中山市2015—2019年臭氧超標(biāo)特征及其與氣象條件的關(guān)系

麥健華，鄧濤，于玲玲，何國文，李穎昕，余欣洋，耿一超

(1. 中山市氣象局，廣東 中山 528400；2. 中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所，廣東 廣州 510641；3. 廣東省氣象臺，廣東 廣州 510641；4.暨南大學(xué)質(zhì)譜儀器與大氣環(huán)境研究所，廣東 廣州 510632）

1 引 言

隨著城市化和工業(yè)化規(guī)模的擴(kuò)大，城市環(huán)境問題日益突出。過去我國面臨的最主要的空氣污染問題是以氣溶膠為主要污染物的霾污染[1-2]。經(jīng)過數(shù)年的大力整治，霾污染已經(jīng)得到有效遏制[3-4]，但隨之而來的以臭氧（O3）為主要污染物的光化學(xué)污染卻日益突顯[5-6]。相關(guān)研究表明，中國的京津冀、長三角和珠三角地區(qū)以及其他重點城市在近年均面臨著臭氧污染加劇、防控壓力加大等問題[7-12]。采用一個日歷年內(nèi)臭氧日最大8小時滑動平均值的第90百分位數(shù)（MDA8-90）作為臭氧的年評價值[13]，全國74 個重點城市2013—2019 年臭氧年評價值上升了28.8%[14]。臭氧污染已逐漸取代霾污染成為影響我國空氣質(zhì)量的關(guān)鍵問題，關(guān)于臭氧污染特征及防治對策方面的研究亟待開展。

近地面臭氧主要是揮發(fā)性有機物VOCS和氮氧化物NOX等前體物在光化學(xué)反應(yīng)作用下生成的二次空氣污染物[15]。近年來關(guān)于臭氧的研究主要集中在臭氧污染的時空分布特征[16-17]、臭氧污染與前體物排放[18-19]及氣象要素的關(guān)系[20-21]以及臭氧污染的地區(qū)和行業(yè)來源上[22-23]。其中氣象條件主導(dǎo)著臭氧的生消、傳輸和擴(kuò)散，與臭氧污染的產(chǎn)生密切相關(guān)。研究表明，在特定的天氣形勢下，氣溫高、濕度低、日照時間長、氣壓低、一定的風(fēng)力是臭氧生成和積聚的有利條件，易引起臭氧污染超標(biāo)[24-27]。但不同地區(qū)氣候背景及地理位置差異顯著，因此氣象條件對臭氧污染的影響各有特點[28-29]。

中山市是珠三角的核心城市之一，東臨珠江口，北靠廣州、佛山，中部是山地，空氣污染物易于在山地北側(cè)的主城區(qū)積聚形成污染。根據(jù)廣東省中山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站提供的空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)，近年來中山市臭氧污染問題漸趨嚴(yán)重，從2016 年起臭氧取代PM2.5成為中山市最主要的空氣污染物，2019 年臭氧作為首要污染物的天數(shù)達(dá)到124天，為近年來最多。以往對中山空氣污染的研究主要集中在灰霾上[30-31]，對臭氧污染的相關(guān)研究仍然不足。

本文利用中山市2015—2019 年連續(xù)5 年空氣質(zhì)量國控站觀測的地面臭氧濃度數(shù)據(jù)、中山國家氣象站觀測的氣象數(shù)據(jù)以及基于后向軌跡聚類分析的潛在源貢獻(xiàn)因子方法進(jìn)行分析，研究中山市臭氧污染超標(biāo)與氣象條件的關(guān)系，并探討了臭氧起始濃度對臭氧超標(biāo)的影響，以期為今后中山市對臭氧污染的預(yù)報預(yù)警及防治工作提供依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)與方法

