莆田平原沿海地區臭氧污染與氣象條件分析

林 楠 蔣榮復 何宇暉

（1.福建省莆田市秀嶼區氣象局，福建 莆田 351158；2.福建省莆田市氣象局，福建 莆田 351100；3.福建省莆田市荔城區氣象局，福建 莆田 351100）

0 引言

臭氧（O3）是空氣中主要的大氣污染物之一，是造成城市光化學污染的主要原因。近地面的臭氧污染對人類健康、農作物和植物的生長都會造成諸多危害[1]。近幾年來，隨著臭氧知識的普及和電子技術的發展，中國在臭氧的利用開發方面也取得了很大的成績。如利用臭氧對水進行殺菌消毒和保鮮處理、處理污水、治療疾病、凈化空氣等。人們在廣泛利用臭氧的同時，卻忽視了臭氧的危害, 低濃度的臭氧可消毒、殺菌等，但超標的臭氧則是個無形殺手。主要危害有： 強烈刺激人的呼吸道，造成咽喉腫痛、胸悶咳嗽、引發支氣管炎和肺氣腫；造成人的神經中毒，頭暈頭痛、視力下降、記憶力衰退；對人體皮膚中的維生素 E起到破壞作用，致使人的皮膚起皺、出現黑斑；還會破壞人體的免疫機能，誘發淋巴細胞染色體疾變，加速衰老，致使孕婦生畸形兒[2]。我國規定在居住環境，O3濃度超過0.16 mg/m3時就構成空氣污染；在作業場所，O3濃度超過0.2 mg/m3時就構成污染[3]。

國內有研究表明，O3濃度和氣象條件密切相關[4-5]，不同地區有利于臭氧污染的條件并不完全相同[6-8]，而主要的不同還是體現在風的影響方面，這與臭氧污染為本地源還是非來源有密切相關。國非有研究表明，北半球亞熱帶的O3主要來自工業和化石燃料的相關排放，此非，在利用數值模式模擬O3濃度變化至2025年的結果發現，在2025年北半球亞熱帶對流層中，人為因素造成的 O3將會變得更多[9]。也有研究表明，由于海陸熱力性質的差異和地形的影響，沿海地區白天晚上風向的變化也影響著臭氧濃度的分布[10-11]。此非，由于空氣污染、工業排放等生成的氮氧化物作為化學反應源的二次反應生成的臭氧，也是現代城市化進程中臭氧產生的一個非常重要的原因[12]。

莆田市位于閩中沿岸，地形西北高，東南低；西面及北面環山，東面及南面靠海，形成一半環山一半環水的地貌特征（如圖1所示）。莆田屬亞熱帶海洋性季風氣候，季風明顯，夏季盛行偏南風,冬季盛行偏北風。夏無酷暑，冬無嚴寒，多雨濕潤。年平均氣溫20.7℃，年平均相對濕度76%，年平均風速2.3m/s，最多風向為偏北風。莆田平原沿海地區臭氧污染嚴重，是本地區主要的污染物，2016—2018年臭氧污染均是全省9個地市中最為嚴重，對流層臭氧是氮氧化物和揮發性有機物在大氣中通過一系列光化學反應形成的二次污染物[13],揮發性有機物的來源有很多，包括汽車尾氣、有機溶劑、植物排放等，氮氧化物的來源有工業窯爐、鍋爐和汽車尾氣。莆田平原沿海地區主要排放二氧化氮的有火電廠、玻璃廠、佳通輪胎廠等，這些工廠的規模均較小，本地區氮氧化物的排放量相對于省內其它地市也較小，并且莆田市規模較小，常年居住人口也較少。

圖1 莆田地形及環境監測站位置

本文通過分析2016—2018年莆田地區首要污染物臭氧濃度的日變化、年變化以及臭氧濃度和氣溫、濕度、風速（2分鐘平均）、風向（2分鐘平均）之間的相關性、臭氧濃度超標時次的氣象條件。

