昆明市臭氧污染特征及與氣象因子關(guān)系初步研究

王占良，段燕楠，楊芳園，鄒靈宇

(昆明市氣象局，云南 昆明 650034)

0 引言

O3是揮發(fā)性有機物( VOCs) 和氮氧化物( NOx)等在大氣中通過一系列光化學反應(yīng)生成的二次污染物，對人體健康和生態(tài)環(huán)境均產(chǎn)生較大影響[1-2]。我國京津冀、長三角、珠三角區(qū)域已開展O3污染特征的研究[3-7]。此外，還有一些研究針對O3生成潛勢，研究 VOCs主要物種對O3生成的貢獻[8-9]。各項研究均表明，O3生成主要受氣象條件和氣態(tài)前體物的影響。隨著氣候變化和社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，近年來，環(huán)境污染問題日益嚴重，空氣中的臭氧污染逐漸凸顯，臭氧污染已成為國內(nèi)外關(guān)注的環(huán)境污染問題之一。2014—2018年，昆明O3濃度日平均值總體呈上升趨勢，已成為首要污染物天數(shù)僅次于PM2.5的大氣污染物。

2017年的環(huán)境公報顯示[10]，O3已經(jīng)成為我國部分城市的首要大氣污染物，也是6種常規(guī)觀測污染物中濃度不斷上升的唯一污染物。中國城市O3濃度具有季節(jié)性和月度周期性變化特征，春季O3污染主要集中在華北地區(qū)、華中地區(qū)北部及華中地區(qū)南部，夏季由東部沿海向西部內(nèi)陸擴大，秋季由西北向東南沿海轉(zhuǎn)移，冬季主要集中在華南地區(qū)、華東地區(qū)及西南地區(qū)南部。臭氧的時間性也很明顯，臭氧濃度在清晨是非常低的，8點之后，隨著形成臭氧的廢氣越來越多，日照時間越來越長，臭氧濃度也逐漸升高，于14—16點達到峰值，之后緩慢降低。

目前針對影響臭氧污染形成因素的研究主要集中在四大方面：氣象因素影響、大氣環(huán)流輸送影響、自然界釋放前體物影響、人為排放前體物影響。很多研究表明，近地面臭氧濃度不僅與光化學反應(yīng)前體物的濃度有關(guān)，還與天氣狀況和氣象條件有關(guān)，強太陽輻射利于臭氧生成，氣溫高、相對濕度低、近地面風速小、城市逆溫等均有利于局地臭氧的累積。

昆明市位于云貴高原中部，屬于典型的內(nèi)陸山地城市，三面環(huán)山、南瀕滇池，地形地貌容易形成局地風，不利于大氣污染物的擴散。主城區(qū)平均海拔為1890m，紫外線強度大、輻射強，導致污染物二次生成和光化學反應(yīng)，易造成顆粒物和臭氧濃度升高。

昆明市屬北緯低緯度亞熱帶-高原山地季風氣候，常年平均風速為2.1m/s。昆明市在2015—2017年平均有效年降水日數(shù)在全國排名第33，平均風速排名第22。降雨量在年際和年內(nèi)變化較大，年內(nèi)明顯地分干、濕兩季，其中5—10月降水量占全年的85%左右，11月—次年4月僅占全年的15%左右。降雨量分布不均衡，有效降雨天數(shù)較少且多單點暴雨，年降水日數(shù)在全國74城市排第31名。干季容易加重顆粒物污染。冬春季節(jié)晝夜溫差大，容易形成逆溫和霧，導致污染物累積和浮塵產(chǎn)生。

1 資料來源

(1)昆明站地面觀測數(shù)據(jù)為2014—2018年逐日常規(guī)觀測數(shù)據(jù)。

(2)高空探測資料選用昆明站2014—2018年逐日秒級采樣數(shù)據(jù)。秒級采樣數(shù)據(jù)主要包括采樣相對時間、溫度、濕度、氣壓、高度。昆明國家基準氣象站海拔1889.3m，經(jīng)緯度為102°39′E、25°00′N。

(3)采用的昆明大氣環(huán)境監(jiān)測站空氣質(zhì)量指數(shù)逐日數(shù)據(jù)來自于中國空氣質(zhì)量在線監(jiān)測分析平臺公布的歷史數(shù)據(jù)。O3的24h均值為O3的日最大8h滑動平均值(O3-8h)，春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月，冬季為12月至—次年2月。