本文使用的地面臭氧觀測數(shù)據(jù)由廣東省中山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站提供，包括了紫馬嶺、張溪及華柏園三個站點2015—2019 年的小時觀測數(shù)據(jù)（O3-1 h）和日最大8 小時滑動平均數(shù)據(jù)（O3-8 h）。三個站點均位于中山市城區(qū)，其中紫馬嶺站位于紫馬嶺公園內(nèi)，張溪站和華柏園站靠近交通干道，三個站點間的直線距離為3～5 km。氣象數(shù)據(jù)由中山國家氣象觀測站提供，站點位置同樣位于紫馬嶺公園內(nèi)，包括了2015—2019 年的氣溫、相對濕度、降水量、風(fēng)向、風(fēng)速及太陽輻射數(shù)據(jù)，其中下文提及的北風(fēng)泛指西北西到東北東風(fēng)向范圍下的風(fēng)，南風(fēng)泛指西南西到東南東風(fēng)向范圍下的風(fēng)。

本文分季節(jié)討論臭氧與氣象因子的關(guān)系，劃分3—5 月為春季、6—8 月為夏季、9—11 月為秋季、12—次年2 月為冬季。臭氧污染等級按照《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）》[32]，根據(jù)O3-8 h 濃度劃分為6 個級別，分別為優(yōu)（0～100 μg/m3）、良（101～160 μg/m3）、輕度污染（161～215 μg/m3）、中度污染（216～265 μg/m3）、重度污染（266～800 μg/m3）和嚴(yán)重污染（＞800 μg/m3）。本文中臭氧超標(biāo)指的是臭氧二級超標(biāo)，即當(dāng)天臭氧污染達(dá)到輕度污染或以上標(biāo)準(zhǔn)（O3-8 h＞160 μg/m3）[33]，同時當(dāng)O3-1 h＞200 μg/m3時定義該時次臭氧超標(biāo)。文中提到的臭氧濃度均為紫馬嶺、張溪和華柏園三個觀測站點的平均濃度。

利用美國國家環(huán)境預(yù)報中心（NCEP）提供的再分析氣象數(shù)據(jù)（GDAS）及地面臭氧濃度數(shù)據(jù)驅(qū)動MeteoInfo 軟件和TrajStat 插件，將臭氧濃度閾值設(shè)置為160 μg/m3，即超過閾值的臭氧濃度對應(yīng)的軌跡為污染軌跡，進(jìn)行臭氧污染的24 h 后向軌跡聚類分析，并在此基礎(chǔ)上計算臭氧污染的潛在來源（PSCF）[34]，具體公式如下所示：

其中，nij是氣流軌跡落在第（i，j）個網(wǎng)格點的總端點數(shù)，mij是濃度超過設(shè)置閾值的軌跡落在同一格點的總端點數(shù)。PSCF 方法假設(shè)后向軌跡經(jīng)過區(qū)域的排放源會對分析區(qū)域的污染造成影響，當(dāng)PSCF 值大時，代表該地排放源對分析區(qū)域污染的潛在貢獻(xiàn)大，反之PSCF值小代表潛在貢獻(xiàn)小。

3 結(jié)果與討論

3.1 中山市臭氧污染總體特征

圖1 為2015—2019 年中山市臭氧污染超標(biāo)天數(shù)及臭氧濃度年評價值。2015 年超標(biāo)天數(shù)僅22天，為近年來最少；從2016 年起超標(biāo)天數(shù)開始上升，2017 年超標(biāo)天數(shù)64 天，2018 年有所下降，但2019 年再次上升至66 天，是近年來臭氧超標(biāo)最多的年份。從2016年起臭氧中度污染和重度污染天數(shù)所占比例也迅速增加，2015 年中度污染或以上天數(shù)占比9.1%，2017 和2019 年分別上升到32.0%和36.4%。2016 年之前從未出現(xiàn)過臭氧重度污染，但2017—2019 年每年均有臭氧重度污染日出現(xiàn)。從各年臭氧連續(xù)超標(biāo)天數(shù)來看，2015—2016年連續(xù)超標(biāo)天數(shù)均為5 天，2017—2019 年連續(xù)超標(biāo)天數(shù)大幅增加，分別為12、10 和18 天。從臭氧濃度的年評價值來看，2015 年的年評價值為145 μg/m3，為近年來最低，2016—2019 年的年評價值除2018 年外均呈現(xiàn)出上升趨勢，2019 年達(dá)到近年最高的197 μg/m3，相比2015 年上升36%，說明中山臭氧污染的出現(xiàn)頻數(shù)、持續(xù)時長上升，污染程度加重。表1 為中山市2015—2019 年的氣候特征，2016 年相比2015 年氣溫下降，降水增加，但北風(fēng)風(fēng)頻大幅上升，超標(biāo)天數(shù)增加；2017 年比2016 年降水明顯減少，超標(biāo)天數(shù)大幅上升；2018年比2017年降水增加，北風(fēng)風(fēng)頻略有下降，超標(biāo)天數(shù)也相應(yīng)下降；2019 年的降水量和北風(fēng)風(fēng)頻比2018 年下降，但平均氣溫上升幅度較大，因此超標(biāo)天數(shù)再次上升。綜上，各年間臭氧污染的程度是多個氣象因素共同作用的結(jié)果。

