永安市臭氧污染特征及其與氣象條件的關(guān)系研究

王 玉 莊 亮 涂新前

(1.永安市氣象局,福建 三明 366000； 2.三明市永安生態(tài)環(huán)境局，福建 三明 366000)

0 引言

臭氧是大氣中重要的微量組分，大部分集中在平流層中，平流層中臭氧能阻擋高能量的太陽(yáng)紫外輻射，是地球生命的保護(hù)層。在城市地區(qū)近地面，臭氧主要是人類活動(dòng)排放的氮氧化物(NOx)和揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)等前體物在光照下發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物，是造成城市光化學(xué)污染的主要因子，它對(duì)人體健康、農(nóng)作物和植物的生長(zhǎng)均有嚴(yán)重危害[1]。我國(guó)于2012年2月頒布了《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095-2012)，新增了O3監(jiān)測(cè)指標(biāo)和濃度限值[2]。

相關(guān)研究表明，城市臭氧生成量和生成速率不僅與氮氧化物、可揮發(fā)性有機(jī)物等前體物的濃度有關(guān)[3-5]，同時(shí)氣象因子對(duì)近地面O3質(zhì)量濃度有重要作用，但不同情況下，主導(dǎo)因子不盡相同。北京地區(qū)O3質(zhì)量濃度與太陽(yáng)輻射、溫度和日照時(shí)間呈正相關(guān)，春季最有利于O3質(zhì)量濃度增加的相對(duì)濕度區(qū)間在45%～50%，夏季和秋季最有利于O3生成的相對(duì)濕度區(qū)間在60%～65%，冬季相對(duì)濕度與O3質(zhì)量濃度呈明顯負(fù)相關(guān)；平均風(fēng)速在2.0～2.5 m/s最有利于O3質(zhì)量濃度增加[6]。當(dāng)杭州市紫外輻射大于0.06MJ/m2、氣溫高于25 ℃、相對(duì)濕度低于60%時(shí)，O3質(zhì)量濃度較易出現(xiàn)超標(biāo)情況[7]。劉建等[8]發(fā)現(xiàn)，珠三角地區(qū)氣溫高于27 ℃或相對(duì)濕度低于55%時(shí)，O3超標(biāo)率和平均濃度相對(duì)較高。

由于永安市2016年才開(kāi)始監(jiān)測(cè)臭氧質(zhì)量濃度，本文研究利用近4年(2016—2019年)永安市臭氧濃度觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析臭氧污染特征并探討永安發(fā)生臭氧污染時(shí)的氣象條件，以期為永安市臭氧污染預(yù)報(bào)與防治提供科學(xué)參考。

1 資料

所選用的資料為永安市生態(tài)環(huán)境局監(jiān)測(cè)的逐日臭氧最大8h平均質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)和永安國(guó)家基準(zhǔn)氣候站的地面氣象觀測(cè)資料，選取時(shí)段為2016年1月1日—2019年12月31日。臭氧污染等級(jí)的劃分參照《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ633-2012)，O3-8h濃度與空氣質(zhì)量分指數(shù)(IAQI)的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。

2 永安市臭氧濃度變化特征

2.1 O3-8h濃度的年變化

由表2可見(jiàn)，2016—2019年永安市O3-8h濃度﹥120μg/m3(永安市環(huán)保部門關(guān)心的臨界值)主要出現(xiàn)在3～11月，O3-8h濃度﹥160μg/m3主要出現(xiàn)在5～10月。研究期內(nèi)，O3-8h濃度在2016—2018年逐年增加，從2019年開(kāi)始逐漸減小，這很可能與地方政府相關(guān)部門開(kāi)展的環(huán)境整治有關(guān)。

表1 O3-8h濃度及其對(duì)應(yīng)的空氣質(zhì)量分指數(shù)和空氣質(zhì)量指數(shù)類別

表2 2016—2019年永安市各月O3-8h濃度﹥120μg /m3日數(shù)分布 單位：天

2.2 O3-8h濃度的月變化

圖1給出2016—2019年永安市各月O3-8h濃度平均值，其月變化呈現(xiàn)“M”型結(jié)構(gòu)，這和李霄陽(yáng)等[9]的研究結(jié)論一致，峰值出現(xiàn)在5月和9月，分別為82.0、90.5μg/m3，谷峰之間單調(diào)遞增。

圖1 2016—2019年永安市各月O3-8h濃度平均值

3 臭氧與輻射關(guān)系分析

輻射是觸發(fā)光化學(xué)反應(yīng)進(jìn)而生成臭氧的重要條件之一。從2016年1月1日—2019年12月31日永安國(guó)家基準(zhǔn)氣候站日總輻射曝輻量與O3-8h濃度的擬合曲線(見(jiàn)圖2)可以看到，兩者具有明顯的線性關(guān)系，O3-8h濃度隨日總輻射曝輻量增大而增大。在O3-8h濃度>160μg/m3的樣本中，日總輻射曝輻量最小值為2032W/m2，在O3-8h濃度>120μg/m3的樣本中，日總輻射曝輻量最小值為1335W/m2；然而，在日總輻射曝輻量>1335W/m2的條件下，仍然有65%的O3-8h濃度<100μg/m3，表明較高的日總輻射曝輻量是臭氧污染形成的必要但非充分條件。

