昆明市臭氧污染特征及與氣象因子關(guān)系初步研究

王占良，段燕楠，楊芳園，鄒靈宇

(昆明市氣象局，云南 昆明 650034)

0 引言

O3是揮發(fā)性有機物( VOCs) 和氮氧化物( NOx)等在大氣中通過一系列光化學(xué)反應(yīng)生成的二次污染物，對人體健康和生態(tài)環(huán)境均產(chǎn)生較大影響[1-2]。我國京津冀、長三角、珠三角區(qū)域已開展O3污染特征的研究[3-7]。此外，還有一些研究針對O3生成潛勢，研究 VOCs主要物種對O3生成的貢獻[8-9]。各項研究均表明，O3生成主要受氣象條件和氣態(tài)前體物的影響。隨著氣候變化和社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，近年來，環(huán)境污染問題日益嚴重，空氣中的臭氧污染逐漸凸顯，臭氧污染已成為國內(nèi)外關(guān)注的環(huán)境污染問題之一。2014—2018年，昆明O3濃度日平均值總體呈上升趨勢，已成為首要污染物天數(shù)僅次于PM2.5的大氣污染物。

2017年的環(huán)境公報顯示[10]，O3已經(jīng)成為我國部分城市的首要大氣污染物，也是6種常規(guī)觀測污染物中濃度不斷上升的唯一污染物。中國城市O3濃度具有季節(jié)性和月度周期性變化特征，春季O3污染主要集中在華北地區(qū)、華中地區(qū)北部及華中地區(qū)南部，夏季由東部沿海向西部內(nèi)陸擴大，秋季由西北向東南沿海轉(zhuǎn)移，冬季主要集中在華南地區(qū)、華東地區(qū)及西南地區(qū)南部。臭氧的時間性也很明顯，臭氧濃度在清晨是非常低的，8點之后，隨著形成臭氧的廢氣越來越多，日照時間越來越長，臭氧濃度也逐漸升高，于14—16點達到峰值，之后緩慢降低。

目前針對影響臭氧污染形成因素的研究主要集中在四大方面：氣象因素影響、大氣環(huán)流輸送影響、自然界釋放前體物影響、人為排放前體物影響。很多研究表明，近地面臭氧濃度不僅與光化學(xué)反應(yīng)前體物的濃度有關(guān)，還與天氣狀況和氣象條件有關(guān)，強太陽輻射利于臭氧生成，氣溫高、相對濕度低、近地面風(fēng)速小、城市逆溫等均有利于局地臭氧的累積。

昆明市位于云貴高原中部，屬于典型的內(nèi)陸山地城市，三面環(huán)山、南瀕滇池，地形地貌容易形成局地風(fēng)，不利于大氣污染物的擴散。主城區(qū)平均海拔為1890m，紫外線強度大、輻射強，導(dǎo)致污染物二次生成和光化學(xué)反應(yīng)，易造成顆粒物和臭氧濃度升高。

昆明市屬北緯低緯度亞熱帶-高原山地季風(fēng)氣候，常年平均風(fēng)速為2.1m/s。昆明市在2015—2017年平均有效年降水日數(shù)在全國排名第33，平均風(fēng)速排名第22。降雨量在年際和年內(nèi)變化較大，年內(nèi)明顯地分干、濕兩季，其中5—10月降水量占全年的85%左右，11月—次年4月僅占全年的15%左右。降雨量分布不均衡，有效降雨天數(shù)較少且多單點暴雨，年降水日數(shù)在全國74城市排第31名。干季容易加重顆粒物污染。冬春季節(jié)晝夜溫差大，容易形成逆溫和霧，導(dǎo)致污染物累積和浮塵產(chǎn)生。

1 資料來源

(1)昆明站地面觀測數(shù)據(jù)為2014—2018年逐日常規(guī)觀測數(shù)據(jù)。

(2)高空探測資料選用昆明站2014—2018年逐日秒級采樣數(shù)據(jù)。秒級采樣數(shù)據(jù)主要包括采樣相對時間、溫度、濕度、氣壓、高度。昆明國家基準氣象站海拔1889.3m，經(jīng)緯度為102°39′E、25°00′N。

(3)采用的昆明大氣環(huán)境監(jiān)測站空氣質(zhì)量指數(shù)逐日數(shù)據(jù)來自于中國空氣質(zhì)量在線監(jiān)測分析平臺公布的歷史數(shù)據(jù)。O3的24h均值為O3的日最大8h滑動平均值(O3-8h)，春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月，冬季為12月至—次年2月。

