河北滄州市臭氧質(zhì)量濃度與氣象因子的關(guān)系分析

熊險(xiǎn)平，沈瑞珊，索春男，李二杰，張 唯

(1.河北省滄州市氣象局,河北 滄州 061001; 2.河北省環(huán)境氣象中心,河北 石家莊 050021)

引 言

臭氧(O3)是大氣的重要微量成分，盡管O3在大氣中的含量很少，但它對(duì)人類和地表生物的生存卻極為重要，在大氣環(huán)流和地球氣候形成中起著非常重要的作用，約有90%的O3集中在15～45 km的平流層大氣中，10%左右分布在對(duì)流層大氣中[1]。O3對(duì)太陽(yáng)紫外輻射的吸收是平流層的主要熱源，但地表附近的O3也是一種重要的污染氣體，給人類健康和植物生長(zhǎng)，甚至生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重威脅[2-3]。

近年來(lái)，夏季O3污染已成為城市大氣污染的一個(gè)突出問(wèn)題，而且隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，我國(guó)O3污染呈加劇態(tài)勢(shì)[4]，引起社會(huì)公眾的廣泛關(guān)注。近年來(lái)很多研究針對(duì)O3污染特征[5-7]、生成機(jī)制[8]、源追蹤[9]、濃度預(yù)測(cè)[10-11]、管控評(píng)估[12]等方面做了大量分析，研究結(jié)論為O3污染治理提供了科學(xué)參考。研究表明對(duì)流層O3來(lái)源主要是平流層注入[13-14]和對(duì)流層大氣中發(fā)生的光化學(xué)反應(yīng)[15]，而光化學(xué)反應(yīng)主要由NOx、VOCs、CO等O3前體物在合適的氣象條件及太陽(yáng)輻射作用下發(fā)生[16-17]。平均氣溫、最高氣溫、相對(duì)濕度、本站氣壓、水汽壓、風(fēng)速、降水量、太陽(yáng)輻射(日照時(shí)數(shù))等氣象要素與O3質(zhì)量濃度有較好的相關(guān)關(guān)系[5-11]，當(dāng)O3污染發(fā)生時(shí)，通常對(duì)應(yīng)溫度高、濕度低、風(fēng)力弱、日照時(shí)間長(zhǎng)的氣象條件[18-19]。

1 資料與方法

環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為河北滄州市環(huán)境監(jiān)測(cè)站3個(gè)國(guó)控點(diǎn)2014—2020年P(guān)M2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3逐小時(shí)質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)，分別為電視轉(zhuǎn)播站、環(huán)保局、滄縣城建局(圖1)，數(shù)據(jù)完整率為94.7%，各污染物小時(shí)質(zhì)量濃度值均為3站同時(shí)次的平均值；氣象數(shù)據(jù)為滄州市國(guó)家氣象站同期的氣溫、降水、風(fēng)、相對(duì)濕度、本站氣壓、太陽(yáng)輻射等逐時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)。依據(jù)環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3095—2012)[21]，污染物日質(zhì)量濃度為00:00—24:00 24個(gè)整點(diǎn)時(shí)次的算術(shù)平均值(當(dāng)逐時(shí)數(shù)據(jù)有缺失或錯(cuò)誤時(shí)，將其剔除，以每日實(shí)際觀測(cè)時(shí)次計(jì)算)，其中O3日最大8 h平均質(zhì)量濃度表征日O3質(zhì)量濃度，當(dāng)日O3質(zhì)量濃度大于160 μg·m-3時(shí)定義為O3污染日。

圖1 滄州市國(guó)控環(huán)境監(jiān)測(cè)站和國(guó)家氣象觀測(cè)站分布

O3質(zhì)量濃度的小時(shí)變化計(jì)算公式為：

△Ci=Ci-Ci-1

(1)

式中：△Ci(μg·m-3)為i時(shí)刻O3質(zhì)量濃度小時(shí)變化；Ci、Ci-1(μg·m-3)分別為i時(shí)刻和i-1時(shí)刻O3質(zhì)量濃度。