(4)針對日益凸顯的臭氧污染，我國實施的新《GB-2環(huán)境空氣質(zhì)量標準》中指出，空氣質(zhì)量指數(shù)中臭氧濃度高于100μg/m3為臭氧超標，臭氧的控制標準為臭氧8小時濃度日平均值，一級為100μg/m3，二級為160μg/m3。

2 昆明市空氣質(zhì)量指數(shù)與臭氧污染基本情況

昆明市2014—2018年空氣污染全部為輕度污染，圖1中實框為空氣污染總?cè)諗?shù)，斜線框為臭氧超標并成為首要污染物的臭氧污染日數(shù)。從圖1可以看出，昆明市近5年來空氣質(zhì)量總體變好，但2015年和2018年臭氧污染比較突出，這兩年臭氧污染日數(shù)占空氣污染總?cè)諗?shù)的75%和100%。

昆明2014—2018年各月輕度污染頻數(shù)(AQI>100)和臭氧污染頻數(shù)(O3>160)分布見圖2，從圖中可見，12月空氣污染次數(shù)最多，其次是7月和3月，而臭氧污染最多在7月，其次是3月和8月。近5年昆明市夏季空氣質(zhì)量首要污染物全是由于臭氧超標導致的，秋季和冬季空氣質(zhì)量首要污染物不是臭氧，而春季空氣質(zhì)量首要污染物中，臭氧污染3月占40%、5月占100%。

3 昆明市臭氧污染特征分析

3.1 O3濃度年變化特征

昆明市2014—2018年O3日平均濃度變化不大，總體呈緩慢上升趨勢。2018年最大，2014年最小，最大年比最小年多7.2μg/m3，多9.4%(見圖3)。尤其是2018年的2—4月，濃度上升明顯，比2015年同期偏多29%，是造成昆明地區(qū)輕度污染的首要污染物。

O3未達標天數(shù)(一級污染)2014年、2015年分別為73 d、66 d，2016年、2017年和2018年未達標天數(shù)分別為108 d、103 d和115 d(見圖4和表1)。達到二級污染的天數(shù)為2015年6 d、2018年4 d、2017年1 d，2014年和2016年0 d。

3.2 O3濃度月變化特征

按月平均O3濃度分布來看(見圖5)，近5年來昆明市O3濃度分布曲線呈單峰型，4月份最大(113.2μg/m3)，其次是3月和5月(分別為108.7和106.8μg/m3)，12月最小(58.0μg/m3)，6—8月相差不大(約76～79μg/m3)，9月比8月下降較快，9—12月緩慢下降，1—3月是一個快速遞增過程，5—6月又是一個快速遞減過程。從季節(jié)變化來看，昆明地區(qū)的O3濃度在春季最高，夏季次之，冬季和秋季相對較低。

平均各月O3未達標天數(shù)變化趨勢與月O3濃度變化趨勢一致(見圖6)，一級污染主要出現(xiàn)在春季，3—5月占全年約67%，其中4月最多，為22 d，3月和5月分別為21 d和21.2 d；1月最少，僅0.2 d。一級O3污染較嚴重的季節(jié)為春季，其次是夏季和2月份。二級污染主要出現(xiàn)在夏季，6—8月共8次，約占73%，其中7月最多，共5次，占45%。

表1 昆明市2014—2018年各月O3濃度(μg/m3)分級天數(shù) (d)

4 臭氧濃度變化與氣象因子關(guān)系分析

近地面O3濃度不僅與光化學反應(yīng)前體物的濃度有關(guān)，還與天氣狀況和氣象條件有關(guān)。強太陽輻射、高溫、相對濕度低、近地面風速小、城市逆溫等均有利于局地O3的生成和累積。風速較大的氣象條件一方面有利于大氣污染物的擴散，另一方面同時抑制了光化學反應(yīng)的發(fā)生。擴散與輸送在風速的作用下同時都在發(fā)生著復雜多變的轉(zhuǎn)化。

氣象因子在臭氧形成、沉降、輸送和稀釋中扮演著重要角色。局地氣象條件如風向、風速、溫度和相對濕度等對臭氧及其前體物的時空變化具有重要影響。根據(jù)國內(nèi)外研究成果，對昆明市臭氧濃度監(jiān)測結(jié)果與氣溫、風向風速、相對濕度、輻射、氣壓等氣象因素觀測結(jié)果之間的關(guān)系進行分析。結(jié)果表明，昆明臭氧日最大8小時平均濃度與氣溫、風速、輻射呈現(xiàn)顯著正相關(guān)性；而與氣壓、相對濕度呈現(xiàn)顯著負相關(guān)。

