許昌市夏季臭氧污染特征與氣象因子影響分析*

徐媛倩 岳利波 曹 霞 付廣宇 羅藝琳 孫 鵬 張志華

(鄭州輕工業(yè)大學(xué)材料與化學(xué)工程學(xué)院,河南 鄭州 450001)

臭氧(O3)作為一種高活性氧化氣體,其在近地面濃度的升高會(huì)對(duì)人體健康、植被生長(zhǎng)等產(chǎn)生不利影響[1-2]。嚴(yán)剛等[3]研究表明,自《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》和《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》實(shí)施以來,6項(xiàng)大氣常規(guī)污染物中只有O3污染呈逐年加重的趨勢(shì),O3已逐步成為影響我國(guó)環(huán)境空氣質(zhì)量的重要因素。

O3的生成不僅受其前體物氮氧化物(NOx)和揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)濃度水平的影響,氣象因子的作用也不可忽視[4-5]。高溫、低濕條件下易生成O3,靜穩(wěn)條件下易造成局部O3積累,風(fēng)速風(fēng)向會(huì)導(dǎo)致O3的區(qū)域傳輸[6]。錢悅等[7]發(fā)現(xiàn),在氣溫高于30 ℃、相對(duì)濕度在20%～40%、風(fēng)速在2～3 m/s時(shí)易出現(xiàn)高濃度O3污染。王旭東等[8]指出,鄭州市夏季O3潛在源主要分布在河北、山東及安徽等地,楊健等[9]的研究表明,安陽市夏季O3潛在源主要分布在河北南部、湖北北部和遼寧北部,宋曉偉等[10]發(fā)現(xiàn)臨汾市O3污染連片發(fā)生,O3潛在源主要分布在山西南部、河南東北部、陜西中部。上述研究表明,我國(guó)不同區(qū)域O3污染潛在源分布分散,可能與氣象條件的差異有關(guān)。

許昌市位于河南中部,是中原城市群、中原經(jīng)濟(jì)區(qū)核心城市之一,交通條件便利,制造業(yè)發(fā)達(dá),第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占比為河南平均水平的1.4倍[11]。近年來,許昌市面臨嚴(yán)峻的O3污染形勢(shì),2022年許昌市共損失優(yōu)良天117 d,其中因O3污染損失的優(yōu)良天占比達(dá)39%,O3是環(huán)境空氣質(zhì)量的主要污染因子。

目前針對(duì)許昌市O3污染特征的研究主要集中在趨勢(shì)分析及其與NO2、細(xì)顆粒物(PM2.5)等因子的關(guān)系上[12-15],缺少針對(duì)許昌市O3濃度與氣象條件關(guān)系及潛在源的研究。為此,通過研究許昌市2019—2022年夏季O3污染趨勢(shì)、氣象因子影響及潛在源貢獻(xiàn),分析許昌市O3污染規(guī)律,識(shí)別氣象因素與O3濃度超標(biāo)的關(guān)系,探究夏季污染時(shí)段O3的主要來向,以期為許昌市O3污染精準(zhǔn)研判和精細(xì)化防控提供科技支撐。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

以2019—2022年夏季(5—9月)為研究時(shí)段,從許昌市國(guó)控空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站獲取逐小時(shí)O3濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),許昌市氣象站獲取同期逐小時(shí)氣象數(shù)據(jù)(包括氣溫、風(fēng)向、風(fēng)速、相對(duì)濕度)。根據(jù)生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的數(shù)據(jù),以O(shè)3日最大8 h滑動(dòng)平均值(MDA8)大于160 μg/m3、小時(shí)O3大于200 μg/m3判定O3污染[16]。O3污染等級(jí)根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定》[17]區(qū)分。文中O3月均值為一個(gè)日歷月內(nèi)O3的MDA8算數(shù)平均值,夏季O3季均值指5—9月O3的MDA8算數(shù)平均值。

1.2 分析方法

1.2.1 后向軌跡分析

采用HYSPLIT模型,通過診斷風(fēng)場(chǎng)和邊界層高度等要素,模擬氣流的空間位移和拉格朗日軌跡,識(shí)別污染物的擴(kuò)散與傳輸過程[18]。本研究以許昌市(34.03°N,113.85°E)為模擬點(diǎn),使用美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)全球資料同化系統(tǒng)(GDAS)氣象數(shù)據(jù),計(jì)算2022年夏季每3 h(0:00、3:00、6:00、9:00、12:00、15:00、18:00、21:00)的氣團(tuán)48 h后向軌跡,模擬高度為100 m,并利用MeteoInfo軟件進(jìn)行聚類。

1.2.2 潛在源貢獻(xiàn)因子分析(PSCF)