圖2 2016年1月1日-2019年12月31日永安市

4 臭氧與氣象條件關(guān)系分析

由于3～11月是O3-8h濃度>120μg/m3的集中期，本文對(duì)O3-8h濃度與氣象要素關(guān)系的分析僅采用3～11月的數(shù)據(jù)。

4.1 O3-8h濃度與氣溫關(guān)系分析

由圖3可見(jiàn)，5～6月，O3-8h濃度出現(xiàn)一個(gè)明顯的回落，可能與這一期間頻繁的陰雨天氣導(dǎo)致日照不充足影響O3生成速率有關(guān)，但這期間氣溫依然維持在全年較高水平，氣溫日較差dT更能反映O3-8h濃度的回落，這和杜云松等[10]的研究結(jié)論一致。

圖3 2016—2019年永安市標(biāo)準(zhǔn)化后的氣溫

由表3可見(jiàn)，在3～11月，日最低氣溫Tmin和O3-8h濃度相關(guān)程度不明顯，日平均氣溫Tmean、日最高氣溫Tmax、氣溫日較差dT與O3-8h濃度都呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)均通過(guò)α=0.001的顯著性檢驗(yàn))，以日最高氣溫Tmax和氣溫日較差dT的相關(guān)系數(shù)為最高，其中氣溫日較差dT與O3-8h濃度的相關(guān)系數(shù)最大，達(dá)到0.71，明顯高于其他氣溫指標(biāo)。本文重點(diǎn)討論日最高氣溫Tmax和氣溫日較差dT與O3-8h濃度的相互關(guān)系。

表3 2016—2019年3～11月O3-8h濃度與

從2016—2019年3～11月永安國(guó)家基準(zhǔn)氣候站日最高氣溫Tmax與O3-8h濃度的散點(diǎn)圖和擬合曲線(圖4)可以看到，兩者具有明顯的正相關(guān)關(guān)系，Tmax越高，O3-8h濃度越大。當(dāng)O3-8h濃度>160μg/m3時(shí)，Tmax的最小值為28.5℃；當(dāng)O3-8h濃度>120μg/m3時(shí)，Tmax的最小值為19.5℃,表明溫度越高越有利于O3的生成。當(dāng)日最高氣溫Tmax高于28℃時(shí)，就應(yīng)警惕臭氧污染的發(fā)生。

從氣溫日較差dT與O3-8h濃度的散點(diǎn)圖和擬合曲線(圖5)來(lái)看，二者具有明顯的線性關(guān)系。當(dāng)O3-8h濃度>160μg/m3時(shí)，dT的最小值為13.2℃；當(dāng)O3-8h濃度>120μg/m3時(shí)，dT的最小值為9.7℃，表明氣溫日較差越大，越有利于O3的生成。當(dāng)氣溫日較差dT大于11℃時(shí)，就應(yīng)警惕臭氧污染的發(fā)生。

圖4 2016—2019年3～11月永安市O3-8h

圖5 2016—2019年3～11月永安市O3-8h

4.2 O3-8h濃度與相對(duì)濕度關(guān)系分析

考慮到臭氧污染主要出現(xiàn)在白天，而相對(duì)濕度的低值也主要出現(xiàn)在白天，因此，分析日最小相對(duì)濕度Umin與O3-8h濃度的關(guān)系。從2016—2019年3～11月永安國(guó)家基準(zhǔn)氣候站日最小相對(duì)濕度Umin與O3-8h濃度的散點(diǎn)圖和擬合曲線(見(jiàn)圖6)可以看到，兩者具有明顯的指數(shù)關(guān)系，O3-8h濃度隨日最小相對(duì)濕度Umin的減小而增大。3～11月，在O3-8h濃度>160μg/m3的樣本中，Umin最大值為44%；在O3-8h濃度>120μg/m3的樣本中，Umin最大值為51%；在日最小相對(duì)濕度<50%的條件下，有46%的O3-8h濃度>100μg/m3。當(dāng)Umin<45%時(shí)，需警惕臭氧污染的發(fā)生。

圖6 2016—2019年3～11月永安市O3-8h

4.3 O3-8h濃度與地面風(fēng)速、日降水量、總云量、日照時(shí)數(shù)關(guān)系分析

從表4可以看出，永安市O3-8h濃度與地面風(fēng)速、能見(jiàn)度沒(méi)有明顯的相關(guān)關(guān)系，與日降水量和總云量有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與日照時(shí)數(shù)有顯著的正相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)均通過(guò)α=0.001的顯著性檢驗(yàn)。

