湘潭O3濃度變化與氣象要素影響分析及預(yù)報(bào)

林明麗 鄧潔瓊 劉二影 何寧 游梟雄

摘要 利用2017—2021年湘潭O3逐小時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，分析了湘潭O3濃度變化、濃度超標(biāo)狀況及與氣象要素之間的關(guān)系。結(jié)果表明：2017—2021年，湘潭O3濃度分布呈北高南低趨勢(shì)，但區(qū)域特征不十分明顯。季節(jié)變化特征從高到低依次為夏季＞秋季＞春季＞冬季。O3濃度超標(biāo)出現(xiàn)在4—11月，盛夏和秋季是O3超標(biāo)的主要時(shí)段，一般在10：00～21：00出現(xiàn)濃度超標(biāo)，其中，12：00～17：00持續(xù)較高的超標(biāo)率；湘潭O3濃度超標(biāo)日共分為6種天氣形勢(shì)，均壓場(chǎng)型最多，占47.9%。通過對(duì)相關(guān)性較高的O3影響因子進(jìn)行多重線性回歸，建立春、夏、秋、冬O3濃度回歸預(yù)報(bào)方程，利用2022年實(shí)況數(shù)據(jù)對(duì)方程預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，均有較好的預(yù)報(bào)效果。

關(guān)鍵詞 O3濃度；氣象要素；超標(biāo)；影響

中圖分類號(hào)：P404 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2023）09–0-03

近年來，O3污染問題備受關(guān)注。約90%的O3存在于平流層，僅有10%左右的O3分布在對(duì)流層[1]。隨著城市化建設(shè)發(fā)展加快，機(jī)動(dòng)車輛急劇增加，O3污染問題愈加突出，各地也相繼開展了O3濃度監(jiān)測(cè)，針對(duì)近地面O3分布及影響進(jìn)行了諸多研究[2]，不同地區(qū)O3的分布與變化因地而異，有一定的地區(qū)特征性。例如：杭州市O3濃度超標(biāo)現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化趨勢(shì)，夏季高，冬季低；與紫外線強(qiáng)度、氣溫呈正相關(guān)，與相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)[3-4]。出現(xiàn)O3濃度污染的天氣類型有高壓控制、均壓場(chǎng)、高壓后部、熱帶氣旋等。O3濃度變化有明顯的周末效應(yīng)[5]。江門的O3濃度秋季均值高于其他季節(jié)，37%的O3濃度超標(biāo)日與西北太平洋或南海熱帶氣旋活動(dòng)有關(guān)[6-7]。

湘潭位于湖南省中東部，是長(zhǎng)株潭一體化城市的重要組成部分，是湖南省經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心增長(zhǎng)極，定位為“智造谷”。近年來，湘潭O3濃度年平均值呈逐年增高趨勢(shì)，最高值252.0 μg/m3（2019年9月7日）。利用2017—2021年湘潭6個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)站逐時(shí)O3濃度與氣象資料，分析了湘潭期間O3超標(biāo)變化特征、O3超標(biāo)日天氣分型，以及臭氧與氣象要素的關(guān)系，建立四季O3濃度的回歸預(yù)報(bào)方程，為本地區(qū)進(jìn)一步開展O3研究提供參考。

1 臭氧濃度概念

O3濃度是指空氣中O3氣體濃度，它反映了空氣中的臭氧污染程度。在氣象學(xué)和大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中，O3濃度是一個(gè)重要指標(biāo)，它對(duì)人類健康和生態(tài)環(huán)境具有潛在的負(fù)面影響。在自然界中，O3是一種普遍存在的氣體。它通常是由空氣中的氧氣在太陽紫外線的作用下分解產(chǎn)生的。在地球大氣層中，臭氧主要分布在平流層，其高度為10～50 km，對(duì)流層中的O3濃度非常低。然而，在城市和工業(yè)區(qū)等人類活動(dòng)較為集中的地區(qū)，由于污染物的排放和化學(xué)反應(yīng)的作用，O3濃度會(huì)顯著高于自然環(huán)境中的濃度。這些高濃度的臭氧會(huì)危害人體健康和生態(tài)環(huán)境的平衡。長(zhǎng)期接觸高濃度O3會(huì)刺激呼吸道，引發(fā)咳嗽、胸悶、氣喘等癥狀，甚至增加患肺癌等呼吸道疾病的風(fēng)險(xiǎn)。此外，O3還會(huì)對(duì)植物造成損害，使農(nóng)作物減產(chǎn)，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)的平衡被破壞。因此，準(zhǔn)確測(cè)量和監(jiān)測(cè)O3濃度對(duì)環(huán)境保護(hù)和人類健康具有重要意義。除了加強(qiáng)污染控制和管理外，公眾也應(yīng)盡量減少與O3污染的接觸，如選擇在室內(nèi)或低層空氣質(zhì)量較好的地方進(jìn)行戶外活動(dòng)。了解O3濃度概念及其潛在影響有助于增強(qiáng)環(huán)境保護(hù)意識(shí)，共同建設(shè)宜居生態(tài)環(huán)境。

