韶關(guān)市主城區(qū)2016—2020年臭氧污染特征分析

郭永婷，余冬文，黃觀榮，劉瑋瑩

（1.韶關(guān)市氣象局，廣東 韶關(guān) 5 1 2 0 2 6；2.乳源瑤族自治縣氣象局，廣東 乳源 512700）

黨的十八大以來，生態(tài)文明建設(shè)不斷推進(jìn)，其中大氣污染治理是生態(tài)環(huán)境3大攻堅(jiān)戰(zhàn)之一，2018年7月3日國務(wù)院公開發(fā)布《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》［1］，旨在明顯改善環(huán)境空氣質(zhì)量，明顯增強(qiáng)人民的藍(lán)天幸福感。

目前我國許多城市仍然面臨著解決PM2.5污染的急迫需求，并且臭氧（O3）污染的重要性逐漸凸顯，2018年《中國環(huán)境狀況公報(bào)》顯示，臭氧已經(jīng)成為除PM2.5外的重要污染物［2］。為解決臭氧污染問題，省內(nèi)很多專家從臭氧濃度的變化趨勢(shì)、臭氧污染時(shí)空特征、臭氧污染過程的氣象原因分析等方面展開研究。夏云等［3］發(fā)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)速為0.19～0.29 m／s時(shí)，揭陽市容易出現(xiàn)空氣污染情況，當(dāng)風(fēng)速＞1.84 m／s時(shí)，無污染出現(xiàn)；陳玲等［4］的研究結(jié)果表明東莞市的臭氧符合國家2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；甘泉等［5］發(fā)現(xiàn)惠州市臭氧質(zhì)量濃度超標(biāo)多出現(xiàn)在氣溫較高、相對(duì)濕度和風(fēng)速較小、云量較少一般無降水、日照充足的天氣；王文波等［6］研究發(fā)現(xiàn)肇慶市主導(dǎo)風(fēng)存在偏南分量時(shí)臭氧質(zhì)量濃度明顯較高，西南偏西風(fēng)時(shí)達(dá)到最高，偏北到偏東風(fēng)下質(zhì)量濃度普遍較低；陳靖揚(yáng)等［7］分析廣東省一次春季臭氧污染過程，結(jié)果表明較好的輻射條件和不利的邊界層擴(kuò)散條件是導(dǎo)致該次臭氧污染過程的主要?dú)庀笠蛩亍V東對(duì)臭氧研究集中在珠三角等地區(qū)［8-9］，韶關(guān)市臭氧污染特征的研究相對(duì)匱乏，而以往研究本地空氣質(zhì)量側(cè)重于灰霾、大霧［10］，因此基于2016—2020年韶關(guān)市主城區(qū)國控環(huán)境空氣質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，分析了臭氧污染時(shí)空特征和氣象因素對(duì)臭氧污染的影響，為韶關(guān)市臭氧污染防控提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

2016—2020年韶關(guān)市主城區(qū)5個(gè)國控環(huán)境監(jiān)測站常規(guī)六參數(shù)逐時(shí)觀測資料來源于中國環(huán)境監(jiān)測總站，國控空氣質(zhì)量監(jiān)測站包括市八中（1669A）、碧湖山莊（1670A）、園林處（1671A）、韶關(guān)學(xué)院（1672A）、曲江監(jiān)測站（1673A），韶關(guān)市主城區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量用5個(gè)國控站算術(shù)平均表示。地面氣象站數(shù)據(jù)選取韶關(guān)市氣象局站（站號(hào)G1401）逐日氣象要素。

基于《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）》［11］和GB3095-2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》［12］，PM2.5、PM10、SO2、NO2年評(píng)價(jià)指標(biāo)為城市站點(diǎn)PM2.5、PM10、SO2、NO2的年平均；CO年評(píng)價(jià)指標(biāo)為城市站點(diǎn)CO 24 h平均第95百分位數(shù)（CO-95per）；O3年評(píng)價(jià)指標(biāo)（MDA8-90per）為城市站點(diǎn)O3最大8 h平均第90百分位數(shù)。PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO日評(píng)價(jià)指標(biāo)為城市站點(diǎn)PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO的24 h平均；O3日評(píng)價(jià)指標(biāo)（MDA8）為城市站點(diǎn)O3的日最大8 h（08：00—24：00（北京時(shí)，下同）所有8 h滑動(dòng)平均質(zhì)量濃度中的最大值）平均。月、季度評(píng)價(jià)指標(biāo)根據(jù)日評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算得出。

