永安市臭氧污染特征及其與氣象條件的關系研究

王 玉 莊 亮 涂新前

(1.永安市氣象局,福建 三明 366000； 2.三明市永安生態環境局，福建 三明 366000)

0 引言

臭氧是大氣中重要的微量組分，大部分集中在平流層中，平流層中臭氧能阻擋高能量的太陽紫外輻射，是地球生命的保護層。在城市地區近地面，臭氧主要是人類活動排放的氮氧化物(NOx)和揮發性有機物(VOCs)等前體物在光照下發生光化學反應的產物，是造成城市光化學污染的主要因子，它對人體健康、農作物和植物的生長均有嚴重危害[1]。我國于2012年2月頒布了《環境空氣質量標準》(GB 3095-2012)，新增了O3監測指標和濃度限值[2]。

相關研究表明，城市臭氧生成量和生成速率不僅與氮氧化物、可揮發性有機物等前體物的濃度有關[3-5]，同時氣象因子對近地面O3質量濃度有重要作用，但不同情況下，主導因子不盡相同。北京地區O3質量濃度與太陽輻射、溫度和日照時間呈正相關，春季最有利于O3質量濃度增加的相對濕度區間在45%～50%，夏季和秋季最有利于O3生成的相對濕度區間在60%～65%，冬季相對濕度與O3質量濃度呈明顯負相關；平均風速在2.0～2.5 m/s最有利于O3質量濃度增加[6]。當杭州市紫外輻射大于0.06MJ/m2、氣溫高于25 ℃、相對濕度低于60%時，O3質量濃度較易出現超標情況[7]。劉建等[8]發現，珠三角地區氣溫高于27 ℃或相對濕度低于55%時，O3超標率和平均濃度相對較高。

由于永安市2016年才開始監測臭氧質量濃度，本文研究利用近4年(2016—2019年)永安市臭氧濃度觀測數據，分析臭氧污染特征并探討永安發生臭氧污染時的氣象條件，以期為永安市臭氧污染預報與防治提供科學參考。

1 資料

所選用的資料為永安市生態環境局監測的逐日臭氧最大8h平均質量濃度數據和永安國家基準氣候站的地面氣象觀測資料，選取時段為2016年1月1日—2019年12月31日。臭氧污染等級的劃分參照《環境空氣質量指數(AQI)技術規定(試行)》(HJ633-2012)，O3-8h濃度與空氣質量分指數(IAQI)的對應關系見表1。

2 永安市臭氧濃度變化特征

2.1 O3-8h濃度的年變化

由表2可見，2016—2019年永安市O3-8h濃度﹥120μg/m3(永安市環保部門關心的臨界值)主要出現在3～11月，O3-8h濃度﹥160μg/m3主要出現在5～10月。研究期內，O3-8h濃度在2016—2018年逐年增加，從2019年開始逐漸減小，這很可能與地方政府相關部門開展的環境整治有關。

表1 O3-8h濃度及其對應的空氣質量分指數和空氣質量指數類別

表2 2016—2019年永安市各月O3-8h濃度﹥120μg /m3日數分布 單位：天

2.2 O3-8h濃度的月變化

圖1給出2016—2019年永安市各月O3-8h濃度平均值，其月變化呈現“M”型結構，這和李霄陽等[9]的研究結論一致，峰值出現在5月和9月，分別為82.0、90.5μg/m3，谷峰之間單調遞增。

圖1 2016—2019年永安市各月O3-8h濃度平均值

3 臭氧與輻射關系分析

輻射是觸發光化學反應進而生成臭氧的重要條件之一。從2016年1月1日—2019年12月31日永安國家基準氣候站日總輻射曝輻量與O3-8h濃度的擬合曲線(見圖2)可以看到，兩者具有明顯的線性關系，O3-8h濃度隨日總輻射曝輻量增大而增大。在O3-8h濃度>160μg/m3的樣本中，日總輻射曝輻量最小值為2032W/m2，在O3-8h濃度>120μg/m3的樣本中，日總輻射曝輻量最小值為1335W/m2；然而，在日總輻射曝輻量>1335W/m2的條件下，仍然有65%的O3-8h濃度<100μg/m3，表明較高的日總輻射曝輻量是臭氧污染形成的必要但非充分條件。

圖2 2016年1月1日-2019年12月31日永安市

4 臭氧與氣象條件關系分析

由于3～11月是O3-8h濃度>120μg/m3的集中期，本文對O3-8h濃度與氣象要素關系的分析僅采用3～11月的數據。

4.1 O3-8h濃度與氣溫關系分析

由圖3可見，5～6月，O3-8h濃度出現一個明顯的回落，可能與這一期間頻繁的陰雨天氣導致日照不充足影響O3生成速率有關，但這期間氣溫依然維持在全年較高水平，氣溫日較差dT更能反映O3-8h濃度的回落，這和杜云松等[10]的研究結論一致。

圖3 2016—2019年永安市標準化后的氣溫

由表3可見，在3～11月，日最低氣溫Tmin和O3-8h濃度相關程度不明顯，日平均氣溫Tmean、日最高氣溫Tmax、氣溫日較差dT與O3-8h濃度都呈現出顯著的正相關關系(相關系數均通過α=0.001的顯著性檢驗)，以日最高氣溫Tmax和氣溫日較差dT的相關系數為最高，其中氣溫日較差dT與O3-8h濃度的相關系數最大，達到0.71，明顯高于其他氣溫指標。本文重點討論日最高氣溫Tmax和氣溫日較差dT與O3-8h濃度的相互關系。