PSCF以條件概率函數(shù)為基本原理,利用氣流軌跡識(shí)別潛在源區(qū)的空間分布[19]。潛在源的研究范圍為25°～55°N,95°～125°E,網(wǎng)格分辨率為0.5°×0.5°,選取O3小時(shí)均值160 μg/m3為閾值區(qū)分清潔和污染軌跡。潛在源區(qū)PSCF值越大,表示該區(qū)域?qū)υS昌市污染貢獻(xiàn)越大[20-21]。

1.2.3 濃度權(quán)重軌跡分析(CWT)

CWT法用于計(jì)算軌跡的權(quán)重濃度,反映其污染程度,彌補(bǔ)了PSCF不能反映污染物軌跡污染程度的不足[22-23]。

2 結(jié)果與討論

2.1 O3濃度變化特征

圖1展示了許昌市2019—2022年夏季O3與NO2季均值的變化?？傮w而言,2019—2021年夏季O3與其前體物NO2的季均值同步下降,但2022年出現(xiàn)了NO2微降而O3反彈的情況,O3季均值較2021年增加17 μg/m3,可能氣象條件對(duì)O3濃度的提升產(chǎn)生顯著影響。

圖1 2019—2022年夏季O3、NO2季均值變化

圖2為許昌市2019—2022年夏季O3月均值及日超標(biāo)率的變化特征。觀測(cè)期間,O3月均值最高的月份均為6月,平均高達(dá)162 μg/m3,平均日超標(biāo)率為61%,5月、7月、8月和9月的平均日超標(biāo)率分別為27%、20%、11%和28%。

圖2 2019—2022年夏季O3月均值及日超標(biāo)率變化

由圖3可見,許昌市O3濃度日變化呈單峰狀,最小值出現(xiàn)在7:00左右,最大值出現(xiàn)在16:00左右,O3濃度與NO2濃度的日變化呈負(fù)相關(guān)。由于NO2濃度在夜間不斷積累[24],加上早高峰影響,導(dǎo)致NO2在7:00左右達(dá)到第1個(gè)峰值。隨著白天光照的增強(qiáng),光化學(xué)反應(yīng)加劇,NO2濃度出現(xiàn)下降,在14:00左右達(dá)到最低值;而O3濃度在7:00左右出現(xiàn)上升,在16:00達(dá)到峰值,比NO2最低值滯后2 h左右。隨著晚高峰與光照的減弱,NO2濃度從17:00開始出現(xiàn)上升趨勢(shì),O3生成速率下降,加上機(jī)動(dòng)車排放NO對(duì)O3的滴定效應(yīng)(NO+O3→NO2+O2)[25-26],NO2濃度在22:00左右達(dá)到第2次峰值,O3濃度則在17:00后快速下降。

圖3 2019—2022年夏季O3與NO2的日變化

2.2 氣象因子與O3濃度的相關(guān)性

為探討氣象因子與O3濃度的相關(guān)性,分別分析了小時(shí)氣溫、相對(duì)濕度和風(fēng)速與O3濃度的相關(guān)性。

2.2.1 氣 溫

圖4(a)為不同氣溫區(qū)間O3濃度的變化情況?？梢钥闯?在研究時(shí)段內(nèi),O3濃度與氣溫呈正相關(guān),R2為0.619。O3濃度和小時(shí)超標(biāo)率均隨氣溫升高而升高,氣溫<25 ℃時(shí),無O3超標(biāo);氣溫≥30 ℃時(shí),O3小時(shí)超標(biāo)率開始明顯增大;氣溫≥35 ℃時(shí),O3均值和小時(shí)超標(biāo)率最高,分別為170 μg/m3和21%。

圖4 不同氣溫區(qū)間下O3均值與小時(shí)超標(biāo)率的分布

為進(jìn)一步探討氣溫的影響,考察30～<33、33～<35、≥35 ℃的氣溫區(qū)間O3均值的年際變化。由圖4(b)可見,不同氣溫區(qū)間的O3均值均呈逐年下降趨勢(shì),表明許昌市近年來的O3管控措施對(duì)O3濃度的削減起到積極作用。

2.2.2 相對(duì)濕度

圖5為不同相對(duì)濕度區(qū)間的O3均值及小時(shí)超標(biāo)率。O3濃度與相對(duì)濕度呈顯著負(fù)相關(guān),R2為-0.710。在一定條件下,大氣中的水汽通過影響光化學(xué)反應(yīng)而分解O3[27]。當(dāng)相對(duì)濕度為20%～<30%時(shí),O3均值和小時(shí)超標(biāo)率最高,分別為162 μg/m3、19%;相對(duì)濕度為30%～<40%時(shí),O3均值和小時(shí)超標(biāo)率分別為155 μg/m3、13%;相對(duì)濕度≥40%時(shí),O3的小時(shí)超標(biāo)率降至10%以下。

