自貢市臭氧濃度變化特征及其與氣象因素的相關性研究

呂長春

(周口市氣象局，河南 周口 466000)

引 言

近地面層的臭氧大部分是由氮氧化物(NOX)、可揮發性有機物(VOCS)及一氧化碳(CO)等前體物在太陽光照射下經一系列復雜的光化學反應生成的[1]。臭氧作為大氣污染物之一，對城市居民的身體健康具有重要影響。例如可損傷心血管系統[2]，提高慢性阻塞性肺疾病、哮喘等呼吸系統疾病的發病率和病死率等[3]。隨著現代化進程的加快發展，城市機動車輛增多，區域大氣污染物排放量迅速增加[4]，城市臭氧污染問題日益嚴重[5-11]，引起了國內外學者的廣泛關注[12-18]。

近地面臭氧濃度的變化不僅與人類活動有關，還與氣象因素密切相關[19-23]。周學思等[24]研究發現高溫低濕的氣象條件有利于臭氧的生成。洪盛茂等[25]研究表明杭州市臭氧濃度超標主要出現在高壓后部和副熱帶高壓控制等天氣類型下，受到溫度、相對濕度、日照、紫外線強度等氣象因素影響比較大。李昌龍[26]通過對2016年徐州市區的臭氧和氣象要素連續觀測數據分析發現，臭氧濃度與溫度呈正相關，與氣壓和濕度呈負相關。談昌蓉等[27]對西寧近地面臭氧的研究表明，不同季節不同高度風速大小和風向頻率對臭氧濃度影響不同，500 hPa 盛行風向以西西北為主時有利于擴散。薛文晧等[28]研究表明，臭氧的質量濃度與氣象評估因素的相關性R在北京、天津和唐山分別為0.694、0.803和0.755。

自貢市位于四川盆地的西南部，為亞熱帶濕潤季風氣候，近年來大氣污染嚴重。目前關于自貢市大氣污染的研究主要集中在可吸入顆粒物PM10及細顆粒物PM2.5兩個方面[29-30]，關于臭氧濃度變化的研究較少。因此，本文利用2014-2018年自貢市逐日大氣污染物監測數據及氣象數據，分析近5年來自貢市臭氧濃度變化特征及其與氣象因素的關系，為自貢市大氣污染的治理提供有效信息。

1 資料與方法

利用中國空氣質量在線監測分析平臺(https://www.aqistudy.cn/)中的2014-2018年自貢市逐日臭氧監測數據，以及同期逐日地面氣象要素(包括溫度、降水量、相對濕度、風速等)數據。

季節劃分采取氣象上的季節定義：春節為3-5月，夏季為6-8月，秋季為9-11月，冬季為12-次年2月。同時，根據環保部發布的《環境空氣質量標準》(GB3095-2012)[31]可知，環境空氣污染物中臭氧的一級日最大8 h平均濃度限值100 μg/m3，二級限值160 μg/m3;臭氧的一級1 h平均濃度限值為160 μg/m3，二級限值為200 μg/m3。因此，規定臭氧日最大8 h(記為O3-8h)平均濃度大于100 μg/m3時為O3-8h一級超標，大于160 μg/m3時為O3-8h二級超標；臭氧1 h(記為O3-1h)平均濃度大于160 μg/m3時為O3-1h一級超標，大于200 μg/m3時為O3-1h二級超標。臭氧超標率是指臭氧日最大8 h平均濃度超過一級或二級限值的天數與總天數之比。

2 結果與討論

2.1 臭氧濃度分布特征

圖1為2014-2018年臭氧月平均濃度變化和年平均濃度變化。由圖1可知，2014-2018年總體上自貢市臭氧月平均濃度峰值出現在7月份，從年平均濃度變化上看，自貢市O3-8h濃度呈逐年上升趨勢，每年平均增長10.6 μg/m3。2015年臭氧年平均濃度較2014年的增長了約44.7%，2016年的增長速率減緩，較2015年的僅增長了7.3%，2017年的與2016年的相比增加了24.7%，至2018年臭氧年平均濃度達100 μg/m3，與2017年的相比增加了9.9%。