2 臭氧污染特征

2.1 韶關(guān)市主城區(qū)空氣污染概況

在2018年出臺(tái)的《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》等一系列大氣污染防控政策實(shí)施下，韶關(guān)市主城區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量在近3年得到較大改善。近5年，PM2.5、PM10、SO2、NO2的年質(zhì)量濃度均分別從2016年的33、52、16、26μg／m3上升到2017年的峰值38、55、17、29μg／m3，隨后逐年下降到2020年的24、37、10、21μg／m3；O3年質(zhì)量濃度（MDA8-90per）從2016年的79μg／m3上升到2017年的峰值92μg／m3再下降到2019年的83μg／m3，2020年（84μg／m3）與2019年大致持平；CO（CO-95per）的年質(zhì)量濃度近5年大致呈穩(wěn)定下降趨勢(shì)，從2016年的1.4 mg／m3下降到2020年的1.0 mg／m3。

如圖1所示，2020年韶關(guān)市主城區(qū)顆粒物污染有極大的改善，根據(jù)GB 3095-2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，PM10、SO2、NO2、MDA8-90per，CO-95per質(zhì)量濃度低于GB 3095-2012一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（40、20、40、100，4.0 mg／m3），PM2.5低于GB 3095-2012二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（35μg／m3）。

圖1 2016—2020年韶關(guān)市主城區(qū)空氣質(zhì)量6參數(shù)年變化

2.2 臭氧污染年、月變化

2016—2020年韶關(guān)市主城區(qū)ρ（MDA8-90per）分別為79、92、90、83、84μg／m3，均未超過GB 3095-2012一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)極限100μg／m3。根據(jù)HJ 633-2012《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定》對(duì)空氣質(zhì)量進(jìn)行污染等級(jí)劃分：160μg／m3＜ρ（MDA8）≤215μg／m3為輕度污染、215μg／m3＜ρ（MDA8）≤266μg／m3為中度污染、ρ（MDA8）＞266μg／m3為重度污染。近5年韶關(guān)市主城區(qū)出現(xiàn)臭氧輕度污染72 d、臭氧中度污染4 d、臭氧重度污染0 d。

近5年韶關(guān)市主城區(qū)臭氧污染主要以輕度污染為主，中度污染天數(shù)較少，近2年未出現(xiàn)中度污染，近5年未出現(xiàn)重度污染。臭氧污染天數(shù)最多是2017年的22 d（20 d輕度污染+2 d中度污染），最少是2020年的9 d（輕度污染）。

從近5年韶關(guān)市主城區(qū)臭氧污染時(shí)間序列（圖2）來看，第1個(gè)臭氧污染日出現(xiàn)在3月2日（2016年），即臭氧污染從3月開始出現(xiàn)，4和7月有2個(gè)小高峰，在9月達(dá)到一年中的峰值，6和8月有兩個(gè)谷值，這與汪宇等［13］研究的珠三角城市臭氧污染月變化相似。最后1個(gè)臭氧污染日出現(xiàn)在11月17日（2019年），12、1和2月均未出現(xiàn)臭氧污染。

圖2 2016—2020年韶關(guān)市主城區(qū)臭氧污染等級(jí)時(shí)間序列

分析臭氧污染月變化（圖略）規(guī)律可知，韶關(guān)主城區(qū)總體上呈現(xiàn)冷暖交替、季節(jié)轉(zhuǎn)換時(shí)高（4和9月），氣溫最高、日照最長時(shí)高（7月）、降水多時(shí)低（6和8月）的特點(diǎn)，這與沈勁等［14］分析的珠三角北部城市站臭氧月變化一致。