2 結(jié)果分析

2.1 滄州空氣質(zhì)量及臭氧污染現(xiàn)狀

圖2為2014—2020年河北滄州不同污染物年平均質(zhì)量濃度變化?？梢钥闯?，PM2.5、PM10和CO年平均質(zhì)量濃度基本為逐年下降趨勢(shì)，最大值均出現(xiàn)在2014年，分別為88.4、142.3、1304.7 μg·m-3，最小值均出現(xiàn)在2020年，分別為47.3、82.7、709.6 μg·m-3；NO2質(zhì)量濃度總體呈下降趨勢(shì)，但下降速率較慢，其中2014年最大(41.1 μg·m-3)，2017年最小(30.9 μg·m-3)；SO2質(zhì)量濃度在2016年以前呈上升趨勢(shì)，之后為明顯下降趨勢(shì)；O3質(zhì)量濃度總體呈上升趨勢(shì)，在2019—2020年略有回落，2018年O3質(zhì)量濃度最大(114.4 μg·m-3)，2015年最小(93.1 μg·m-3)。綜上所述，近年來(lái)隨著大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃的深入實(shí)施，滄州PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO 5種污染物質(zhì)量濃度均得到很好的控制，但O3質(zhì)量濃度總體不降反升，說(shuō)明O3污染有加劇趨勢(shì)。

圖2 2014—2020年河北滄州不同污染物年平均質(zhì)量濃度變化

從每日首要污染物統(tǒng)計(jì)(表略)來(lái)看，滄州首要污染物主要為PM2.5、O3和PM10，占比分別為38.5%、34.7%和21.7%，O3污染日數(shù)略少于PM2.5，但從PM2.5和O3作為首要污染物的污染日數(shù)年際變化(圖3)來(lái)看，2018年以后O3污染日數(shù)明顯多于PM2.5，且二者污染日數(shù)差距呈加大趨勢(shì)。從O3對(duì)空氣質(zhì)量綜合指數(shù)的貢獻(xiàn)(表略)來(lái)看，2014—2020年O3的貢獻(xiàn)呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)，2020年達(dá)到最高(15.3%)。從2014—2020年滄州O3污染日數(shù)年際變化(圖4)來(lái)看，2014年以來(lái)，滄州O3污染日數(shù)總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，雖然2019—2020年O3污染日數(shù)有所減少，但其占總污染日數(shù)的比例仍然增加，2020年達(dá)52.2%。綜上所述，相對(duì)于其他污染物，滄州O3污染呈明顯加劇態(tài)勢(shì)，且已經(jīng)超越PM2.5污染成為當(dāng)前滄州首要污染物。

圖3 2014—2020年河北滄州PM2.5、O3作為首要污染物的污染日數(shù)年際變化

圖4 2014—2020年河北滄州O3污染日數(shù)及其占總污染日數(shù)的比例

2.2 臭氧污染月際變化

圖5為2014—2020年滄州O3污染日數(shù)及其質(zhì)量濃度的月際變化?？梢钥闯?，2—10月滄州均有O3污染發(fā)生，但主要集中在5—9月，該時(shí)段O3污染日占全年90%，其中6月污染日最多，達(dá)123 d(占28.5%)。滄州O3質(zhì)量濃度月際變化趨勢(shì)與污染日數(shù)基本一致，同樣在5—9月較高，其中6月最高(177 μg·m-3)。從O3對(duì)空氣質(zhì)量綜合指數(shù)的逐月貢獻(xiàn)(表略)來(lái)看，5—9月O3對(duì)空氣質(zhì)量綜合指數(shù)的貢獻(xiàn)都在15%以上，其中6月最大(23.3%)。綜上所述，滄州O3污染主要集中在5—9月，若同一年度內(nèi)，地方政府對(duì)大氣污染防治力度沒(méi)有大的變化，那么造成O3污染月際變化特征的原因主要在于氣象因子，因此在分析氣象因子對(duì)O3污染的影響時(shí)，需集中關(guān)注5—9月的氣象要素變化。

圖5 2014—2020年河北滄州O3污染日數(shù)及其質(zhì)量濃度月際變化

2.3 臭氧質(zhì)量濃度日變化

圖6為2014—2020年5—9月滄州O3質(zhì)量濃度逐時(shí)變化?？梢钥闯?，滄州O3質(zhì)量濃度的逐時(shí)變化呈明顯單峰單谷型，06:00(北京時(shí)，下同)O3質(zhì)量濃度最低(49.6 μg·m-3)，之后O3質(zhì)量濃度迅速增大，最大增幅位于11:00前后(22 μg·m-3h-1)，之后增幅減小，16:00前后O3質(zhì)量濃度達(dá)到最大(155.0 μg·m-3)，16:00以后O3質(zhì)量濃度逐漸下降。O3日最大8 h平均質(zhì)量濃度所處時(shí)段多集中在午后時(shí)段，這種分布規(guī)律與人類生產(chǎn)生活、光化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)度變化和氣象要素日變化等密切相關(guān)[22]。鑒于此，研究O3污染時(shí)，應(yīng)集中關(guān)注5—9月O3日最大8 h平均質(zhì)量濃度所處時(shí)段的氣象數(shù)據(jù)，以突出氣象因子對(duì)O3污染加劇的影響。