圖1 2014-2018年O3-8h月平均濃度(a)和年平均濃度(b)變化

圖2為2014-2018年間逐月臭氧月平均濃度變化。由圖2可知，自貢市臭氧濃度的月際變化呈單峰分布，從1月份開始逐漸上升，至夏季臭氧濃度值達到頂峰，此后呈逐月下降趨勢。2015年、2017年臭氧月平均濃度峰值出現在7月份，2014年、2016年、2018年臭氧月平均濃度峰值出現在8月份。近幾年自貢市夏季臭氧濃度呈上升趨勢，2016年臭氧月平均濃度峰值較2015年的雖有所下降，但2017年的臭氧月平均濃度峰值又迅速增加，2018年8月份的臭氧月平均濃度達156 μg/m3。

圖2 2014-2018年O3-8h月平均濃度變化

圖 3為不同濃度區間內O3-8h頻率分布。濃度區間劃分參考《環境空氣質量指數(AQI)技術規定(試行)》(HJ633-2012)[32]，根據O3日最大8 h平均劃分為0-100 μg/m3、101-160 μg/m3、161-215 μg/m3和216-265 μg/m3四個區間?？芍?014-2018年0～100 μg/m3區間的O3-8h頻率逐年減少，101-160 μg/m3區間的O3-8h頻率逐年增加，增速為每年6.3%，且自2016年開始出現161-215 μg/m3區間，2017年開始出現216-265 μg/m3區間，至2018年頻率達到最大。

圖3 2014-2018年不同濃度區間內O3-8h頻率分布

2.2 夏季臭氧的日變化特征

根據上述分析結果可知，2014-2018年夏季臭氧濃度呈上升趨勢，因此對2014-2018年的夏季臭氧日變化特征進行統計分析。圖4為自貢市春華路和大塘山兩個監測點2014-2018年的夏季臭氧1 h平均濃度日變化。

圖4 2014-2018年夏季O3-1h日變化特征

由圖4可知，2014年夏季春華路O3-1h平均濃度呈單峰變化，00:00-10:00的O3-1h平均濃度基本在51 μg/m3附近波動，自11:00開始緩慢上升，在17:00達到峰值，而后逐漸下降，21:00之后呈水平波動。而大塘山O3-1h平均濃度變化基本呈水平波動，最高O3-1h平均濃度出現在06:00。由此可看出，2014年夏季春華路和大塘山未出現明顯的臭氧超標問題。

2015-2018年夏季春華路和大塘山O3-1h平均濃度日變化均呈現明顯的單峰變化。2015年夏季春華路的O3-1h平均濃度明顯高于大塘山的。其中，春華路O3-1h平均濃度峰值為110 μg/m3，出現在15:00；大塘山O3-1h平均濃度峰值為98 μg/m3，出現在14:00。2016年夏季大塘山的O3-1h平均濃度高于春華路的，春華路O3-1h平均濃度峰值為98 μg/m3，大塘山O3-1h平均濃度峰值為112 μg/m3，兩者峰值均出現在14:00。2017、2018年夏季春華路和大塘山的O3-1h平均濃度日變化幾乎一致，變化曲線基本重合。其中，2017年夏季春華路和大塘山的O3-1h平均濃度峰值出現在16:00，均大于120 μg/m3；2018年夏季春華路的O3-1h平均濃度峰值出現在16:00，大塘山的O3-1h平均濃度峰值出現在15:00，濃度均大于140 μg/m3。

總體而言，近5年來夏季春華路和大塘山的O3-1h平均濃度峰值呈逐年上升趨勢，至2018年春華路的O3-1h平均濃度峰值達到154 μg/m3，即2018年自貢市已出現明顯的O3-1h濃度超標問題。從5年來的平均狀況來看，2014-2018年夏季春華路和大塘山的O3-1h平均濃度日變化曲線基本一致，00:00-09:00的O3-1h平均濃度在50 μg/m3附近上下波動，而后從10:00開始逐漸上升，在15:00達到濃度峰值，此后又緩慢下降。

