氣象條件對梅州城區臭氧濃度的影響研究

郭 青，羅碧瑜，曾東好，曾惠娟，高國靖

(廣東省梅州市氣象局，廣東 梅州 514021)

1 引言

臭氧(O3)是一種具有氧化能力的重要大氣成分，隨著對流層前體物排放量的增大，臭氧超標對公眾健康、社會生活以及生態環境造成嚴重影響。伴隨著城市汽車擁有量的不斷攀升，汽車尾氣排放的大量NOX、CO、揮發性有機物(VOC)等在充足的陽光影響下，伴隨著合適的氣象條件，極易造成光化學反應，引起O3的超標。近年來，各地陸續開展O3監測，不少學者對O3的影響機理開展了大量的研究工作。鄧雪嬌等[3]、李穎敏等[4]、陸克定等[5]、張浩月等[6]研究分析了珠江三角洲O3污染與相關氣象條件的關系。洪茂盛等[7]、朱毓秀等[8]、談建國等[9]、陳世儉等[10]針對不同地區的O3濃度與氣象要素的相關性獲得了大量的研究成果。總的來說，O3濃度變化的影響因子是多方面的。國內外專家對這方面做了大量的研究工作[11-14]，梅州市作為廣東省重要的旅游城市，對空氣質量的要求尤為嚴格。本文通過分析梅州城區的O3變化規律及其與相關氣象條件的關系，旨在為本地區的O3的監測與預警預報提供科學依據。

2 資料來源及分析方法

2．1 資料來源

文中采用2014—2017年的O3監測數據(O3-8 h，即指O3日最大8 h滑動平均值)來源于梅州市環境監測中心，梅州城區的環境監測站點目前包括北部的嘉應大學站，西部的梅縣新城站以及南部的環境監測中心站(見圖1)，其每日發布的O3監測數據為三者的幾何平均值；同期的相關氣象資料(氣溫、氣壓、風速、濕度、降水、日照時數、云量以及相關天氣形勢圖)來源于梅縣區國家氣象觀測站。

圖1 梅州城區環境監測中心監測站點分布圖Fig.1 Distribution map of monitoring stations in Meizhou urban environmental monitoring center

2．2 分析方法

空氣質量參數的計算與超標界定方法主要參考《環境空氣質量標準》(GB3095-2012)[1]和《環境空氣質量指數(AQI)技術規定》(HJ633-2012)[2]，O3一級標準的濃度限值是100 μg/m3，二級標準的濃度限值是160 μg/m3，即當日O3濃度最大滑動8 h平均值>100 μg/m3，則定義為一級超標日；同理當日O3濃度最大滑動8 h平均值>160 μg/m3為二級超標日。

文中主要采用數理統計的分析方法，對梅州市環境監測站2014—2017年的O3監測數據以及同期的梅縣區國家氣象觀測站的氣象觀測數據進行統計分析，得到了近3 a來梅州城區的O3濃度的現狀，并利用相關系數的顯著性檢驗方法對O3濃度與氣象要素的相關性進行檢驗。統計量n遵循顯著水平α=0.05的相關系數的顯著檢驗，公式為：

(1)

式中，rc為相關系數臨界值，α為顯著水平，tα通過查t分布表可得到。

當因子間的相關系數R>rc時，表明相關性顯著；當因子間的相關系數R

3 O3的現狀分析

3．1 O3年變化特征

由圖2可知，梅州地區2014—2017年AQI超標日數逐年下降，而O3超標日數維持穩定水平，一級超標天數分別為132 d、73 d、57 d、94 d，二級超標天數分別為4 d、4 d、3 d、3 d。梅州空氣指數超標的首要污染物是PM2.5和O3。O3二級超標天數占AQI超標日數的比例快速上升，4 a來占比分別為13.8%、28.6%、42.9%、60%。

由此可見，伴隨著政府對PM2.5的有效控制，梅州空氣質量逐年提高，空氣質量為優的天數逐年提高，空氣質量為輕度污染以上的天數逐年下降。但是O3污染依然維持穩定的水平，近4 a來，梅州城區O3濃度依次88.9、75.8、71.1、80 μg/m3，O3已成為影響梅州市區空氣質量重要因素。

圖2 空氣質量指數及O3超標日數的年變化曲線Fig.2 The annual variation curve of air quality index and ozone over the standard days

