北戴河臭氧污染及氣象背景研究

張寶貴 張建東 楊宗記 李飏

摘要：基于北戴河、樂亭氣象觀測站太陽總輻射照度等氣象數(shù)據(jù)和北戴河環(huán)保監(jiān)測站的臭氧監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析2014年-2020年北戴河區(qū)域臭氧1小時(shí)平均濃度超標(biāo)狀況、引起超標(biāo)狀況的氣象背景，結(jié)果表明：臭氧污染呈明顯上升趨勢，當(dāng)太陽總輻射照度>700 W／m2維持時(shí)間在3小時(shí)以上，地面水平風(fēng)速≤1.4m/s極容易造成臭氧污染。在顯著性水平a=0.05條件下，臭氧污染時(shí)數(shù)與氣溫、空氣相對濕度、污染前3小時(shí)總輻照度、能見度呈正相關(guān)，與氣壓、污染期間總輻照度、風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)，且臭氧污染時(shí)數(shù)與風(fēng)速和污染期間總輻照度的相關(guān)性最顯著。

關(guān)鍵詞：臭氧；氣象背景；太陽總輻射照度；分析

中圖分類號：X515 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

前言

臭氧是自由大氣的成分之一，主要存在于地球12 km-35 km的平流層中，太陽紫外線照射作用下，氧氣被分解成氧原子，氧原子與氧氣結(jié)合形成臭氧，富集較多臭氧的空氣層構(gòu)成臭氧層。平流層中的臭氧對屏蔽、吸收太陽紫外輻射，保護(hù)地球生態(tài)環(huán)境不受紫外線侵害起關(guān)鍵作用，但是對流層底部尤其是人類生活空間（大氣邊界層底部0 m-100 m高度）存在的臭氧卻是空氣污染物之一，而且它既是光化學(xué)產(chǎn)物，還參與、誘發(fā)其它光化學(xué)反應(yīng)，造成鏈?zhǔn)焦饣瘜W(xué)污染。

地面空氣中，臭氧污染產(chǎn)生需要一定的條件，首要條件是前體污染物，它是光化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，另一個(gè)條件是光化學(xué)反應(yīng)的環(huán)境（氣象背景等）。目前，臭氧研究的范圍和深度都在不斷拓展，例如何濤認(rèn)為“長三角區(qū)域的O3污染與本區(qū)域的人為源大氣污染物排放有著極為密切的關(guān)聯(lián)”；高文康研究京津冀地區(qū)的臭氧“在春、夏季呈單峰分布，白天15：00左右出現(xiàn)最大值”；還有學(xué)者認(rèn)為O3質(zhì)量濃度變化與氣象要素密切相關(guān)等；梁永賢：“VOCs人為源排放對深圳臭氧貢獻(xiàn)表現(xiàn)為正值，說明在深圳控制臭氧濃度的關(guān)鍵是控制人為VOCs排放源”；楊峰在研究臭氧污染治理方法的結(jié)論中特別強(qiáng)調(diào)“國家產(chǎn)業(yè)政策和污染治理體系在污染控制和環(huán)保方面是根本性的”；田云有“太陽輻射為大氣光化學(xué)反應(yīng)生成O3提供驅(qū)動力”的論述等，不勝枚舉。

1數(shù)據(jù)與研究方法

1.1數(shù)據(jù)來源與數(shù)據(jù)處理

所用數(shù)據(jù)為環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)以及氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)分別是臭氧1小時(shí)平均濃度、太陽總輻射照度、空氣能見度、氣溫、空氣相對濕度、氣壓。數(shù)據(jù)采樣地點(diǎn)（經(jīng)緯度、海拔高度）分別是北戴河氣象觀測站（39°51′11.23″N、119°30′40.33″E，ALT 2.4 m）、北戴河區(qū)環(huán)保局觀測站（119°.43′62.49″E、39°.89′96.24″N，ALT 0.5m，）、樂亭縣氣象觀測站（39°25′11.47.22″N、118°53′40.31.52″E，ALT 9.7 m），以北戴河氣象觀測站為中心，北戴河環(huán)保局觀測站在其西南，距離北戴河氣象觀測站2.5 km，樂亭縣氣象觀測站在其西南，距離北戴河氣象觀測站38km。臭氧1小時(shí)濃度數(shù)據(jù)來自于北戴河區(qū)環(huán)保局，太陽總輻射照度數(shù)據(jù)來自于樂亭縣氣象觀測站，其余數(shù)據(jù)來自于北戴河氣象觀測站。