表3 2016—2019年3～11月O3-8h濃度與

從2016—2019年3～11月永安國家基準氣候站日最高氣溫Tmax與O3-8h濃度的散點圖和擬合曲線(圖4)可以看到，兩者具有明顯的正相關關系，Tmax越高，O3-8h濃度越大。當O3-8h濃度>160μg/m3時，Tmax的最小值為28.5℃；當O3-8h濃度>120μg/m3時，Tmax的最小值為19.5℃,表明溫度越高越有利于O3的生成。當日最高氣溫Tmax高于28℃時，就應警惕臭氧污染的發生。

從氣溫日較差dT與O3-8h濃度的散點圖和擬合曲線(圖5)來看，二者具有明顯的線性關系。當O3-8h濃度>160μg/m3時，dT的最小值為13.2℃；當O3-8h濃度>120μg/m3時，dT的最小值為9.7℃，表明氣溫日較差越大，越有利于O3的生成。當氣溫日較差dT大于11℃時，就應警惕臭氧污染的發生。

圖4 2016—2019年3～11月永安市O3-8h

圖5 2016—2019年3～11月永安市O3-8h

4.2 O3-8h濃度與相對濕度關系分析

考慮到臭氧污染主要出現在白天，而相對濕度的低值也主要出現在白天，因此，分析日最小相對濕度Umin與O3-8h濃度的關系。從2016—2019年3～11月永安國家基準氣候站日最小相對濕度Umin與O3-8h濃度的散點圖和擬合曲線(見圖6)可以看到，兩者具有明顯的指數關系，O3-8h濃度隨日最小相對濕度Umin的減小而增大。3～11月，在O3-8h濃度>160μg/m3的樣本中，Umin最大值為44%；在O3-8h濃度>120μg/m3的樣本中，Umin最大值為51%；在日最小相對濕度<50%的條件下，有46%的O3-8h濃度>100μg/m3。當Umin<45%時，需警惕臭氧污染的發生。

圖6 2016—2019年3～11月永安市O3-8h

4.3 O3-8h濃度與地面風速、日降水量、總云量、日照時數關系分析

從表4可以看出，永安市O3-8h濃度與地面風速、能見度沒有明顯的相關關系，與日降水量和總云量有顯著的負相關關系，與日照時數有顯著的正相關關系，其相關系數均通過α=0.001的顯著性檢驗。

表4 2016—2019年3～11月O3-8h濃度與定時

在2016—2019年3～11月，當日降水量達到中雨(10mm以上)級別的日數中，僅有1天臭氧濃度達到120μg/m3以上，但未形成臭氧污染；在小雨(0.1～10mm)的日數中，有1天臭氧濃度達到160μg/m3以上，有7天臭氧濃度達到120μg/m3以上；在無雨的時段，有4天臭氧濃度達到160μg/m3以上，有84天臭氧濃度達到120μg/m3以上。

分析O3-8h濃度與日照時數的關系發現，當O3-8h濃度>160μg/m3時，日照時數的平均值為9.2h，最少日照時數達7.6h，云量平均為3.5成，80%的日數云量在5成以下；當O3-8h濃度>120μg/m3時，日照時數的平均值為9.2h，最少日照時數達4.0h，云量平均為3.6成，69%的日數云量在5成以下；而O3-8h濃度<100μg/m3的日數中，日照時數的平均值為4.0h，云量平均為8.1成，60%的日數日照時數小于5h,87%的日數云量在5成以上。由此，較少的云量、較長的日照更有利于臭氧的生成。當日照時間>7h時，需要警惕臭氧污染的發生。

綜上分析，和O3-8h濃度呈顯著相關的氣象要素為日最高氣溫、氣溫日較差、日最小相對濕度、日降水量、總云量和日照時數，而能見度、風速和O3-8h濃度的關系不明顯。氣溫高、氣溫日較差大、濕度低、日照長有利于臭氧生成。夏季高溫熱浪期間，海上更少的水汽輸送使得相對濕度減少，導致云量減少，造成達到地面的短波輻射通量增加，輻射是觸發光化學反應進而生成臭氧的重要條件之一，從而促進臭氧生成。

5 臭氧污染日的主要氣象特征及2020年高濃度臭氧日氣象條件檢驗

5.1 臭氧污染日的主要氣象特征

高濃度臭氧污染事件的產生與一定的氣象條件有關，2016年1月1日～2019年12月31日O3-8h濃度>160μg/m3的日期及其相應的氣象條件詳見表5。

表5 高濃度臭氧出現日期及其相應的氣象條件

5.2 2020年高濃度臭氧日氣象條件檢驗

2020年3月1日～2020年8月31日，滿足表6高濃度臭氧潛勢氣象條件判定標準的共有39天，其中O3-8h濃度>120μg/m3有9天，全都含在這39天內；O3-8h濃度>100μg/m3有28天，有18天含在這39天內。由此可見，表6所列高濃度臭氧潛勢氣象條件判定標準是高濃度臭氧日出現的充分非必要條件，對臭氧污染的預報具有一定的指導意義。

表6 高濃度臭氧潛勢氣象條件判定標準

6 結論

①永安市O3-8h濃度在2016—2018年逐年增加，2019年開始逐漸減少。月變化呈現“M”型結構，峰值出現在5月和9月，濃度大于120μg/m3主要出現在3～11月。

②O3-8h濃度與日總輻射曝輻量、日最高氣溫、氣溫日較差、日照時數呈顯著正相關，與相對濕度、日降水量和總云量呈顯著負相關。能見度、地面風速和O3-8h濃度的關系不明顯。

③當日最高氣溫大于28℃，氣溫日較差大于11℃，日最小相對濕度小于45%，日降雨量小于10mm，日照時長大于7h時，需要警惕臭氧污染的發生。

④臭氧濃度受污染物的排放和氣象條件等多方因素的影響，高濃度臭氧潛勢氣象條件的判定標準還需進一步研究。