慈溪臭氧濃度變動與氣象因子關(guān)系初析

林宏偉，盧 瑩，茅吉鋒，徐立江

(1.慈溪市氣象局，浙江 慈溪 315300； 2.寧波市生態(tài)環(huán)境局慈溪分局，浙江 慈溪 315300)

0 引言

臭氧在平流層吸收太陽釋放的紫外輻射，不僅阻止了短波輻射到達地面，還改變了透入對流層太陽輻射的光譜分布[1]。王磊等[2]發(fā)現(xiàn)南京近地面O3質(zhì)量濃度與氣溫、能見度、日照時數(shù)、總(凈)輻射顯著正相關(guān)，與相對濕度、總(低)云量負相關(guān)。張燦等[3]研究認為，影響重慶O3質(zhì)量濃度的主要氣象因素為最高氣溫、溫差、太陽輻射、降水量、相對濕度、水氣壓和壓差，并據(jù)此建立了O3質(zhì)量濃度預報方程。

近地層氣象要素和O3分布演變緊密相關(guān)，在慈溪開展O3濃度研究對長三角大氣污染防治具有重要意義。

1 資料和方法

選用的O3資料為寧波市生態(tài)環(huán)境局慈溪分局大樓和慈溪市實驗小學兩個省控監(jiān)測點的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)選取時段為2017年1月1日—2019年12月31日。數(shù)據(jù)是標準的每日O3最大8 h的兩站平均質(zhì)量濃度(以下用C8h(O3)表述)數(shù)據(jù)，用于O3污染特征及與氣象參數(shù)的分析。同時期氣象觀測的月平均最高氣溫、月平均相對濕度(采用直接觀測得到的相對濕度表述空氣中的濕度，下文同)、月降水量、月平均風速、月日照時數(shù)及指定時段內(nèi)小時氣象數(shù)據(jù)均使用慈溪國家基本氣象站的資料，與O3濃度數(shù)據(jù)監(jiān)測站點的位置最為接近，能夠較好地反映慈溪城區(qū)O3濃度變化的氣象特征。所用的以月為時間單位的數(shù)據(jù)為兩站日最大O38h的平均值(基于小時O3濃度統(tǒng)計)，小時數(shù)據(jù)采用慈溪實驗小學省控站點的小時監(jiān)測資料。

2 氣象數(shù)據(jù)特征

2.1 臭氧濃度和氣溫

分析慈溪2017-2019年臭氧污染具有一定的時間特征(見圖1～3)，由圖可見，選取的氣象變化因子中，氣溫與臭氧濃度關(guān)系最為密切，特別是最高氣溫變化與O3濃度相關(guān)性最強。一般情況下，近地面層的臭氧濃度與氣溫成正相關(guān)，因此慈溪臭氧濃度呈現(xiàn)出較強的季節(jié)性變化特征，其中，年初和年底(冬季)氣溫低，臭氧濃度就低。

圖1 2017年臭氧及氣象因子年際變化Fig.1 Inter-annual variation of ozone and meteorological factors in 2017

圖2 2018年臭氧及氣象因子年際變化Fig.2 Inter-annual variation of ozone and meteorological factors in 2018

圖3 2019年臭氧及氣象因子年際變化Fig.3 Inter-annual variation of ozone and meteorological factors in 2019

2.2 臭氧濃度與日照

除氣溫外，慈溪的冬天是一年中氣溫最低時間，出現(xiàn)連陰雨天氣較多，晝短夜長導致日照時數(shù)偏少，抑制了臭氧充分地光化學反應，因此冬季是慈溪臭氧濃度最低的季節(jié)[4]。隨著季節(jié)轉(zhuǎn)換，氣溫升高，晝夜變化，日照時間變長，前體物光化學反應生成O3的有利條件逐漸增加。由此可見，慈溪每年的季節(jié)轉(zhuǎn)換，特別是春末夏初至夏末秋初是一年中臭氧污染最嚴重時期，也是臭氧防治的關(guān)鍵時間節(jié)點。