2 資料說明

O3數(shù)據(jù)來源于中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站“全國(guó)城市空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布平臺(tái)”，湘潭市現(xiàn)有6個(gè)國(guó)控監(jiān)測(cè)站（板塘、江麓、科大、市監(jiān)測(cè)站、岳塘、昭山）。根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布局，設(shè)定科大、昭山在北方位，板塘、江麓在中部，市監(jiān)測(cè)站、岳塘為南部。提取了2017—2021年湘潭6個(gè)監(jiān)測(cè)站已審核的O3濃度逐小時(shí)數(shù)據(jù)和O3-8 h濃度，其中2017—2021年O3逐小時(shí)濃度數(shù)據(jù)未出現(xiàn)同一時(shí)刻4站缺測(cè)，以O(shè)3濃度8 h滑動(dòng)平均最大值（簡(jiǎn)寫O3-8 h）代表O3逐日數(shù)據(jù)。湘潭O3濃度采用6個(gè)監(jiān)測(cè)站O3-8 h濃度平均值得到。氣象數(shù)據(jù)為湘潭國(guó)家氣象觀測(cè)站同期逐日氣溫、最高氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)向風(fēng)速和日照等。天氣形勢(shì)數(shù)據(jù)來源于中國(guó)氣象局MICAPS 實(shí)況資料。

3 湘潭臭氧濃度概況

采用O3濃度的第90百分位數(shù)，對(duì)2017—2021年湘潭O3濃度的年時(shí)空分布進(jìn)行評(píng)價(jià)分析發(fā)現(xiàn)，不同區(qū)域的O3濃度變化不大，總體為北高南低，板塘以南區(qū)域O3濃度在150 μg/m3以下，板塘以北區(qū)域均在154 μg/m3左右。在年變化規(guī)律上，根據(jù)6個(gè)國(guó)控點(diǎn)O3年平均濃度值來看，2017—2019年逐年升高，2019年最高為180.8 μg/m3，之后有所下降，2017年最低為135.0 μg/m3。

在O3濃度的季節(jié)變化上，從高到低依次為夏季＞秋季＞春季＞冬季。2019年與總趨勢(shì)略有不同，從高到低依次為秋季＞夏季＞春季＞冬季。2019年8—9月出現(xiàn)持續(xù)高溫少雨天氣，利于O3濃度的生成，尤其是9月的O3月濃度最高，為169.9 μg/m3，超過160 μg/m3，達(dá)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。究其原因，湘潭7月中下旬開始，出現(xiàn)了持續(xù)晴熱高溫少雨天氣，太陽輻射增強(qiáng)。研究表明：受副熱帶高壓控制時(shí)，高溫、低濕、強(qiáng)太陽輻射和弱風(fēng)力等氣象條件非常有利于O3生成且不利于擴(kuò)散，致使湘潭8—9月的O3平均濃度及年平均濃度為近4年最大[8]。

4 O3濃度超標(biāo)的分布特征

4.1 O3濃度超標(biāo)狀況

2017—2021年O3濃度超標(biāo)率前3年呈逐年增高趨勢(shì)，2019年O3濃度超標(biāo)率最高達(dá)11.2%，之后由于在大氣污染管控上采取防治措施，濃度超標(biāo)率有所下降。O3超標(biāo)現(xiàn)象最早在4月底出現(xiàn)（2020年），最遲結(jié)束時(shí)間在11月初（2017年）。

4.2 O3濃度超標(biāo)月季分布情況

分析月平均O3濃度超標(biāo)日數(shù)可知，2017—2021年O3濃度超標(biāo)出現(xiàn)在4—11月，1—3月和12月均無O3超標(biāo)現(xiàn)象。輕度超標(biāo)的月平均日數(shù)為2.6 d，其中，8、9月輕度超標(biāo)平均日數(shù)最多，為6.6 d，超標(biāo)天數(shù)占總超標(biāo)天數(shù)的68.1%。

在O3輕度污染以上的超標(biāo)天數(shù)中，47.9%出現(xiàn)在秋季，36.2%出現(xiàn)在夏季，春季16.0%，僅冬季沒有出現(xiàn)超標(biāo)天數(shù)。秋季容易出現(xiàn)O3極值，2019年秋季9月7日出現(xiàn)O3日最高濃度（252.0 μg/m3，岳塘點(diǎn)）。

4.3 O3濃度超標(biāo)日分布特征

由于2019年O3濃度及超標(biāo)現(xiàn)象均較其他年偏高偏重，因此，以2019年為例分析湘潭各站點(diǎn)O3濃度超標(biāo)日分布特點(diǎn)。