圖1 中山市2015—2019年臭氧超標(biāo)天數(shù)及臭氧濃度年評價值

表1 中山市2015—2019年氣候特征

中山市臭氧污染在各個月份分布不均勻，圖2為2015—2019 年各月份臭氧污染超標(biāo)天數(shù)變化，其中1—6月臭氧污染出現(xiàn)較少，污染程度以優(yōu)、良和持續(xù)時間較短的短期污染為主。從7 月起超標(biāo)天數(shù)開始增長，9 月達(dá)到全年最多，11—12 月臭氧污染減弱?？傮w上，中山市臭氧污染超標(biāo)天數(shù)最少的是3 月，僅在2016 年出現(xiàn)1 天；最多的是9 月份，共出現(xiàn)52 天，年均超標(biāo)10.4 天。各月份平均O3-8 h分布與超標(biāo)天數(shù)類似，9月平均濃度133 μg/m3，為各月份最大，1 月平均濃度最小，為63 μg/m3，僅為9 月的47.4%。從7 月起平均O3-8 h 開始增長，到11月明顯回落。從以上討論可知，中山市的臭氧污染主要出現(xiàn)在8—11 月，其中9—10 月污染程度最為嚴(yán)重。

圖2 中山市2015—2019年各月份臭氧超標(biāo)天數(shù)及平均O3-8 h

3.2 不同氣象因子對臭氧超標(biāo)率的影響

過往研究指出，氣象因子對臭氧污染的影響因季節(jié)而異[35-36]，從上文的分析可知中山市臭氧超標(biāo)主要集中在夏、秋兩季，因此本文主要對夏季和秋季氣象因子對臭氧超標(biāo)的影響進(jìn)行分析。

3.2.1 日最高氣溫對臭氧超標(biāo)的影響

圖3 為2015—2019 年夏季和秋季在不同日最高氣溫范圍下的O3-8 h 均值及其超標(biāo)率，兩個季節(jié)O3-8 h 及其超標(biāo)率隨著日最高氣溫上升而上升的趨勢非常明顯。夏季最高溫在30 ℃以下時超標(biāo)率為0，隨著最高溫上升，超標(biāo)率開始上升，但在34 ℃以下時超標(biāo)率上升的幅度較小，這與夏季頻密的日間降水及盛行南風(fēng)有關(guān)；最高溫在34～35 ℃時超標(biāo)率為18%，而最高溫達(dá)到35 ℃以上時超標(biāo)率大幅度上升至43%。秋季當(dāng)最高溫在23 ℃以下時，臭氧超標(biāo)率為0，隨著最高溫上升，超標(biāo)率上升幅度相當(dāng)明顯，最高溫在32 ℃以上時，超標(biāo)率達(dá)到42%，而最高溫達(dá)35 ℃以上時，超標(biāo)率更是達(dá)到了75%。因此，當(dāng)夏秋季節(jié)出現(xiàn)高溫天氣時（日最高溫大于等于35 ℃），臭氧超標(biāo)出現(xiàn)的可能性相當(dāng)高。表2 是夏秋兩季不同氣象要素與O3-8 h 的相關(guān)系數(shù)，夏、秋季O3-8h 與最高溫的相關(guān)系數(shù)分別為0.50 和0.46，相關(guān)性較高，日最高氣溫可作為臭氧污染的重要參考指標(biāo)。

