佛山市臭氧污染的氣象條件

步巧利，黃先香

（佛山市氣象局，廣東佛山 528000）

近年來(lái)，隨著人為排放控制措施的有效實(shí)施，細(xì)顆粒物濃度明顯下降，但近地面臭氧卻呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。近地面臭氧質(zhì)量濃度過(guò)高會(huì)對(duì)人類(lèi)健康、氣候和生態(tài)環(huán)境造成不利影響，因此臭氧污染問(wèn)題日益受到人們的重視［1-3］。

近地面臭氧是由氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）和揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）在大氣中發(fā)生的一系列光化學(xué)反應(yīng)的二次產(chǎn)物，所以臭氧污染除了與前體物排放和化學(xué)過(guò)程有關(guān)外，還與氣象要素密切相關(guān)，有研究表明同一排放源在不同氣象條件下產(chǎn)生的污染相差巨大［4］。為解決臭氧污染問(wèn)題，近年來(lái)，很多學(xué)者從臭氧質(zhì)量濃度的時(shí)空變化特征［1，5-6］、臭氧與氣象要素的關(guān)系方面開(kāi)展了許多研究［7-9］。也有學(xué)者基于數(shù)值模擬［8，10］、人工智能［8，11］和統(tǒng)計(jì)分析等［12-19］手段來(lái)模擬和預(yù)測(cè)近地面臭氧的時(shí)空分布，發(fā)布高濃度臭氧的預(yù)警。佛山地處珠三角腹地，私家車(chē)保有量和人口密度大，外加陶瓷和家具產(chǎn)業(yè)的繁榮，人為排放源強(qiáng)度較高，臭氧污染較嚴(yán)重。而現(xiàn)階段針對(duì)佛山地區(qū)系統(tǒng)的臭氧污染特征及其預(yù)報(bào)的研究尚不夠完善。本研究利用2017至2020年佛山市8個(gè)國(guó)家環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)的臭氧監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和3個(gè)國(guó)家基本氣象站的氣象要素?cái)?shù)據(jù)，分析佛山市近地面臭氧質(zhì)量濃度的時(shí)空變化規(guī)律及其與氣象要素的關(guān)系，以期為臭氧污染監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)和污染防治提供決策依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究所用臭氧質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)來(lái)自佛山市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站的8個(gè)國(guó)家環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)（三水云東海、三水監(jiān)測(cè)站、南海氣象局、華材職中、灣梁、高明孔堂、容桂街道辦、順德蘇崗）的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；氣象數(shù)據(jù)（氣溫、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度、降雨量、風(fēng)速）來(lái)源于佛山市3個(gè)國(guó)家基本氣象站（三水、南海、順德）。數(shù)據(jù)時(shí)間為2017年1月1日至2020年12月31日。在數(shù)據(jù)處理中，日數(shù)據(jù)是求取每天00：00—23：00（北京時(shí)，下同）的24 h小時(shí)數(shù)據(jù)的算術(shù)均值（由于近地面臭氧主要來(lái)源于光照條件下生成的二次污染物，因此臭氧質(zhì)量濃度日均值取臭氧日最大8 h滑動(dòng)平均質(zhì)量濃度）；全市平均是指8個(gè)國(guó)家環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)的算術(shù)平均值?？諝赓|(zhì)量指數(shù)（air quality index，AQI）超標(biāo)日是指當(dāng)日AQI日均值超過(guò)100即為超標(biāo)。

1.2 方法

佛山處于南亞熱帶南緣，根據(jù)華南氣候特征，定義汛期（4—9月，其中前汛期4—6月，后汛期7—9月）和非汛期（10月—次年3月）。利用線(xiàn)性相關(guān)、滑動(dòng)平均等統(tǒng)計(jì)方法分析佛山市近地面臭氧質(zhì)量濃度的時(shí)空變化特征及其與氣象條件的關(guān)系。參照《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095-2012）中臭氧日最大8 h平均質(zhì)量濃度超過(guò)160μg/m3時(shí)為超標(biāo)日（超過(guò)4個(gè)國(guó)控站點(diǎn)出現(xiàn)即算當(dāng)日超標(biāo)），按照綜合氣象條件對(duì)臭氧污染的影響進(jìn)行評(píng)分［12-13］。

