長三角區(qū)域典型城市臭氧時空分布及其與氣象因素相關性研究

孫睿,張紅,汪水兵?,衛(wèi)尤文

(1安徽省生態(tài)環(huán)境廳,安徽 合肥 230071;2安徽省環(huán)境科學研究院,安徽 合肥 230071)

0 引 言

以臭氧為核心的氧化性物質具有極強的化學氧化活性,高濃度臭氧能夠強烈刺激人的呼吸道、造成人的神經中毒、破壞人體的免疫機能、誘發(fā)染色體病變、加速衰老和致新生兒畸形等,已引起了國內外學者的廣泛關注[1?7]。近年來,臭氧濃度分布特征及其影響因素研究較多,李連和[8]、張瑩等[9]研究表明珠三角城市內臭氧濃度仍在高位徘徊,且臭氧污染夏秋季節(jié)濃度較高的季節(jié)特征顯著;易睿等[10]、劉芷君等[11]研究表明長三角地區(qū)主要城市以臭氧為首要污染物,且大部分城市存在臭氧污染超標狀況,臭氧污染相對較重的地區(qū)主要分布在上海及周邊城市群。單源源等[12]研究表明長三角地區(qū)對流層臭氧濃度呈現顯著的緯度地帶性差異,且隨著緯度的升高而增加;Wang等[13]、Cheng等[14]研究表明高溫、低風速、強光照及強太陽輻射等氣象條件有利于臭氧生成;Xing等[15]研究發(fā)現臭氧污染除受溫度、風速、太陽輻射強度等影響外,還與濕度、降雨量密切相關;王磊等[16]研究表明南京地區(qū)地面臭氧與氣溫、能見度、日照時數、總輻射輻照強度等要素呈顯著正相關,與相對濕度、總(低)云量呈負相關;易睿等[10]研究表明長江三角洲地區(qū)城市臭氧污染與機動車數量有顯著的相關性,且高溫、長時間日照容易出現臭氧濃度高值;臭氧超標率和濃度均值均隨風速、相對濕度的增加先升后降;王男[17]研究表明沈陽臭氧污染受氣象因素的影響存在明顯季節(jié)變化。汪水兵等[18]研究發(fā)現溫度、相對濕度和太陽總輻射與O3濃度呈正相關,溫度在30～35°c、相對濕度在40%～50%、太陽總輻射在800～1000 W·m?2時O3濃度達到最高值,風速在4～4.5 m·s?1時外源輸送較強烈,且O3濃度較高,降水削弱了O3的生成。程念亮等[19]、王闖等[20]、王宏等[21]研究發(fā)現臭氧高濃度污染還與天氣類型、風向、氣壓等因素相關。

綜上所述,影響臭氧濃度的氣象因素主要有溫度、風速、相對濕度、能見度、光照強度及太陽輻射強度等。前期對于長三角區(qū)域臭氧污染及其成因研究主要集中在上海市、江蘇省和浙江省,對包括安徽省在內的長三角區(qū)域一體化研究較少。本文以包括安徽省在內的長三角區(qū)域9個典型城市為研究對象,選取溫度、風速、相對濕度和能見度等氣象因素,分析長三角區(qū)域臭氧污染特征及其影響因素,揭示區(qū)域氣象因素與臭氧時空分布間的相互關系,有利于長三角區(qū)域一體化臭氧污染聯防聯控。

1 數據與方法

1.1 數據來源

臭氧濃度數據來源:全國城市空氣質量實時公布平臺公布的長三角城市群臭氧實時監(jiān)測數據;數據時間范圍:2018年1月1日–12月31日,本文選取上海、南京、杭州、寧波、紹興、舟山、合肥、蕪湖、安慶9市共7.46萬組數據進行統(tǒng)計分析,揭示長三角區(qū)域的臭氧污染現狀及其變化規(guī)律。