環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3095-2012）規(guī)定“臭氧1小時(shí)平均（1-hour average）為任何1小時(shí)污染物濃度的算術(shù)平均值”，同樣日、月、季、年平均值均為“各個(gè)自然時(shí)間段的算術(shù)平均值”。臭氧1小時(shí)平均濃度超標(biāo)（二類）的閾值是200 ug/m3，大于200ug／m3即為超過國家標(biāo)準(zhǔn)（二類）。在數(shù)據(jù)處理中，如果當(dāng)日臭氧1小時(shí)平均濃度出現(xiàn)1次（1小時(shí)）或1次以上>200 ug/m3即為當(dāng)日臭氧超標(biāo)。數(shù)據(jù)采集時(shí)間節(jié)點(diǎn)自2014年1月1日00：00時(shí)始至2020年12月31日23：00時(shí)止。

1.2研究方法

使用Excel軟件和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，對環(huán)境和氣象要素的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，繪制相關(guān)要素平均值的變化圖表，計(jì)算臭氧1小時(shí)平均濃度的超標(biāo)時(shí)數(shù)與相關(guān)氣象要素平均值的相關(guān)系數(shù)，在顯著性水平a=0.05的前提下，對相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2分析與結(jié)果

2.1臭氧污染分布及基本特征

2.1.1臭氧污染年變化

2014年至2020年北戴河臭氧污染的年分布如圖1（折線圖部分）所示，2014年全年臭氧1小時(shí)平均濃度超標(biāo)時(shí)數(shù)為2小時(shí)，2015年增加為57小時(shí)，2016年以后超標(biāo)時(shí)數(shù)激增，除2018年90小時(shí)以外，其余年份，分別為2016年122小時(shí)、2017年241小時(shí)、2019年280小時(shí)、2020年160小時(shí)，7年合計(jì)超標(biāo)952小時(shí)，且呈逐年快速增長趨勢。以超標(biāo)天數(shù)計(jì)，臭氧1小時(shí)平均濃度2014年超標(biāo)2天，2015年29天，2016年36天，2017年45天，2018年28天，2019年52天，2020年34天，合計(jì)共超標(biāo)226天，其中2019年為最多年份。

臭氧1小時(shí)平均濃度的年均值變化，從2014年的年平均40 ug/m3，增加到2020年的年平均75ug/m3（2014年-2020年7年均值為62.1 ug/m3），其年均值呈逐年上升趨勢。圖中各年度臭氧1小時(shí)超標(biāo)濃度均值，歷年相差不明顯，最小值是210.5ug/m3，最大值為243.8 ug/m3，最高年份比最低年份的平均值高33.3 ug/m3，超標(biāo)濃度7年平均值為233.5 ug/m3。

臭氧1小時(shí)平均濃度超標(biāo)有時(shí)連續(xù)出現(xiàn)（圖略），在7年總共952小時(shí)的超標(biāo)過程中，統(tǒng)計(jì)≥2小時(shí)超標(biāo)次數(shù)，則連續(xù)2小時(shí)超標(biāo)41次、連續(xù)3小時(shí)超標(biāo)27次、連續(xù)4小時(shí)超標(biāo)25次，連續(xù)5小時(shí)超標(biāo)14次，連續(xù)6小時(shí)超標(biāo)10次，連續(xù)7小時(shí)超標(biāo)15次，連續(xù)8小時(shí)超標(biāo)8次，連續(xù)9小時(shí)超標(biāo)4次，連續(xù)10小時(shí)超標(biāo)11次，連續(xù)11小時(shí)超標(biāo)7次，連續(xù)12小時(shí)超標(biāo)4次，連續(xù)13小時(shí)超標(biāo)2次，合計(jì)168次連續(xù)超標(biāo)，單次連續(xù)超標(biāo)時(shí)間最長為13小時(shí)。臭氧1小時(shí)平均濃度在連續(xù)超標(biāo)3小時(shí)以下為161次（占比61.7%），合計(jì)為256小時(shí)（占比26.9%）。