4.1 臭氧濃度與溫度的關(guān)系

對2014—2018年臭氧日最大8小時平均濃度與氣溫數(shù)據(jù)的分析結(jié)果表明，臭氧濃度與氣溫總體呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)大部分在0.19～0.63 (9～10月除外)，上半年相似系數(shù)總體上要大于下半年，相似系數(shù)最大值為2月0.63，其次是4月0.60。9—10月O3與地面氣溫相關(guān)性不好，9月相似系數(shù)中，2014年和2018年為顯著正相關(guān)，而2015—2017年為弱負相關(guān)，10月O3與地面氣溫相似系數(shù)均<0.2，弱相關(guān)或不相關(guān)(圖7和圖8)。

結(jié)合臭氧日最大8小時平均濃度月際間變化情況(在每年 3—5月達到年度峰值， 而后呈現(xiàn)波動變化、總體下降的變化態(tài)勢)，分析認為，昆明市全年氣溫差異性不大，進入夏季后氣溫有所上升，但昆明也正值雨季，相對較高的氣溫促成了其它關(guān)聯(lián)氣象因子(如濕度、降水等)對臭氧濃度的較強抑制作用，從而使得夏季開始臭氧濃度逐漸降低。

表2 歷年9—10月O3與地面氣溫相似系數(shù)

4.2 臭氧濃度與地面風速的關(guān)系

從相似系數(shù)看(見圖9和圖10)，昆明臭氧濃度與地面風速之間的相關(guān)性較復雜，3月和7—9月為負相關(guān)，其他月份為正相關(guān)。不論是正相關(guān)還是負相關(guān)，相似系數(shù)的絕對值不超過0.4。臭氧主要是人類活動排放的NOx、NHMC、VOCs等污染物經(jīng)光化學反應(yīng)產(chǎn)生的二次污染物，風速較大的氣象條件一方面有利于大氣污染物的擴散，另一方面同時抑制了光化學反應(yīng)的發(fā)生，擴散與輸送在風速的作用下同時都在發(fā)生著復雜多變的轉(zhuǎn)化。

地面風速對臭氧濃度的影響較為復雜，一般情況下，在逐日變化中，小風速的日平均值反映了全天較穩(wěn)定的大氣環(huán)境，有利于大氣污染物和臭氧濃度的積累。而在日變化中，較大地面風速反映了垂直輸送的加強，有利于將高濃度臭氧從高空帶到地面，這是臭氧區(qū)域輸送的顯著表征，是地面臭氧濃度增值的外來源，臭氧會從高污染地區(qū)輸送到相對清潔的地區(qū)，從而使該地區(qū)臭氧濃度顯著升高。風速的月平均值在夏季最小(約1.8m/s)，冬春季節(jié)風速較大，風速變化范圍也較寬，這有利于大氣中污染物的輸送和混合，也是昆明地區(qū)臭氧濃度平均值最高的季節(jié)。

4.3 臭氧濃度與太陽輻射的關(guān)系

臭氧濃度變化受太陽輻射的影響很大，晴天時太陽輻射越強，臭氧濃度越高，在一定程度上說明晴天時較強的太陽輻射有利于臭氧的光化學生成反應(yīng)。同時，云南地處云貴高原，海拔高，熱量差異大，紫外線強烈，太陽輻射對大氣中的NOx在光照條件下發(fā)生的光化學反影響不可忽略。

統(tǒng)計分析昆明市2014—2018年太陽總輻射量和臭氧濃度的月分布見圖11，從圖中可看出，太陽總輻射和臭氧濃度分布曲線相似，呈單峰型，并有春季大秋冬季小的特征。昆明市太陽總輻射5月份出現(xiàn)全年最大值(670.7MJ/m2)，其次是4月份和3月份，6—8 月維持在500 MJ/m2左右，9—10月份緩慢下降，11月份又略有升高，12月為全年最低值(356.57 MJ/m2)，1—5月為遞增過程，2—3月是一個快速增加過程，而6—7月又是一個快速遞減過程。這一季節(jié)規(guī)律，也與昆明主城區(qū)臭氧濃度月份、季節(jié)的變化規(guī)律基本一致。

對昆明市2014—2018年臭氧日最大 8小時平均濃度與日太陽總輻射、日照時數(shù)進行相關(guān)性分析(見圖12)，結(jié)果表明：臭氧濃度與太陽總輻射呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在0.371～0.739，年平均相關(guān)系數(shù)為0.608，相關(guān)性非常好，最大值為12月份0.739，最小值為3月份0.371，除了3月和9月外，其余月份相關(guān)系數(shù)均在0.5以上。