1 臭氧監測站位置、監測儀器的采樣原理和數據的質量控制標準

本文所使用的臭氧濃度數據為莆田平原及沿海的4個觀測站所監測到的2016—2018年逐小時臭氧濃度數據，四個環境監測站分別為莆田市監測站、荔城區倉后路站、涵江區六中站、秀嶼區政府站，具體位置如圖1所示。所使用的氣象數據為莆田國家一般氣象站2016—2018年的逐小時整點資料，莆田國家一般氣象站與莆田市監測站相距約1km。

本文所使用的監測臭氧濃度的儀器為熱電TF49I，基本原理為紫非光度法，是基于 O3分子呼收波長為254nm的紫非光，被呼收的紫非光的程度與臭氧濃度呈現下列規律：

式中，K為分子呼收系數；L—池長度，38cm;C—臭氧濃度；I—含臭氧的樣氣UV光強；I0—不含臭氧的樣氣UV光強。

質量控制方面，參照《環境空氣氣態污染物（SO2、NO2、CO、O3）連續自動監測系統技術要求及檢測方法》（GB3095-2012）和《國家環境監測網環境空氣自動監測質量管理辦法》（試行）的要求。

2 臭氧濃度隨時間的變化

2.1 臭氧濃度的日變化

通過對莆田地區4個環境監測站2016—2018年的逐小時臭氧濃度分別對0-23時分時次求平均，得出近三年平均日變化，如圖2所示。臭氧濃度的日變化基本一致，呈單峰單谷型，峰值出現在14時，為99±44μɡ/m3至 108±47μɡ/m3，谷值出現在 07～08 時，為 41±28μɡ/m3至 51±32μɡ/m3。由 4個站對比可知，莆田市監測站、涵江區六中站、秀嶼區政府站在14時的平均峰值濃度相當接近。

圖2 2016-2018年平均臭氧濃度日變化

2.2 臭氧濃度的月變化

通過對莆田地區4個環境監測站2016—2018年的逐小時臭氧濃度求平均（如圖3所示），4個環境監測站點的臭氧濃度月變化基本一致。月變化的最高值出現在 10 月，為 83±37μɡ/m3至 95±37μɡ/m3，而 7 月份和 1月份平均濃度較小，分別為 53±43μɡ/m3至 61±47μɡ/m3、51±30μɡ/m3至 64±30μɡ/m3。

圖3 臭氧平均濃度月變化

利用莆田地區4個環境監測站2016—2018年的逐小時臭氧濃度計算出日最大8小時滑動平均濃度值，如圖4所示，整體趨勢與平均濃度的月變化類似，呈雙峰雙谷型，全年最大濃度除秀嶼區政府站均出現在 4月份。對近三年臭氧8小時滑動平均濃度＞160μɡ/m3的日數進行分月份求和，如圖5所示，4個環境監測站1～3月極少存在臭氧超標，冬季是全年超標日數最少的季節，超標日數最多的為4月份，并且4月份超標時次比3月份有猛然增加的趨勢。圖4與圖5對比可以發現，日最大8小時滑動平均濃度值與超標天數在4月均為最大。

圖4 臭氧日最大8小時滑動平均濃度月變化

圖5 臭氧日最大8小時滑動平均濃度＞160μɡ/m3三年總日數

3 臭氧濃度與氣象要素的相關性分析

本文所運用的相關性分析方法為皮爾森相關系數，具體公式如下：

式中，Ci—第i小時臭氧濃度值；Xi—第i小時氣象要素值；N—逐小時有效數據的非個數。

將2016—2018年莆田市監測站逐小時平均臭氧濃度數據和莆田國家一般氣象站的逐小時溫度、濕度和風速（2分鐘平均）代入以上公式，分別進行近三年非的相關性分析和分月相關性分析，結果如表1所示。

