武漢城區(qū)臭氧時(shí)空分布及其與氣象因子相關(guān)性研究

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(1.武漢市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，湖北 武漢 430015；2.武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 4300794； 3.武漢市環(huán)境保護(hù)局，湖北 武漢 430015；4.武漢智匯元環(huán)?？萍加邢薰?，湖北 武漢 430070)

武漢城區(qū)臭氧時(shí)空分布及其與氣象因子相關(guān)性研究

尹珩1張珂2，3孫辰1王海1，4豐俊1柯罡1

(1.武漢市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，湖北 武漢 430015；2.武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 4300794； 3.武漢市環(huán)境保護(hù)局，湖北 武漢 430015；4.武漢智匯元環(huán)?？萍加邢薰荆?武漢 430070)

本文采用武漢市10個(gè)大氣國(guó)點(diǎn)位2016年全年臭氧自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，總結(jié)了武漢城區(qū)臭氧的季節(jié)、月、日濃度的時(shí)間變化規(guī)律以及空間分布特征，分析了臭氧與氣溫、風(fēng)向風(fēng)速、濕度等氣象因子的相關(guān)性。

臭氧；時(shí)空分布；氣象因子；相關(guān)性

臭氧(O3)是大氣中一種天然微量組分，90%位于距離地面20～50km的平流層中，10%分布在對(duì)流層中。O3具有強(qiáng)氧化性，過量的O3對(duì)人體和生物有害[1-3]。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化水平的不斷提高，我國(guó)典型區(qū)域近地面O3問題日益凸顯[4]。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，京津冀、珠三角和長(zhǎng)三角等區(qū)域O3已逐漸替代細(xì)顆粒物(PM2.5)成為夏季首要空氣污染物[5]。武漢市也面臨同樣嚴(yán)峻形勢(shì)，雖然近幾年空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良率持續(xù)上升，但空氣質(zhì)量改善的壓力依然很大，O3污染日益凸顯，尤其是在夏季。本文主要對(duì)武漢城區(qū)O3時(shí)空分布及其與氣象因子的相關(guān)性進(jìn)行研究。

1 材料與和方法

本次研究O3資料類型為武漢市10個(gè)大氣國(guó)控點(diǎn)的O3小時(shí)均值、日最大8小時(shí)均值，其中沉湖七壕為對(duì)照點(diǎn)，其余9個(gè)站點(diǎn)(東湖高新、東湖梨園、沌口新區(qū)、吳家山、青山鋼花、漢陽月湖、漢口花橋、武昌紫陽、漢口江灘)的平均值代表了“武漢城區(qū)”空氣質(zhì)量水平。氣象資料類型為溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速等小時(shí)觀測(cè)值。時(shí)限均為2016年1月1日—12月31日。

2 武漢城區(qū)O3時(shí)空分布特征

2.1 季節(jié)變化特征

按武漢市季節(jié)特點(diǎn)，本次研究冬季定義為12月-次年2月，春季為3月-5月，夏季為6月-8月，秋季為9-11月。在季節(jié)濃度(圖1)分布上，武漢市O3濃度呈現(xiàn)明顯夏秋高，春冬低的特點(diǎn)，具體表現(xiàn)為冬季<春季<夏季<秋季的特征。O3濃度出現(xiàn)季節(jié)變化的原因有兩方面，一是氣象條件的不一致導(dǎo)致發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)的強(qiáng)弱不同，夏秋季節(jié)的太陽輻射的氣溫較高，且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)生成O3的光化學(xué)反應(yīng)提供了很好的反應(yīng)條件；二是O3前體物濃度以及局部地區(qū)的人為排放源、自然排放源，對(duì)O3的生成也有一定的影響。

圖1 2016年武漢城區(qū)O3季節(jié)變化趨勢(shì)

2.2 月度變化特征

2016年，城區(qū)O3小時(shí)濃度較高的月份主要集中在5-9月份(圖2)，平均小時(shí)濃度值為145μg/m3，遠(yuǎn)高于全年平均濃度108μg/m3；10月起逐月降低至12月的60μg/m3；1月濃度最低，為51μg/m3。

圖2 2016年武漢城區(qū)O3小時(shí)濃度月均值變化趨勢(shì)

2.3 日變化特征

2016年，城區(qū)O3最高小時(shí)值出現(xiàn)在9月2日(334μg/m3)。選擇全年O3小時(shí)濃度值最高的時(shí)間段(2016年8月26—9月16日)進(jìn)行分析，結(jié)果顯示(圖3)：O3濃度在夜間較小，0∶00～8∶00呈逐漸下降趨勢(shì)；8∶00之后隨著氣溫和光照強(qiáng)度的逐漸增大，產(chǎn)生O3的光化學(xué)反應(yīng)也逐漸增強(qiáng)，O3濃度開始逐步上升，直到15∶00達(dá)到日最高值；之后，隨著太陽光照強(qiáng)度和氣溫的逐步減弱，O3濃度也逐步降低。

