青海省海東市高海拔地區(qū)臭氧時(shí)空變化與氣象條件影響分析

閆學(xué)全，曹東山

(1.海東市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，青海 平安 810600；2.海東市互助縣生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，青海 互助 810500)

對(duì)流層臭氧(O3)是揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)和氮氧化物(NOx)在太陽光照射下發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物，是典型的二次污染物，也是造成我國區(qū)域大氣復(fù)合污染的重要因素[1]。當(dāng)對(duì)流層臭氧特別是近地面臭氧超過自然水平時(shí)，會(huì)對(duì)人體健康、生態(tài)系統(tǒng)、氣候變化等方面產(chǎn)生顯著影響，近年來我國O3問題日益顯現(xiàn)，當(dāng)前已成為影響環(huán)境空氣質(zhì)量、影響人民群眾健康安全的重要因素，部分地區(qū)污染天中臭氧污染天占比已超過顆粒物污染占比[1-2]。

尤其是近年來眾多城市氣溫高于往年同期[3]，且海東市在內(nèi)的大多數(shù)城市以O(shè)3為首要污染物的日期均有所提前[4-5]。O3濃度受很多氣象因素共同影響，與太陽輻射、溫度和日照時(shí)間成正相關(guān)[6]。近年來我國如京津冀、長三角、珠三角和川渝地區(qū)關(guān)于O3成因和污染特征分析的研究十分注重。但針對(duì)西藏、青海地區(qū)尤其是城市群O3研究比較缺乏，而且多關(guān)于平流層和對(duì)流層的輸送問題，對(duì)于局地臭氧污染關(guān)注很少。雖然相比于其他城市，青海整體空氣質(zhì)量較好，但城市臭氧也已成為影響或造成污染天氣出現(xiàn)的主要原因之一。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，2019—2021年海東市分別出現(xiàn)5天、3天、5天臭氧輕度污染天，約占全年有效天的1%～2%，約占污染天比重的20%～30%，O3濃度逐年呈上升趨勢(shì)，O3污染天在全年污染天中占比較大，污染較為突出。因此做好O3管控工作對(duì)提升海東市環(huán)境空氣質(zhì)量顯得尤為重要。本文為研究海東市O3污染特征及其影響因素，統(tǒng)計(jì)海東市2019—2021年的地面監(jiān)測數(shù)據(jù)與相對(duì)應(yīng)的氣象條件，探究O3和氣象條件的相關(guān)性。

1 材料與方法

1.1 采樣地點(diǎn)與時(shí)間

本研究收集了海東市2019—2021年國控環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測站臭氧濃度，空氣污染資料來源于海東市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站和全國空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布平臺(tái)。

1.2 評(píng)價(jià)方法

大氣中的O3評(píng)價(jià)體系參考《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ 633-2012)[7]，本文除了小時(shí)均值外(O3-1h)，還將臭氧日最大8小時(shí)滑動(dòng)平均濃度(MDA8，記為O3-8h)，用于評(píng)價(jià)長時(shí)間積累臭氧濃度的趨勢(shì)判斷指標(biāo)，具體參考《環(huán)境空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范(試行)》(HJ663-2013)[8]。針對(duì)海東市，將8小時(shí)最大滑動(dòng)平均值的第90百分位數(shù)(MDA8-90)作為年評(píng)價(jià)值。用于評(píng)價(jià)該城市整體污染情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 臭氧污染時(shí)空特征

2.1.1年際變化

海東市O3-1h平均濃度和O3-8h平均濃度見表 1。2019—2021年O3-1h年平均濃度56～59μg·m-3，均值58μg·m-3，誤差±2μg·m-3；O3最大8h平均濃度97～99μg·m-3，均值98μg·m-3，誤差±1μg·m-3；O3最大8h濃度第90百分位數(shù)136～138μg·m-3，均值137μg·m-3，誤差±1μg·m-3。分別出現(xiàn)5天、3天、5天輕度污染天，一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)超標(biāo)小時(shí)數(shù)分別為71天、27天、36天，整體有所下降。近三年海東市O3污染天約占全年有效天的1%～2%，約占污染天比重的20%～30%。O3污染天在全年污染天中占比較大，污染較為突出。相比于其他地區(qū)，如同時(shí)期成都平原O3-8h濃度和超標(biāo)率達(dá)145μg·m-3和38%[4-5]，2019年海南省O3-8h為145μg·m-3[9]，雖然海東市無持續(xù)污染天數(shù)段，但O3濃度也不容忽視。

表1 海東市O3-1h和O3-8h濃度統(tǒng)計(jì)/μg·m-3

2.1.2月變化

3年月平均濃度情況和污染天情況見圖 1。月平均濃度與污染天數(shù)月變化趨勢(shì)基本一致，都與太陽輻射和溫度呈正相關(guān)，隨著月份先上升再下降。O3月平均濃度呈單峰型，夏季濃度較高，冬季濃度較低。7月平均濃度最高，為151μg·m-3，12月最低，為68μg·m-3，峰值大致是谷值的2.2倍。在污染超標(biāo)天數(shù)方面，O3超標(biāo)日主要在6～8月出現(xiàn)，其中6月超標(biāo)天數(shù)最少，8月最多，均為輕度污染天。

圖1 2019—2021年總超標(biāo)天數(shù)及O3濃度逐月變化圖

2.1.3日變化

圖2 2019—2021年O3-1h平均濃度變化圖

2.1.4周末效應(yīng)

選取2019—2021年周六至周日和周一至周五(工作日已排除節(jié)假日)，繪制O3周末效應(yīng)圖。周末O3濃度高于工作日，早、晚高峰期最為明顯，主要原因是周末生成的VOCs和NO減少，NO抑制比平時(shí)弱；其余時(shí)間段對(duì)比效果不明顯。整體分析，周末效應(yīng)對(duì)海東市O3濃度影響不明顯。

