氧日最大8 h平均濃度限值,對(duì)自貢市各季節(jié)進(jìn)行一級(jí)超標(biāo)和二級(jí)超標(biāo)統(tǒng)計(jì),結(jié)果如圖5所示。由圖5可知,在2014年臭氧一級(jí)超標(biāo)僅出現(xiàn)在夏季和冬季,且一級(jí)超標(biāo)率較低,未出現(xiàn)二級(jí)超標(biāo)。2015年臭氧一級(jí)超標(biāo)出現(xiàn)在春季、夏季和秋季,一級(jí)超標(biāo)率峰值在夏季,較2014年夏季超標(biāo)率增長(zhǎng)了33.7%,未出現(xiàn)二級(jí)超標(biāo)。2016年臭氧一級(jí)超標(biāo)率峰值仍在夏季,但較2015年夏季的下降了9.8%;秋季一級(jí)超標(biāo)率迅速上升,較2015年秋季的增加了11%;在夏季、秋季均出現(xiàn)二級(jí)超標(biāo),超標(biāo)率分別為1.1%、3.3%。與2016年相比,2017年春季臭氧一級(jí)超標(biāo)率迅速增長(zhǎng)了35.9%,夏季和冬季略有增加,秋季臭氧一級(jí)超標(biāo)率有所下降,且春、夏季的臭氧二級(jí)超標(biāo)率較2016年的分別增長(zhǎng)了6.5%、19.6%。2018年臭氧一級(jí)超標(biāo)率峰值出現(xiàn)在春季,二級(jí)超標(biāo)率峰值出現(xiàn)在夏季,與2017年相比,春季的一級(jí)、二級(jí)超標(biāo)率有所上升,夏季的一級(jí)超標(biāo)率略微下降、二級(jí)超標(biāo)率增長(zhǎng)了11.9%。
圖5 2014-2018年O3-8h超標(biāo)率變化特征
總體而言,2014-2018年隨著臭氧濃度的不斷增加,各季節(jié)的臭氧超標(biāo)率呈上升趨勢(shì),其中以春季、夏季增加最為迅速,這與李波蘭等[33]的研究結(jié)果相一致。從2014-2018年各季節(jié)一級(jí)、二級(jí)超標(biāo)率統(tǒng)計(jì)情況來看,自貢市2014-2018年各季節(jié)一級(jí)、二級(jí)超標(biāo)率從大到小依次為夏季的、春季的、秋季的、冬季的。
2014-2018年日平均溫度與O3-8h濃度的散點(diǎn)圖如圖6所示。由圖6可知,2014-2018年O3-8h濃度與溫度呈正相關(guān)關(guān)系,即隨著溫度的升高,O3-8h濃度也不斷增加。這是由于在太陽輻射的作用下,O3的前體物發(fā)生光化學(xué)反應(yīng),從而生成了O3。因此,當(dāng)O3的前體物充足時(shí),太陽輻射越強(qiáng),溫度越高,O3生成的愈多,濃度愈大。具體的溫度區(qū)間與O3-8h平均濃度和O3-8h超標(biāo)率的關(guān)系如表1所示。根據(jù)表1,溫度越高,該區(qū)間內(nèi)O3-8h平均濃度越高,O3-8h一級(jí)、二級(jí)超標(biāo)率越大。當(dāng)溫度大于30 ℃時(shí),O3-8h二級(jí)超標(biāo)率達(dá)35.1%,與25~30 ℃區(qū)間內(nèi)的二級(jí)超標(biāo)率相比增加了26%,此時(shí)O3-8h平均濃度達(dá)145 μg/m3,O3-8h一級(jí)超標(biāo)率達(dá)52.6%。
圖6 2014-2018年日平均溫度與O3-8h濃度的散點(diǎn)圖
表1 不同溫度區(qū)間中O3-8h平均濃度和超標(biāo)率
圖 7為2014-2018年日平均相對(duì)濕度與O3-8h濃度的散點(diǎn)圖。由相關(guān)系數(shù)r可知,2014-2018年O3-8h濃度與相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。表 2為相對(duì)濕度區(qū)間與對(duì)應(yīng)的O3-8h平均濃度和O3-8h超標(biāo)率統(tǒng)計(jì)。由表 2可知,當(dāng)相對(duì)濕度處于50%-60%區(qū)間時(shí),O3-8h平均濃度、一級(jí)超標(biāo)率和二級(jí)超標(biāo)率均出現(xiàn)最大值,有利于臭氧形成;其次是當(dāng)相對(duì)濕度小于50%時(shí),O3-8h一級(jí)超標(biāo)率為50%,對(duì)臭氧形成也較為有利;當(dāng)相對(duì)濕度大于60%時(shí),隨著相對(duì)濕度的增加,O3-8h平均濃度和超標(biāo)率也逐漸減小,不利于臭氧的形成。這主要是因?yàn)樗梢杂绊懱栕贤廨椛?,進(jìn)而影響臭氧形成的光化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)相對(duì)濕度較高時(shí),會(huì)達(dá)到濕清除的條件,反而不利于臭氧的積累。安俊琳等[34]研究發(fā)現(xiàn),前體物NOX和CO在相對(duì)濕度60%左右存在光化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)度臨界值,60%之后因前體物光化學(xué)反應(yīng)隨相對(duì)濕度的增加而減弱。
圖7 2014-2018年日平均相對(duì)濕度與O3-8h濃度的散點(diǎn)圖
表2 不同相對(duì)濕度區(qū)間中O3-8h平均濃度和超標(biāo)率