2.3 臭氧質(zhì)量濃度日變化

分析2016—2020年韶關(guān)市主城區(qū)O3質(zhì)量濃度和NO2質(zhì)量濃度日變化趨勢(shì)（圖3），O3質(zhì)量濃度呈明顯的單峰型分布，夜間明顯低于白天，一天中O3質(zhì)量濃度谷值出現(xiàn)在07：00（北京時(shí)，下同），此后隨著氣溫上升O3質(zhì)量濃度緩慢上升，日間12：00—15：00時(shí)段急劇上升并于15：00達(dá)到峰值，傍晚隨著氣溫的下降O3質(zhì)量濃度快速下降，并在夜間保持較低的質(zhì)量濃度。

圖3 2016—2020年韶關(guān)市主城區(qū)O3和NO2質(zhì)量濃度日變化

NO2質(zhì)量濃度呈雙峰型分布，第1個(gè)峰值出現(xiàn)在08：00，第2個(gè)峰值出現(xiàn)在20：00，兩個(gè)峰值對(duì)應(yīng)著兩個(gè)城市交通高峰期，谷值出現(xiàn)在14：00。NO2質(zhì)量濃度日變化較小，與O3質(zhì)量濃度日變化大致呈反相關(guān)的特點(diǎn)，這與傳統(tǒng)光化學(xué)理論一致。由于光化學(xué)過程在午后最劇烈，O3質(zhì)量濃度在午后快速增加，NO2的光解促進(jìn)了O3的生成，午后邊界層抬升，導(dǎo)致NO2在午后質(zhì)量濃度有所下降，傍晚以后O3被消耗，NO氧化成NO2，NO2質(zhì)量濃度快速上升并于夜間維持在較高質(zhì)量濃度［15］。

2.4 臭氧污染空間變化

2016—2020年韶關(guān)市主城區(qū)5個(gè)國控點(diǎn)臭氧污染天數(shù)一共為485 d，占總天數(shù)（9 180 d）的5.3%，其中春、夏、秋、冬季臭氧污染天數(shù)分別為152、148、180、5 d，該結(jié)果與5個(gè)國控點(diǎn)平均數(shù)據(jù)秋季臭氧污染重、春秋季臭氧污染較重結(jié)果大致相符。單個(gè)國控站出現(xiàn)冬季臭氧污染的情況，但出現(xiàn)天數(shù)極少，這與韶關(guān)主城區(qū)5個(gè)國控點(diǎn)平均冬季無臭氧污染的情況有些不同。

2016—2020年韶關(guān)市主城區(qū)5個(gè)國控點(diǎn)的臭氧污染、臭氧質(zhì)量濃度差異不大（圖4），從臭氧污染天數(shù)的空間分布來看，城東＞城西＞城中＞城北＞城南，其中臭氧污染最多在城東1672A站點(diǎn)出現(xiàn)117 d，臭氧污染最少在城南1673A站點(diǎn)出現(xiàn)75 d；從臭氧質(zhì)量濃度來看，城西＞城東＞城中＞城北＞城南，其中臭氧質(zhì)量濃度最高在城西1670A站點(diǎn)95μg／m3，臭氧質(zhì)量濃度最低在城南1673A站點(diǎn)89μg／m3。綜合比較，韶關(guān)市主城區(qū)的城南1673A站點(diǎn)臭氧污染最小。

圖4 2016—2020年韶關(guān)市主城區(qū)5個(gè)國控點(diǎn)臭氧污染季度變化和臭氧質(zhì)量濃度均值

3 臭氧污染案例分析

3.1 2017年9月臭氧污染過程

2017年9月，韶關(guān)市經(jīng)歷了一次嚴(yán)重的光化學(xué)污染，30 d內(nèi)出現(xiàn)了8 d臭氧污染，均為臭氧輕度污染。期間共經(jīng)歷了2次臭氧污染過程，分別是9月15—21、27日，臭氧質(zhì)量濃度分別為180、167μg／m3，其中過程最大臭氧1 h出現(xiàn)在9月20日17：00臭氧質(zhì)量濃度為228μg／m3，最大臭氧8 h出現(xiàn)在9月20日臭氧質(zhì)量濃度為213 μg／m3。