圖3 2019—2021年O3周末效應(yīng)圖

2.2 氣象條件與臭氧關(guān)系

O3污染和天氣要素相關(guān)研究較多，現(xiàn)有研究多認(rèn)為強(qiáng)暖性、O3擴(kuò)散條件差的氣象條件易發(fā)生O3重污染事件[10]。通過近三年O3濃度變化特征分析，海東市5～9月污染問題較為突出。進(jìn)一步將同時(shí)期氣象數(shù)據(jù)提取分析，對(duì)比氣象數(shù)據(jù)與O3濃度的關(guān)系，計(jì)算氣象要素和O3的相關(guān)性，得到溫度、濕度、輻射、風(fēng)速與O3的相關(guān)性，見表2。如表所示，溫度、濕度、風(fēng)速和太陽輻射與臭氧濃度的相關(guān)性均較高，說明都是臭氧生成的主要影響因素。結(jié)合單獨(dú)氣象要素進(jìn)一步分析O3污染條件。

表2 海東市氣象與O3濃度的相關(guān)系數(shù)

2.2.1溫度

圖4 溫度對(duì)O3濃度的影響

2.2.2濕度

根據(jù)近三年相對(duì)濕度及O3濃度相關(guān)性分析，兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。從24小時(shí)變化圖來看，伴隨相對(duì)濕度的上升-下降-上升，臭氧濃度出現(xiàn)與之相反的趨勢(shì)，O3濃度高值時(shí)段相對(duì)濕度偏小(約50%以下)。從不同濕度條件下O3濃度超標(biāo)率情況看，相對(duì)濕度低于30%時(shí)，超標(biāo)率高達(dá)12.2%；相對(duì)濕度在30%～40%時(shí)，超標(biāo)率為5.1%，相對(duì)濕度大于50%時(shí)，超標(biāo)率明顯下降。隨著相對(duì)濕度的增加O3的生成速率減緩，其次大氣中的水蒸氣也會(huì)吸收太陽輻射，減少O3生成。高濕并不利于O3累積，較干燥的氣象條件利于累積。當(dāng)相對(duì)濕度小于40%時(shí)，O3超標(biāo)率明顯增加。

圖5 不同溫度區(qū)間O3濃度和超標(biāo)率變化

2.2.3太陽輻射

從24小時(shí)變化圖來看，輻射強(qiáng)度與O3濃度均為單峰型分布，且均于午后達(dá)到日最高值，同時(shí)O3濃度峰值比太陽輻射峰值滯后1～2h，說明O3濃度隨著太陽輻射增大而增大。太陽總輻射主要通過光化學(xué)反應(yīng)作用影響O3生成速率，故O3與太陽總輻射相關(guān)性顯著。從不同輻射強(qiáng)度條件下O3濃度超標(biāo)率情況看，輻射強(qiáng)度小于500W·m-2時(shí)，超標(biāo)率為0；500～700W·m-2時(shí)，超標(biāo)率為3.2%；700～800W·m-2時(shí)，超標(biāo)率為11.6%；800～900W·m-2時(shí)，超標(biāo)率為11.9%；大于900 W·m-2時(shí)，超標(biāo)率為23.5%。輻射強(qiáng)度達(dá)到900 W·m-2以上時(shí)，超標(biāo)概率較大。

圖6 相對(duì)濕度對(duì)O3濃度的影響

圖7 不同相對(duì)濕度區(qū)間O3濃度和超標(biāo)率變化

圖8 輻射強(qiáng)度對(duì)O3濃度的影響

2.2.4風(fēng)向風(fēng)速

風(fēng)向風(fēng)速因素在O3及其前體物的區(qū)域分布中占據(jù)重要地位。統(tǒng)計(jì)近三年風(fēng)向可知，海東市以東風(fēng)為主，風(fēng)頻為41%。當(dāng)主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|、東南或西北方向時(shí)污染物的濃度比較高(平均濃度大于80μg·m-3)(圖 10)。從24小時(shí)變化圖來看，風(fēng)速與O3濃度呈單峰型分布，伴隨風(fēng)速的增加，O3濃度呈下降趨勢(shì)。風(fēng)速越大，水平擴(kuò)散能力越強(qiáng)，越有利于空氣中O3的擴(kuò)散；風(fēng)速越小，O3越容易積累。

圖9 不同輻射強(qiáng)度O3濃度和超標(biāo)率變化

圖10 臭氧風(fēng)頻玫瑰圖

圖11 風(fēng)速對(duì)O3濃度的影響

3 結(jié)論

(2)氣象因素中溫度、輻射強(qiáng)度、濕度、風(fēng)向風(fēng)速對(duì)O3濃度有著顯著的影響。溫度、輻射強(qiáng)度、小風(fēng)速與O3濃度有著正相關(guān)關(guān)系，O3濃度隨溫度變化顯著，但對(duì)于輻射強(qiáng)度來講，需要一定時(shí)間(大于 8h)才能使?jié)舛蕊@著升高，當(dāng)主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|、東南或西北方向時(shí)，臭氧污染較為嚴(yán)重，同時(shí)在弱風(fēng)或靜風(fēng)條件下，容易導(dǎo)致污染物累積，導(dǎo)致空氣中O3濃度增大。濕度與O3濃度有著負(fù)相關(guān)關(guān)系。當(dāng)溫度大于25℃，濕度小于40%，太陽輻射強(qiáng)度大于900 W·m-2、晴天無雨、弱風(fēng)或靜風(fēng)、主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|、東南或西北時(shí)，臭氧超標(biāo)率高；低溫、高濕、低輻射、雨天以及大風(fēng)等氣象條件下，臭氧超標(biāo)率低。