圖5 不同相對(duì)濕度區(qū)間O3均值與小時(shí)超標(biāo)率分布

2.2.3 風(fēng) 速

圖6為不同風(fēng)速區(qū)間O3均值及小時(shí)超標(biāo)率變化。隨風(fēng)速的增加,O3均值逐漸升高,O3小時(shí)超標(biāo)率則先升高后略有下降。風(fēng)速在2～<3、3～<4 m/s時(shí),O3小時(shí)超標(biāo)率較高,分別為3.23%、3.22%。風(fēng)速主要通過影響O3及前體物的混合與擴(kuò)散來影響O3濃度。當(dāng)風(fēng)速<4 m/s時(shí),隨著風(fēng)速的增大,O3前體物混合更加充分,更易于生成O3,此時(shí)風(fēng)速對(duì)O3污染的混合作用大于擴(kuò)散作用。當(dāng)風(fēng)速≥4 m/s時(shí),風(fēng)速對(duì)O3污染的擴(kuò)散和稀釋作用占主導(dǎo)地位,不利于O3濃度的局地累積[28-30]。

圖6 不同風(fēng)速區(qū)間O3均值與小時(shí)超標(biāo)率分布

2.3 典型時(shí)段氣象因子的綜合影響分析

為進(jìn)一步探討氣象因子對(duì)O3濃度的影響,選取O3超標(biāo)時(shí)段和O3月均值最高的月份(2022年6月)為研究對(duì)象,識(shí)別氣象因子對(duì)O3濃度的綜合影響。

2.3.1 超標(biāo)時(shí)段分析

圖7展示了2022年夏季不同氣溫與相對(duì)濕度、氣溫與風(fēng)速區(qū)間的O3小時(shí)超標(biāo)率分布。由圖7(a)可見,當(dāng)氣溫≥35 ℃,相對(duì)濕度在20%～<40%時(shí),O3小時(shí)超標(biāo)率最高,該區(qū)間平均值為42%。與單因素影響(溫度≥35 ℃或相對(duì)濕度在20%～<40%)相比,氣溫與相對(duì)濕度聯(lián)合作用下O3小時(shí)超標(biāo)率增加明顯。

圖7 氣溫與相對(duì)濕度、風(fēng)速對(duì)O3小時(shí)超標(biāo)率的協(xié)同影響

由圖7(b)可見,當(dāng)氣溫在38～39 ℃,風(fēng)速在2～<3 m/s時(shí),O3小時(shí)超標(biāo)率明顯增大,此時(shí)出現(xiàn)高濃度O3主要是由于該風(fēng)速范圍有利于O3前體物充分混合并發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)氣溫在40 ℃左右,風(fēng)速在1～<2 m/s時(shí)O3小時(shí)超標(biāo)率也較高,表明在高溫、靜穩(wěn)條件下,本地O3較易生成與積累,導(dǎo)致O3濃度較高。需要說明的是,在氣溫為38 ℃、風(fēng)速大于7 m/s的區(qū)間也出現(xiàn)了分散的高值區(qū),這是因?yàn)轱L(fēng)速大于7 m/s的數(shù)據(jù)量極少,在氣溫≥35 ℃的情況下出現(xiàn)的個(gè)別超標(biāo)時(shí)段造成相對(duì)較高的小時(shí)超標(biāo)率。

對(duì)2022年6月O3小時(shí)濃度超標(biāo)時(shí)段的風(fēng)速風(fēng)向進(jìn)行分析,結(jié)果如圖8所示。整體而言,許昌市夏季主要在風(fēng)速<7 m/s時(shí)存在O3小時(shí)濃度超標(biāo)情況,風(fēng)向多為南風(fēng)(風(fēng)向頻率3%)、東南風(fēng)(風(fēng)向頻率22%)。風(fēng)向?yàn)闁|北方向,風(fēng)速在3～<5 m/s時(shí),O3濃度最高,此時(shí)應(yīng)更多考慮許昌市東北方向周邊縣區(qū)排放與區(qū)域傳輸?shù)墓餐饔谩?/p>

圖8 2022年6月O3小時(shí)質(zhì)量濃度隨風(fēng)向、風(fēng)速的分布

2.3.2 高濃度月份分析

鑒于2019—2022年均是6月的O3月均值最高,對(duì)2019—2022年6月O3濃度與氣象因子關(guān)系做進(jìn)一步分析。整體而言,2019—2022年6月的O3小時(shí)質(zhì)量濃度最大值從222 μg/m3增加到241 μg/m3。O3濃度高值主要集中在氣溫≥30 ℃,相對(duì)濕度為20%～<40%的時(shí)段內(nèi),相比2021年6月,2022年6月氣溫≥30 ℃的小時(shí)數(shù)從216 h增加到316 h,且出現(xiàn)40 ℃以上高溫6 h,相對(duì)濕度為20%～<40%的小時(shí)數(shù)從125 h增加到147 h,O3月均值則從158 μg/m3增加到175 μg/m3。長(zhǎng)時(shí)間處于高溫(≥30 ℃)和低濕(20%～<40%)的氣象條件是導(dǎo)致2022年6月O3濃度較高的重要因素。