2.1.2臭氧污染月平均分布

如圖2所示臭氧1小時(shí)1月-12月日常平均濃度和超標(biāo)濃度月分布情況，日常臭氧1小時(shí)月平均濃度呈中間高兩邊低的單峰型，6月份最高為107.9ug/m3，12月份最低為15.4 ug/m3，日常月均值為61.9 ug/m3；圖中，超標(biāo)臭氧濃度6月份最高為240.5ug／m3，1月份最低為205.5 ug/m3，12月份無超標(biāo)發(fā)生，1-12月超標(biāo)臭氧平均濃度為223.8 ug/m3。

統(tǒng)計(jì)各月出現(xiàn)的臭氧超標(biāo)時(shí)數(shù)（圖略），分別為1月份2小時(shí)、2月份1小時(shí)、3月份2小時(shí)、4月份66小時(shí)、5月份189小時(shí)、6月份273小時(shí)、7月份216小時(shí)、8月份95小時(shí)、9月份100小時(shí)、10月份5小時(shí)、11月份3小時(shí)，12月份無超標(biāo)狀況出現(xiàn)，合計(jì)952小時(shí)。超標(biāo)時(shí)數(shù)較多月份為5-7月合計(jì)為678小時(shí)，占比為71.2%，8月-9月份超標(biāo)時(shí)數(shù)合計(jì)為195小時(shí)占比為20.5%。

2.1.3臭氧污染24小時(shí)分布特點(diǎn)

臭氧污染一般從中午開始并持續(xù)到下午或午夜，如圖3所示24小時(shí)00：00-23：00時(shí)臭氧濃度、超標(biāo)時(shí)數(shù)分布。各時(shí)刻“超標(biāo)時(shí)數(shù)”見圖中黑色柱狀圖，凌晨00：00-04：00超標(biāo)時(shí)數(shù)依次為14、6、6、3、2小時(shí)，其中05：00-09：00無超標(biāo)，自10：00時(shí)超標(biāo)時(shí)數(shù)逐漸增多，到下午16：00時(shí)達(dá)到峰值（127小時(shí)），17：00-23：00呈下降態(tài)勢。超標(biāo)最多時(shí)段在15：00-18：00時(shí)，超標(biāo)分別為109、127、115、110小時(shí)。

超標(biāo)臭氧濃度24小時(shí)各時(shí)刻分布（參考主要縱坐標(biāo)軸、空心柱狀圖）呈起伏狀態(tài)，00：00-04：00濃度緩慢降低（05：00-09：00時(shí)無超標(biāo)），自10：00-11：00濃度上升達(dá)到峰值，12：00-23：00呈起伏狀態(tài)，超標(biāo)濃度均值為234 ug/m3。圖3中，日常臭氧濃度24小時(shí)各時(shí)刻分布（參考次要縱坐標(biāo)軸、折線圖）呈波動狀態(tài)，在00：00-07：00時(shí)濃度呈下降趨勢且波谷在07：00時(shí)最低值46.7ug/m3，08：00-16：00濃度逐漸上升，16：00時(shí)波峰值為106.1 ug/m3，17：00-23：00時(shí)濃度又開始下降。

2.2臭氧污染與環(huán)境空氣氣象要素之間的關(guān)系

2.2.1臭氧與太陽總輻射照度

太陽總輻射照度是表征太陽照射的指標(biāo)之一，樂亭縣氣象觀測站各年份總輻射照度年均值2014年312.8 W/m2、2015年313.3 W／m2、2016年343.3W/m2、2017年329.8 W/m2、2018年327.1 W/m2、2019年336.3 W/m2、2020年335.8 W/m2，7年均值為328.3 W/m2，年均值最低是2014年，最高是2016年。整體呈起伏波動性（圖略）。

太陽總輻射照度月分布如圖4所示，太陽輻射最強(qiáng)是4月份為430.0 W/m2，5月份次之為409.3W/m2，11月份最弱為225.1 W/m2，12個(gè)月平均值為328.3 W/m2。比較圖4與圖2，太陽輻射最強(qiáng)月份（4月）與臭氧均值最高月份（6月）不重疊，這種狀況是因?yàn)?014年-2020年4月份平均水平風(fēng)速為2.1 m/s日平均最大水平風(fēng)速為4.9 m/s，而6月份平均水平風(fēng)速為1.5 m/s日平均最大水平風(fēng)速為3.5 m/s，因而6月份更不利于空氣流動、交換，較容易造成臭氧累積超標(biāo)。

輻照度00：00-23：00時(shí)（圖略）24小時(shí)均值為249.1 W/m2，14：00時(shí)輻照度581.1 W/m2為當(dāng)日各時(shí)刻最高均值，早晨04：00時(shí)日出輻照度均值為1.3 W/m2，20：00時(shí)日落輻照度均值為0.2W/m2。

