2021年廣州市臭氧污染特征及氣象因子影響分析

陳漾，張金譜，邱曉暖，琚鴻，黃俊

1. 廣東省廣州生態環境監測中心站，廣東 廣州 510006；2. 廣州市氣候與農業氣象中心，廣東 廣州 511430

近地面高濃度臭氧（O3）是大氣中重要的污染物，具有強氧化性，會對人類健康和農作物生長造成一定危害（Anenberg et al.，2010；Yang et al.，2012；Ghude et al.，2014；Feng et al.，2015；Lelieveld et al.，2015；Chen et al.，2016；Kavassalis et al.，2017；萬五星等，2021；周映彤等，2021）。O3可以遠距離傳輸，是區域性大氣污染的重要標志物（崔坤等，2021；鄧慧穎等，2021）。

廣州市是華南地區的經濟文化中心，經濟總量、人口密度、能源消費總量保持高位且持續增長，大氣污染防治壓力大。近年來，由于二氧化氮（NO2）和顆粒物污染得到有效治理與控制，廣州市 O3污染問題越發突出，與國內多個地區與城市面臨的問題相似（鄧愛萍等，2017；沈勁等，2017；謝祖欣等，2020；洪瑩瑩等，2021；侯素霞等，2021；顏敏等，2021；李莉等，2022）。近年來廣州市O3濃度波動變化，無明顯下降趨勢，自2015年起，O3代替細顆粒物（PM2.5）成為廣州市最主要的大氣污染物。O3是氮氧化物（NOx）和揮發性有機物（VOCs）在一定氣象條件下通過復雜的光化學反應生成的二次污染物（高素蓮等，2020）。O3污染的化學生成機制復雜，與前體物存在高度非線性關系（Pollack et al.，2015；唐孝炎等，2006；顏敏等，2021），治理難度較大（Shao et al.，2009；沈勁等，2018；符傳博等，2022a）。

在排放源相對穩定的情況下，氣象條件是產生O3污染的關鍵因素（陳婉瑩等，2022）。董昊等（2021）通過研究 2016—2018年安徽省 68個國控環境空氣質量自動監測站點的 O3監測數據與氣象因子的相關性后發現，溫度、相對濕度與O3濃度分別呈現顯著正相關、負相關，但在不同季節存在一定差異，其中，春秋季溫度與O3濃度的相關性高于夏冬季，夏季相對濕度與O3濃度的相關性最顯著；O3濃度在平均風速為 2.1—2.2 m·s-1時更易出現超標。李婷苑等（2022）統計了2015—2020年廣東省在不同天氣型下 O3污染情況后，發現弱冷高壓脊天氣型是影響廣東省 O3污染的主導天氣型，且不同季節的主要影響天氣型存在差異，干季、濕季廣東省區域 O3污染的主導天氣型分別為弱冷高壓脊和臺風外圍。

利用 2021年廣州市環境空氣質量自動監測站點 O3實時監測數據和氣象觀測數據，系統性分析O3污染時空分布特征，O3濃度與氣象因子的相關性及O3污染與地面天氣形勢的關系，并對4月30日—5月1日發生的O3連續中度污染過程進行分析研究，以期為廣州市 O3污染預警預報和防控治理提供參考。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

廣州市現有52個環境空氣質量自動監測站點，包括21個國控點（含1個國控對照點，即帽峰山國控點）、31個非國控點，具體位置見圖1。本文中O3、NO2、細顆粒物（PM10）、可吸入顆粒物（PM2.5）、二氧化硫（SO2）和一氧化碳（CO）等大氣污染物濃度資料均來自廣州市環境空氣質量自動監測網絡的實況數據，VOCs濃度來自廣州市吉祥路95號大氣超級站（113.2597°E，23.1331°N，海拔 51 m）的監測數據。氣溫、日照時數、風速、風向、降水量、相對濕度、氣壓等氣象資料來自廣州（黃埔）國家基本氣象觀測站（113.482°E，23.21°N，海拔71 m），該站為廣州市氣象數據代表站，也是廣州市世界氣象組織（WTO）提供的全球數據共享的唯一代表站（黃俊等，2018）。近地面天氣形勢圖來源于香港天文臺。