統(tǒng)計(jì)各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)2019年O3濃度超標(biāo)日數(shù)，板塘以北的＞以南的，昭山超標(biāo)日最多為55 d，其次為科大，50 d，市監(jiān)測(cè)站最少30 d，板塘、江麓、岳塘46～47 d。分析逐時(shí)超標(biāo)率發(fā)現(xiàn)，湘潭O3濃度超標(biāo)出現(xiàn)時(shí)段一般在10：00～21：00。從各站點(diǎn)O3濃度超標(biāo)率日變化來看（圖1），超標(biāo)率最高的是昭山站，超標(biāo)現(xiàn)象出現(xiàn)在10：00，于20：00結(jié)束，14：00～16：00為超標(biāo)率出現(xiàn)最高的時(shí)段，超標(biāo)率均為23.3%。各站點(diǎn)的O3濃度超標(biāo)率存在差異，但大部分在13：00～17：00的超標(biāo)率均較高，17：00后隨著太陽輻射減弱。這與其他地區(qū)的日變化規(guī)律一致。

5 O3與氣象要素的關(guān)系

5.1 氣溫高低對(duì)O3濃度的變化

根據(jù)平均氣溫與O3濃度變化圖可知，O3濃度隨日平均氣溫的升高而增大，當(dāng)日平均氣溫低于14 ℃時(shí)，增幅較小，濃度＜60 μg/m3，當(dāng)日平均氣溫高于14 ℃時(shí)，O3濃度隨日平均氣溫升高增幅漸加大，當(dāng)日平均氣溫大于23 ℃時(shí)，O3濃度在100 μg/m3以上。而隨著氣溫的升高，超標(biāo)率呈增大趨勢(shì)，氣溫低于22 ℃時(shí)，未出現(xiàn)O3濃度超標(biāo)，氣溫在24～25 ℃時(shí)，超標(biāo)率為38%，25～26 ℃時(shí)超標(biāo)率為41%，27～28 ℃時(shí)，超標(biāo)率相對(duì)較小，只有7%，在平均氣溫達(dá)32 ℃以上時(shí)，O3濃度超標(biāo)率與氣溫26 ℃時(shí)的超標(biāo)率相當(dāng)，說明氣溫升高，光化學(xué)反應(yīng)增強(qiáng)，O3濃度也隨之增高，但并不一定會(huì)與氣溫呈正比增加，與其氣象條件有利與否及前體物的濃度也有一定關(guān)聯(lián)。

5.2 O3濃度超標(biāo)日的天氣類型

根據(jù)湘潭6個(gè)國(guó)控監(jiān)測(cè)點(diǎn)的O3濃度日數(shù)據(jù)，設(shè)定有3個(gè)或以上的站點(diǎn)O3濃度超標(biāo)時(shí)，則選取該日為1個(gè)超標(biāo)日個(gè)例。因此，對(duì)2017—2021年出現(xiàn)的94個(gè)超標(biāo)日個(gè)例進(jìn)行天氣形勢(shì)分析。根據(jù)海平面氣壓場(chǎng)特征，共分為6種形式：均壓場(chǎng)型、高壓底（前）部型、高壓后部型、高壓控制型、低壓型、東風(fēng)系統(tǒng)型。其中，均壓場(chǎng)型的個(gè)例最多，占47.9%；其次是高壓底（前）部型，占25.5%；相對(duì)較少的是高壓后部型、低壓系統(tǒng)型和東風(fēng)系統(tǒng)型，低于10.0%。

均壓場(chǎng)型主要集中在5—6月和8—10月，本地多為類似鞍形場(chǎng)的形勢(shì)，近地面大氣層結(jié)穩(wěn)定，風(fēng)速較小，天氣晴好，在較強(qiáng)的太陽輻射下加快大氣光化學(xué)反應(yīng)速度，有利于本地O3生成后積聚。而出現(xiàn)中度以上O3污染過程主要是地面均壓場(chǎng)這種天氣類型（11次），可見，均壓場(chǎng)是導(dǎo)致湘潭O3濃度超標(biāo)的重要?dú)庀髼l件之一。

5.3 O3日平均濃度回歸預(yù)報(bào)方程建立與檢驗(yàn)

氣象條件是影響近地面O3生成及其濃度大小的主要因素之一，據(jù)研究表明：氣溫、濕度、降水量、日照、風(fēng)速風(fēng)向等是比較重要的氣象影響因子?？紤]前1日O3最大小時(shí)濃度對(duì)第二日的累積效果，故將前1日O3最大小時(shí)濃度作為影響因子，運(yùn)用SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件對(duì)O3濃度與相關(guān)影響因子進(jìn)行分析，得到四季O3濃度與相關(guān)因子的相關(guān)系數(shù)。從結(jié)果可以看出，春季O3濃度與氣象因子和前一日O3濃度的顯著性水平都較好，其中，濕度、日照、平均氣溫、最高氣溫、前1日O3濃度表現(xiàn)為極顯著。夏季O3濃度與所選的因子均表現(xiàn)為極顯著。秋季O3濃度與所選因子的顯著性水平都較好，其中除降水量外，其他均表現(xiàn)為極顯著。冬季O3濃度與降水量無相關(guān)性，其他均為極顯著。