圖6 2014—2020年5—9月河北滄州O3質(zhì)量濃度逐時(shí)變化

2.4 氣象因子與臭氧質(zhì)量濃度的關(guān)系

2.4.1 不同統(tǒng)計(jì)時(shí)段的相關(guān)性對(duì)比分析

縱觀西方國(guó)家財(cái)務(wù)管理的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)而言，西方國(guó)家尤為重視專業(yè)隊(duì)伍和組織的構(gòu)建，發(fā)揮隊(duì)伍的專業(yè)性帶頭作用，以提升財(cái)務(wù)管理的綜合水平。因此，對(duì)于我國(guó)而言，在大數(shù)據(jù)新型時(shí)代背景下，有必要借鑒國(guó)外西方國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建專業(yè)隊(duì)伍和組織，邀請(qǐng)行業(yè)的專業(yè)帶頭人和企業(yè)內(nèi)的經(jīng)驗(yàn)豐富人員帶隊(duì)組建專業(yè)隊(duì)伍，為其他財(cái)務(wù)人員營(yíng)造良好的學(xué)習(xí)氛圍和環(huán)境，同時(shí)能夠提供專業(yè)知識(shí)和技能的指導(dǎo)，幫助更多的財(cái)務(wù)人員增加知識(shí)面，豐富大數(shù)據(jù)下財(cái)務(wù)管理的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，其他人員能夠通過(guò)提高自身能力和技能以更快地融入該團(tuán)隊(duì)和隊(duì)伍之中。

結(jié)合前文分析，針對(duì)不同統(tǒng)計(jì)時(shí)段討論平均氣溫、最高氣溫、平均相對(duì)濕度、平均本站氣壓、平均水汽壓、平均風(fēng)速、降水量、總輻射輻照度等氣象要素與O3質(zhì)量濃度的相關(guān)性，分別為全年全時(shí)段(全時(shí)段指氣象要素日平均為00:00—24:00 24個(gè)整點(diǎn)時(shí)次算術(shù)平均值)、5—9月全時(shí)段、5—9月O3日最大8 h平均質(zhì)量濃度所處時(shí)段(簡(jiǎn)稱“O3-8 h時(shí)段”，指氣象要素日平均為O3-8 h時(shí)段的8個(gè)整點(diǎn)時(shí)次算術(shù)平均值)，分析結(jié)果見(jiàn)表1。可以看出，當(dāng)統(tǒng)計(jì)時(shí)段為全年全時(shí)段時(shí)，除了降水量，其他氣象因子與日O3質(zhì)量濃度的相關(guān)系數(shù)均通過(guò)α=0.01的顯著性檢驗(yàn)，其中日O3質(zhì)量濃度與最高氣溫的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.722，這與已有研究結(jié)論基本一致[5,10,23]。當(dāng)統(tǒng)計(jì)時(shí)段為5—9月全時(shí)段時(shí)，平均氣溫、最高氣溫、本站氣壓、水汽壓、總輻射輻照度與日O3質(zhì)量濃度的相關(guān)性均明顯下降，其中日O3質(zhì)量濃度與水汽壓的相關(guān)系數(shù)未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，可能原因一方面是這些氣象要素自身的變化會(huì)導(dǎo)致其與日O3質(zhì)量濃度相關(guān)性的過(guò)高估計(jì)，如本站氣壓，另一方面是個(gè)別氣象要素與日O3質(zhì)量濃度相關(guān)性的物理意義并不強(qiáng)，或?yàn)閭蜗嚓P(guān)關(guān)系，如水汽壓；平均相對(duì)濕度與日O3質(zhì)量濃度的相關(guān)性增強(qiáng)。當(dāng)統(tǒng)計(jì)時(shí)段為5—9月O3-8 h時(shí)段時(shí)，與5—9月全時(shí)段相比，平均氣溫、最高氣溫、平均相對(duì)濕度、總輻射輻照度與日O3質(zhì)量濃度的相關(guān)性明顯增強(qiáng)，說(shuō)明集中關(guān)注O3污染易出現(xiàn)時(shí)段的氣象數(shù)據(jù)，可以更有效地分析氣象因子對(duì)O3污染加劇的影響。