為了探究氣象條件與臭氧超標(biāo)的關(guān)系，選取了代表韶關(guān)市主城區(qū)的韶關(guān)市氣象局站（G1401站）的平均氣溫、最高氣溫、降水量、日照、平均風(fēng)速、相對(duì)濕度6要素的逐日氣象數(shù)據(jù)，按臭氧污染日和非污染日進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（表1）。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，平均氣溫、平均風(fēng)速2個(gè)氣象要素在臭氧污染日和非污染日的數(shù)值差異??；降水量、相對(duì)濕度、最高氣溫、日照4個(gè)氣象要素在臭氧污染日和非污染日的數(shù)值差異非常大。臭氧污染日平均降雨量0.0 mm、相對(duì)濕度62.3%、日照6.6 h、最高氣溫35.5℃；非污染日均降雨量2.6 mm、相對(duì)濕度72.2%、日照5.1 h、最高氣溫34.5℃，由此可以得出，干燥晴朗、高溫炎熱（≥35℃）、日照充足、濕度小的天氣容易導(dǎo)致出現(xiàn)臭氧污染；而雨天、潮濕陰涼、日照少的天氣不容易出現(xiàn)臭氧污染。

表1 2017年9月韶關(guān)市主城區(qū)臭氧污染日和非污染日、近5年中度污染各氣象要素和臭氧質(zhì)量濃度統(tǒng)計(jì)

3.2 臭氧中度污染日的天氣系統(tǒng)

為了探究臭氧中度污染的天氣背景，分析2016—2020年韶關(guān)主城區(qū)臭氧中度污染日（2016年7月25日、2017年5月30日、2017年8月19日、2018年5月24日）的地面、高空天氣形勢(shì)發(fā)現(xiàn)，華南地區(qū)500 hPa基本處于緯向環(huán)流控制，位勢(shì)高度距平明顯高于常年平均，有利于出現(xiàn)連續(xù)高溫晴熱天氣。尤其是2016年7月25日和2017年8月19日，華南地區(qū)完全由副高588 dagpm線控制，2017年5月30日、2018年5月24日粵北地區(qū)在副高588 dagpm線邊緣，由586 dagpm線控制（圖略）。從臭氧中度污染日地面氣壓場（圖略）可以看出，其中有3 d廣東處于高壓后部的低壓場，1 d處于兩高之間的均壓場。兩種地面場形勢(shì)都是氣壓場偏弱、風(fēng)速小，低層水平擴(kuò)散能力弱，近地面大氣層結(jié)穩(wěn)定，從而容易導(dǎo)致生成臭氧的前體物的積累［16］。對(duì)比臭氧中度污染日臭氧質(zhì)量濃度與氣象6要素（表1）可得，最高氣溫越高、日照越長對(duì)臭氧質(zhì)量濃度的升高越有利，越容易產(chǎn)生更嚴(yán)重的臭氧污染。

4 結(jié)論

1）韶關(guān)市主城區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量在近3年得到較大改善，O3質(zhì)量濃度從2016年的79μg／m3上升到2017年的峰值92μg／m3再下降到2019年的83μg／m3，2020維持在良好水平。

2）近5年韶關(guān)市主城區(qū)出現(xiàn)臭氧輕度污染72 d、中度污染4 d、重度污染0 d。臭氧污染月變化呈現(xiàn)三峰兩谷，4和7月有兩個(gè)小高峰，9月達(dá)到一年中的峰值。秋季臭氧污染最重、冬季最輕。臭氧質(zhì)量濃度日變化呈單峰型，夜間明顯低于白天。

3）2016—2020年韶關(guān)市主城區(qū)5個(gè)國控點(diǎn)中，1673A站臭氧污染最小，1670A站、1672A站臭氧污染最大。單個(gè)國控站有出現(xiàn)少數(shù)冬季臭氧污染現(xiàn)象。

4）分析臭氧污染與氣象的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)臭氧中度污染是在500 hPa副高控制、地面低壓場的天氣背景下出現(xiàn)；干燥晴朗、高溫炎熱（≥35℃）、日照充足、濕度小的天氣容易導(dǎo)致出現(xiàn)臭氧輕度污染；而下雨天、潮濕陰涼、日照少的天氣不容易出現(xiàn)臭氧污染。