陜西省西咸新區空港新城夏季臭氧與氣象因子關系分析

梁俊寧，馬啟翔，汪平，劉杰

陜西省環境科學研究院，陜西 西安 710061

臭氧（O3）是大氣中重要的痕量組分之一，其主要集中在平流層，對流層中的含量僅占整個大氣層臭氧總量的10%左右（William et al.，2018）。雖然臭氧在平流層起到了保護人類與環境的重要作用，但其在對流層濃度增加則會對人體健康產生有害影響（Turner et al.，2016；Sadiq et al.，2017），因為臭氧具有強烈的刺激性，可對人體呼吸道、心血管、神經系統、眼睛和皮膚造成傷害，并會影響血液輸氧功能，使甲狀腺功能受損、骨骼鈣化，還可誘發淋巴細胞染色體畸變，損害某些酶的活性和產生溶血反應等（Brook，2002；Turner et al.，2016）。臭氧還是一種反應性極高的強氧化劑，能使橡膠開裂，傷害植物葉子（Fowler et al.，2009；Kumar et al.，2013），并使大氣能見度降低。臭氧形成條件是強日光和低濕度，其濃度高峰一般出現在中午或午后。

近年來，隨著中國城市化和機動車保有量的快速增長，大量汽車尾氣和工業排放中的氮氧化物和有機物在太陽光與熱作用下經化學反應形成臭氧。臭氧污染主要形成于市區及市郊，并在有利氣象條件下擴散到外圍地區。目前，臭氧濃度的升高與超標問題已成為中國大多數城市的新環境問題（邵平等，2014；Wang et al.，2017；嚴仁嫦等，2018；Shen et al.，2019）。國內外專家學者對對流層臭氧的生成條件、化學反應機理、對人體健康和生態系統的影響、污染監測和控制等方面均開展了大量的研究工作，并且取得了顯著的效果（Alexandre et al.，2014；Zou et al.，2015；Latif et al.，2016；Kalabokas et al.，2017）。已有研究發現，氣象因素對臭氧的生成具有明顯的影響作用，尤其是氣溫、濕度、風速和紫外線輻射（姚青等，2009；Samuel et al．，2013；吳鍇等，2017；黃俊等，2018；趙偉等，2019）。安俊琳等（2009）發現北京市臭氧體積分數變化與溫度、風速呈正相關，與相對濕度呈負相關，且夏季與溫度相關性較高，冬季與風速相關性較高；王宏等（2011）研究發現導致福州市臭氧平均濃度值最高的天氣型是臺風（熱帶輻合帶）外圍，高壓后部、地面倒槽和鋒前暖區等強暖性、且非常不利于污染物擴散的天氣型易造成臭氧濃度超標，臭氧濃度與溫度、日照、太陽輻射呈顯著正相關，與云量、相對濕度、降水量呈顯著負相關。

陜西省西咸新區空港新城作為陜西省主要交通樞紐中心，以西安咸陽國際機場為核心，著力打造以西安國家航空實驗區為統領，建設絲綢之路交通商貿物流中心、國際航空服務業聚集中心、國際文化創意中心、生態和農業小鎮示范中心。該區域地勢平坦，相對海拔高底較高，太陽直射能力強，紫外輻射強度與輻射指數均較高。根據西安市2016—2018年環境空氣質量監測國控點24 h連續觀測資料統計，2016、2017、2018年西安市O3質量濃度第 90 百分位數分別為 169.0、182.7、189.7 μg·m-3，呈現逐年顯著上升的趨勢；O3超標天數也在逐漸增多，分別為48、59、89 d。空港新城 O3質量濃度夏季高，且明顯高于其他季節。數據表明，空港新城地區O3污染近年來表現為快速增長趨勢，O3污染已成為該地區常態化污染問題，全年臭氧超標天數較多。空港新城O3質量濃度第90百分位數、全年平均值、夏季平均值均明顯高于西安市（劉松等，2017），說明空港新城O3污染較西安市其他地區更為嚴重。