圖3 武漢城區(qū)O3小時(shí)均值濃度變化趨勢(shì)(2016.8.26-9.16)

2.4 空間分布特征

根據(jù)前面分析，武漢城區(qū)夏秋兩季O3濃度明顯高于春冬。進(jìn)一步對(duì)夏秋兩季O3空間分布特征進(jìn)行分析，結(jié)果顯示(圖4和圖5)：夏季O3濃度集中在城區(qū)中心的東湖梨園和外圍的沌口新區(qū)、東湖高新；秋季城區(qū)中心的東湖梨園和外圍的東湖高新、吳家山特征濃度明顯遠(yuǎn)高于其他點(diǎn)位。

圖4 2016年武漢市9個(gè)大氣國(guó)控點(diǎn)夏季O3平均濃度

圖5 2016年武漢市9個(gè)大氣國(guó)控點(diǎn)秋季O3平均濃度

3 氣象因子對(duì)O3濃度的影響

3.1 溫度對(duì)O3濃度的影響

從圖6可以看出，當(dāng)溫度升高時(shí)，O3濃度升高；溫度下降時(shí)，O3濃度降低。2016年氣溫較高的6-9月，也是O3濃度較高的月份；氣溫較低的1月、10-12月也是O3濃度較低的月份。

圖6 2016年武漢市氣溫和O3濃度變化趨勢(shì)

比較不同氣溫范圍內(nèi)O3濃度(表1)，結(jié)果顯示：O3濃度在不同氣溫范圍間的變化率較大，并且隨溫度升高有增大的趨勢(shì)；當(dāng)氣溫低于10℃時(shí)，O3平均濃度較低，為78.16μg/m3；當(dāng)溫度高于30℃時(shí)，O3平均濃度最大，為176.57μg/m3。這是因?yàn)镺3的生成是其前體物在太陽輻射作用下發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，而溫度變化和太陽輻射強(qiáng)弱正相關(guān)。

表1 武漢市城區(qū)不同溫度范圍內(nèi)的O3濃度

3.2 風(fēng)速對(duì)O3濃度的影響

根據(jù)2016年月均氣象觀測(cè)風(fēng)速以及O3濃度變化情況，對(duì)O3濃度和風(fēng)速變化之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行分析(見圖7)，兩者的相關(guān)性不是很明顯。

圖7 2016年武漢市風(fēng)速和O3濃度變化趨勢(shì)

表2給出了不同風(fēng)速條件下的武漢市大氣O3濃度分布情況，結(jié)果顯示：當(dāng)風(fēng)速<1m/s時(shí)，O3的平均濃度達(dá)到最大值，為218.55μg/m3；風(fēng)速>4m/s時(shí)，O3的平均濃度降到最小值，為80.48μg/m3；風(fēng)速?gòu)男∮?.0～3.0m/s升高到3.0～4.0m/s之間時(shí)，O3濃度降低較快，降低幅度達(dá)到28.8%。這主要是因?yàn)轱L(fēng)對(duì)于O3具有混合和擴(kuò)散兩種作用，一定的風(fēng)速可以抬高大氣邊界層高度，垂直方向上的O3與地面充分混合，水平方向上的O3及其前體物因?yàn)閿U(kuò)散作用得到了稀釋。當(dāng)風(fēng)速較低時(shí)，混合作用強(qiáng)于擴(kuò)散作用，O3濃度不斷累積；隨著風(fēng)速增加，擴(kuò)散作用逐漸增強(qiáng)，O3及其前體物濃度不斷下降，最終導(dǎo)致O3濃度降低。

表2 武漢市城區(qū)不同風(fēng)速范圍內(nèi)的O3濃度

3.3 相對(duì)濕度對(duì)O3濃度的影響

根據(jù)2016年月均氣象觀測(cè)相對(duì)濕度以及O3氧濃度變化情況，對(duì)O3濃度和相對(duì)濕度變化之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行分析(見圖8)。結(jié)果顯示：當(dāng)相對(duì)濕度低于80%時(shí)，O3濃度相對(duì)較高。

圖8 2016年武漢市相對(duì)濕度和O3濃度變化趨勢(shì)

表3給出了不同相對(duì)濕度范圍的平均O3濃度分布情況。當(dāng)濕度介于60%至70%之間，O3濃度平均值最大，為147.19μg/m3；之后，濕度繼續(xù)增高，O3濃度逐漸減小，當(dāng)相對(duì)濕度超過90%時(shí)，O3濃度降低至57.28μg/m3。造成這種現(xiàn)象主要是，水汽是產(chǎn)生云的先決條件，在相對(duì)濕度較高的地方，出現(xiàn)云的機(jī)率較大，達(dá)近地面的紫外輻射減少，從而光化學(xué)反應(yīng)減弱，導(dǎo)致了O3產(chǎn)生量減少。當(dāng)相對(duì)濕度超過一定極限值(70%)時(shí)，高濕度有利于O3的濕清除，O3的質(zhì)量濃度會(huì)快速降低。