圖3 夏季（a）和秋季（b）不同日最高氣溫范圍下平均O3-8 h及超標(biāo)率

表2 夏秋兩季各氣象要素與O3-8 h的相關(guān)系數(shù)

3.2.2 相對濕度對臭氧超標(biāo)的影響

圖4 為2015—2019 年夏季和秋季在不同日平均相對濕度范圍下的O3-8 h 均值及其超標(biāo)率。夏季O3-8 h 及其超標(biāo)率隨著相對濕度的增加而下降，其中當(dāng)日均相對濕度在70%以下時平均O3-8 h達(dá)到175 μg/m3，超標(biāo)率高達(dá)63%；當(dāng)日均相對濕度在70%以上時超標(biāo)率明顯下降，日均相對濕度在75%以上時超標(biāo)率下降到10%以下，相對濕度在90%以上時超標(biāo)率僅為2%。秋季當(dāng)相對濕度在50%～60%時O3-8 h 及超標(biāo)率最高，超標(biāo)率達(dá)到64%，在其他濕度范圍下超標(biāo)率下降明顯，相對濕度在90%以上時超標(biāo)率僅為2%。從表2 可知夏秋季相對濕度與O3-8 h 相關(guān)系數(shù)為-0.5 上下。由以上討論可知，夏秋季臭氧超標(biāo)率總體隨相對濕度的上升而下降（秋季濕度50%以下除外，但這一范圍樣本僅18天），且相對濕度與O3-8 h的相關(guān)性與最高氣溫接近，在預(yù)報臭氧污染時應(yīng)重點考慮。

圖4 夏季（a）和秋季（b）不同日均相對濕度范圍下平均O3-8 h及超標(biāo)率

3.2.3 太陽輻射對臭氧超標(biāo)的影響

圖5 為2015—2019 年夏季和秋季在不同太陽輻射范圍下的O3-8 h 均值及其超標(biāo)率，其中太陽輻射取臭氧濃度較高的11—16 時(北京時間，下同)的平均值。太陽輻射影響著生成臭氧的光化學(xué)反應(yīng)的強弱，因此O3-8 h 及超標(biāo)率隨著輻射強度的增加而增加。夏季太陽輻射在400 W/m2以下時超標(biāo)率極低，輻射強度在400 W/m2以上時超標(biāo)率上升明顯，當(dāng)輻射強度達(dá)到600 W/m2以上時超標(biāo)率為24%。秋季太陽輻射增強時超標(biāo)率迅速上升，輻射強度在400～600 W/m2范圍時超標(biāo)率為37%，超過600 W/m2超標(biāo)率高達(dá)60%，因此在秋季太陽輻射對臭氧超標(biāo)的影響相當(dāng)明顯。從表2 太陽輻射與O3-8 h 的相關(guān)系數(shù)可以看出日照時數(shù)和O3-8 h 呈正相關(guān)，夏季相關(guān)系數(shù)比秋季低，原因是夏季盛行南風(fēng)，氣流主要來自于海洋方向，受陸地污染物傳輸影響較??；另外夏季平均風(fēng)速比秋季大（夏季為2.0 m/s，秋季為1.7 m/s），也不利于污染物在本地的積累，因此即使在較為有利的輻射條件下，臭氧污染出現(xiàn)的機率也比秋季低；臭氧污染最嚴(yán)重的秋季相關(guān)系數(shù)達(dá)0.6，結(jié)合太陽輻射對超標(biāo)率的影響，當(dāng)秋季出現(xiàn)晴朗無云天氣時應(yīng)特別關(guān)注臭氧超標(biāo)的可能性。