表1 2014—2020年滄州不同統(tǒng)計(jì)時(shí)段氣象因子與日O3質(zhì)量濃度的相關(guān)系數(shù)

有關(guān)風(fēng)速對(duì)O3質(zhì)量濃度影響的研究結(jié)論不一致，主要觀點(diǎn)有4種：(1)較大風(fēng)速有利于O3傳輸至本地[24]；(2)較大風(fēng)速會(huì)導(dǎo)致湍流加大，使高空O3下傳至地面[25]；(3)較大風(fēng)速可使O3前體物濃度降低，降低光化學(xué)反應(yīng)對(duì)O3的消耗[26]；(4)較大風(fēng)速可使O3得到清除[27]，導(dǎo)致O3質(zhì)量濃度與風(fēng)速呈反相關(guān)?？梢?jiàn)風(fēng)速與O3質(zhì)量濃度的關(guān)系比較復(fù)雜，這可能也是滄州地區(qū)風(fēng)速與日O3質(zhì)量濃度相關(guān)性不強(qiáng)的原因。綜上所述，選取平均氣溫、最高氣溫、平均相對(duì)濕度和總輻射輻照度作為相關(guān)氣象要素(簡(jiǎn)稱“相關(guān)氣象要素”)，分析其與O3質(zhì)量濃度的關(guān)系。

2.4.2 臭氧質(zhì)量濃度與相關(guān)氣象要素的日變化

圖7為2014—2020年5—9月滄州O3質(zhì)量濃度與相關(guān)氣象要素的逐時(shí)變化。可以看出，平均氣溫、最高氣溫均呈單峰單谷型變化，與O3質(zhì)量濃度分布基本一致，平均氣溫、最高氣溫的最大值均出現(xiàn)在15:00，較O3質(zhì)量濃度峰值提前約1 h；總輻射輻照度呈單峰型變化，自06:00開(kāi)始迅速升高，12:00達(dá)到最大(730.3 W·m-2)，較O3質(zhì)量濃度峰值提前3～4 h，生成O3的光化學(xué)反應(yīng)需要太陽(yáng)輻射參與，且太陽(yáng)輻射強(qiáng)度越強(qiáng)，光化學(xué)反應(yīng)越劇烈[15]，但光化學(xué)反應(yīng)生成O3并累積需要一定時(shí)間，這可能是O3質(zhì)量濃度峰值較太陽(yáng)輻射峰值滯后較多的原因；平均相對(duì)濕度與O3質(zhì)量濃度分布呈反位相，平均相對(duì)濕度最小值也出現(xiàn)在15:00。

圖7 2014—2020年5—9月河北滄州O3質(zhì)量濃度和相關(guān)氣象要素逐時(shí)變化

2.4.3 臭氧污染日氣象數(shù)據(jù)分析

表2為2014—2020年5—9月滄州O3污染日同時(shí)段(O3-8 h時(shí)段)相關(guān)氣象要素統(tǒng)計(jì)值。可以看出，當(dāng)日O3質(zhì)量濃度超過(guò)160 μg·m-3時(shí)，一般平均氣溫在25.9～35.5 ℃、最高氣溫在27.7～37.4 ℃、平均相對(duì)濕度在22.5%～64.1%、總輻射輻照度在315.0～730.5 W·m-2。以中位數(shù)為基點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)8 h平均氣溫高于30.9 ℃時(shí)出現(xiàn)O3污染的概率為64.7%；當(dāng)8 h最高氣溫高于32.7 ℃時(shí)出現(xiàn)O3污染的概率為64.3%；當(dāng)8 h平均相對(duì)濕度低于42.1%時(shí)出現(xiàn)O3污染的概率為53.9%；當(dāng)8 h平均總輻射輻照度高于505.8 W·m-2時(shí)出現(xiàn)O3污染的概率為49.9%；當(dāng)同時(shí)滿足8 h平均氣溫、最高氣溫、平均相對(duì)濕度、平均總輻射輻照度中位數(shù)條件時(shí)，出現(xiàn)O3污染概率達(dá)84%。實(shí)際上相關(guān)氣象要素常會(huì)互相聯(lián)動(dòng)變化，因此在討論氣象因子對(duì)O3污染影響時(shí)，應(yīng)選擇多種要素進(jìn)行綜合分析，以提高O3污染預(yù)警的準(zhǔn)確率。

