衢州市區(qū)臭氧濃度變化特征及影響因素*

張 超 唐家翔 張金祥 徐宏輝 陸沅泉

(1.浙江省衢州市氣象局,浙江 衢州 324000;2.海南省氣象臺(tái),海南 ?？?570203;3.浙江省氣象科學(xué)研究所,浙江 杭州 310008;4.浙江省衢州市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心,浙江 衢州 324000)

臭氧(O3)在對(duì)流層中雖然占比很小[1],但隨著人類不斷排放氮氧化物(NOx)等前體物[2-3],經(jīng)光化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化成的O3越來越多,導(dǎo)致對(duì)流層中O3濃度不斷升高,成為對(duì)流層大氣中的污染物。對(duì)流層大氣中的O3超過一定濃度不僅會(huì)導(dǎo)致植物死亡和農(nóng)作物減產(chǎn),還會(huì)危害人類呼吸系統(tǒng)[4-7]。近年,O3污染問題日益突出,已經(jīng)成為繼細(xì)顆粒物(PM2.5)后影響空氣質(zhì)量的重要污染物[8]。

O3濃度與氣象要素息息相關(guān)。焦姣等[9]發(fā)現(xiàn),O3小時(shí)濃度與溫度、風(fēng)速呈正相關(guān),與相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)。楊溟鋆等[10]研究表明,重慶市O3中重度污染期間,其空間分布受山谷風(fēng)環(huán)流與城市熱島效應(yīng)影響。劉強(qiáng)軍等[11]研究發(fā)現(xiàn),太行山南麓O3濃度與溫度具有明顯正相關(guān),與太陽總輻射也呈正相關(guān)。符傳博等[12]研究三亞市的O3濃度變化特征時(shí)發(fā)現(xiàn),穩(wěn)定的東北風(fēng)風(fēng)場、高溫低濕的天氣是造成O3污染發(fā)生的主要原因。而任萬輝[13]認(rèn)為,造成沈陽市O3污染的主要天氣類型有暖脊型、均壓場型、高空槽型和副熱帶高壓型4種。

長三角是我國工業(yè)較為發(fā)達(dá)的地區(qū),由于NOx等前體物排放較多,O3污染較為嚴(yán)重。很多學(xué)者對(duì)長三角的O3污染研究發(fā)現(xiàn):麗水市的O3年際變化呈上升趨勢[14];杭州市O3污染指數(shù)日均值春季最大[15],O3除本地生成外,還受到外地污染傳輸影響[16];南京市O3濃度比北京市、上海市、廣州市、成都市、蘭州市和武漢市都高[17];臺(tái)州市[18]本地排放源是O3的主要來源,而且春季貢獻(xiàn)率最高。

衢州市位于長三角西南部,有“四省通衢”之稱,交通發(fā)達(dá),人類活動(dòng)頻繁,正處在建設(shè)“活力新衢州,美麗大花園”的關(guān)鍵期,空氣質(zhì)量倍受關(guān)注。衢州市及其周邊地區(qū)氟化工企業(yè)較多,又地處金衢盆地,污染物容易積累,然而衢州市的O3污染還是鮮有關(guān)注。本研究統(tǒng)計(jì)了2018—2020年人口聚集的衢州市區(qū)O3逐小時(shí)濃度,分析其變化特征,并與氣象要素和前體物進(jìn)行相關(guān)分析,為掌握衢州市區(qū)O3濃度變化規(guī)律和影響因素提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資 料

衢州市區(qū)有3個(gè)環(huán)保國控站,分別為衢州學(xué)院、環(huán)保大樓和實(shí)驗(yàn)學(xué)校,本研究利用該3個(gè)環(huán)保國控站2018—2020年的逐小時(shí)O3和NO2濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

氣象要素?cái)?shù)據(jù)(溫度、降水量、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)和風(fēng)向、風(fēng)速)來自衢州市區(qū)的3個(gè)氣象觀測站,其中有1個(gè)國家基本氣象站,2個(gè)區(qū)域氣象站(衢州學(xué)院氣象站和黃家街道氣象站),也為2018—2020年逐小時(shí)數(shù)據(jù),3個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)取平均值。

衢州市區(qū)環(huán)保國控站和氣象觀測站的位置如圖1所示。

圖1 資料選取站點(diǎn)位置Fig.1 Location of data selection sites

1.2 方 法

根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定》(HJ 633—2012),將O3年均值和日最大8 h滑動(dòng)平均值(O3-8 h)分成3個(gè)級(jí)別:一級(jí)(0～100 μg/m3)、二級(jí)(>100～160 μg/m3)、三級(jí)(>160～215 μg/m3),分別對(duì)應(yīng)優(yōu)、良、輕度污染。O3年、季、月、日平均值均用逐小時(shí)的數(shù)據(jù)平均得到。