4 小 結(jié)

(1)武漢市城區(qū)O3濃度在時(shí)間維度上規(guī)律明顯。季節(jié)變化上，武漢城區(qū)O3濃度呈明顯的冬春季低、夏秋季高的季節(jié)變化特征。月變化上，9月O3濃度最高、超標(biāo)天數(shù)最多，其次是8月，1月濃度最低；日變化上，O3濃度在夜間濃度低，8∶00之后逐漸增大，15∶00達(dá)到日最高值，隨后逐步減小。

表3 武漢市城區(qū)大氣不同相對(duì)濕度范圍內(nèi)的O3濃度

(2)武漢市城區(qū)O3濃度在空間維度上有一定差異。武漢市9個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)各季節(jié)O3濃度空間分布略有不同，春季主要污染集中在外圍的沌口新區(qū)、東湖高新、吳家山，夏、秋、冬主要污染集中在城區(qū)中心的東湖梨園和外圍的東湖高新、吳家山。

(3)武漢市城區(qū)O3濃度受氣溫、風(fēng)速、濕度的影響較大。溫度越高(尤其是高于30℃時(shí))，太陽輻射越強(qiáng)，O3濃度越高；風(fēng)速越高，擴(kuò)散作用越強(qiáng)，O3及其前體物濃度不斷下降；當(dāng)濕度介于60%至70%之間，O3濃度平均值最大，當(dāng)相對(duì)濕度超過90%時(shí)，濃度最低。

[1]NationalResearch Council (NRC).Committee on Tropospheric Ozone Formation and Measurement，Rethinking the Ozone Problem Nurban and Re-gional Air Pollution[M].Washington DC：NationalAcademy Press，1991.

[2]劉彤，閆天池.我國(guó)的主要?dú)庀鬄?zāi)害及其經(jīng)濟(jì)損失[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2011，20(2)：89-95.

[3]孔琴心，劉廣仁，李桂忱.近地面臭氧濃度變化及其對(duì)人體健康的可能影響[J].氣候與環(huán)境研究，1999，4(1)：63-65.

[4]孟曉艷，王瑞斌，杜麗，等.試點(diǎn)城市O3濃度特征分析[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2013，29(1)：64-70.

[5]張華，陳琪，謝冰，等.中國(guó) PM2.5和對(duì)流層臭氧及污染物排放控制對(duì)策的綜合分析[J].氣候變化研究進(jìn)展，2014，10(4)：289-296.

[6]武漢市統(tǒng)計(jì)局，國(guó)家統(tǒng)計(jì)局武漢調(diào)查隊(duì).武漢統(tǒng)計(jì)年鑒2016[M].北京：中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，2016.

[7]武漢市環(huán)境保護(hù)局，2016武漢市機(jī)動(dòng)車污染防治年[R].2016.

StudyontheSpatial-temporalDistributionofOzoneandItsCorrelationwithMeteorologicalFactorsinUrbanDistrictofWuhan

YIN Heng1ZHANG Ke2，3SUN Chen1WANG Hai1，4FENG Jun1KE Gang1

(1.Wuhan Research Academy of Environmental Protection Sciences，Wuhan 430015，China； 2.School of Resource and Environmental Science，Wuhan University，Wuhan 430079，China； 3.Wuhan Environmental Protection Bureau，Wuhan 430015，China； 4.Wuhan Zhihuiyuan Environmental Protection Technology Co.，Ltd，Wuhan 430070，China)

Variation trend of ozone concentration in seasons，months and days had been summarized by online monitoring data of 10 monitoring stations of Wuhan in 2016.The correlation between ozone and air temperature，wind direction，wind speed，humidity and other meteorological factors was analyzed.The results showed that the ozone concentration was higher in summer and autumn，and lower in spring and winter；Ozone concentration was highest in September and lowest in January.The ozone concentration trends of each monitoring station were similar，but there was a slight difference in ozone concentration in spatial distribution.The concentration of ozone in urban area was greatly affected by temperature，wind speed and humidity.

ozone；spatial-temporal distribution；meteorological factors；correlation

尹珩，碩士，工程師，從事環(huán)境規(guī)劃研究方面的工作

張珂，碩士，從事環(huán)境管理方面的工作

文獻(xiàn)格式：尹 珩 等.武漢城區(qū)臭氧時(shí)空分布及其與氣象因子相關(guān)性研究[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2017，42(6)：150-152.

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1673-288X(2017)06-0150-03