(4)針對日益凸顯的臭氧污染，我國實施的新《GB-2環(huán)境空氣質(zhì)量標準》中指出，空氣質(zhì)量指數(shù)中臭氧濃度高于100μg/m3為臭氧超標，臭氧的控制標準為臭氧8小時濃度日平均值，一級為100μg/m3，二級為160μg/m3。

2 昆明市空氣質(zhì)量指數(shù)與臭氧污染基本情況

昆明市2014—2018年空氣污染全部為輕度污染，圖1中實框為空氣污染總?cè)諗?shù)，斜線框為臭氧超標并成為首要污染物的臭氧污染日數(shù)。從圖1可以看出，昆明市近5年來空氣質(zhì)量總體變好，但2015年和2018年臭氧污染比較突出，這兩年臭氧污染日數(shù)占空氣污染總?cè)諗?shù)的75%和100%。

昆明2014—2018年各月輕度污染頻數(shù)(AQI>100)和臭氧污染頻數(shù)(O3>160)分布見圖2，從圖中可見，12月空氣污染次數(shù)最多，其次是7月和3月，而臭氧污染最多在7月，其次是3月和8月。近5年昆明市夏季空氣質(zhì)量首要污染物全是由于臭氧超標導(dǎo)致的，秋季和冬季空氣質(zhì)量首要污染物不是臭氧，而春季空氣質(zhì)量首要污染物中，臭氧污染3月占40%、5月占100%。

3 昆明市臭氧污染特征分析

3.1 O3濃度年變化特征

昆明市2014—2018年O3日平均濃度變化不大，總體呈緩慢上升趨勢。2018年最大，2014年最小，最大年比最小年多7.2μg/m3，多9.4%(見圖3)。尤其是2018年的2—4月，濃度上升明顯，比2015年同期偏多29%，是造成昆明地區(qū)輕度污染的首要污染物。

O3未達標天數(shù)(一級污染)2014年、2015年分別為73 d、66 d，2016年、2017年和2018年未達標天數(shù)分別為108 d、103 d和115 d(見圖4和表1)。達到二級污染的天數(shù)為2015年6 d、2018年4 d、2017年1 d，2014年和2016年0 d。

3.2 O3濃度月變化特征

按月平均O3濃度分布來看(見圖5)，近5年來昆明市O3濃度分布曲線呈單峰型，4月份最大(113.2μg/m3)，其次是3月和5月(分別為108.7和106.8μg/m3)，12月最小(58.0μg/m3)，6—8月相差不大(約76～79μg/m3)，9月比8月下降較快，9—12月緩慢下降，1—3月是一個快速遞增過程，5—6月又是一個快速遞減過程。從季節(jié)變化來看，昆明地區(qū)的O3濃度在春季最高，夏季次之，冬季和秋季相對較低。

平均各月O3未達標天數(shù)變化趨勢與月O3濃度變化趨勢一致(見圖6)，一級污染主要出現(xiàn)在春季，3—5月占全年約67%，其中4月最多，為22 d，3月和5月分別為21 d和21.2 d；1月最少，僅0.2 d。一級O3污染較嚴重的季節(jié)為春季，其次是夏季和2月份。二級污染主要出現(xiàn)在夏季，6—8月共8次，約占73%，其中7月最多，共5次，占45%。

表1 昆明市2014—2018年各月O3濃度(μg/m3)分級天數(shù) (d)

4 臭氧濃度變化與氣象因子關(guān)系分析

近地面O3濃度不僅與光化學(xué)反應(yīng)前體物的濃度有關(guān)，還與天氣狀況和氣象條件有關(guān)。強太陽輻射、高溫、相對濕度低、近地面風(fēng)速小、城市逆溫等均有利于局地O3的生成和累積。風(fēng)速較大的氣象條件一方面有利于大氣污染物的擴散，另一方面同時抑制了光化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。擴散與輸送在風(fēng)速的作用下同時都在發(fā)生著復(fù)雜多變的轉(zhuǎn)化。

氣象因子在臭氧形成、沉降、輸送和稀釋中扮演著重要角色。局地氣象條件如風(fēng)向、風(fēng)速、溫度和相對濕度等對臭氧及其前體物的時空變化具有重要影響。根據(jù)國內(nèi)外研究成果，對昆明市臭氧濃度監(jiān)測結(jié)果與氣溫、風(fēng)向風(fēng)速、相對濕度、輻射、氣壓等氣象因素觀測結(jié)果之間的關(guān)系進行分析。結(jié)果表明，昆明臭氧日最大8小時平均濃度與氣溫、風(fēng)速、輻射呈現(xiàn)顯著正相關(guān)性；而與氣壓、相對濕度呈現(xiàn)顯著負相關(guān)。