3.2 O3的季節變化

為了反映O3在四季中的變化規律，依據春季3—5月，夏季6—8月，秋季9—11月，冬季12月—次年2月的方法，對梅州城區的O3進行分類統計分析。

由圖3可知，梅州市夏半年的空氣質量狀況明顯優于冬半年，超過半數以上的輕度污染發生在冬季，夏季污染頻次最低，秋季多于春季。而相對而言，O3污染狀況則冬季最優，具體表現在O3濃度冬季最低，超標日數最少；而春、夏、秋季的O3濃度差別不大，O3一級超標日數秋季最多，春、夏季次之，冬季最少；O3二級超標日數全部集中在春季和夏季。

圖3 空氣質量指數及O3超標日數的季節變化曲線Fig.3 The seasonal variation curve of the air quality index and the number of ozone over standard days

3.3 O3月變化

由圖4可知，O3濃度9月最高，月平均值達到92.4 μg/m3；4月次之，月平均值達到91.9 μg/m3；8—10月為一年中O3濃度的高值區域，11月—次年3月為O3濃度的低高值區域；O3濃度12月為全年最低，月平均值僅為63.3 μg/m3；O3二級超標主要發生在3—8月，最多的是4月(二級超標日數達到5 d)。9月沒有發生輕度污染以上的現象，主要原因可能是因為這段時間多連續性降水，如臺風型降水。

由此可知，秋季冬季的首要污染物是PM2.5，而春季夏季的首要污染物主要是O3，因為O3是由三個氧原子結合成為氣體，在太陽紫外線輻射的光化學作用下形成的；受溫度、濕度、光照等氣象要素的影響，春季、夏季O3光化學反應速率較快，O3的二次生成濃度升高；相對而言，秋冬季平均氣溫、日照相對較低，光化學反應速率較弱，因此O3濃度低，很難達到超標的限值。同時，冬季顆粒物處于全年峰值區域，在一定條件下影響了氣溶膠的光學厚度，進一步減緩了O3的光化學反應速率，造成O3冬季最少。當然，O3濃度也受前提物質的排放與擴散輸送有關。

圖4 O3的月變化曲線Fig.4 The monthly variation of ozone

4 O3特征與相關氣象條件關系

4.1 O3月平均濃度與相關氣象要素關系

利用公式(1)，計算出當樣本容量n=12，顯著水平α=0.05時，相關系數的臨界值：rc=0.576。

通過計算O3的近4 a月平均濃度分別與同期氣溫、氣壓、濕度、降水、風速、總云量、低云量、日照、變溫、變壓、變濕的相關系數(見表1)，通過相關系數的顯著性檢驗可得到：O3的月平均濃度與同期氣溫、日照顯著正相關，與同期的氣壓呈顯著負相關，與同期的其他相關氣象要素的相關性不顯著。

一年中，夏半年O3濃度高于冬半年，O3二級超標日數全部集中在春季和夏季。夏季主要受低壓系統控制，氣溫高，日照時間長，太陽輻射強，這些條件都有利于促進光化學反應速率，使得O3的月平均濃度升高。而在冬半年，本地區主要受高壓系統控制，氣溫較低，日照時間較低，太陽輻射較弱，光化學反應速率較慢，因而O3的月平均濃度較低。

4.2 O3污染過程濃度與相關氣象要素的關系

通過分析2014—2017年中的3次典型污染過程，計算O3濃度分別與同期氣溫、氣壓、濕度、降水、風速、總云量、低云量、日照、變溫、變壓、變濕的相關系數(見表2)，通過相關系數的顯著性檢驗可得到：O3的逐日濃度與同期氣溫、日照顯著正相關，與同期的總云量、低云量、濕度呈顯著負相關，與同期的其他相關氣象要素的相關性不顯著。

①污染過程O3逐日濃度與同期氣溫呈顯著的正相關，通常在太陽輻射影響下，氣溫逐步升高，高溫加劇了光化學反應的速率，造成二次生成的O3增加，進而O3濃度伴隨著氣溫升高而升高。

表1 O3月平均濃度與相關氣象要素的相關系數Tab.1 Correlation coefficient of monthly average concentration of O3 and related meteorological elements