2.3 臭氧超標率統計特征

根據《環境空氣質量標準》(GB3095-2012)[31]中的臭氧日最大8 h平均濃度限值，對自貢市各季節進行一級超標和二級超標統計，結果如圖5所示。由圖5可知，在2014年臭氧一級超標僅出現在夏季和冬季，且一級超標率較低，未出現二級超標。2015年臭氧一級超標出現在春季、夏季和秋季，一級超標率峰值在夏季，較2014年夏季超標率增長了33.7%，未出現二級超標。2016年臭氧一級超標率峰值仍在夏季，但較2015年夏季的下降了9.8%；秋季一級超標率迅速上升，較2015年秋季的增加了11%；在夏季、秋季均出現二級超標，超標率分別為1.1%、3.3%。與2016年相比，2017年春季臭氧一級超標率迅速增長了35.9%，夏季和冬季略有增加，秋季臭氧一級超標率有所下降，且春、夏季的臭氧二級超標率較2016年的分別增長了6.5%、19.6%。2018年臭氧一級超標率峰值出現在春季，二級超標率峰值出現在夏季，與2017年相比，春季的一級、二級超標率有所上升，夏季的一級超標率略微下降、二級超標率增長了11.9%。

圖5 2014-2018年O3-8h超標率變化特征

總體而言，2014-2018年隨著臭氧濃度的不斷增加，各季節的臭氧超標率呈上升趨勢，其中以春季、夏季增加最為迅速，這與李波蘭等[33]的研究結果相一致。從2014-2018年各季節一級、二級超標率統計情況來看，自貢市2014-2018年各季節一級、二級超標率從大到小依次為夏季的、春季的、秋季的、冬季的。

2.4 氣象要素與臭氧濃度的關系

2014-2018年日平均溫度與O3-8h濃度的散點圖如圖6所示。由圖6可知，2014-2018年O3-8h濃度與溫度呈正相關關系，即隨著溫度的升高，O3-8h濃度也不斷增加。這是由于在太陽輻射的作用下，O3的前體物發生光化學反應，從而生成了O3。因此，當O3的前體物充足時，太陽輻射越強，溫度越高，O3生成的愈多，濃度愈大。具體的溫度區間與O3-8h平均濃度和O3-8h超標率的關系如表1所示。根據表1，溫度越高，該區間內O3-8h平均濃度越高，O3-8h一級、二級超標率越大。當溫度大于30 ℃時，O3-8h二級超標率達35.1%，與25～30 ℃區間內的二級超標率相比增加了26%，此時O3-8h平均濃度達145 μg/m3，O3-8h一級超標率達52.6%。

圖6 2014-2018年日平均溫度與O3-8h濃度的散點圖

表1 不同溫度區間中O3-8h平均濃度和超標率

圖 7為2014-2018年日平均相對濕度與O3-8h濃度的散點圖。由相關系數r可知，2014-2018年O3-8h濃度與相對濕度呈負相關關系。表 2為相對濕度區間與對應的O3-8h平均濃度和O3-8h超標率統計。由表 2可知，當相對濕度處于50%-60%區間時，O3-8h平均濃度、一級超標率和二級超標率均出現最大值，有利于臭氧形成；其次是當相對濕度小于50%時，O3-8h一級超標率為50%，對臭氧形成也較為有利；當相對濕度大于60%時，隨著相對濕度的增加，O3-8h平均濃度和超標率也逐漸減小，不利于臭氧的形成。這主要是因為水汽可以影響太陽紫外輻射，進而影響臭氧形成的光化學反應。當相對濕度較高時，會達到濕清除的條件，反而不利于臭氧的積累。安俊琳等[34]研究發現，前體物NOX和CO在相對濕度60%左右存在光化學反應強度臨界值,60%之后因前體物光化學反應隨相對濕度的增加而減弱。

圖7 2014-2018年日平均相對濕度與O3-8h濃度的散點圖

表2 不同相對濕度區間中O3-8h平均濃度和超標率

2014-2018年自貢市逐日平均風速和O3-8h濃度變化如圖8所示。由圖8可以看出，逐日風速與O3-8h濃度的變化具有高度一致性，風速的峰值與O3-8h濃度峰值相對應。圖9為各季節不同風速頻率分布變化。由圖9可知，在春季風速多處于2～3 m/s區間中，達34.6%；夏季風速在2～3 m/s區間的頻率為39%，大于3 m/s的風速均出現在夏季；在秋季小于1 m/s的風速頻率最多；冬季在1～2 m/s區間的風速頻率最多。即夏季風速最大，其次為春季、秋季的風速，冬季風速值最小。因此在風速值較大的春、夏季，溫度較高，O3-8h濃度增多；在風速值較小的秋、冬季，溫度降低，不利于O3生成，O3-8h濃度減小。