合適的地形、氣象及污染源條件使得該區域更容易發生光化學反應，從而使臭氧濃度升高。本文主要對西咸新區空港新城盛夏期間臭氧與氣象因素（如氣溫、相對濕度、風向風速和紫外輻射等）進行了實時觀測，分析臭氧濃度與氣象要素變化的響應關系，通過分析臭氧與主要氣象因素間的相互關系，探析該地區對臭氧有影響的氣象條件，為該地區夏季臭氧污染控制提供參考。

圖1 空港新城大氣環境觀測點位示意圖Fig. 1 The location of observation site in airport new city(ANC)

1 觀測點與儀器介紹

1.1 觀測點概況

空港新城地處渭河以北的黃土臺塬。規劃范圍內地勢呈階梯形增高，由一、二級河流沖積階地過渡到一、二級黃土臺塬。塬面地勢平坦，臺塬邊緣由于長期受涇河、渭河及其支流的切割，形成幾條溝壑，海拔在430—560 m之間。為獲取空港新城盛夏期間臭氧及其前體的濃度水平，在空港新城北杜中學（108°42′E，34°27′N）建立了環境監測點（圖1），儀器位于建筑屋頂。場地距離西安咸陽國際機場西北側約5 km。觀測時間為2018年7月27日00:00—2018年8月26日23:00（共31 d）。空港新城范圍內主要污染源包括機場污染源、移動污染源、非道路移動污染源和工業企業污染源等。

1.2 氣象條件概況

空港新城屬暖溫帶大陸性季風氣候，具有雨熱同季、四季分明的特點。觀測期間該站點的溫度為19—38.1 ℃，相對濕度為37%—94%，更高的濕度主要受到降水天氣的影響。平均風速接近1.4 m·s-1，平均氣壓948.3 hpa。太陽總輻射在950 W·m-2以下，平均值為211.8 W·m-2，紫外線輻射在0—103 W·m-2之間，平均值為22.7 W·m-2。觀測期間采樣點溫度、相對濕度、風速、氣壓、太陽紫外線輻射、降水量等氣象因素如表1所示。

1.3 觀測儀器與數據

臭氧濃度使用Thermo Scientific Model 49i臭氧分析儀進行監測。氣象要素觀測儀是錦州陽光科技有限公司生產的自動氣象站（PC-3），可同時測量風向、風速、溫度、相對濕度、紫外線輻射等。溫、濕度監測使用PTS-3型溫濕度計，風向和風速使用ec-9x型和 ec-9s型傳感器監測，紫外線輻射使用TBQ-ZW-2型傳感器監測。自動氣象站周邊地區相對開放，不受地形和建筑物的影響。安裝高度15 m，儀器高度 1.5 m。試驗過程中一共獲取了有效監測數據4464個，包括O3小時濃度值和5個氣象參數。

2 結果與討論

2.1 臭氧濃度變化特征

空港新城盛夏期間（7—8月）臭氧濃度變化如圖2所示。由圖可知，監測期間空港新城臭氧質量濃度在 2—306 μg·m-3之間，平均為 103.8 μg·m-3，其最大值為 306 μg·m-3（8月 7日），超過中國環境空氣質量標準中臭氧 8小時最大濃度限值（200 μg·m-3）的53%。臭氧質量濃度值較高時段主要集中在12:00—19:00，在不考慮降水天氣影響下，該時段臭氧質量濃度為71—306 μg·m-3，平均為165 μg·m-3。在監測的31 d中有16 d出現了臭氧超標現象，其中最長超標時間為7 h（8月5日），超標時段主要集中在13:00—19:00。

空港新城 O3質量濃度日變化呈現單峰曲線，其在00:00—08:00較低且變化幅度不大， 09:00開始逐漸升高，并在17:00左右達到峰值，之后開始下降。主要是由于其前體物NOx在上午07:00達到最大值，加之空港新城日出時間一般在08:00左右，之后氣溫開始逐漸升高，太陽輻射也不斷增強，O3形成的光化學反應也隨之開始進行，O3在09:00開始升高，并在17:00左右達到峰值。隨著光化學反應的深入進行，臭氧質量濃度達到最大值而前體物質量濃度逐漸減少，最終達成一種動態平衡關系。之后受太陽光照角度的影響，太陽輻射逐漸減弱、氣溫也隨之降低，產生 O3的條件變差，同時受近地面沉積作用影響，造成近地面 O3消耗進而使得O3維持在一個較低水平。

