氣象因素對泉州臭氧的影響

佘日新

福建省泉州環(huán)境監(jiān)測中心站， 福建 泉州 362000

隨著我國經濟發(fā)展，城市化進程加快，能源消耗的增加，大氣污染問題日趨嚴重[1]。很多研究表明，我國的污染問題呈現(xiàn)從以往單一煤煙型污染向復合型污染轉變的態(tài)勢[1-3]，以細顆粒物(PM2.5)和臭氧(O3)污染為主要特征的復合型大氣污染問題日趨凸顯。近地面的臭氧不僅是溫室氣體，也是影響城市大氣環(huán)境的重要污染物，危害動植物生長以及人體健康[4-5]。它主要是由氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)和可揮發(fā)性有機物(VOCs)等前體物在合適的氣象條件下，通過一系列復雜的光化學反應生成。近地面O3濃度的變化，不僅與人為排放有關，還與氣象條件有關[6]。氣象因素在O3的形成、沉降、傳輸、稀釋過程中扮演著重要角色，但對于這些研究仍有很多不確定性[6-9]。首先，氣象要素之間是相互影響、相互制約，具有協(xié)同作用，如大氣的穩(wěn)定性與溫度廓線有關，或者與地面溫度和太陽輻射有關，因此，研究單一氣象要素對O3的影響是非常困難的；其次，氣象要素能夠通過直接或間接的物理過程影響O3濃度，如輻射可以通過間接過程影響O3濃度，又如云作為一種液相化學反應器和O3前體物NOx的提供者，可以通過傳輸或者擴散的方式影響O3濃度[10]；最后，不同地區(qū)性氣象因素作用的差異較大，因此需要針對不同地區(qū)單獨分析。

目前在國內開展的氣象因素對O3影響的研究工作中，就分析方法而言，多采用主成分分析和逐步回歸分析、或者相關統(tǒng)計方法[11-13]。就研究地區(qū)而言，多在北京、天津、上海、廈門、沈陽等城市和珠三角地區(qū)開展[14-22]。王闖等[17]利用2013年沈陽市環(huán)境空氣監(jiān)測點的O3監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析發(fā)現(xiàn)能見度、溫度、風速與O3濃度呈正相關，相對濕度與O3濃度呈負相關；易睿等[5]分析2013年長三角地區(qū)25個城市的O3觀測資料后指出，O3濃度在高溫和長時間日照時易出現(xiàn)高值，且隨著相對濕度、風速的增加，O3超標頻率和濃度均值都表現(xiàn)出先升后降的規(guī)律；薛蓮等[23]利用2013—2015年青島市O3的監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在強太陽輻射、高溫、相對濕度60%左右、風速4 m/s 左右、偏南風等氣象條件下易出現(xiàn)高濃度O3。這些工作無疑大大促進了我國O3空氣質量分析和預報預警水平的提高。

統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，泉州市在2017年僅有的20 d污染日中,有17 d首要污染物為 O3(臭氧8小時)，因此，通過開展泉州氣象因素變化影響 O3污染的研究十分有意義，可以為主管部門對臭氧污染防控提供較為精準的決策，節(jié)約人力、物力和時間成本。

1 資料與方法

1.1 站點選取

選取泉州市4個國控站點進行對比分析，即清源山對照點和涂山街、津頭埔市中心老城區(qū)站點以及萬安新城區(qū)站點(萬安站點車輛較少，擴散較好)。

1.2 資料說明

選用2017年1月1日—12月31日清源山、涂山街、萬安、津頭埔4個站點逐小時地面O3觀測資料、逐小時地面氣象要素(包括溫度、相對濕度、風速、風向)觀測資料進行分析。

泉州位于我國東南沿海地區(qū)，依據(jù)季節(jié)劃分至小時時間尺度，春季(3—6月)共有2 928 h，夏季(7—9月)共有2 208 h，秋季(10—11月)共有1 464 h，冬季(12—2月)共有2 160 h，全年共計8 760 h?？鄢|控校準和停電故障，統(tǒng)計O3小時濃度有效個數(shù)和有效率，各站點全年數(shù)據(jù)有效率均在97%以上，表明分析時段泉州O3數(shù)據(jù)質量較好可用。