圖8 2014-2018年逐日風速與O3-8h濃度的變化

表3給出了不同風速下自貢市O3-8h平均濃度及超標情況。由表3可知，當風速小于1 m/s時，O3-8h平均濃度最低，為66 μg/m3，此時O3-8h一級超標率僅為15.0%，二級超標率為0.9%；當風速大于3 m/s時，O3-8h平均濃度最高，為95 μg/m3，O3-8h一級超標率達33.3%。由圖9可知，風速高值時段一般出現在春季和夏季，低值一般出現在秋季、冬季，且從秋、冬季到春、夏季風速呈逐漸增加的趨勢，即風速的增加伴隨著氣溫的升高。風速對O3-8h的影響，也包含氣溫的影響成分。風速小于1 m/s時，O3-8h平均濃度低，風速大于3 m/s時，O3-8h平均濃度高，風速從1～2 m/s升高到2～3 m/s時，O3-8h平均濃度和超標率增加較快。

圖9 2014-2018年各季節不同風速頻率分布變化

表3 不同風速區間中O3-8h平均濃度和超標率

3 結 論

(1)2014-2018年內自貢市O3-8h月平均濃度峰值出現在7月份。從年平均濃度變化上看，自貢市O3-8h濃度呈逐年上升趨勢，每年平均增長10.6 μg/m3。隨著臭氧濃度的不斷增加，各季節的臭氧超標率呈上升趨勢，其中以春季、夏季的增加最為迅速。自貢市2014-2018年各季節O3-8h一級、二級超標率從大到小依次為夏季的、春季的、秋季的、冬季的。2014-2018年間在0-100 μg/m3區間的O3-8h濃度頻率逐年減少，101-160 μg/m3區間的O3-8h濃度頻率逐年增加，增速為每年6.3%。

(2)2014-2018年間夏季自貢市春華路和大塘山監測點的O3-1h平均濃度峰值呈逐年上升趨勢，且春華路和大塘山的O3-1h平均濃度日變化曲線基本一致：00:00-09:00的O3-1h平均濃度在50 μg/m3附近波動，而后從10:00開始逐漸上升，在15:00達到濃度峰值，此后又緩慢下降。

(3)O3-8h濃度與溫度呈正相關關系，不同溫度區間與O3-8h平均濃度和O3-8h超標率的關系表明：溫度越高，該區間內O3-8h平均濃度越高，O3-8h一級、二級超標率越大。O3-8h濃度與相對濕度呈負相關關系，當相對濕度處于50%-60%區間時，有利于臭氧形成，O3-8h平均濃度、一級超標率和二級超標率均出現最大值；當相對濕度大于60%時，相對濕度的增加，不利于臭氧的形成，O3-8h平均濃度和超標率逐漸減小。

(4)自貢市在春季風速處于2～3 m/s區間的頻率最多；夏季風速為2～3 m/s的頻率達39%，大于3 m/s的風速均出現在夏季；而在秋季小于1 m/s的風速頻率最多，冬季為1～2 m/s的風速頻率最多。由于風速與季節有關，風速越大，氣溫越高，因此，風速對O3-8h的影響，也會有氣溫的影響成分。風速小于1 m/s時，O3-8h平均濃度低，風速大于3 m/s時，O3-8h平均濃度高，風速從1～2 m/s升高到2～3 m/s時，O3-8h平均濃度和超標率增加較快。

(5)本文僅對自貢市2014-2018年的臭氧變化特征及其與氣象因子的關系進行了統計分析，在理論解釋方面僅作簡要說明，未進行深入分析；且臭氧的變化不僅僅與氣象因素有關，與臭氧形成的前體物及局地光化學反應也密不可分，其影響因素還需要進一步探討和研究。