2.2 氣象條件分析

觀測期間，監測點的溫度、相對濕度、風速、紫外線輻射、降水等氣象因素概況見表1。與臭氧有直接關系的氣象因子小時值變化情況如圖3所示。

由圖3可知，空港新城盛夏（7—8月）環境氣溫在19—38.2 ℃之間，午后溫度均在35 ℃以上，濕度在37%—94%之間，其中濕度≥80%以上時段占總觀測時間的 14%（主要受下雨天氣影響）。風速在7 m·s-1以下，而4 m·s-1以下風力占觀測時段的94%，其中23%時段為靜風。從風向來看，空港新城夏季以東北風為主，其頻率為32%，其次為東風（22%），北風頻率為14%，其余風向頻率均不足8%，靜風風向按上次風向計。空港新城夏季紫外線輻射強度為 0—103 W·m-2，10:00其強度開始上升，13:00達到最高值，10:00—16:00空港新城紫外線輻射強度在50—103 W·m-2之間。

2.3 氣象因子對臭氧的影響

空港新城臭氧質量濃度的日變化趨勢與氣象條件的變化具有顯著相關性，其中臭氧在17:00達到最大值，相應的溫度也在17:00達到最高值，而濕度在17:00達到當日最低值，紫外線在午后強度最大，并在13:00達到峰值。這也說明，隨著太陽輻射的增強、氣溫逐漸升高、濕度下降，大氣光化學反應能力不斷加強，并在17:00達到最強狀態，而此時臭氧濃度也達到了日最大峰值。本研究結果與王闖等（2015）對沈陽的研究結果一致。空港新城夏季氣溫較高、濕度整體偏低，適宜的溫、濕度條件有利于光化學反應，可以促進該區域臭氧生成，造成區域臭氧濃度偏高。

圖2 臭氧小時濃度變化曲線圖Fig. 2 The figure of the hourly concentration of ozone

圖3 觀測期間主要氣象因素變化曲線Fig. 3 Variations of meteorological parameters during the period of observation

2.3.1 溫度

由圖4可知，空港新城臭氧質量濃度與溫度呈正相關，其相關系數為r=0.7783，溫度升高時有利于加速對流層光化學反應速率，促進臭氧前體物質間的轉化速度，進而促進臭氧生成。

由圖5可知，空港新城夏季臭氧濃度隨著環境空氣溫度的升高而快速增大，當平均氣溫低于25 ℃時，O3質量濃度處于較低水平（＜43 μg·m-3）且無超標情況出現，當氣溫為 25—30 ℃時，臭氧平均濃度升高了近一倍但仍未達到超標水平，當平均氣溫大于32 ℃時，臭氧開始出現超標，在32—34、34—35、≥35 ℃時，其平均濃度分別為163.06、182.44、202.20 μg·m-3，超標率分別為 1.9%、14.0%和26.3%。可見溫度越高，太陽輻射越強，光化學反應強度增大，導致生成的O3質量濃度越高。

圖4 臭氧與溫度相關性分析Fig. 4 Correlation analysis of ozone and temperature in airport new city

圖5 不同溫度下臭氧平均濃度超標準率Fig. 5 O3 ultra standard rate and average concentration at different temperature

2.3.2 紫外輻射

由圖6可知，太陽紫外線輻射與臭氧質量濃度呈顯著正相關，其相關系數為r=0.5828。研究期間，空港新城紫外線輻射在00:00—07:00時為0 W·m-2，08:00開始出現上升趨勢并在14:00達到最高值（其平均輻射強度為74 W·m-2），之后開始下降，并在22:00—24:00下降為 0 W·m-2。紫外線輻射峰值較臭氧峰值早出現3個小時，即隨著紫外線的升高，生成臭氧的反應不斷加強，并在紫外線峰值之后的3 h左右達到最大濃度值。太陽輻射尤其是紫外線輻射對臭氧生成具有明顯的促進作用，主要是因為臭氧能夠較好地吸收紫外線輻射，增強了反應能力，同時太陽輻射可引起溫度的升高，二者又共同作用于光化學反應，進而縮短臭氧生成時間，加快臭氧的生成速度。

圖6 臭氧與紫外線輻射相關性分析Fig. 6 Correlation analysis of ozone and ultraviolet radiation in airport new city