氣象數據來源:中國氣象科學數據共享服務網中的觀測臺數據,每個城市選用1個觀測站臺,選用時充分考慮數據的完整性、代表性等因素。

1.2 分析方法

根據新修訂的《環(huán)境空氣質量標準》(以下簡稱《標準》)[22]計算臭氧日最大8 h濃度,臭氧超標按《標準》中超二級標準來統(tǒng)計,當臭氧日最大8 h濃度≥160μg·m?3或臭氧1 h濃度≥200μg·m?3時,視為臭氧超標污染。臭氧日最大8 h濃度計算,首先對從一天中的00:00開始計算連續(xù)8 h的均值,然后從01:00之后計算,以此類推,共計算出17個連續(xù)8 h的均值,取其中最大的均值即為臭氧日最大8 h濃度值,即:N1=avg{c0,c1,c2,···,c7},N2=avg{c1,c2,c3,···,c8},······,N17=avg{c16,c17,c18,···,c23},取 max{N1,N2,N3,···,N17},得到臭氧日最大8 h濃度變化數據,對氣象數據和臭氧數據采用分類統(tǒng)計分析方法,分析易發(fā)生臭氧高濃度污染的氣象條件。臭氧濃度日變化規(guī)律與氣象因素之間的相互關系采用SPSS軟件里的Pearson相關系數判定,并利用散點圖解析氣象因素對臭氧濃度的影響程度。

2 分析結果

2.1 臭氧污染時空分布特征

圖1為臭氧日最大8 h濃度月均值變化。由圖可知,研究區(qū)域臭氧8 h月均濃度變化存在一定的差異性,上海、杭州臭氧日最大8 h濃度月均值在1–6月份逐漸升高,并在6月份達到最大值,主要受溫度影響,溫度升高,太陽輻射加強,光化學反應越強烈有利用臭氧生成;6–7月份下降幅度較大,主要受“梅雨”季節(jié)的影響,空氣濕度增大,大氣中的水汽對太陽輻射具有削弱作用,降低光化學反應強度;7–10月份緩慢降低,且趨于平穩(wěn),主要是太陽輻射強度有所降低,但日照時間仍然較長,生成臭氧的光化學反應時間長,導致臭氧日最大8 h平均濃度雖然有所降低,但仍維持在一個相對高值;10–12月份臭氧日最大8 h平均濃度快速降低,主要是太陽輻射強度減弱,溫度降低,日照時間變短,不利于臭氧生成。南京、合肥、蕪湖、安慶長三角西部地區(qū)臭氧日最大8 h濃度月均值變化情況相似,在1–4月份逐漸升高,4–5月份降低,主要與長三角西部地區(qū)在2018年5月份出現連續(xù)的強降雨有關,5–6月份升高達到最大值;6月份之后變化情況與杭州、上海相似。寧波、紹興、舟山長三角東南地區(qū)臭氧日最大8 h濃度月均值在1–5月份逐漸升高,5月份達到最大值,5–8月份逐漸降低,主要是夏季易受清潔的海洋氣團影響,導致臭氧濃度降低;8–10月份臭氧濃度再次升高,主要受海洋季風氣候的影響減弱,且有來自長三角其他地區(qū)高濃度臭氧輸入;10–12月份臭氧濃度降低。

圖1 臭氧日最大8 h濃度月均值變化Fig.1 Changes in the monthly average value of the maximum 8 h daily ozone concentration Delta

圖2為臭氧超標天數季節(jié)變化對比結果。由圖可知,研究區(qū)域臭氧超標主要集中在春、夏、秋三季,其中上海、南京、杭州、合肥、蕪湖、安慶臭氧超標在夏季居多;寧波、紹興、舟山臭氧超標多發(fā)生在春季。此外,長三角內陸城市的臭氧超標天數要明顯高于沿海城市,主要與沿海城市易受海洋季風影響,對高污染大氣有稀釋作用,內陸城市高污染大氣不易擴散,臭氧濃度較高。

圖2 臭氧超標天數季節(jié)變化對比Fig.2 Comparison of seasonal changes of ozone excess days

綜上所述,研究區(qū)域臭氧污染呈現春夏高、秋冬低的季節(jié)變化特征,內陸城市臭氧污染較沿海城市嚴重。

2.2 臭氧污染的影響因素分析

圖3為臭氧濃度與氣象因素年均變化分析結果,由圖可知:安慶、上海、蕪湖等市的臭氧濃度較其余城市高,杭州、寧波相對較低;紹興、舟山風速較其余城市低;杭州、合肥、南京、寧波的能見度較其余城市低;安慶、杭州、合肥、寧波的年均溫度較其余城市高;上海相對濕度較低,舟山較高,其余城市差異不大。由此可以看出,長三角典型城市不僅臭氧濃度有明顯的區(qū)域性差異,氣象條件也有一定的差異性。