4.1 臭氧濃度與溫度的關(guān)系

對2014—2018年臭氧日最大8小時平均濃度與氣溫數(shù)據(jù)的分析結(jié)果表明，臭氧濃度與氣溫總體呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)大部分在0.19～0.63 (9～10月除外)，上半年相似系數(shù)總體上要大于下半年，相似系數(shù)最大值為2月0.63，其次是4月0.60。9—10月O3與地面氣溫相關(guān)性不好，9月相似系數(shù)中，2014年和2018年為顯著正相關(guān)，而2015—2017年為弱負相關(guān)，10月O3與地面氣溫相似系數(shù)均<0.2，弱相關(guān)或不相關(guān)(圖7和圖8)。

結(jié)合臭氧日最大8小時平均濃度月際間變化情況(在每年 3—5月達到年度峰值， 而后呈現(xiàn)波動變化、總體下降的變化態(tài)勢)，分析認為，昆明市全年氣溫差異性不大，進入夏季后氣溫有所上升，但昆明也正值雨季，相對較高的氣溫促成了其它關(guān)聯(lián)氣象因子(如濕度、降水等)對臭氧濃度的較強抑制作用，從而使得夏季開始臭氧濃度逐漸降低。

表2 歷年9—10月O3與地面氣溫相似系數(shù)

4.2 臭氧濃度與地面風(fēng)速的關(guān)系

從相似系數(shù)看(見圖9和圖10)，昆明臭氧濃度與地面風(fēng)速之間的相關(guān)性較復(fù)雜，3月和7—9月為負相關(guān)，其他月份為正相關(guān)。不論是正相關(guān)還是負相關(guān)，相似系數(shù)的絕對值不超過0.4。臭氧主要是人類活動排放的NOx、NHMC、VOCs等污染物經(jīng)光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的二次污染物，風(fēng)速較大的氣象條件一方面有利于大氣污染物的擴散，另一方面同時抑制了光化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，擴散與輸送在風(fēng)速的作用下同時都在發(fā)生著復(fù)雜多變的轉(zhuǎn)化。

地面風(fēng)速對臭氧濃度的影響較為復(fù)雜，一般情況下，在逐日變化中，小風(fēng)速的日平均值反映了全天較穩(wěn)定的大氣環(huán)境，有利于大氣污染物和臭氧濃度的積累。而在日變化中，較大地面風(fēng)速反映了垂直輸送的加強，有利于將高濃度臭氧從高空帶到地面，這是臭氧區(qū)域輸送的顯著表征，是地面臭氧濃度增值的外來源，臭氧會從高污染地區(qū)輸送到相對清潔的地區(qū)，從而使該地區(qū)臭氧濃度顯著升高。風(fēng)速的月平均值在夏季最小(約1.8m/s)，冬春季節(jié)風(fēng)速較大，風(fēng)速變化范圍也較寬，這有利于大氣中污染物的輸送和混合，也是昆明地區(qū)臭氧濃度平均值最高的季節(jié)。

4.3 臭氧濃度與太陽輻射的關(guān)系

臭氧濃度變化受太陽輻射的影響很大，晴天時太陽輻射越強，臭氧濃度越高，在一定程度上說明晴天時較強的太陽輻射有利于臭氧的光化學(xué)生成反應(yīng)。同時，云南地處云貴高原，海拔高，熱量差異大，紫外線強烈，太陽輻射對大氣中的NOx在光照條件下發(fā)生的光化學(xué)反影響不可忽略。

統(tǒng)計分析昆明市2014—2018年太陽總輻射量和臭氧濃度的月分布見圖11，從圖中可看出，太陽總輻射和臭氧濃度分布曲線相似，呈單峰型，并有春季大秋冬季小的特征。昆明市太陽總輻射5月份出現(xiàn)全年最大值(670.7MJ/m2)，其次是4月份和3月份，6—8 月維持在500 MJ/m2左右，9—10月份緩慢下降，11月份又略有升高，12月為全年最低值(356.57 MJ/m2)，1—5月為遞增過程，2—3月是一個快速增加過程，而6—7月又是一個快速遞減過程。這一季節(jié)規(guī)律，也與昆明主城區(qū)臭氧濃度月份、季節(jié)的變化規(guī)律基本一致。

對昆明市2014—2018年臭氧日最大 8小時平均濃度與日太陽總輻射、日照時數(shù)進行相關(guān)性分析(見圖12)，結(jié)果表明：臭氧濃度與太陽總輻射呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在0.371～0.739，年平均相關(guān)系數(shù)為0.608，相關(guān)性非常好，最大值為12月份0.739，最小值為3月份0.371，除了3月和9月外，其余月份相關(guān)系數(shù)均在0.5以上。