2 結果與討論

2.1 臭氧濃度分布特征

如表1所示，分析泉州市全年O3質量濃度，發(fā)現(xiàn)清源山對照點O3質量濃度年均值最高為(90.26±31.21) μg/m3，明顯高于涂山街、萬安、津頭埔站點，這3個站點的濃度基本接近。

表1 泉州4個站點O3濃度年均值Table 1 Average O3 concentration of Quanzhou stations

分析泉州市O3季節(jié)質量濃度發(fā)現(xiàn)，4個站點存在較大差異。其中，清源山對照點為春季>秋季>夏季>冬季，涂山街站點為春季>秋季>冬季>夏季，萬安站點為冬季>春季>秋季>夏季，津頭埔站點為春季>秋季>冬季>夏季?？傮w上，泉州O3質量濃度較高的季節(jié)主要集中在春、秋季，夏季最低。安俊琳等[24]分析了北京城區(qū)1個站點2004年8月19日—2005年7月14日連續(xù)觀測的臭氧體積分數(shù)，發(fā)現(xiàn)臭氧體積分數(shù)季節(jié)變化為夏季>春秋季>冬季。王宏等[25]分析了福州市3個國控站點2009—2010年近地層臭氧的連續(xù)觀測資料，發(fā)現(xiàn)福州市O3季節(jié)平均變化特征為秋季>春季>夏季>冬季。統(tǒng)計表明，泉州與福州O3質量濃度都是春、秋季高于夏、冬季，臭氧污染的防控重點都在春秋季；泉州市中心涂山街、津頭鋪站點季節(jié)變化趨勢一致，臨海的萬安站點與山上的清源山對照點有自己的特點，這表明泉州不同站點O3生消及其演變有著強烈的地域性和季節(jié)性。

2.1.1 月變化

圖1是清源山、涂山街、津頭埔、萬安4個站點O3質量濃度和溫度的月變化曲線?？梢?，各站點O3質量濃度月變化均呈雙峰形。其中清源山對照點和涂山街站點分布特征相似，4、5月O3質量濃度達第一峰值，也是全年最大值，7月為第一谷值，9月達到第二峰值。津頭埔站點5月為第一峰，7月為第一谷，10月為第二峰。萬安站點3月達第一峰，6月為第一谷，10月為第二峰。這與王占山等[26]研究北京地區(qū)O3濃度月變化均為單峰形，且最高值出現(xiàn)在6—8月有著明顯不同。

圖1 泉州市4個站點O3質量濃度和溫度月變化曲線Fig.1 Monthly variation curves of O3 concentration and temperature in Quanzhou

進一步分析發(fā)現(xiàn)，除6—8月，多數(shù)情況下，O3質量濃度隨氣溫升高而升高。但值得注意的是，雖然各站點6—8月平均氣溫逐月升高，且處于相對高位，可是對應的O3月平均質量濃度卻處于低谷。如清源山對照點4—7月月平均氣溫呈上升趨勢，7—9月呈下降趨勢，這期間氣溫變化呈波峰形態(tài)，而O3月平均質量濃度與氣溫變化趨勢完全相反，5—7月濃度降低，7—9月濃度升高，O3月平均質量濃度變化呈波谷形態(tài)。這表明泉州O3月平均質量濃度的高低除與氣溫升降有關外，還與其他氣象因素有關。

2.1.2 日變化

圖2是2017年不同季節(jié)清源山、涂山街、萬安、津頭埔4個站點O3質量濃度的日變化曲線。由此可見：①各站點O3質量濃度日變化均呈單峰形分布，且O3日峰值濃度，春夏季高于秋冬季。②O3質量濃度06:00—07:00為谷值，從08:00前后快速升高，這與日出后氣溫升高以及上班早高峰污染排放增加共同作用有關;13:00—14:00左右出現(xiàn)最高值，隨后開始下降，夜間O3質量濃度維持較低水平；表明泉州O3質量濃度日變化與氣溫日變化有較高的一致性，同時也受到一定的人為活動影響。③各季節(jié)中，夏季O3濃度日變化幅度最大，冬季最小，這主要與夏、冬季節(jié)氣溫日變化幅度不同有關。