2 結(jié)果與討論

2.1 衢州市區(qū)O3濃度年變化

衢州市區(qū)2018—2020年O3濃度年均值和O3-8 h各級(jí)別天數(shù)見表1?？傮w來看,O3各年均值都處于一級(jí)水平(優(yōu)),且呈連續(xù)下降趨勢,說明衢州市“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”有一定成效。

統(tǒng)計(jì)O3-8 h各級(jí)別的天數(shù)發(fā)現(xiàn),衢州市區(qū)2018—2020年O3-8 h一級(jí)天數(shù)占絕大多數(shù),達(dá)到60.04%,三級(jí)天數(shù)僅占4.20%。從變化趨勢來看,一級(jí)天數(shù)逐年上升,從最低的2018年215 d(占比59.90%)上升到2020年的223 d(占比60.93%);相反,三級(jí)天數(shù)逐年下降。

表1 2018—2020年O3質(zhì)量濃度年均值和O3-8 h各級(jí)別天數(shù)Table 1 O3 annual mass concentration and days of O3-8 h at various levels from 2018 to 2020

2.2 衢州市區(qū)O3濃度月、季變化

衢州市區(qū)各季度O3質(zhì)量濃度春季最高,為64.49 μg/m3,其次秋季62.75 μg/m3,夏季61.20 μg/m3,冬季最低,僅為33.89 μg/m3。

從圖2來看,衢州市區(qū)O3月濃度變化呈現(xiàn)“M”雙峰型,其中峰值出現(xiàn)在5、9月。一般而言,夏季O3濃度高于其他季節(jié),因?yàn)镺3濃度與前體物發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)效率有關(guān),太陽輻射強(qiáng)、溫度高的夏季有利于前體物轉(zhuǎn)化生成O3[19-21]。然而衢州市區(qū)卻是春季與秋季較高,夏季反而略低,可見衢州市區(qū)O3濃度時(shí)間變化規(guī)律與其他大多城市具有差異性。

進(jìn)一步分析衢州市區(qū)O3濃度夏季偏低原因,發(fā)現(xiàn)衢州市區(qū)的氣候特點(diǎn)是6—7月為梅雨季節(jié),降水量比其他月份多,從而導(dǎo)致該時(shí)段太陽輻射較少,不利于前體物轉(zhuǎn)化生成O3。統(tǒng)計(jì)2018—2020年衢州市區(qū)每月降水量可以看到,6—7月的降水量明顯大于其他月份。由此可見,O3濃度受太陽輻射影響較大,而降水對(duì)太陽輻射影響也較大。但仍需要指出的是,衢州市區(qū)春季降水量比秋季略多,但O3濃度卻比秋季略高,因此斷定O3濃度除了受氣象因素影響外,還存在其他因素影響,比如春季排放源增多、閃電活動(dòng)增多、大氣湍流運(yùn)動(dòng)增多等等,其中具體機(jī)理有待于進(jìn)一步研究。

圖2 2018—2020年O3和降水量月變化Fig.2 Monthly variation of O3 and precipitation from 2018 to 2020

2.3 衢州市區(qū)O3濃度日變化

2018—2020年衢州市區(qū)3個(gè)環(huán)保國控站的平均O3濃度日變化見圖3?？梢钥闯?衢州市區(qū)O3濃度日變化呈現(xiàn)單峰型變化,表現(xiàn)為白天高,夜間低,最低值出現(xiàn)在6:00前后,之后迅速上升,直到15:00前后達(dá)到最高值,隨即逐漸下降。衢州市區(qū)O3濃度日變化規(guī)律與溫度和NO2濃度有關(guān)。上午隨著溫度迅速升高,O3濃度隨之迅速升高,而此時(shí)前體物NO2濃度卻迅速降低,說明溫度升高有利于前體物NO2轉(zhuǎn)化生成O3。溫度在15:00前后達(dá)到最高值,O3濃度也在同時(shí)達(dá)到最高值,而NO2濃度提前降到最低值,說明當(dāng)溫度達(dá)到最高值時(shí),前體物NO2轉(zhuǎn)化生成O3的效率最高。夜間,溫度、O3濃度、NO2濃度的變化幅度都比較平緩,說明在夜間由于沒有太陽輻射,且溫度較低,前體物無法轉(zhuǎn)化生成O3,導(dǎo)致O3濃度較低,NO2濃度較高,且波動(dòng)幅度較小。