表4 2016—2019年3～11月O3-8h濃度與定時(shí)

在2016—2019年3～11月，當(dāng)日降水量達(dá)到中雨(10mm以上)級(jí)別的日數(shù)中，僅有1天臭氧濃度達(dá)到120μg/m3以上，但未形成臭氧污染；在小雨(0.1～10mm)的日數(shù)中，有1天臭氧濃度達(dá)到160μg/m3以上，有7天臭氧濃度達(dá)到120μg/m3以上；在無(wú)雨的時(shí)段，有4天臭氧濃度達(dá)到160μg/m3以上，有84天臭氧濃度達(dá)到120μg/m3以上。

分析O3-8h濃度與日照時(shí)數(shù)的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，當(dāng)O3-8h濃度>160μg/m3時(shí)，日照時(shí)數(shù)的平均值為9.2h，最少日照時(shí)數(shù)達(dá)7.6h，云量平均為3.5成，80%的日數(shù)云量在5成以下；當(dāng)O3-8h濃度>120μg/m3時(shí)，日照時(shí)數(shù)的平均值為9.2h，最少日照時(shí)數(shù)達(dá)4.0h，云量平均為3.6成，69%的日數(shù)云量在5成以下；而O3-8h濃度<100μg/m3的日數(shù)中，日照時(shí)數(shù)的平均值為4.0h，云量平均為8.1成，60%的日數(shù)日照時(shí)數(shù)小于5h,87%的日數(shù)云量在5成以上。由此，較少的云量、較長(zhǎng)的日照更有利于臭氧的生成。當(dāng)日照時(shí)間>7h時(shí)，需要警惕臭氧污染的發(fā)生。

綜上分析，和O3-8h濃度呈顯著相關(guān)的氣象要素為日最高氣溫、氣溫日較差、日最小相對(duì)濕度、日降水量、總云量和日照時(shí)數(shù)，而能見(jiàn)度、風(fēng)速和O3-8h濃度的關(guān)系不明顯。氣溫高、氣溫日較差大、濕度低、日照長(zhǎng)有利于臭氧生成。夏季高溫?zé)崂似陂g，海上更少的水汽輸送使得相對(duì)濕度減少，導(dǎo)致云量減少，造成達(dá)到地面的短波輻射通量增加，輻射是觸發(fā)光化學(xué)反應(yīng)進(jìn)而生成臭氧的重要條件之一，從而促進(jìn)臭氧生成。

5 臭氧污染日的主要?dú)庀筇卣骷?020年高濃度臭氧日氣象條件檢驗(yàn)

5.1 臭氧污染日的主要?dú)庀筇卣?/h3>

高濃度臭氧污染事件的產(chǎn)生與一定的氣象條件有關(guān)，2016年1月1日～2019年12月31日O3-8h濃度>160μg/m3的日期及其相應(yīng)的氣象條件詳見(jiàn)表5。

表5 高濃度臭氧出現(xiàn)日期及其相應(yīng)的氣象條件

5.2 2020年高濃度臭氧日氣象條件檢驗(yàn)

2020年3月1日～2020年8月31日，滿足表6高濃度臭氧潛勢(shì)氣象條件判定標(biāo)準(zhǔn)的共有39天，其中O3-8h濃度>120μg/m3有9天，全都含在這39天內(nèi)；O3-8h濃度>100μg/m3有28天，有18天含在這39天內(nèi)。由此可見(jiàn)，表6所列高濃度臭氧潛勢(shì)氣象條件判定標(biāo)準(zhǔn)是高濃度臭氧日出現(xiàn)的充分非必要條件，對(duì)臭氧污染的預(yù)報(bào)具有一定的指導(dǎo)意義。

表6 高濃度臭氧潛勢(shì)氣象條件判定標(biāo)準(zhǔn)

6 結(jié)論

①永安市O3-8h濃度在2016—2018年逐年增加，2019年開(kāi)始逐漸減少。月變化呈現(xiàn)“M”型結(jié)構(gòu)，峰值出現(xiàn)在5月和9月，濃度大于120μg/m3主要出現(xiàn)在3～11月。

②O3-8h濃度與日總輻射曝輻量、日最高氣溫、氣溫日較差、日照時(shí)數(shù)呈顯著正相關(guān)，與相對(duì)濕度、日降水量和總云量呈顯著負(fù)相關(guān)。能見(jiàn)度、地面風(fēng)速和O3-8h濃度的關(guān)系不明顯。

③當(dāng)日最高氣溫大于28℃，氣溫日較差大于11℃，日最小相對(duì)濕度小于45%，日降雨量小于10mm，日照時(shí)長(zhǎng)大于7h時(shí)，需要警惕臭氧污染的發(fā)生。

④臭氧濃度受污染物的排放和氣象條件等多方因素的影響，高濃度臭氧潛勢(shì)氣象條件的判定標(biāo)準(zhǔn)還需進(jìn)一步研究。