圖5 夏季（a）和秋季（b）不同太陽輻射范圍下平均O3-8 h及超標(biāo)率

3.2.4 日間降水對臭氧超標(biāo)的影響

圖6 為2015—2019 年夏季和秋季在日間（08—20 時）不同降水量級下的O3-8 h 均值及其超標(biāo)率，可以看出不同季節(jié)臭氧與降水的關(guān)系呈現(xiàn)出不同的特點。夏季無降水時O3-8 h 最大，其次是出現(xiàn)暴雨以上降水時，而且日間出現(xiàn)暴雨以上降水時臭氧超標(biāo)率為9%，比除無雨外其他降水量級的超標(biāo)率都要大，但該類型樣本僅有32 天，其中3天為超標(biāo)，且這3 天的降水均出現(xiàn)在傍晚后，對日間臭氧超標(biāo)影響不大；其余量級降水日臭氧超標(biāo)率明顯下降，為5%上下。秋季的O3-8 h 及超標(biāo)率隨降水的增加下降明顯，其中無雨時超標(biāo)率可達(dá)35%，出現(xiàn)降水時超標(biāo)率迅速下降到12%或以下，其中日間出現(xiàn)暴雨時超標(biāo)率為0。表2 為夏秋季節(jié)日間降水與O3-8 h 的相關(guān)系數(shù)，可以看出降水與O3-8 h 均呈負(fù)相關(guān)，但相關(guān)性并不高，原因在于討論降水對臭氧的影響除了要關(guān)注降水的量級外，降水出現(xiàn)的時間也應(yīng)重點考慮。圖7為夏秋兩季日間降水量、最大降水出現(xiàn)時間與O3-8 h 的關(guān)系，降雨時太陽輻射弱，且濕沉降會使臭氧濃度下降，因此如果在上午10 時到下午14 時臭氧濃度上升階段出現(xiàn)降水，即使降水量很小，臭氧也不會出現(xiàn)超標(biāo)；如降水出現(xiàn)在15—17 時，且降水量在10 mm 以下時，由于降雨前臭氧已達(dá)到較高濃度，弱降水并不能使臭氧濃度迅速下降，因此臭氧仍可能出現(xiàn)超標(biāo)，降水超過10 mm則臭氧不超標(biāo)；17時后出現(xiàn)的降水，由于臭氧污染已經(jīng)達(dá)到峰值并開始減弱，因此降水量級與臭氧是否超標(biāo)沒有必然關(guān)系，日間出現(xiàn)臭氧超標(biāo)后，傍晚再出現(xiàn)大量級降水的情況時有發(fā)生。

圖6 夏季（a）和秋季（b）日間不同降水量級下平均O3-8 h及超標(biāo)率

圖7 夏秋兩季日間降雨量、最大降水出現(xiàn)時間與臭氧污染等級的關(guān)系

3.2.5 風(fēng)對臭氧超標(biāo)的影響

風(fēng)對空氣污染物的濃度影響很大，圖8 是夏、秋季日間有、無臭氧污染時的風(fēng)向頻率圖。夏季有、無臭氧污染時風(fēng)向頻率差異明顯，無污染時以偏南風(fēng)到西南風(fēng)為主，其中南西南風(fēng)占比最大，為18.2%，北風(fēng)占比僅為1%～3%。當(dāng)出現(xiàn)臭氧污染時南風(fēng)頻率明顯減小，同時北風(fēng)頻率增大至10%上下，對中山夏季出現(xiàn)西北風(fēng)時的環(huán)流形勢進(jìn)行分析，此時多受熱帶氣旋外圍下沉氣流影響，擴(kuò)散條件極端不利而造成臭氧超標(biāo)。秋季盛行風(fēng)向由南風(fēng)向北風(fēng)轉(zhuǎn)變，當(dāng)無臭氧污染時以偏北風(fēng)到東北風(fēng)為主，其中北東北風(fēng)占比最大，為16.7%。臭氧污染出現(xiàn)時偏北風(fēng)到東北風(fēng)的總占比進(jìn)一步加大至56.7%，東風(fēng)和南風(fēng)的占比明顯減小。計算夏季、秋季風(fēng)速與臭氧濃度的相關(guān)系數(shù)分別為-0.23和-0.21，總體上臭氧濃度隨風(fēng)速的增大而減小，但相關(guān)性并不太大，討論風(fēng)對臭氧濃度的影響也應(yīng)重點關(guān)注風(fēng)向的變化。中山地處珠三角北風(fēng)背景的下風(fēng)向位置，北邊的廣州、佛山，東北邊的東莞、東邊的深圳NOX和VOCs的排放量大[37]，為臭氧的生成提供了充足的前體物，而南邊的江門和珠海前體物排放較少。對2019年中山臭氧污染進(jìn)行潛在源區(qū)分析（PSCF）（圖9），其后向24 小時潛在源區(qū)主要集中在中山西部、西北部和北部城市（PSCF 值0.2～0.5），東北部也有一定貢獻(xiàn)（PSCF 值0.1～0.2），南部貢獻(xiàn)最?。≒SCF 值0.1 以下），污染源以短距離輸送為主。綜上，北風(fēng)背景下有利于上游污染物向下游輸送，造成中山臭氧超標(biāo)，而南風(fēng)為清潔氣流，一般不會造成臭氧污染，同時臺風(fēng)外圍氣流控制背景下較易出現(xiàn)臭氧超標(biāo)[38]，應(yīng)重點關(guān)注。