臭氧日最大 8小時平均濃度與日照時數(shù)相關(guān)性也很好，相關(guān)系數(shù)在0.299～0.716，年平均相關(guān)系數(shù)為0.554，最大值為12月份0.716，最小值為3月份0.299，屬顯著正相關(guān)，這與臭氧和日太陽總輻射的相關(guān)性一致。

4.4 臭氧濃度與相對濕度的關(guān)系

對2014—2018年臭氧日最大8小時平均濃度與相對濕度的分析(見圖13)結(jié)果表明，臭氧濃度與相對濕度總體呈現(xiàn)顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)除了3月份為0.16外，其余月份都在 0.40～0.69。結(jié)合臭氧日最大8小時平均濃度月際間變化趨勢，認為昆明地區(qū)春季臭氧濃度普遍較高的主導氣象因子并非是相對濕度，昆明地區(qū)冬季相對濕度在全年中最小，而夏季則最大，在最大最小的高反差下，濕度對臭氧濃度的累積具有較大的影響，所以其相關(guān)性較高，這與其他一些研究者在其它區(qū)域的研究結(jié)論并不一致(相對濕度在一定程度上導致了春季臭氧濃度高于夏季和秋季的臭氧濃度)。

4.5 臭氧濃度與地面氣壓的關(guān)系

對2014—2018年臭氧日最大 8 小時平均濃度與地面氣壓的進行相關(guān)性相關(guān)性分析(見圖14)，結(jié)果表明：臭氧濃度與地面氣壓的相關(guān)性不明顯，6—10月為正相關(guān)，其他月份為負相關(guān)，且最大相似系數(shù)為1月份-0.437，6—10月分正相關(guān)相似系數(shù)均不大于0.2。

4.6 臭氧濃度與大氣穩(wěn)定度的關(guān)系

近地面層與自由對流層的垂直輸送與混合層的發(fā)展有著一定的聯(lián)系，混合層發(fā)展的越深厚則垂直混合越充分。污染物在大氣中的遷移擴散，湍流起著重要的作用，而湍流的強弱又與大氣穩(wěn)定度有關(guān)，近地層大氣溫度的垂直分布決定了大氣穩(wěn)定度。因此，出現(xiàn)高臭氧濃度情況時，溫度垂直梯度值也較大。

大氣穩(wěn)定度的判定方法主要分為2大類：第一類是基于常規(guī)氣象資料，利用地面風速、云量、日照強度等資料對大氣穩(wěn)定度進行判定；第二類是基于高空氣象資料，利用溫度的垂直分布情況，對大氣穩(wěn)定度進行判定。本文利用高空探測秒級數(shù)據(jù)來計算50～150m的溫度垂直分布，結(jié)果見圖15。從圖中可看出，除了9月外，其他各月臭氧濃度與50～150m溫度垂直分布呈正相關(guān)，冬季和春季相關(guān)性好于夏季和秋季，年平均相關(guān)系數(shù)為0.225。

5 結(jié)論

臭氧是一種二次污染物，其污染狀況和分布特征不僅與前體污染物、下墊面狀況、光化學反應(yīng)前體物的濃度有關(guān)，還與強太陽輻射、高空大氣環(huán)流背景、天氣狀況、氣象因子等密切相關(guān)，具有明顯的季節(jié)變化特點。臭氧污染也越來越受重視。本文通過對昆明市2014—2018年空氣質(zhì)量和臭氧(O3)污染特征、臭氧污染與氣象因子的關(guān)系等進行分析，初步總結(jié)出了一些規(guī)律。

(1)2014—2018年，昆明市空氣質(zhì)量總體逐漸變好，但O3濃度整體呈上升趨勢，春季和夏季臭氧污染比較明顯，2015年和2018年臭氧污染比較突出。

(2)O3濃度春季高，秋冬季低，O3濃度高值主要集中在3—5月，其中4月最大，12月最小，從2—4月上升較快，6月比5月下降明顯，6—8月相差不大，9月份開始下降。

(3)O3濃度>160 μg/m3的臭氧污染主要出現(xiàn)在3—8月，其中7月最高。

(4)昆明臭氧濃度與太陽輻射、氣溫、大氣低層溫度垂直分布、風速等呈正相關(guān)，與氣壓、相對濕度呈負相關(guān)。