由圖7可知，紫外輻射小于10 W·m-2時，O3平均質量濃度較低(70±45.07) μg·m-3，且無超標情況出現。當紫外輻射大于60 W·m-2，O3平均質量濃度（≥160 μg·m-3）超標情況明顯增強，并隨著紫外線強度的升高而不斷增大。

圖7 不同紫外線強度下臭氧平均濃度超標準率Fig. 7 O3 ultra standard rate and average concentration under different ultraviolet radiation

2.3.3 相對濕度

由圖8可知，臭氧質量濃度與濕度呈負相關，其相關系數為r=-0.7845。臭氧和濕度存在較好的負相關性。在相對濕度低于 45%時，空港新城 O3日最大 8 h平均濃度均值出現超標現象，其中RH≤45%時均值為 192.2 μg·m-3，最大平均濃度出現于相對濕度為 45%—50%時，高達 194.8 μg·m-3，超標率高達21.8%。當相對濕度大于60%時，O3平均濃度明顯下降并未出現超標情況，隨著相對濕度的進一步增加，O3質量濃度也呈現急劇下降趨勢。

圖8 臭氧與相對濕度相關性分析Fig. 8 Correlation analysis of ozone and relative humidity in airport new city

當環境空氣濕度較高時，水汽中的自由基—H、—OH等將臭氧迅速分解為氧分子，從而降低了臭氧的濃度（圖9）。Kavassalis et al.（2017）研究發現相對濕度低于40%時，缺乏激發態O，相對濕度高于60%時，激發態O的消耗速度大于其生成速度，故認為相對濕度在40%—60%時最有利于臭氧的生成，這與空港新城的情況基本一致。

圖9 不同濕度下臭氧平均濃度超標準率Fig. 9 O3 ultra standard rate and average concentration under different relative humidity

2.3.4 風向風速

臭氧質量濃度與風速的相關性不顯著（圖10），其相關系數僅為r=0.1513；根據風速與臭氧質量濃度的關系分析結果，空港新城地區風速較大時臭氧質量濃度較高，反之亦然。其主要原因是臭氧本身具有一定的不穩定性，在低風速條件下，臭氧長時間停留可分解成氧原子和氧分子，從而濃度有所下降，風速較大時臭氧在未分解前就被監測到。

圖10 臭氧與風速相關性分析Fig. 10 Correlation analysis of ozone and wind speed in airport new city

風向對污染物的擴散具有明顯的影響作用，一般情況下，主導風向下風向污染物濃度一般較高。研究期間，空港新城風向以東北風為主，其風頻為31.12%，其次為東風20.27%，北風頻率為13.69%，其他風向頻次在4.0%—8.5%之間。空港新城地勢較為平坦，風向變化比較頻繁，從而導致污染物不利于在一個方位集結，因此不同風向下的臭氧平均濃度變化不大（圖11）。

圖11 不同風向的臭氧濃度水平Fig. 11 Ozone concentration levels in different wind directions

3 結論

（1）西咸新區空港新城盛夏期臭氧質量濃度在2—306 μg·m-3之間，平均為 103.8 μg·m-3，臭氧質量濃度較高時段主要集中在12:00—19:00，O3質量濃度日變化呈單峰型分布，在00:00—08:00較低且變化幅度不大，09:00開始逐漸升高，并在17:00左右達到峰值，之后開始下降。

（2）氣象要素對 O3有一定的影響作用。空港新城臭氧質量濃度與氣溫和紫外輻射呈顯著正相關，其相關系數分別為0.7783、0.5828，與相對濕度呈顯著負相關（r=-0.7845）。空港新城臭氧質量濃度與風速之間的關系不十分顯著，其相關系數為0.1513，這主要與該區域風速較低且變化幅度不大有關。由于該區域風向變化比較頻繁，風向對監測點臭氧影響不大。

（3）在西咸新區空港新城，有利的氣象條件如高溫度、強紫外輻射和低相對濕度等有助于該區域臭氧質量濃度的升高，當環境溫度≥32 ℃、紫外輻射≥40 W·m-2、相對濕度≤60%時，有利于對流層空氣中臭氧的生成，更容易造成O3超標。