圖8 夏季和秋季日間有、無臭氧污染時的風(fēng)向頻率

圖9 2019年中山市臭氧污染潛在源區(qū)分析

3.3 多氣象因子影響下臭氧超標(biāo)率分析

上文分析了單個氣象因子作用下臭氧的超標(biāo)率，但臭氧超標(biāo)往往是多個氣象因子共同作用的結(jié)果。表3 為多個氣象因子共同作用下臭氧的超標(biāo)率，其中每一列各個氣象因子間為遞進(jìn)關(guān)系，即同一列中位于下方的氣象條件包含了其上方的各個氣象條件。對氣象因子進(jìn)行篩選后，發(fā)現(xiàn)夏秋兩季臭氧超標(biāo)率均對日間主要風(fēng)向（即日間風(fēng)頻出現(xiàn)最多的風(fēng)向）最為敏感。夏季當(dāng)日間最大風(fēng)頻為北風(fēng)時，臭氧超標(biāo)率達(dá)到了69.2%，如果這種風(fēng)向下日最高氣溫達(dá)到33 ℃以上，超標(biāo)率高達(dá)89.1%，當(dāng)日最高氣溫達(dá)到35 ℃以上時，超標(biāo)率更是達(dá)到了96.0%。當(dāng)日間風(fēng)向為北風(fēng)外的其他風(fēng)向時，臭氧超標(biāo)率為3.8%，此時若日最高氣溫達(dá)到35 ℃以上，超標(biāo)率提高到13.3%；當(dāng)日間平均風(fēng)速在2 m/s以下，超標(biāo)率提升至28.6%，提升的幅度較為可觀。

表3 多氣象條件共同作用下臭氧超標(biāo)率（Wd：日間主要風(fēng)向；Tmax：日最高氣溫；RH：日均相對濕度；Ws：日間平均風(fēng)速；Ra：太陽輻射）

秋季日間主導(dǎo)風(fēng)向為北風(fēng)的日數(shù)比夏季增多，但北風(fēng)背景下臭氧的超標(biāo)率比夏季明顯下降，為39.2%；此時若日最高氣溫在33 ℃以上，超標(biāo)率大幅提升至78.6%；若最高氣溫達(dá)到34 ℃以上，臭氧超標(biāo)率高達(dá)91.7%。當(dāng)日間最大風(fēng)頻為北風(fēng)外的其他風(fēng)向時，超標(biāo)率僅有14.6%，此時氣溫的提升和濕度的減少對臭氧超標(biāo)的影響較大，當(dāng)日最高氣溫在33 ℃以上、日均相對濕度在80%以下時，超標(biāo)率分別提升至28.2%和40%；當(dāng)風(fēng)速小于2 m/s時，超標(biāo)率提升至58.3%；此時若平均輻射大于500 W/m2，超標(biāo)率進(jìn)一步提高至70%。