形成臭氧污染之前，要有長時(shí)間、較強(qiáng)的太陽輻射過程，統(tǒng)計(jì)分析表明，超標(biāo)形成前連續(xù)3小時(shí)較高太陽輻照度值，極容易引起臭氧超標(biāo)。2014年-2020年共226天超標(biāo)，其超標(biāo)前3小時(shí)的平均輻射照度為777.9 W/m2。因此以700 W/m2為參數(shù)計(jì)算超標(biāo)發(fā)生率。計(jì)算公式為：P=d1／d2（p：超標(biāo)發(fā)生率，d1：超標(biāo)前連續(xù)n小時(shí)輻照度> 700 W/m2的超標(biāo)日數(shù)，d2：超標(biāo)前連續(xù)n小時(shí)輻照度>700 W/m2的總?cè)諗?shù)）。計(jì)算結(jié)果顯示連續(xù)3小時(shí)輻照度均值>700W/m2，臭氧超標(biāo)發(fā)生率為67.3% （191/284）；連續(xù)2小時(shí)輻照度均值>700 ug／m3臭氧超標(biāo)發(fā)生率為42.5% （191/449）。

當(dāng)臭氧污染發(fā)生后，隨著臭氧濃度的增加，含有臭氧的光化學(xué)煙霧會消減太陽輻射。表1中，臭氧超標(biāo)期間有453小時(shí)其太陽輻照度在0-199 W/m2之間、85小時(shí)在200-299 W/m2之間、76小時(shí)在300-399 W/m之間、60小時(shí)在400-499 W/m2之間，臭氧超標(biāo)期間的輻照度在0-399 W/m2之間合計(jì)有614小時(shí)，占比為64.5%。

2.2.2臭氧與風(fēng)速

如表1所示，臭氧污染主要發(fā)生在靜風(fēng)（0.0 m/s-0.2 m/s，蒲福風(fēng)力等級國標(biāo)GB/T 28591-2012）或軟風(fēng)（0.3 m/s-1.5 m/s）期間。其中，風(fēng)速小于0.3 m/s時(shí)，發(fā)生221小時(shí)污染，0.3 m/s-0.6m/s之間有191小時(shí)、0.7m/s-1.0 m/s之間有133小時(shí)，1.1 m/s-1.4 m/s有146小時(shí)，合計(jì)風(fēng)速在0.0 m/s-1.4 m/s之間發(fā)生691小時(shí)，占全部污染的72.6%，表明環(huán)境空氣的風(fēng)速越小，越容易發(fā)生臭氧污染。在風(fēng)力等級輕風(fēng)（1.6 m/s-3.3m/s）范圍內(nèi)出現(xiàn)252小時(shí)臭氧污染占比為26.5%，風(fēng)力為微風(fēng)（3.4 m/s-5.4 m/s，）以上僅僅出現(xiàn)9小時(shí)，微風(fēng)以上空氣的流通性較強(qiáng)，不利于污染氣體的堆積。

2.2.3臭氧與能見度

空氣水平能見度是衡量空氣透明度的指標(biāo)，對到達(dá)地面的太陽輻射有一定影響。能見度越高表示在空氣介質(zhì)中氣溶膠（0.01-10 um固態(tài)、液態(tài)顆粒）含量越少，太陽輻射穿透大氣到達(dá)地面的能力越強(qiáng)。表1中能見度≥16 km時(shí)，臭氧1小時(shí)平均濃度超標(biāo)341小時(shí)，能見度為15 km時(shí)，有125小時(shí)超標(biāo)，14 km時(shí)有105小時(shí)超標(biāo)。能見度在14 km-16 km以上時(shí)，合計(jì)超標(biāo)占比為60%。能見度10km-13 km時(shí)超標(biāo)290小時(shí)，占比為30.5%。其中能見度≤7 km時(shí)，僅有3小時(shí)臭氧超標(biāo)。