Tie等［19］利用箱模式分析了北京冬季灰霾的成因，城市的長(zhǎng)、寬和邊界層高度構(gòu)成了箱，假定顆粒物在箱內(nèi)融合得很好，且邊界層和自由大氣之間的顆粒物傳輸忽略不計(jì)，統(tǒng)計(jì)PM2.5質(zhì)量濃度小時(shí)變率（當(dāng)前時(shí)次與前一時(shí)次質(zhì)量濃度之差）和地面10 m風(fēng)之間的關(guān)系，得到了平衡風(fēng)速，也就是當(dāng)水平風(fēng)速大于平衡風(fēng)速時(shí)，有利于污染物的擴(kuò)散，反之則不利。本研究用到的氣象要素指標(biāo)的計(jì)算方法是Bu Qiaoli等［18］基于Tie等［19］提出的平衡風(fēng)速的概念獲得的，也就是統(tǒng)計(jì)污染物變率隨氣象要素的變化關(guān)系，從而得到定量化的氣象要素指標(biāo)。其中臭氧污染物變率是由當(dāng)天臭氧8 h質(zhì)量濃度值與前一天的質(zhì)量濃度值之差獲得。

2 結(jié)果與分析

2.1 臭氧年變化

統(tǒng)計(jì)可知，2017年1月1日至2020年12月31日佛山市8個(gè)國(guó)家環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)總?cè)諗?shù)為10 976 d。全市AQI超標(biāo)日數(shù)為250 d，臭氧超標(biāo)日數(shù)為195 d，臭氧超標(biāo)日數(shù)占AQI超標(biāo)日數(shù)的78%，其中中度污染日數(shù)占AQI超標(biāo)日數(shù)的14.4%，重度污染天數(shù)占AQI超標(biāo)日數(shù)的2.4%。

表1給出了2017—2020年佛山市臭氧質(zhì)量濃度的統(tǒng)計(jì)值，可以看出臭氧年均質(zhì)量濃度、后汛期質(zhì)量濃度和超標(biāo)日數(shù)總體均呈下降趨勢(shì)，但在2019年出現(xiàn)峰值；非汛期質(zhì)量濃度先增加后減少，也在2019年出現(xiàn)峰值；從超標(biāo)情況來(lái)看，中度污染每年都有出現(xiàn)，2017和2019年出現(xiàn)天數(shù)較多，重度污染除2019年外，其他年份都有出現(xiàn)?？傮w來(lái)看，后汛期質(zhì)量濃度高于前汛期，汛期質(zhì)量濃度高于非汛期，這主要是由于臭氧是光化學(xué)反應(yīng)生成的二次污染物，與氣溫和日照呈正相關(guān)，而汛期溫度和日照時(shí)數(shù)要高于非汛期，后汛期又高于前汛期。

表1 2017—2020年臭氧質(zhì)量濃度逐年變化

2.2 臭氧月和季節(jié)變化

從逐月變化（圖1）來(lái)看，臭氧8 h質(zhì)量濃度和超標(biāo)日數(shù)最高值均出現(xiàn)在9、10月，次峰出現(xiàn)在5月，最低值出現(xiàn)在12月，這種月變化差異與氣象條件的調(diào)節(jié)有關(guān)。臭氧8 h質(zhì)量濃度和超標(biāo)日數(shù)表現(xiàn)為后汛期明顯高于前汛期、汛期明顯高于非汛期的季節(jié)變化特征，和年變化一致。從臭氧超標(biāo)日數(shù)來(lái)看，1到12月均有臭氧超標(biāo)現(xiàn)象，且汛期（4—9月）臭氧超標(biāo)日數(shù)累積均超過(guò)10 d。臭氧中度污染在8到10月出現(xiàn)日數(shù)較多，1、2、3和12月未出現(xiàn)臭氧中度污染日。

圖1 臭氧8 h質(zhì)量濃度和超標(biāo)日數(shù)逐月變化

2.3 臭氧的日變化

圖2給出了佛山市全市平均臭氧質(zhì)量濃度全年、汛期、前汛期、后汛期和非汛期的逐時(shí)變化。

圖2 2017—2020年佛山市全市平均臭氧質(zhì)量濃度日變化

由圖2可以看出日變化規(guī)律均呈單峰分布，夜間質(zhì)量濃度較低，06：00—08：00質(zhì)量濃度為谷值，隨后質(zhì)量濃度開(kāi)始大幅上升，峰值出現(xiàn)在14：00—16：00，之后質(zhì)量濃度又逐漸降低，這種變化特征主要是受太陽(yáng)輻射白天強(qiáng)、夜間弱的日變化規(guī)律影響。其中汛期谷值和峰值出現(xiàn)時(shí)間要早于非汛期1 h，與惠州的日變化類(lèi)似［16］。