圖3 2018—2020年O3、NO2和溫度的日變化Fig.3 Daily variation of O3,NO2 and temperature

2.4 O3濃度與氣象要素的關(guān)系

分別統(tǒng)計(jì)O3-8 h一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)天的氣象要素平均值(見表2)發(fā)現(xiàn),O3-8 h一級(jí)的溫度為16.3 ℃,O3-8 h三級(jí)溫度升高到了25.9 ℃,可見溫度升高會(huì)提高前體物轉(zhuǎn)化生成O3的效率。O3-8 h一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)日照時(shí)數(shù)依次為5.1、7.6、9.6 h,日照是光化學(xué)反應(yīng)的基本條件,日照時(shí)數(shù)越長,越有利于前體物轉(zhuǎn)化成O3。O3-8 h一級(jí)的相對(duì)濕度為82.4%,O3-8 h三級(jí)降為60.7%,說明空氣干燥有利于O3生成。O3-8 h一級(jí)的降水量12.0 mm下降到O3-8 h三級(jí)的1.1 mm,進(jìn)一步驗(yàn)證了降水量增多造成太陽輻射減少,從而影響前體物轉(zhuǎn)化生成O3。O3-8 h一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)的風(fēng)速分別為2.3、2.1、2.2 m/s,基本沒有差別。

表2 2018—2020年O3-8 h分級(jí)的氣象要素統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of meteorological elements under different O3-8 h levels from 2018 to 2020

5種氣象要素除了風(fēng)速以外,其余4種均通過0.01的顯著性檢驗(yàn),與O3濃度相關(guān)系數(shù)最大的是日照時(shí)數(shù)。

綜合分析氣象要素與O3濃度的關(guān)系可知,在干燥、陽光充足、高溫少雨的氣象條件下,O3濃度高;相反,在潮濕、日照較少、低溫多雨的氣象條件下,O3濃度低。

2.5 O3濃度與前體物NO2濃度的關(guān)系

分別統(tǒng)計(jì)O3-8 h一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)天的NO2平均濃度(見表3)發(fā)現(xiàn),O3-8 h一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)的NO2質(zhì)量濃度呈下降趨勢,由30.75 μg/m3下降到23.17 μg/m3,這是因?yàn)镹O2轉(zhuǎn)化生成O3后,其濃度下降,因此NO2濃度和O3濃度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,通過0.01的顯著性檢驗(yàn),相關(guān)系數(shù)為-0.424,反映出衢州市區(qū)O3濃度主要由本地生成。

表3 2018—2020年O3-8 h分級(jí)的NO2統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of NO2 under different O3-8 h levels from 2018 to 2020

2.6 典型O3污染過程分析

2019年9月下旬衢州市區(qū)持續(xù)多日處于副熱帶高壓控制下,長時(shí)間為高溫、干燥、無降水天氣,太陽輻射強(qiáng),非常有利于前體物轉(zhuǎn)化生成O3,所以O(shè)3濃度一直處于較高水平。直至10月1日,臺(tái)風(fēng)“米娜”靠近浙江中北部沿海區(qū),盡管衢州市區(qū)沒有受臺(tái)風(fēng)環(huán)流影響,但也轉(zhuǎn)為陰有降水天氣,溫度降低,使得O3前體物轉(zhuǎn)化減弱,O3濃度降低。此次污染過程中28日、29日、30日最大O3-8 h分別達(dá)到了189.00、194.01、185.03 μg/m3,均為三級(jí)水平(輕度污染)。

圖4分析了9月28日6:00至10月1日23:00的逐時(shí)O3濃度與氣象要素。從9月底的每日變化可以看出,7:00溫度開始上升,相對(duì)濕度下降,O3濃度隨之快速增長;到了午后,以上變化相反。然而10月1日不再出現(xiàn)前面3天的日變化規(guī)律,表現(xiàn)為隨著溫度升高,O3濃度不是顯著上升,反而下降。對(duì)比9月底與10月1日的氣象要素發(fā)現(xiàn),9月底日照時(shí)數(shù)每天有7～9 h,而10月1日降到了0 h,并且相對(duì)濕度一直都較高,說明日照時(shí)數(shù)對(duì)O3濃度具有重要影響,表2日照時(shí)數(shù)相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值最大也說明了這一點(diǎn)。

圖4 衢州市區(qū)典型O3污染過程O3與氣象要素逐時(shí)變化Fig.4 O3 and meteorological elements hourly variation during a typical O3 pollution in Quzhou urban

3 結(jié) 論

(1) 2018—2020年衢州市區(qū)O3質(zhì)量濃度年均值為55.01～55.89 μg/m3,呈逐年下降趨勢,只有4.20%的時(shí)間處于三級(jí)水平(輕度污染),其他均達(dá)到優(yōu)良。

(2) 衢州市區(qū)O3季節(jié)變化為:春季(64.49 μg/m3)>秋季(62.75 μg/m3)>夏季(61.20 μg/m3)>冬季(33.89 μg/m3),夏季O3濃度偏低主要是因?yàn)獒橹菔袇^(qū)6—7月為梅雨季節(jié)。

(3) 衢州市區(qū)O3濃度日變化呈現(xiàn)單峰型分布,有白天高,夜間低的明顯特征,最低值出現(xiàn)在6:00前后,最高值出現(xiàn)在15:00前后。

(4) 日照時(shí)數(shù)對(duì)O3濃度的影響最大,溫度、相對(duì)濕度和降水量也有顯著影響。前體物NO2與O3呈現(xiàn)明顯的此消彼長關(guān)系。