2014-2018年自貢市逐日平均風(fēng)速和O3-8h濃度變化如圖8所示。由圖8可以看出,逐日風(fēng)速與O3-8h濃度的變化具有高度一致性,風(fēng)速的峰值與O3-8h濃度峰值相對(duì)應(yīng)。圖9為各季節(jié)不同風(fēng)速頻率分布變化。由圖9可知,在春季風(fēng)速多處于2~3 m/s區(qū)間中,達(dá)34.6%;夏季風(fēng)速在2~3 m/s區(qū)間的頻率為39%,大于3 m/s的風(fēng)速均出現(xiàn)在夏季;在秋季小于1 m/s的風(fēng)速頻率最多;冬季在1~2 m/s區(qū)間的風(fēng)速頻率最多。即夏季風(fēng)速最大,其次為春季、秋季的風(fēng)速,冬季風(fēng)速值最小。因此在風(fēng)速值較大的春、夏季,溫度較高,O3-8h濃度增多;在風(fēng)速值較小的秋、冬季,溫度降低,不利于O3生成,O3-8h濃度減小。
圖8 2014-2018年逐日風(fēng)速與O3-8h濃度的變化
表3給出了不同風(fēng)速下自貢市O3-8h平均濃度及超標(biāo)情況。由表3可知,當(dāng)風(fēng)速小于1 m/s時(shí),O3-8h平均濃度最低,為66 μg/m3,此時(shí)O3-8h一級(jí)超標(biāo)率僅為15.0%,二級(jí)超標(biāo)率為0.9%;當(dāng)風(fēng)速大于3 m/s時(shí),O3-8h平均濃度最高,為95 μg/m3,O3-8h一級(jí)超標(biāo)率達(dá)33.3%。由圖9可知,風(fēng)速高值時(shí)段一般出現(xiàn)在春季和夏季,低值一般出現(xiàn)在秋季、冬季,且從秋、冬季到春、夏季風(fēng)速呈逐漸增加的趨勢(shì),即風(fēng)速的增加伴隨著氣溫的升高。風(fēng)速對(duì)O3-8h的影響,也包含氣溫的影響成分。風(fēng)速小于1 m/s時(shí),O3-8h平均濃度低,風(fēng)速大于3 m/s時(shí),O3-8h平均濃度高,風(fēng)速從1~2 m/s升高到2~3 m/s時(shí),O3-8h平均濃度和超標(biāo)率增加較快。
圖9 2014-2018年各季節(jié)不同風(fēng)速頻率分布變化
表3 不同風(fēng)速區(qū)間中O3-8h平均濃度和超標(biāo)率
(1)2014-2018年內(nèi)自貢市O3-8h月平均濃度峰值出現(xiàn)在7月份。從年平均濃度變化上看,自貢市O3-8h濃度呈逐年上升趨勢(shì),每年平均增長(zhǎng)10.6 μg/m3。隨著臭氧濃度的不斷增加,各季節(jié)的臭氧超標(biāo)率呈上升趨勢(shì),其中以春季、夏季的增加最為迅速。自貢市2014-2018年各季節(jié)O3-8h一級(jí)、二級(jí)超標(biāo)率從大到小依次為夏季的、春季的、秋季的、冬季的。2014-2018年間在0-100 μg/m3區(qū)間的O3-8h濃度頻率逐年減少,101-160 μg/m3區(qū)間的O3-8h濃度頻率逐年增加,增速為每年6.3%。
(2)2014-2018年間夏季自貢市春華路和大塘山監(jiān)測(cè)點(diǎn)的O3-1h平均濃度峰值呈逐年上升趨勢(shì),且春華路和大塘山的O3-1h平均濃度日變化曲線基本一致:00:00-09:00的O3-1h平均濃度在50 μg/m3附近波動(dòng),而后從10:00開始逐漸上升,在15:00達(dá)到濃度峰值,此后又緩慢下降。
(3)O3-8h濃度與溫度呈正相關(guān)關(guān)系,不同溫度區(qū)間與O3-8h平均濃度和O3-8h超標(biāo)率的關(guān)系表明:溫度越高,該區(qū)間內(nèi)O3-8h平均濃度越高,O3-8h一級(jí)、二級(jí)超標(biāo)率越大。O3-8h濃度與相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,當(dāng)相對(duì)濕度處于50%-60%區(qū)間時(shí),有利于臭氧形成,O3-8h平均濃度、一級(jí)超標(biāo)率和二級(jí)超標(biāo)率均出現(xiàn)最大值;當(dāng)相對(duì)濕度大于60%時(shí),相對(duì)濕度的增加,不利于臭氧的形成,O3-8h平均濃度和超標(biāo)率逐漸減小。
(4)自貢市在春季風(fēng)速處于2~3 m/s區(qū)間的頻率最多;夏季風(fēng)速為2~3 m/s的頻率達(dá)39%,大于3 m/s的風(fēng)速均出現(xiàn)在夏季;而在秋季小于1 m/s的風(fēng)速頻率最多,冬季為1~2 m/s的風(fēng)速頻率最多。由于風(fēng)速與季節(jié)有關(guān),風(fēng)速越大,氣溫越高,因此,風(fēng)速對(duì)O3-8h的影響,也會(huì)有氣溫的影響成分。風(fēng)速小于1 m/s時(shí),O3-8h平均濃度低,風(fēng)速大于3 m/s時(shí),O3-8h平均濃度高,風(fēng)速從1~2 m/s升高到2~3 m/s時(shí),O3-8h平均濃度和超標(biāo)率增加較快。
(5)本文僅對(duì)自貢市2014-2018年的臭氧變化特征及其與氣象因子的關(guān)系進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,在理論解釋方面僅作簡(jiǎn)要說明,未進(jìn)行深入分析;且臭氧的變化不僅僅與氣象因素有關(guān),與臭氧形成的前體物及局地光化學(xué)反應(yīng)也密不可分,其影響因素還需要進(jìn)一步探討和研究。