圖3 臭氧濃度(a)及氣象因素風速(b)、能見度(c)、溫度(d)、相對濕度(e)年均值差異Fig.3 Differences in annual average values of ozone concentration(a)and meteorological factors(b),visibility(c),temperature(d),and relative humidity(e)

2.2.1 溫度對臭氧的影響

圖4為不同溫度范圍內的臭氧濃度變化情況。由圖看出,臭氧平均濃度隨溫度的變化大致呈現正相關,計算得到研究區(qū)域臭氧平均濃度隨溫度增加的平均變化率為36.75%,說明臭氧平均濃度隨溫度的變化較大;臭氧超標(以下文中所指的超標均指臭氧1 h濃度超國家二級標準,即≥200μg·m?3)主要發(fā)生在20°C以上,20°C30°C時臭氧超標小時占總小時數的7.13%,而研究區(qū)域溫度主要分布在20°C

圖4 不同溫度范圍內的臭氧濃度Fig.4 Ozone concentration in different temperature ranges

表1為臭氧1 h超標率隨溫度變化的統(tǒng)計結果。由表可知,除舟山市外,其余城市臭氧超標率隨溫度的升高而增大,舟山市由于地理位置及所受季風氣候的影響,臭氧1 h濃度超國家二級標準常發(fā)生在春季,而春季氣溫出現溫度高于30°C的小時數較少,因而舟山市氣溫高于30°C時無超標現象。

表1 不同溫度范圍內的臭氧超標率Table 1 Over standard rate of ozone in different temperature range

2.2.2 相對濕度對臭氧的影響

圖5為不同濕度范圍內的臭氧濃度變化。由圖可知,臭氧濃度與相對濕度呈現負相關;當相對濕度HR<60%時,臭氧濃度隨濕度的增加平均變化率較小,為?5.5%,相對濕度HR>80%時,臭氧平均變化率為30%,相對濕度越高,對臭氧濃度的影響越大。

圖5 不同相對濕度范圍內的臭氧濃度Fig.5 Ozone concentrations in different relative humidity ranges

表2為不同相對濕度范圍內的臭氧超標率統(tǒng)計結果。由表可知,隨著相對濕度的增加,臭氧超標率先上升后降低,相對濕度HR<20%時沒有出現超標,20%80%(長三角相對濕度主要分布區(qū)間)時出現臭氧超標的概率較小,主要原因有以下幾個方面:一是相對濕度高時,大氣中的水汽對太陽輻射具有削弱作用,光化學反應強度降低;二是大氣中所含的H·、HO·等迅速將臭氧分解成氧分子,降低臭氧濃度;三是相對濕度越高時臭氧生成前體物濕清除作用越強[17]。總體來說,相對濕度在20%

表2 不同相對濕度范圍內的臭氧超標率Table 2 Over standard rate of ozone in different relative humidity range

2.2.3 風速對臭氧的影響

圖6為不同風速范圍內的臭氧濃度變化情況。由圖可知,臭氧濃度隨風速的增大逐漸增大,但升高幅度逐漸減小。當風速V<3.6 m·s?1時,臭氧濃度隨風速而增加的平均變化率為23.75%,當風速達到3.6 m·s?1后,風速在增大時,臭氧濃度反而會降低,主要受高空傳輸影響[23]。

圖6 不同風速范圍內的臭氧濃度Fig.6 Ozone concentration in different wind speed ranges

表3為不同風速范圍內臭氧超標率統(tǒng)計結果。由表可知,各市超標率隨風速的變化呈先升高后降低趨勢。平均風速分布在1.2～3.6 m·s?1,當風速為1.2～3.6 m·s?1時臭氧超標率較高,臭氧易發(fā)生高濃度污染的風速條件為風速達到 1.2～3.6 m·s?1。

表3 不同風速范圍內的臭氧超標率Table 3 Over standard rate of ozone in different wind speed range

2.3 影響臭氧濃度日變化因素分析

2.3.1 溫度對臭氧的影響

圖7為臭氧濃度與溫度的日變化規(guī)律。由圖可知,臭氧濃度隨溫度的升高而增大。主要原因是太陽輻射越強,溫度越高,光化學反應越劇烈,利用臭氧生成,臭氧濃度與溫度成正相關性,相關性方程為y=9.79x?104.10(y表示臭氧濃度,單位為 μg·m?3,x表示溫度,單位為°C),相關系數R2=0.83。