綜上，在各個氣象因子中風(fēng)向和日最高氣溫對中山市的臭氧超標(biāo)率影響最大，可以作為臭氧超標(biāo)預(yù)報最重要的參考因子。當(dāng)夏秋季日間主導(dǎo)風(fēng)向為北風(fēng)，且日最高氣溫達(dá)到33 ℃或以上，應(yīng)重點考慮臭氧超標(biāo)的可能性。

3.4 相似氣象條件下臭氧超標(biāo)率變化趨勢

上文討論了中山市近年各氣象要素對臭氧濃度及超標(biāo)率的影響，但不同年份相似氣象條件下臭氧超標(biāo)率也存在明顯差異。中山市2015—2019年的總體氣候概況中（表1），總降水量的差異最為明顯，為盡可能消除降水差異的影響，挑選降水量較為接近的2015、2017 和2019 三年，對相似氣象條件下臭氧超標(biāo)率的變化進(jìn)行分析。

圖10為2015、2017和2019年在相同的日最高氣溫、日均相對濕度、太陽輻射、日間降水量級和日平均風(fēng)速范圍下各年的臭氧超標(biāo)率，可以看出在相似氣象條件下，各年的臭氧超標(biāo)率差異相當(dāng)明顯。在最高溫20～25 ℃范圍內(nèi)，只有2017 年出現(xiàn)了臭氧超標(biāo)；當(dāng)最高溫在25～30 ℃和30～35 ℃時，2019 年的臭氧超標(biāo)率比2017 年稍高或持平，均遠(yuǎn)高于2015 年；當(dāng)最高溫在35 ℃以上時，2017年的超標(biāo)率高達(dá)69.2%，2019 年為50%，而2015 年僅為29.4%。在相對濕度方面，各年的超標(biāo)率均隨濕度的增加而下降，且2015年的超標(biāo)率均為最低；當(dāng)相對濕度在70%以下時，2019年的超標(biāo)率最高，達(dá)到49.3%；其余濕度范圍下均為2017 年最高。對太陽輻射而言，當(dāng)11—16 時的平均輻射在400 W/m2以下和600 W/m2以上時，2017年的超標(biāo)率最高；當(dāng)輻射為400～600 W/m2時，2019 年的超標(biāo)率最高，其次是2017 年；在各太陽輻射強度范圍下，2015 年的超標(biāo)率均最低。在日間降水方面，無雨日中2019 年的超標(biāo)率為23.7%，為三年中最大，其次是2017 年的21.7%，2015 年的超標(biāo)率僅為2017年的一半；當(dāng)日間出現(xiàn)降水時，2015年的超標(biāo)率降為0，此時2017 年的超標(biāo)率最高，2019 年的超標(biāo)率為2017 年的一半左右。在風(fēng)速方面，當(dāng)日平均風(fēng)速在1 m/s以下時，三個年份的臭氧超標(biāo)率基本持平，但當(dāng)風(fēng)速增加至1～2 m/s 時，2015 年的超標(biāo)率明顯下降，而2017和2019年則有所上升；當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增加到2～3 m/s 時，臭氧超標(biāo)率均出現(xiàn)下降，此時2017 年的超標(biāo)率最高。以上討論了5 種氣象要素共17 種相似氣象條件下不同年份的臭氧超標(biāo)率，2017年超標(biāo)率最高的占12種，2019年最高的占5 種，在絕大多數(shù)條件下，2017 和2019 年的臭氧超標(biāo)率均遠(yuǎn)高于2015年的超標(biāo)率，因此，在氣候狀況變化不大的背景下，從2015 年到2019 年間的臭氧污染漸趨嚴(yán)重，需要從前體物排放方面尋找原因。