4個站點O3質量濃度日變化特征存在一定差異，城區(qū)的涂山街O3質量濃度13:00達峰值，下游清源山O3質量濃度推遲1 h(14:00)達日峰值，有明顯的傳輸效應。

圖2 不同季節(jié)4個站點O3質量濃度日變化曲線Fig.2 Diurnal variation curves of O3 mass concentration in different seasons of 4 stations

2.2 氣象要素對O3的影響

2.2.1 O3與氣象要素相關性分析

計算2017年小時O3濃度有效值與不同氣象要素有效值間的相關性，見表2?？梢姡?個站點O3質量濃度與相對濕度的相關性最好，呈負相關，其相關系數(shù)為0.5～0.6，表明濕度降低，利于O3質量濃度升高；與風速的相關性次之，呈正相關，即風速增大，利于O3質量濃度升高；與溫度的相關性比較復雜，既有正相關(清源山對照站和涂山街、津頭埔站點)，也有負相關(萬安站點)，但負相關系數(shù)較小。O3與風速的相關性，不同站點間存在差異，清源山對照點相關性較低，臨海的萬安站點相關性較高。O3與溫度、相對濕度的相關性4個站點間差異不明顯。

表2 不同站點O3與溫度、風速、相對濕度的相關系數(shù)Table 2 Coefficients of O3 with temperature, wind speed and relative humidity at different stations

2.2.2 溫度的影響

表3是各站點不同溫度范圍對應的O3小時質量濃度、風速、相對濕度的分布情況?？梢姡谝欢囟?T)范圍內(從T≤10 ℃ 變化到10 ℃30 ℃時)O3質量濃度隨溫度升高而增加；在另一范圍內(從10 ℃

清源山對照點和涂山街站點，溫度從10 ℃30 ℃)，O3質量濃度降低(升高)，其原因除受氣溫升高影響外，可能還與相對濕度升高(降低)有關；溫度從T≤10 ℃變化到10 ℃

萬安站點和津頭埔站點，溫度從T≤10 ℃變化到10 ℃30 ℃(從10 ℃

以上分析表明，全年小時O3質量濃度與溫度變化的相關性比較復雜，為進一步探尋兩者間的對應關系，逐月計算不同站點O3質量濃度與溫度的相關關系。結果表明，多數(shù)情況下，各站點O3質量濃度與逐月氣溫總體上呈正相關，即升溫利于O3質量濃度增長，尤其是在夏季(7、8、9月)其相關系數(shù)最高；但在1、4、10月，各站點O3質量濃度與溫度均呈負相關。這表明氣溫升高并不總意味著O3質量濃度的升高，還要綜合考慮季節(jié)和其他氣象因素變化造成的影響。

表3 清源山對照點和萬安站點不同溫度范圍下O3小時質量濃度、有效個數(shù)、風速、相對濕度Table 3 The ozone hour mass cncentration, effective number, wind speed, relative humidity at different temperature ranges in Qingyuan Mountain and Wan′an stations

注：由于O3小時質量濃度同溫度的關系，涂山街站點與清源山對照點類似，津頭埔站點與萬安站點類似，因此表3～表5中僅給出清源山對照點和萬安站點的數(shù)據(jù)，以代表各站點。

2.2.3 風向和風速的影響

圖3是清源山對照點和萬安站點春夏秋冬四季O3質量濃度的風玫瑰圖。

可見，清源山對照點雖然在不同季節(jié)盛行的風向略有不同，但O3質量濃度高值區(qū)均出現(xiàn)在偏南風情況之下。

注：彩色等值線代表污染物O3質量濃度的空間分布和大?。粓D中閉合黑線代表風頻率圖3 清源山對照點和萬安站點各季節(jié)O3質量濃度風玫瑰圖Fig.3 Wind rose map of O3 mass concentration at Qingyuan Mountain and Wan′an stations in each season