圖7 臭氧濃度與溫度的日變化規(guī)律Fig.7 Diurnal variation of ozone concentration and temperature

表4為各市溫度對臭氧濃度日變化的線相關分析結果。從表可知,臭氧日變化與溫度成正相關,且相關性顯著。

表4 溫度對臭氧濃度日變化的線性相關分析Table 4 Linear correlation analysis of daily variation of ozone concentration with temperature

2.3.2 相對濕度對臭氧的影響

圖8為臭氧濃度與相對濕度的日變化關系。由圖可知,臭氧濃度與相對濕度成負相關,相對濕度越大,臭氧濃度越低,主要是相對濕度較高時,大氣中所含的H·、HO·等迅速將臭氧分解成氧分子,降低了臭氧濃度。相關性方程為y=?231.95x+244.33(y表示臭氧濃度,單位為μg·m?3,x表示相對濕度,單位為%)相關系數R2=0.89。

圖8 臭氧濃度與相對濕度日變化規(guī)律Fig.8 Diurnal variation of ozone concentration and relative humidity

表5為相對濕度對臭氧濃度日變化相關分析結果。由表可知,長三角各市臭氧濃度日變化與相對濕度成負相關。

表5 相對濕度對臭氧濃度日變化相關分析Table 5 Linear correlation analysis of relative humidity to daily variation of ozone concentration

2.3.3 風速對臭氧的影響

圖9為臭氧濃度與風速日變化規(guī)律。由圖可知,臭氧濃度與風速成正相關,成因與前文中的風速對臭氧的影響相同,相關性方程為y=45.84x?46.97(y表示臭氧濃度,單位為 μg·m?3,x表示風速,單位為 m·s?1)表示,相關系數R2=0.85。

圖9 臭氧濃度與風速日變化規(guī)律Fig.9 Diurnal variation of ozone concentration and wind speed

表6為風速對臭氧濃度日變化相關分析結果。從表可知,長三角臭氧濃度日變化與風速均呈正相關。

表6 風速與臭氧濃度日變化相關性分析Table 6 Correlation analysis of daily variation of ozone concentration with wind speed

2.3.4 能見度對臭氧的影響

圖10能見度與臭氧的日變化規(guī)律。由圖可知,臭氧濃度隨能見度的增大而增大。當能見度高時,太陽輻射較強,生成臭氧的化學反應變強,臭氧濃度增加。臭氧濃度與能見度日變化規(guī)律呈正相關,相關性方程為y=19.74x?71.38(y表示臭氧濃度,單位為μg·m?3,x表示能見度,單位為km),相關系數R2=0.95。

圖10 臭氧濃度與能見度日變化規(guī)律Fig.10 Diurnal variation of ozone concentration and visibility

表7為能見度與臭氧濃度日變化相關分析結果。由表可知,臭氧濃度日變化與能見度高度相關,能見度對臭氧日變化影響較大。

表7 能見度與臭氧濃度日變化的相關分析Table 7 Linear correlation analysis of visibility to diurnal variation of ozone concentration

3 結 論

1)長三角區(qū)域9個典型城市臭氧污染呈顯區(qū)域性差異,主要受地理位置、季風氣候、氣象因素等因素影響。臭氧濃度總體1–5月份逐漸升高,5–6月份達到最大值,7月份濃度降低,7–10月份微弱升高或降低,10–12月份持續(xù)降低。

2)研究區(qū)域臭氧超標主要集中在春、夏、秋三季,其中上海、南京、杭州、合肥、蕪湖、安慶臭氧超標在夏季居多;寧波、紹興、舟山臭氧超標多發(fā)生在春季。內陸城市臭氧超標天數高于沿海城市,主要與沿海城市易受海洋季風影響,對高污染大氣有稀釋作用,內陸城市高污染大氣不易擴散。

3)臭氧濃度受氣象條件影響較大,研究表明,臭氧濃度與溫度、風速、能見度呈正相關,與相對濕度呈負相關;當溫度>20°c,相對濕度20%～60%、風速1.2～3.6 m·s?1時區(qū)域易發(fā)生高濃度臭氧污染。