2.4 潛在源分析

通過對(duì)許昌市風(fēng)速風(fēng)向的分析,發(fā)現(xiàn)高濃度O3不僅來自本地生成,還可能受到區(qū)域傳輸?shù)挠绊憽樯钊胩剿鲄^(qū)域傳輸對(duì)許昌市O3濃度的影響,本研究進(jìn)行氣團(tuán)軌跡模擬及潛在源分析。

許昌市2022年夏季氣團(tuán)主要來自東北、西南、東南方向,共5條軌跡(如表1所示)。軌跡1(占比24.67%)主要來自河南西南部,距離較短;軌跡2(占比7.11%)來自內(nèi)蒙古方向,途徑陜西北部和山西,傳輸距離長(zhǎng);軌跡3(占比40.93%)來自山東西部和河南東北部,軌跡數(shù)量占比最大;軌跡4(占比15.44%)來自安徽西南部和河南東南部;軌跡5(占比11.85%)來自湖北、湖南和河南南部。許昌市O3平均質(zhì)量濃度及O3>160 μg/m3軌跡出現(xiàn)頻率均較高的氣團(tuán)主要來自西南與東南方向的軌跡1和軌跡4,O3>160 μg/m3軌跡條數(shù)較多的氣團(tuán)主要來自西南和東北方向的軌跡1和軌跡3,以上軌跡傳輸距離均較短,O3污染傳輸主要來自山東、安徽和河南其他城市。

表1 許昌市夏季后向軌跡分析結(jié)果

圖9為2022年許昌市夏季PSCF及CWT的分析結(jié)果。PSCF高值區(qū)主要分布在安徽中部、湖北北部、陜西中部和河南西南部與北部。與PSCF高值區(qū)相比,CWT高值區(qū)呈片狀,CWT值大于100 μg/m3的區(qū)域主要分布在河南及周邊省份(山東西南部、安徽西北部、湖北中部、陜西東南部、山西南部及河北南部)。以上區(qū)域排放的O3前體物及生成的O3均會(huì)隨氣流傳輸?shù)皆S昌市,加劇許昌市O3污染。因此,O3污染的防控不僅應(yīng)結(jié)合氣象特征合理減少本地生成,還應(yīng)加強(qiáng)與周邊城市和省份的聯(lián)防聯(lián)控。

圖9 2022年夏季O3的PSCF及CWT分布

3 結(jié) 論

(1) 許昌市2019—2021年夏季O3與其前體物NO2的季均值同步下降,但2022年出現(xiàn)了NO2微降而O3反彈的情況;觀測(cè)期間O3月均值均為6月最高,平均值達(dá)162 μg/m3,平均日超標(biāo)率達(dá)61%;O3濃度日變化呈單峰狀,峰值出現(xiàn)在16:00左右。

(2) 許昌市O3濃度與氣溫、風(fēng)速呈正相關(guān),與相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)。氣溫≥35 ℃時(shí)的O3均值(170 μg/m3)和小時(shí)超標(biāo)率(21%)均最高;相對(duì)濕度在20%～<30%時(shí)的O3均值(162 μg/m3)和小時(shí)超標(biāo)率(19%)最高;風(fēng)速在2～<3 m/s時(shí)的O3小時(shí)超標(biāo)率最高(3.23%)。

(3) 許昌市在氣溫≥35 ℃、相對(duì)濕度為20%～<40%、風(fēng)速為2～<3 m/s、主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)時(shí)易發(fā)生O3小時(shí)濃度超標(biāo);2022年6月較多時(shí)段處于高溫(氣溫≥30 ℃)和低濕(相對(duì)濕度在20%～<40%),是導(dǎo)致O3濃度反彈的重要原因。

(4) 從許昌市后向軌跡和潛在源分布來看,夏季氣團(tuán)主要來自東北、西南和東南方向;許昌市O3污染是在本地源生成的基礎(chǔ)上,疊加河南省內(nèi)其他城市以及山東、安徽、湖北等區(qū)域傳輸?shù)腛3及其前體物共同污染的結(jié)果。O3污染的防治不僅需要結(jié)合氣象條件合理減少本地生成,還應(yīng)加強(qiáng)與周邊區(qū)域的聯(lián)防聯(lián)控。