2.3 臭氧濃度與濕度

通過2017-2019年O3濃度與選定氣象因子的變化(見圖1～3)，每年5-9月平均氣溫是一個逐漸上升的過程，圖中每年6-7月的O3濃度相比5月及8月濃度要偏低，可見影響O3濃度的另一個重要因子是空氣中的濕度。慈溪臭氧濃度與各個季節(jié)的空氣濕度均呈負相關(guān)，從圖 1～3中可以看出，5月臭氧濃度達到峰值，此時慈溪氣候濕度相對較低，而進入 6月中旬后，慈溪進入梅雨季，陰雨日數(shù)增加，濕度也大幅上升，此時慈溪的臭氧濃度反而開始下降，同時陰雨天也減弱了太陽輻射，日照時數(shù)減少，導致臭氧濃度下降。進入7月份濕度顯著升高，臭氧平均濃度和超標日數(shù)較5、6月初均有較明顯的降低。伴隨著7月中下旬梅雨季結(jié)束，晴熱高溫天氣顯現(xiàn)，空氣中濕度再次回落，8月的臭氧濃度又再次回升。

2.4 臭氧濃度與降水

影響臭氧濃度的重要因素還有降水天氣現(xiàn)象。選取2019年8月7日-8月14日較為明顯的臭氧濃度變化為例，根據(jù)該時段臭氧濃度變化(見圖4)可以看出下雨天臭氧濃度明顯低于晴天。

圖4 2019年8月7日-14日氣象要素圖Fig.4 Meteorological factors from August, 7th-14th, 2019

一般情況下，降水天氣現(xiàn)象可以降低臭氧濃度，特別是穩(wěn)定性的大尺度系統(tǒng)降水，以2019年12月20日-12月21日降水為例(圖5)：慈溪出現(xiàn)全市大范圍的降水，降水出現(xiàn)時，臭氧濃度快速下降，下雨過程臭氧保持在較低水平，雨止后又呈上升趨勢。

圖5 2019年12月20日-21日臭氧濃度與氣象要素圖Fig.5 Ozone concentration and meteorological factors from December 20th to 21th, 2019

但是夏季出現(xiàn)小尺度系統(tǒng)短時強對流性質(zhì)降水時，臭氧濃度反而有上升趨勢。以2019年8月8日-8月9日強對流降水(圖6)為例：當時慈溪出現(xiàn)短時局地性的強對流性質(zhì)降水并伴有閃電產(chǎn)生，慈溪國家基本氣象剛好監(jiān)測到有降水，根據(jù)分析，應是閃電時出現(xiàn)的高能量電荷 (即光化學作用下)伴有一定量的O3產(chǎn)生，導致短時間內(nèi)監(jiān)測到的臭氧濃度有所升高。

圖6 2019年12月20日-21日臭氧濃度與氣象要素圖Fig.6 Ozone concentration and meteorological factors from December 20th to 21st, 2019

3 結(jié)果與討論

慈溪市C8h(O3)在全年變化中與各地變化有一致性也有特殊性，大體呈現(xiàn)夏季濃度較高，其次為春秋，冬季最低的季節(jié)變化規(guī)律，春夏交替及夏秋交替時為臭氧污染防治的主要時期。

C8h(O3)受氣溫、日照、濕度、降水等氣象要素共同影響，其中受氣溫影響最為顯著，氣溫、日照與C8h(O3)均具有顯著的正相關(guān)關(guān)系，C8h(O3)與濕度具有負相關(guān)性，連陰雨對臭氧也有一定的抑制作用。

降水性質(zhì)不同，對C8h(O3)深度變化也不同。夏季強對流多伴有地閃產(chǎn)生，會使C8h(O3)短時間升高，冬季穩(wěn)定性降水則會抑制C8h(O3)。

根據(jù)C8h(O3)隨氣溫、濕度變化的規(guī)律，春夏交替、夏秋交替之時可以在一定范圍內(nèi)氣溫處于較高時段適度增加空氣中的水汽含量，增濕降溫促進空氣流動，從而達到一定程度上抑制臭氧濃度的效果。