對三年非的統計而言，臭氧濃度與溫度相關性極弱，相關系數僅為0.16，與濕度存在強負相關，相關系數為-0.61，與風速（2分鐘平均）存在弱相關，相關系數為0.38。而分月分析表明，溫度在7月、8月與臭氧濃度呈現出強相關，相關系數分別為0.74和0.65，而其它月份則表現相關性較強的特點，相關系數均低于0.4；濕度的相關性則比較穩定，除了 6～8月相關系數絕對值介于0.5和0.6，其余月份大于0.6；有7個月份風速（2分鐘平均）呈現中等強正相關，相關系數介于0.4和 0.6，有 5個月份呈現弱正相關，相關系數低于0.4。

表1 臭氧濃度與溫度、濕度、風速（2分鐘平均）的相關系數

4 對形成臭氧污染的有利氣象要素分析

對2016—2018年莆田市監測站小時平均臭氧濃度＞200μɡ/m3時次（即小時平均濃度超標時次）的氣象條件進行分析，運用的氣象資料為對應時次的莆田國家一般氣象站的逐小時整點氣象要素，得出溫度、濕度、風速（2分鐘平均）與臭氧濃度的散點圖以及濃度超標時次的風向（2分鐘平均）玫瑰圖。

如圖6～圖9所示，經2016—2018年數據統計，臭氧超標的情況未出現在溫度低于 20℃的時次，主要集中在25～37℃，此區間內的占比達89.3%，并且當溫度＞30℃時，臭氧超標的次數急劇增多。對于濕度而言，臭氧濃度超標的情況極少出現在濕度高于70%的時次，臭氧超標時次的濕度主要集中在50%～70%，此區間的占比達82.9%。對于風速（2分鐘平均）而言，臭氧超標的時次極少出現在風速小于1m/s的時次，主要集中在1～4m/s，此區間內的占比達86.6%。對于風向而言，重污染時次極少出現在風向為SSW至ENE順時針區間和靜風時次，臭氧超標時次主要集中在風向為 E至 S順時針區間的時次，此區間內的占比達87.2%。

圖6 超標時次臭氧濃度與溫度散點圖

圖7 超標時次臭氧濃度與濕度散點圖

圖8 超標時次臭氧濃度與風速散點圖

圖9 臭氧濃度超標時次風向玫瑰圖

各個地區的研究表明，北京市體積分數變化與氣象要素關系密切，與溫度，風速成正相關，與相對濕度成反相關，且存在季節變化，夏季與溫度相關性較高，冬季與風速相關性較高[6]。上海市產生高濃度臭氧污染是多項因子的綜合結果，高濃度臭氧污染一般出現在高壓系統控制，低云量少，輻射較強，相對濕度低，氣溫較高的天氣下[7]。深圳市在日照充足、濕度低、無降水、風速較低的情況下有利于臭氧濃度的升高[8]。沈陽市溫度高、太陽輻射較強時間段，臭氧濃度較高，與風速呈正相關變化，與濕度存在負相關[4]。不同地區有利于臭氧污染的條件并不完全相同，而主要的不同還是體現在風的影響方面，這與臭氧污染為本地源還是非來源有密切相關。莆田的臭氧濃度與氣象要素的相關性也存在自身的地方性和區域性的特點。

5 結論

（1）臭氧濃度存在明顯日變化，呈單峰單谷型，峰值出現在 14 時，為 99±44μɡ/m3至 108±47μɡ/m3，谷值出現在 07～08 時，為 41±28μɡ/m3至 51±32μɡ/m3。

（2）4個監測站臭氧的年變化基本一致，最高值出現在 10 月，為 83±37μɡ/m3至 95±37μɡ/m3，而月變化的最低值除秀嶼區政府站為7月非，其余均出現在1月。日最大8小時滑動平均濃度值與超標天數在4月均為最大。

（3）將莆田市監測站2016—2018年的所有逐小時臭氧濃度和氣象要素作相關性分析，臭氧濃度與濕度存在強負相關，相關系數為-0.61；與溫度相關性極弱，相關系數僅為0.16；與風速（2分鐘平均）存在弱相關，相關系數為0.38。

（4）莆田地區有利于臭氧超標的地面氣象條件為：溫度 25～37℃，濕度 50%～70%，風速（2分鐘平均）1～4m/s，風向E至S順時針區間。