按春、夏、秋、冬，分別利用SPSS 16.0軟件進(jìn)行多重線性回歸步進(jìn)法，引入濕度、日照、平均氣溫、風(fēng)速、降水量、最高氣溫、前一日O3濃度7個(gè)因子作為自變量，選擇性加入或剔除某個(gè)自變量，建立各季最優(yōu)的回歸方程：

春季：YO3= 73.95-0.562XRH+2.977XS+1.115XTM+0.296X前一日O3

夏季：YO3= 289.878-1.419XRH+2.637XS-9.594XT+4.838XTM-4.347XV+0.28X前一日O3

秋季：YO3= 43.124-0.411XRH+3.465XS+1.308XTM+0.408X前一日O3

冬季：YO3= 42.57-0.192XRH+3.907XS+0.318X前一日O3

經(jīng)統(tǒng)計(jì)方差分析，春、夏、秋、冬O3濃度與因子的復(fù)相關(guān)系數(shù)分別為0.826、0.788、0.897、0.799，調(diào)整后的確定系數(shù)分別為0.680、0.611、0.802、0.635，建立的回歸模型F值分別為244.560、59.838、461.357、262.238，顯著性概率P均為0.000，各季的回歸模型均極顯著。

為檢驗(yàn)各季O3濃度預(yù)報(bào)方程的效果，對(duì)2022年春、夏、秋、冬逐日相關(guān)實(shí)況數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，綜合結(jié)果見圖2，春、夏、秋、冬的預(yù)測(cè)與實(shí)況相關(guān)系數(shù)分別為0.846、0.695、0.896、0.792，各季預(yù)報(bào)方程對(duì)O3濃度預(yù)測(cè)有較好的效果。

6 結(jié)論

（1）2017—2021年湘潭O3濃度呈北高南低分布，區(qū)域特征不明顯。季節(jié)變化從高到低依次為夏季＞秋季＞春季＞冬季。

（2）O3濃度超標(biāo)天數(shù)中，有48.8%出現(xiàn)在秋季，32.5%出現(xiàn)在夏季，春季18.8%，僅冬季沒有出現(xiàn)超標(biāo)日。

（3）O3濃度日變化呈“單峰型”分布，濃度超標(biāo)主要在10：00～21：00；各監(jiān)測(cè)點(diǎn)各有差異，但大部分均在12：00～17：00超標(biāo)率持續(xù)較高，17：00后隨太陽輻射減弱而下降。

（4）O3濃度超標(biāo)日分6種天氣類型，以均壓場(chǎng)型最多，占47.9%，相對(duì)較少的是高壓后部型、低壓系統(tǒng)型和東風(fēng)系統(tǒng)型，低于10.0%。

（5）利用多重線性回歸建立的各季最優(yōu)回歸預(yù)報(bào)方程，經(jīng)2022年實(shí)況數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，方程對(duì)預(yù)測(cè)O3濃度有較好效果。

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Analysis and Prediction of Changes in Ozone Concentration and Meteorological Factors in Xiangtan

Lin Ming-li et al（Xiangtan Meteorological Bureau， Xiangtan， Hunan 411100）

Abstract Using hourly monitoring data and meteorological data of O3 in Xiangtan from 2017 to 2021， the changes in ozone concentration， concentration exceeding standards， and their relationship with meteorological factors in Xiangtan were analyzed. The results show that from 2017 to 2021， the distribution of O3 concentration in Xiangtan was high in the north and low in the south， but the regional characteristics were not very obvious. The seasonal variation characteristics from high to low were summer > autumn > spring > winter. The excessive concentration of O3 occurs from April to November， with midsummer and autumn being the main periods of O3 exceeding the standard. Generally， the concentration exceeding the standard occurs from 10：00 to 21：00， with a consistently high exceeding rate from 12：00 to 17：00; The days when the concentration of O3 in Xiangtan exceeds the standard can be divided into 6 weather situations， with the highest average pressure field type， accounting for 47.9%. By conducting multiple linear regression on O3 influencing factors with high correlation， a regression prediction equation for O3 concentration in spring， summer， autumn， and winter was established. The prediction results of the equation were tested using 2022 actual data， and all showed good prediction results.

Key words Concentration of Ozone; Meteorological elements; Exceeding the standard; Influence