自貢市臭氧濃度變化特征及其與氣象因素的相關(guān)性研究

呂長(zhǎng)春

(周口市氣象局，河南 周口 466000)

引 言

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。

1 資料與方法

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。

2 結(jié)果與討論

2.1 臭氧濃度分布特征

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

2.2 夏季臭氧的日變化特征

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。

2.3 臭氧超標(biāo)率統(tǒng)計(jì)特征

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。

2.4 氣象要素與臭氧濃度的關(guān)系

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

3 結(jié) 論

(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。