慈溪臭氧濃度變動與氣象因子關系初析

林宏偉，盧 瑩，茅吉鋒，徐立江

(1.慈溪市氣象局，浙江 慈溪 315300； 2.寧波市生態環境局慈溪分局，浙江 慈溪 315300)

0 引言

臭氧在平流層吸收太陽釋放的紫外輻射，不僅阻止了短波輻射到達地面，還改變了透入對流層太陽輻射的光譜分布[1]。王磊等[2]發現南京近地面O3質量濃度與氣溫、能見度、日照時數、總(凈)輻射顯著正相關，與相對濕度、總(低)云量負相關。張燦等[3]研究認為，影響重慶O3質量濃度的主要氣象因素為最高氣溫、溫差、太陽輻射、降水量、相對濕度、水氣壓和壓差，并據此建立了O3質量濃度預報方程。

近地層氣象要素和O3分布演變緊密相關，在慈溪開展O3濃度研究對長三角大氣污染防治具有重要意義。

1 資料和方法

選用的O3資料為寧波市生態環境局慈溪分局大樓和慈溪市實驗小學兩個省控監測點的數據。數據選取時段為2017年1月1日—2019年12月31日。數據是標準的每日O3最大8 h的兩站平均質量濃度(以下用C8h(O3)表述)數據，用于O3污染特征及與氣象參數的分析。同時期氣象觀測的月平均最高氣溫、月平均相對濕度(采用直接觀測得到的相對濕度表述空氣中的濕度，下文同)、月降水量、月平均風速、月日照時數及指定時段內小時氣象數據均使用慈溪國家基本氣象站的資料，與O3濃度數據監測站點的位置最為接近，能夠較好地反映慈溪城區O3濃度變化的氣象特征。所用的以月為時間單位的數據為兩站日最大O38h的平均值(基于小時O3濃度統計)，小時數據采用慈溪實驗小學省控站點的小時監測資料。

2 氣象數據特征

2.1 臭氧濃度和氣溫

分析慈溪2017-2019年臭氧污染具有一定的時間特征(見圖1～3)，由圖可見，選取的氣象變化因子中，氣溫與臭氧濃度關系最為密切，特別是最高氣溫變化與O3濃度相關性最強。一般情況下，近地面層的臭氧濃度與氣溫成正相關，因此慈溪臭氧濃度呈現出較強的季節性變化特征，其中，年初和年底(冬季)氣溫低，臭氧濃度就低。

圖1 2017年臭氧及氣象因子年際變化Fig.1 Inter-annual variation of ozone and meteorological factors in 2017

圖2 2018年臭氧及氣象因子年際變化Fig.2 Inter-annual variation of ozone and meteorological factors in 2018

圖3 2019年臭氧及氣象因子年際變化Fig.3 Inter-annual variation of ozone and meteorological factors in 2019

2.2 臭氧濃度與日照

除氣溫外，慈溪的冬天是一年中氣溫最低時間，出現連陰雨天氣較多，晝短夜長導致日照時數偏少，抑制了臭氧充分地光化學反應，因此冬季是慈溪臭氧濃度最低的季節[4]。隨著季節轉換，氣溫升高，晝夜變化，日照時間變長，前體物光化學反應生成O3的有利條件逐漸增加。由此可見，慈溪每年的季節轉換，特別是春末夏初至夏末秋初是一年中臭氧污染最嚴重時期，也是臭氧防治的關鍵時間節點。

2.3 臭氧濃度與濕度

通過2017-2019年O3濃度與選定氣象因子的變化(見圖1～3)，每年5-9月平均氣溫是一個逐漸上升的過程，圖中每年6-7月的O3濃度相比5月及8月濃度要偏低，可見影響O3濃度的另一個重要因子是空氣中的濕度。慈溪臭氧濃度與各個季節的空氣濕度均呈負相關，從圖 1～3中可以看出，5月臭氧濃度達到峰值，此時慈溪氣候濕度相對較低，而進入 6月中旬后，慈溪進入梅雨季，陰雨日數增加，濕度也大幅上升，此時慈溪的臭氧濃度反而開始下降，同時陰雨天也減弱了太陽輻射，日照時數減少，導致臭氧濃度下降。進入7月份濕度顯著升高，臭氧平均濃度和超標日數較5、6月初均有較明顯的降低。伴隨著7月中下旬梅雨季結束，晴熱高溫天氣顯現，空氣中濕度再次回落，8月的臭氧濃度又再次回升。

2.4 臭氧濃度與降水

影響臭氧濃度的重要因素還有降水天氣現象。選取2019年8月7日-8月14日較為明顯的臭氧濃度變化為例，根據該時段臭氧濃度變化(見圖4)可以看出下雨天臭氧濃度明顯低于晴天。

圖4 2019年8月7日-14日氣象要素圖Fig.4 Meteorological factors from August, 7th-14th, 2019

一般情況下，降水天氣現象可以降低臭氧濃度，特別是穩定性的大尺度系統降水，以2019年12月20日-12月21日降水為例(圖5)：慈溪出現全市大范圍的降水，降水出現時，臭氧濃度快速下降，下雨過程臭氧保持在較低水平，雨止后又呈上升趨勢。

圖5 2019年12月20日-21日臭氧濃度與氣象要素圖Fig.5 Ozone concentration and meteorological factors from December 20th to 21th, 2019

但是夏季出現小尺度系統短時強對流性質降水時，臭氧濃度反而有上升趨勢。以2019年8月8日-8月9日強對流降水(圖6)為例：當時慈溪出現短時局地性的強對流性質降水并伴有閃電產生，慈溪國家基本氣象剛好監測到有降水，根據分析，應是閃電時出現的高能量電荷 (即光化學作用下)伴有一定量的O3產生，導致短時間內監測到的臭氧濃度有所升高。

圖6 2019年12月20日-21日臭氧濃度與氣象要素圖Fig.6 Ozone concentration and meteorological factors from December 20th to 21st, 2019

3 結果與討論

慈溪市C8h(O3)在全年變化中與各地變化有一致性也有特殊性，大體呈現夏季濃度較高，其次為春秋，冬季最低的季節變化規律，春夏交替及夏秋交替時為臭氧污染防治的主要時期。

C8h(O3)受氣溫、日照、濕度、降水等氣象要素共同影響，其中受氣溫影響最為顯著，氣溫、日照與C8h(O3)均具有顯著的正相關關系，C8h(O3)與濕度具有負相關性，連陰雨對臭氧也有一定的抑制作用。

降水性質不同，對C8h(O3)深度變化也不同。夏季強對流多伴有地閃產生，會使C8h(O3)短時間升高，冬季穩定性降水則會抑制C8h(O3)。

根據C8h(O3)隨氣溫、濕度變化的規律，春夏交替、夏秋交替之時可以在一定范圍內氣溫處于較高時段適度增加空氣中的水汽含量，增濕降溫促進空氣流動，從而達到一定程度上抑制臭氧濃度的效果。