可見，春季主要是南偏東風向(南-南東，O3濃度超過100 μg/m3)，夏、秋季和冬季主要是南偏西風向(南-南西，O3濃度超115 μg/m3)； O3質量濃度低值區(qū)與盛行風向基本一致。萬安站點，東南風使O3升高，O3質量濃度超過100 μg/m3，而西北風時O3質量濃度較低。整體而言，在偏南風主導下O3質量濃度出現(xiàn)高值的情況與工業(yè)源集中分布在泉州市西南和東南區(qū)域較為吻合,南風時受南部工業(yè)源影響較大。

表4是各站點不同風速條件下的O3質量濃度、溫度、相對濕度的分布情況。其中風速>6.0 m/s是指大于6 m/s且小于觀測的最大風速范圍內的風速。結果表明，總體上，涂山街、萬安、津頭埔站點O3質量濃度隨風速增加而增加。清源山對照點對風速較為敏感，當風速小于3 m/s時，O3質量濃度隨風速增加而增加；風速大于3 m/s時，O3濃度隨風速增加而下降。風速大于6 m/s時，由于樣本數(shù)少，不予考慮。

表4 清源山對照點和萬安站點不同風速范圍內O3小時質量濃度、O3有效個數(shù)、溫度、相對濕度Table 4 The ozone hour mass concentration, effective number of O3, temperature and relative humidity in different wind speed ranges of Qingyuan Mountain and Wan′an stations

注：由于O3小時質量濃度同溫度的關系，涂山街站點與清源山對照點類似，津頭埔站點與萬安站點類似，因此表中僅給出清源山對照點和萬安站點的數(shù)據(jù)，以代表各站點。“—”表示WS>6 m/s時，不予考慮的數(shù)據(jù)。

2.2.4 相對濕度的影響

表5是各站點不同相對濕度條件下O3質量濃度分布情況。整體上看，O3質量濃度隨相對濕度的增加逐漸減小，且O3質量濃度的減小速度隨相對濕度的增加而增加。相對濕度從小于40%增加到大于80%，O3質量濃度下降率分別為10%、25.2%、29.1%。表明空氣中水汽越多，到達地面的太陽紫外線越少，降低O3生成速率，不利于O3生成。

通過不同站點O3質量濃度與相對濕度的相關性分析發(fā)現(xiàn)，O3質量濃度與相對濕度均呈負相關，除6月相關系數(shù)較低外，其余各月相關系數(shù)都較高，說明低濕度條件有利于O3的生成。

表5 清源山對照點和萬安站點不同相對濕度范圍內O3小時質量濃度、O3有效個數(shù)、溫度、風速Table 5 The ozone hour mass concentration, effective number of O3, temperature and wind speed in different relative humidity ranges of Qingyuan Mountain and Wan′an stations

注：由于O3小時質量濃度同溫度的關系，涂山街站點與清源山對照點類似，津頭埔站點與萬安站點類似，因此表中僅給出清源山對照點和萬安站點的數(shù)據(jù)，以代表各站點。

2.3 O3濃度超標時氣象因子特征分析

圖4～圖6是清源山對照點和涂山街、津頭埔、萬安站點O3超標時所對應的溫度-相對濕度、溫度-風速、相對濕度-風速關系?？梢?，4個站點O3小時質量濃度超標時，氣象要素與O3小時質量濃度并不是單一的對應關系，均對應著2個氣象要素區(qū)間。再次表明泉州O3與氣象要素關系的復雜性。

圖4 4個站點O3小時質量濃度值超過200 μg/m3時對應溫度和相對濕度散點分布Fig.4 Distribution of corresponding temperature and relative humidity scatter points when the concentration of ozone in each station exceeds 200 μg/m3