2.2.4臭氧與溫度

臭氧污染絕大多數(shù)出現(xiàn)在4月-10月份，5月-7月份出現(xiàn)頻率最高。如表1所示，地面氣溫<12℃時(shí)，臭氧1小時(shí)平均濃度超標(biāo)有12小時(shí)，氣溫在24℃-26.9℃（平均氣溫25.3℃）發(fā)生235小時(shí)（次）占比24.7%，在27℃-29.9℃（平均氣溫28.3℃）之間占比為22.9%，二者合計(jì)占比47.6%。夏至前30天的平均氣溫是25.6℃，夏至后30天的平均氣溫28.4℃，期間太陽直射北半球，北半球與太陽的距離最短，地面接收的包括紫外輻射的太陽總輻射最強(qiáng)，此期間無明顯冷空氣過境，小風(fēng)頻率高不利于光化學(xué)煙霧擴(kuò)散，臭氧污染時(shí)數(shù)最多。

2.2.5臭氧與相對濕度

2014年-2020年平均相對濕度為67.4%，其中春季平均相對濕度為61.5%，夏季81.6%、秋季68.2%、冬季為58.4%，相對濕度按冬－春－秋－夏遞增，濕度最高季節(jié)夏季比最低季節(jié)冬季高39.7%。表1中相對濕度區(qū)段50%-59.9%超標(biāo)149小時(shí)占比15.7%，60%-69.9%區(qū)段267小時(shí)占比28%，70%-79.9%區(qū)段229小時(shí)占比24.1%，80%-89.9%區(qū)段125小時(shí)占比13.1%，在相對濕度50%-89.9%區(qū)段，臭氧超標(biāo)占總發(fā)生時(shí)數(shù)的80.9%。

2.2.6臭氧與氣壓

臭氧污染期間的氣壓變化，表1中污染時(shí)數(shù)較多的區(qū)段在1000-1007.4 hPa之間，其中有142小時(shí)發(fā)生在氣壓1 000-1 002.4 hPa區(qū)段，有256小時(shí)在1002.5-1004.9 hPa區(qū)段，有210小時(shí)氣壓值在1 005-1 007.4 hPa區(qū)段，合計(jì)608小時(shí)，占總超標(biāo)時(shí)數(shù)的63.9%，其它區(qū)段發(fā)生的頻率合計(jì)占36.1%。7年氣壓總平均值是1016.7 hPa，超標(biāo)期間的氣壓均值為1 005.2 hPa，污染期間的氣壓均值比總平均氣壓低11.5 hPa，可見臭氧污染期間的氣壓場相對較弱。

2.3臭氧污染時(shí)數(shù)與氣象要素的相關(guān)性

計(jì)算氣象要素與臭氧污染時(shí)數(shù)的相關(guān)性（顯著性水平a=0.05）如表2所示，其中氣溫、相對濕度、污染前3小時(shí)總輻照度、能見度與其正相關(guān)；而氣壓、污染期間總輻照度、風(fēng)速與其負(fù)相關(guān)。對其相關(guān)關(guān)系做顯著性檢驗(yàn)，表2中p值既有顯著也有不顯著，p值小于0.05的分別為氣溫、氣壓、污染期間總輻照度、風(fēng)速、能見度，其中與污染時(shí)數(shù)相關(guān)性最好的是風(fēng)速、污染期間總輻照度。

3結(jié)論

2014年-2020年臭氧1小時(shí)平均濃度年均值為62.1 ug／m3，月均值為61.9 ug／m3，且呈逐年增長的趨勢；總超標(biāo)時(shí)數(shù)952小時(shí)合計(jì)226天，最長連續(xù)超標(biāo)時(shí)數(shù)13小時(shí)，最長連續(xù)超標(biāo)日數(shù)7日，超標(biāo)高發(fā)月份為5-7月份；臭氧1小時(shí)平均濃度在07：00時(shí)最小為46.7 ug/m3，16：00時(shí)最大為106.1 ug/m3。太陽總輻射照度年均值為328.3W/m2，4月份太陽輻射最強(qiáng)11月份最弱。臭氧污染發(fā)生前，連續(xù)3小時(shí)輻照度均值>700 W/m2，臭氧超標(biāo)發(fā)生率為67.3%。臭氧污染主要發(fā)生在水平風(fēng)速0.0 m/s-1.4 m/s之間，占全部污染的72.6%。在顯著性水平a=0.05條件下，臭氧污染時(shí)數(shù)與氣溫、相對濕度、污染前3小時(shí)總輻照度、能見度正相關(guān)，與氣壓、污染期間總輻照度、風(fēng)速負(fù)相關(guān)，其中風(fēng)速和污染期間總輻照度跟臭氧污染時(shí)數(shù)相關(guān)性最顯著。