表2 2014—2020年5—9月河北滄州O3污染日同時(shí)段相關(guān)氣象要素統(tǒng)計(jì)

2.4.4 氣象要素小時(shí)變量分析

將O3質(zhì)量濃度小時(shí)增量大于30 μg·m-3定義為O3質(zhì)量濃度快速增長(zhǎng)。對(duì)2014—2020年5—9月滄州O3質(zhì)量濃度小時(shí)變量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到有效數(shù)據(jù)23 754個(gè)，其中O3質(zhì)量濃度快速增長(zhǎng)次數(shù)占4.2%。分析每日逐小時(shí)O3質(zhì)量濃度快速增長(zhǎng)的次數(shù)(表略)可以發(fā)現(xiàn)，O3快速增長(zhǎng)在每日各時(shí)段均有出現(xiàn)，其中83%出現(xiàn)在09:00—13:00，最集中時(shí)段在10:00—11:00(48%)。對(duì)相關(guān)氣象要素小時(shí)變量(表3)進(jìn)行分析可以看到，當(dāng)O3質(zhì)量濃度快速增長(zhǎng)時(shí)，多出現(xiàn)氣溫上升、相對(duì)濕度下降以及總輻射輻照度增強(qiáng)的現(xiàn)象，當(dāng)同時(shí)滿足表3中相關(guān)氣象要素中位數(shù)條件時(shí)，出現(xiàn)O3質(zhì)量濃度快速增長(zhǎng)的概率僅為16%，說(shuō)明氣象因子并非O3質(zhì)量濃度快速增長(zhǎng)的充分條件，O3質(zhì)量濃度的快速增長(zhǎng)可能還需綜合考慮人類活動(dòng)、O3前體物累積、光化學(xué)生成O3滯后等多種因素的影響。

表3 2014—2020年5—9月河北滄州O3質(zhì)量濃度快速增長(zhǎng)時(shí)段相關(guān)氣象要素小時(shí)變量統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論與討論

(1)2014—2020年，滄州市O3年平均質(zhì)量濃度、O3污染日數(shù)及其占總污染日數(shù)比例、O3對(duì)空氣質(zhì)量綜合指數(shù)貢獻(xiàn)均呈逐年上升趨勢(shì)，O3已成為滄州首要污染物。

(2)滄州O3污染集中在5—9月，且6月最多；O3質(zhì)量濃度日變化呈單峰單谷型，最大值出現(xiàn)在16:00前后。

(3)5—9月O3日最大8 h平均質(zhì)量濃度所處時(shí)段，平均氣溫、最高氣溫、相對(duì)濕度、總輻射輻照度與O3質(zhì)量濃度的相關(guān)性較強(qiáng)，本站氣壓、水汽壓和平均風(fēng)速與O3質(zhì)量濃度的相關(guān)性未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。

(4)5—9月O3日最大8 h平均質(zhì)量濃度所處時(shí)段，當(dāng)同時(shí)滿足8 h平均氣溫高于30.9 ℃、最高氣溫高于32.7 ℃、平均相對(duì)濕度低于42.1%、平均總輻射輻照度高于505.8 W·m-2時(shí)，出現(xiàn)O3污染的概率達(dá)84%。氣象因子不是O3小時(shí)質(zhì)量濃度快速增長(zhǎng)的充分條件。

針對(duì)當(dāng)前O3污染加劇態(tài)勢(shì)，各級(jí)政府均高度重視，不斷加大了大氣污染綜合治理力度，特別對(duì)VOCs、NOx等O3前體物排放實(shí)施了更強(qiáng)力的控制[28]，以達(dá)到減輕O3污染的目的，可以預(yù)見(jiàn)，以后同樣的氣象條件，可能造成的O3污染發(fā)生概率、對(duì)O3質(zhì)量濃度增量貢獻(xiàn)等，都將隨著O3治理措施推進(jìn)程度而相應(yīng)改變，氣象因子與O3污染的關(guān)系表現(xiàn)為一個(gè)動(dòng)態(tài)進(jìn)程，因此以后需根據(jù)最新實(shí)況數(shù)據(jù)不斷對(duì)研究結(jié)論進(jìn)行修訂，特別在O3質(zhì)量濃度預(yù)測(cè)方面，需對(duì)所選氣象要素閾值進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新。