圖10 2015、2017和2019年相同氣象條件下的臭氧超標(biāo)率

3.5 起始濃度對臭氧超標(biāo)的影響

定義臭氧濃度在上午連續(xù)增長前所達(dá)到的最低濃度為當(dāng)天臭氧的起始濃度，并把2015—2019年夏秋兩季共191 個臭氧超標(biāo)日的起始濃度劃分為10 μg/m3或 以 下（Group-A）、11～30 μg/m3（Group-B）及30 μg/m3以上（Group-C）3 組。圖11為3 組樣本中臭氧從起始濃度到首次達(dá)到超標(biāo)（O3-1 h大于200 μg/m3）所需要的時長及該時段內(nèi)氣溫的變化。可以看出隨著起始濃度的增大，臭氧從起始濃度達(dá)到超標(biāo)所需時間及該段時間內(nèi)氣溫的變化逐漸減小。表4為夏、秋兩季從起始濃度到首次超標(biāo)的用時和氣溫變化，夏、秋季節(jié)呈現(xiàn)出相同的特點，即起始濃度增大時，臭氧從起始濃度到超標(biāo)的用時和氣溫變化減小。其中夏季在Group-A、Group-B 和Group-C 下平均用時7.1、6.2和5.8 小時，氣溫變化7.2、5.8 和4.7 ℃；秋季平均用 時6.9、6.2 和5.9 小 時，氣 溫 變 化7.1、5.8 和5.1 ℃。比較相同分組下夏季和秋季的用時和氣溫變化，除了Group-C 夏季的氣溫變化比秋季稍低外，其他兩組兩個季節(jié)的指標(biāo)較為接近，說明起始濃度確定時，從起始濃度到超標(biāo)的用時和氣溫變化特征隨季節(jié)的變化不明顯。從以上討論可知，臭氧從起始濃度達(dá)到超標(biāo)所需時間隨著起始濃度的增加大體上呈減小趨勢，且較小的氣溫變化即可使臭氧達(dá)到超標(biāo)，即臭氧超標(biāo)對氣溫變化的依賴性減小。

圖11 Group-A（a）、Group-B（b）和Group-C（c）從起始濃度到首次超標(biāo)的用時及氣溫變化

表4 夏、秋季起始濃度到首次超標(biāo)用時及氣溫變化

4 結(jié) 論

（1）中山市2015—2019 年臭氧污染加重，超標(biāo)天數(shù)從2015 年的22 天增長至2019 年的66 天，中度污染以上天數(shù)占超標(biāo)天數(shù)比例從9.1%增長至36.4%，臭氧年評價值增長36%。臭氧污染主要集中在8—11月，其中3月最少，9月最多。

（2）中山市夏秋季節(jié)臭氧超標(biāo)主要發(fā)生在氣溫高、濕度低、太陽輻射強、日間10—14 時無明顯降水、吹北風(fēng)的氣象條件下，臭氧的污染潛在源區(qū)主要位于中山西方到北方的城市。風(fēng)向和氣溫是臭氧超標(biāo)最重要的指標(biāo)，夏、秋季日間吹北風(fēng)時超標(biāo)率分別為69.2% 和39.2%，當(dāng)日最高氣溫在33 ℃以上時超標(biāo)率大幅增長至89.1%和78.6%；當(dāng)日間主要風(fēng)向為非北風(fēng)時，夏、秋季超標(biāo)率僅為3.8%和14.6%。

（3）不同年份在相似氣象條件下臭氧超標(biāo)率存在明顯差異，在相同的日最高氣溫、相對濕度、太陽輻射強度、降水量級和平均風(fēng)速范圍下，2017年和2019 年的臭氧超標(biāo)率均遠(yuǎn)高于2015 年，近年間的臭氧污染趨于嚴(yán)重需要從前體物排放方面尋找原因。

（4）臭氧超標(biāo)日中把臭氧起始濃度劃分為10 μg/m3以下、11～30 μg/m3及30 μg/m3以上3 個等級，夏季臭氧從起始濃度達(dá)到超標(biāo)平均用時分別為7.1、6.2 和5.8 h，相應(yīng)氣溫平均上升7.2、5.8 和4.7 ℃，秋季平均用時6.9、6.2 和5.9 h，氣溫變化7.1、5.8 和5.1 ℃。起始濃度增大時，超標(biāo)耗時和氣溫變化均呈減小趨勢，較高的起始濃度使臭氧超標(biāo)對氣溫變化的依賴性減小。

致 謝：本文所采用的臭氧濃度數(shù)據(jù)由廣東省中山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站提供，在此表示感謝。