2.4 臭氧污染的逐日氣象條件

統(tǒng)計(jì)可知，臭氧超標(biāo)多出現(xiàn)在氣溫較高、風(fēng)速偏小、相對(duì)濕度低、日照時(shí)數(shù)長(zhǎng)、無(wú)降水或微弱降水的天氣，全年來(lái)看，臭氧8 h平均質(zhì)量濃度為193.41μg/m3，日均風(fēng)速為1.78 m/s，平均氣溫27.35℃，相對(duì)濕度68.67%，降水量為1.92 mm，日照時(shí)數(shù)為7.82 h。汛期、非汛期和全年表現(xiàn)一致（表2）。

表2 佛山市全年、汛期和非汛期臭氧污染與氣象條件分析

為了進(jìn)一步量化氣象條件對(duì)臭氧的影響，基于BU QiaoLi［18］創(chuàng)建的氣象要素閾值方法計(jì)算影響佛山市臭氧8 h質(zhì)量濃度的各氣象指標(biāo)，臭氧變化率是指當(dāng)天臭氧質(zhì)量濃度和前一天臭氧質(zhì)量濃度的差值再與當(dāng)天臭氧質(zhì)量濃度的比值，公式為臭氧變化率=。

臭氧變化率有正有負(fù)，將氣象要素劃分成不同的區(qū)間，統(tǒng)計(jì)不同氣象要素區(qū)間的臭氧變化率算數(shù)平均值，計(jì)算后發(fā)現(xiàn)存在一個(gè)氣象要素的臨界值，當(dāng)大于或小于該臨界值時(shí)，臭氧變化率出現(xiàn)正、負(fù)轉(zhuǎn)換，該臨界值就是“氣象要素閾值”。

臭氧是光化學(xué)反應(yīng)生成的二次污染物，和光照、氣溫密切相關(guān)；而水平風(fēng)速的大小對(duì)污染物濃度的擴(kuò)散和稀釋能力起著非常重要的作用。統(tǒng)計(jì)佛山不同風(fēng)速、氣溫和日照時(shí)數(shù)區(qū)間臭氧8 h質(zhì)量濃度變化率，風(fēng)速區(qū)間設(shè)置為0.2 m/s、氣溫區(qū)間設(shè)置為1℃、日照時(shí)數(shù)區(qū)間設(shè)置為1 h，得到不同氣象要素的閾值。

由圖3a可以看出，當(dāng)日均風(fēng)速小于2 m/s時(shí)，臭氧變化率為正，有利于臭氧質(zhì)量濃度的上升。從風(fēng)速大小來(lái)看，當(dāng)日均風(fēng)速介于3.4～4.0 m/s時(shí)，臭氧8 h質(zhì)量濃度減少最明顯，說(shuō)明此時(shí)水平傳輸可以快速清除臭氧污染，從大氣污染防治決策的角度考慮；當(dāng)水平風(fēng)速介于2.0～3.4 m/s時(shí)，風(fēng)速對(duì)顆粒物的清除能力有限，臭氧質(zhì)量濃度下降速率很低，此時(shí)如果發(fā)生重污染，需要采取應(yīng)急減排措施；而當(dāng)水平風(fēng)速介于3.4～4.0 m/s時(shí)，臭氧質(zhì)量濃度下降速率顯著增大，表明水平傳輸可以快速清除臭氧污染，此時(shí)若有污染則無(wú)需采取應(yīng)急減排措施。

從圖3b和圖3c來(lái)看，當(dāng)平均氣溫高于28℃、日照時(shí)數(shù)大于4 h時(shí)，臭氧變化率為正，也就是有利于臭氧質(zhì)量濃度的增加。

圖3 2017—2020年不同要素區(qū)間的臭氧8 h平均變化率及其3點(diǎn)滑動(dòng)平均

3 結(jié)論

1）佛山市臭氧污染具有明顯的日、月、季和年變化特征。日變化呈單峰分布，06：00—08：00最低，14：00—16：00最高。臭氧平均質(zhì)量濃度9月最高、12月最低。后汛期臭氧質(zhì)量濃度高于前汛期，汛期質(zhì)量濃度高于非汛期。2017—2020年年均、汛期的質(zhì)量濃度和超標(biāo)日數(shù)總體呈下降趨勢(shì)；

2）當(dāng)日均風(fēng)速小于2 m/s，平均氣溫高于28℃，日照時(shí)數(shù)大于4 h時(shí)，臭氧變化率為正，有利于臭氧質(zhì)量濃度的增加。