②O3逐日濃度與同期日照時數呈顯著的正相關，一般而言，日照時數越長，太陽輻射量越大，進而氣溫升高加快光化學反應速率，二次生成O3量從而增加，O3逐日濃度升高；

③O3逐日濃度與同期總云量、低云量呈顯著的負相關，通常情況下，總云量、低云量少時，天氣多晴朗，太陽輻射強，高溫利于促成光化學反應生成O3，最終造成O3濃度升高；

④O3逐日濃度與同期濕度呈顯著的負相關，當濕度大時，說明大氣中含水量高。通常空氣中水汽含有H、OH等自由基能將O3快速分解為氧分子，進而降低O3濃度。空氣中的水汽也可以對太陽紫外輻射強度產生影響。

表2 O3濃度與相關氣象要素的相關系數Tab.2 Correlation coefficient of concentration of O3 and related meteorological elements

4.3 O3污染過程濃度與同期天氣形勢的關系

過程1(圖5a)：2014年6月11日起，500 hPa我區上空為槽后西北氣流控制，850 hPa為高壓脊底部東北氣流控制，地面為弱高壓脊控制，云量開始減少，日照時數增多，氣溫逐日升高，12日、13日O3濃度分別達到181 μg/m3、173 μg/m3，均超過了二級超標限值；13日起，南海北部的熱帶擾動逐漸增強并開始北抬，逐漸向粵東沿海靠近，我市上空云量逐日增多，日照時數逐日減少，O3濃度不斷下降；15日開始，我區轉受季風槽影響，天氣陰沉，有陣性降水出現，O3濃度均小于100 μg/m3。

過程2(圖5b)2015年4月12日,隨著500 hPa東亞大槽逐漸東移并過境，我市降雨逐步停止轉為多云天氣，偶見陽光，O3濃度開始升高；13日起我市轉受槽后西北氣流控制，低層為受偏北氣流控制，天空云量減少，日照時數增多，O3濃度開始攀升，15—17日O3濃度分別達到162 μg/m3、168 μg/m3、169 μg/m3，連續3 d O3濃度達到二級超標限值；18日，850 hPa上廣東轉為西南急流控制，低層受發展的西南低槽影響，我區上空為偏南氣流控制，云量增多，最低氣溫明顯上升，溫度日較差小，O3濃度急劇下降，均低于100 μg/m3。

過程3(圖5c)2016年7月21日起，西太平洋副高明顯西伸加強，我區轉受副高控制，天氣晴好，全市維持高溫天氣，光化學反應速率加快，O3濃度急劇升高；特別是24日，副高強度達到鼎盛，592線包圍本地區，全市最高溫度普遍在38 ℃以上，對應O3濃度也達峰值(168 μg/m3)；27日，受北部灣熱帶低壓環流影響，我市轉受偏南氣流影響，低層比濕增大，有分散陣雨出現，促進了O3的分解，O3濃度快速下降，逐日濃度均低于100 μg/m3。

5 結論

文章利用2014—2017年梅州城區的O3監測數據和相關氣象觀測資料，對本地區的O3的變化特征及影響O3的氣象條件進行了相關分析，結果表明：

①梅州地區2014—2017年O3超標日數維持穩定水平，O3二級超標日數全部集中在春季和夏季；二級超標天數分別為4 d、4 d、3 d、3 d，O3二級超標天數占AQI超標日數的比例快速上升，O3二級超標主要發生在3—8月，最多的是4月，O3是影響梅州市區空氣質量重要因素。

圖5 (a-c)O3污染過程濃度變化曲線Fig.5 (a-c)The variation of ozone concentration in pollution process

②O3的月平均濃度與同期氣溫、日照顯著正相關，與同期的氣壓呈顯著負相關；O3污染過程中，O3的逐日濃度與同期氣溫、日照顯著正相關，與同期的總云量、低云量、濕度呈顯著負相關。

③O3污染過程中，二級超標日的天氣形勢分別為：500 hPa我區上空為槽后西北氣流控制，850 hPa為高壓脊底部東北氣流控制，地面為弱高壓脊控制；500 hPa東亞大槽逐漸東移并過境后，轉受槽后西北氣流控制，低層為受偏北氣流控制；西太平洋副高明顯西伸加強，本地區副高強度達到鼎盛，592 hPa線包圍本地區。

④本文對O3與氣象條件關系的分析，基于有限的資料分析得出，具有一定的局限性, 有待于今后采集更多的個例做深入的分析研究。