臭氧日最大 8小時平均濃度與日照時數(shù)相關(guān)性也很好，相關(guān)系數(shù)在0.299～0.716，年平均相關(guān)系數(shù)為0.554，最大值為12月份0.716，最小值為3月份0.299，屬顯著正相關(guān)，這與臭氧和日太陽總輻射的相關(guān)性一致。

4.4 臭氧濃度與相對濕度的關(guān)系

對2014—2018年臭氧日最大8小時平均濃度與相對濕度的分析(見圖13)結(jié)果表明，臭氧濃度與相對濕度總體呈現(xiàn)顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)除了3月份為0.16外，其余月份都在 0.40～0.69。結(jié)合臭氧日最大8小時平均濃度月際間變化趨勢，認為昆明地區(qū)春季臭氧濃度普遍較高的主導(dǎo)氣象因子并非是相對濕度，昆明地區(qū)冬季相對濕度在全年中最小，而夏季則最大，在最大最小的高反差下，濕度對臭氧濃度的累積具有較大的影響，所以其相關(guān)性較高，這與其他一些研究者在其它區(qū)域的研究結(jié)論并不一致(相對濕度在一定程度上導(dǎo)致了春季臭氧濃度高于夏季和秋季的臭氧濃度)。

4.5 臭氧濃度與地面氣壓的關(guān)系

對2014—2018年臭氧日最大 8 小時平均濃度與地面氣壓的進行相關(guān)性相關(guān)性分析(見圖14)，結(jié)果表明：臭氧濃度與地面氣壓的相關(guān)性不明顯，6—10月為正相關(guān)，其他月份為負相關(guān)，且最大相似系數(shù)為1月份-0.437，6—10月分正相關(guān)相似系數(shù)均不大于0.2。

4.6 臭氧濃度與大氣穩(wěn)定度的關(guān)系

近地面層與自由對流層的垂直輸送與混合層的發(fā)展有著一定的聯(lián)系，混合層發(fā)展的越深厚則垂直混合越充分。污染物在大氣中的遷移擴散，湍流起著重要的作用，而湍流的強弱又與大氣穩(wěn)定度有關(guān)，近地層大氣溫度的垂直分布決定了大氣穩(wěn)定度。因此，出現(xiàn)高臭氧濃度情況時，溫度垂直梯度值也較大。

大氣穩(wěn)定度的判定方法主要分為2大類：第一類是基于常規(guī)氣象資料，利用地面風(fēng)速、云量、日照強度等資料對大氣穩(wěn)定度進行判定；第二類是基于高空氣象資料，利用溫度的垂直分布情況，對大氣穩(wěn)定度進行判定。本文利用高空探測秒級數(shù)據(jù)來計算50～150m的溫度垂直分布，結(jié)果見圖15。從圖中可看出，除了9月外，其他各月臭氧濃度與50～150m溫度垂直分布呈正相關(guān)，冬季和春季相關(guān)性好于夏季和秋季，年平均相關(guān)系數(shù)為0.225。

5 結(jié)論

臭氧是一種二次污染物，其污染狀況和分布特征不僅與前體污染物、下墊面狀況、光化學(xué)反應(yīng)前體物的濃度有關(guān)，還與強太陽輻射、高空大氣環(huán)流背景、天氣狀況、氣象因子等密切相關(guān)，具有明顯的季節(jié)變化特點。臭氧污染也越來越受重視。本文通過對昆明市2014—2018年空氣質(zhì)量和臭氧(O3)污染特征、臭氧污染與氣象因子的關(guān)系等進行分析，初步總結(jié)出了一些規(guī)律。

(1)2014—2018年，昆明市空氣質(zhì)量總體逐漸變好，但O3濃度整體呈上升趨勢，春季和夏季臭氧污染比較明顯，2015年和2018年臭氧污染比較突出。

(2)O3濃度春季高，秋冬季低，O3濃度高值主要集中在3—5月，其中4月最大，12月最小，從2—4月上升較快，6月比5月下降明顯，6—8月相差不大，9月份開始下降。

(3)O3濃度>160 μg/m3的臭氧污染主要出現(xiàn)在3—8月，其中7月最高。

(4)昆明臭氧濃度與太陽輻射、氣溫、大氣低層溫度垂直分布、風(fēng)速等呈正相關(guān)，與氣壓、相對濕度呈負相關(guān)。