圖5 4個站點O3小時質量濃度值超過200 μg/m3時對應溫度和風速散點分布Fig.5 Distribution of temperature and wind speed scatter points at stations with mass concentration exceeding 200 μg/m3 in O3 hours

圖6 4個站點O3小時質量濃度值超過200 μg/m3時對應相對濕度和風速散點分布Fig.6 Distribution of humidity and wind velocity scattered points for O3 hour mass concentration value at each station exceeding 200 μg/m3

根據(jù)圖4～圖6統(tǒng)計4個站點O3質量濃度小時值超標時氣象要素區(qū)間值，結果見表6。清源山對照點O3質量濃度超標時氣象要素對應值分為2個區(qū)域：①第一區(qū)域：溫度18～27 ℃，相對濕度35%～65%，風速1.5～3 m/s；②第二區(qū)域：溫度27～35 ℃，相對濕度47%～70%，風速0.7～3.5 m/s。其他站點具體數(shù)據(jù)也見表6。該數(shù)據(jù)可為進一步尋找和建立泉州其他站點O3質量濃度超標(200 μg/m3)時，精細化的氣象預報因子和預報模型提供技術基礎。

表6 O3濃度超標時不同站點溫度、相對濕度、風速的統(tǒng)計Table 6 Statistics of temperature,relative humidity and wind speed at different stations when O3 concentration exceeds the standard

2.4 污染日與非污染日分析

將泉州市AQI日均值超過100定義為污染日。2017年泉州市輕度污染共有20 d，其中有17 d污染日的首要污染物為O3；臭氧為首要污染物在4月出現(xiàn)日數(shù)最高(8 d)，其次是9月(4 d)。

4個站點17個污染日和隨機挑選的17個非污染日的氣象要素平均值，見表7。污染日相對濕度較低，為50%～60%；非污染日相對濕度較高，為70%～80%；污染日氣溫低于非污染日的比例為58.5%(10/17)，由于污染日集中在4月，而4月O3質量濃度與溫度呈負相關，因此總體上污染日溫度低于非污染日，兩者溫度之差對應清源山對照點和涂山街、萬安、津頭埔站點分別為2.8、1.4、0.1、1.2 ℃，呈現(xiàn)出臨海站點溫差小，對照點站點溫差大，城區(qū)介于其間的趨勢。進一步表明，氣溫并不是決定泉州市O3質量濃度高低的唯一因素；污染日風向總體上來自西南偏南，非污染日風向跨度大，包括西南方向和東南方向。東南風帶來海上的濕空氣和相對干凈的空氣，產生增濕作用，不利于O3生成；相比于非污染日，清源山對照點和涂山街站點污染日風速較小，臨海的萬安站點和離海較近的津頭埔站點于污染日的風速相對較大，但是兩者的風速均未超過3 m/s。

表7 4個站點在污染日、非污染日的污染物濃度或氣象場值Table 7 Pollutant concentration or meteorological field value of four stations on polluted and non-polluted days

3 結論

1)泉州市區(qū)O3質量濃度時空分布特征有明顯的地域性，臭氧污染日主要集中在春秋季節(jié)，整體而言，污染日風向總體為西南偏南，臨海的萬安站點O3質量濃度相對低于西南風向的城區(qū)涂山街、津頭鋪站點，但東南風更有利于萬安站點O3升高。城市北部的站點O3質量濃度出現(xiàn)的最大值相對南部站點推遲1 h，具有明顯的傳輸效應。

2)O3日質量濃度變化呈單峰形，06:00—07:00為最低值，最大值出現(xiàn)在13:00—14:00，與日最高氣溫相關性高。

3)泉州市區(qū)O3質量濃度與相對濕度的相關性最好，O3污染日相對濕度較低(50%～60%)，非污染日相對濕度較高(70%～80%)；涂山街、萬安、津頭埔站點O3質量濃度隨風速增加而增加。建議空氣質量預警預報部門在預測到未來幾天濕度低于60%，且伴有大風天氣時，要注意提前研判及時向管理部門預警，提前做好臭氧污染防控。