1.2 儀器與質控

O3、NO2、顆粒物（PM10、PM2.5）、SO2和 CO等分別通過Thermo 49i臭氧分析儀、Thermo 42i氮氧化物分析儀、SHARP 5030顆粒物分析儀、Thermo 43i二氧化硫測定儀器和Thermo 48i一氧化碳分析儀等儀器在線測定，數據的質保質控（quality assurance and quality control，QA/QC）按照《環境空氣質量自動監測技術規范（HJT 193—2005）》執行，2021年共獲得6項大氣污染物有效小時濃度數據2687390個，數據有效性為98.3%，其中O3小時濃度數據約44.7萬個，數據有效性98.2%。VOCs使用GC866在線 VOCs分析儀（Chromatotec，法國）測定，測量物種包括57種臭氧前體物，每日執行1次內標檢測，每周執行1次5×10-9標準氣體核查，確保大于80%的物種濃度偏差小于20%，符合2021年國家生態環境監測方案的技術要求，2021年4月30日—5月2日共獲得臭氧前體物有效小時濃度數據為4713個，數據有效性為87.7%。2021年共獲得氣溫、風速、風向、降水量、相對濕度和氣壓等氣象因子有效小時數據分別為 8753、8716、8716、8753、8753、8753個，日照時數有效數據362個，數據有效性均為99.0%以上。

1.3 研究方法

依據《環境空氣質量標準》（GB 3095—2012）及其修改單、《環境空氣質量評價技術規范（試行）》（HJ 663—2013）和《環境空氣質量指數（AQI）技術規定（試行）》（HJ 633—2012），O3日最大 8小時滑動平均值（O3-8 h）為O3日評價濃度，O3-8 h的第90百分位數（O3-8 h-90%）為某時間段（年、月）O3評價濃度，當O3-8 h或O3-8 h-90%超過160 μg·m-3則分別視為當日或該時間段O3濃度超標。

選取 2021年廣州市環境空氣國控監測網絡中20個國控點的污染物小時實況數據評價廣州市環境空氣質量指數（AQI）及各項污染物濃度。使用52個發布點（含20個國控點）的O3-8 h均值和O3-8 h-90%數據，并采用 Matlab“v4”插值函數繪制2021年廣州市O3-8 h均值和O3-8 h-90%濃度的空間分布圖。應用SPSS軟件統計O3-8 h與氣象因子的顯著性水平（P）與相關系數（r）。

2 結果與討論

2.1 廣州市O3污染總體概況

2021年廣州市環境空氣質量超標天數（環境空氣質量指數AQI＞100）為42 d，其中輕度污染38 d、中度污染4 d，未出現重度污染及以上污染。O3超標天數最多，達36 d，占總超標天數的85.7%；NO2超標6 d，占比14.3%；PM2.5和PM10各超標3 d，各占7.1%（全年共有3 d出現NO2、PM2.5和PM10同時超標現象），SO2和CO無超標。環境空氣質量呈現O3污染為主，NO2和顆粒物污染為次的污染特征。2021年廣州市O3中度污染4 d，輕度污染32 d。

2021年廣州市2、4、7、9月O3-8 h-90%分別為 169、185、167、179 μg·m-3，超過國家二級標準限值（160 μg·m-3），且 O3超標天數較多，分別占全年O3超標天數的13.9%、19.4%、19.4%、25.0%。從近3年O3-8 h-90%和O3超標天數的月度變化看（圖 2），2019年 O3污染主要集中在 8—11月，2020年O3污染主要發生在4月和7—10月，2021年O3污染出現時間則較為分散，分別發生在2、4、7、9月，2月是2021年廣州市O3-8 h-90%首次超標的月份，且超標天數為近 3年同期最多，O3污染時間提前。

圖2 2019—2021年廣州市O3-8 h-90%濃度和O3超標天數月度變化Figure 2 Monthly variation of the concentrations of O3-8 h-90% and exceeded days of O3 in Guangzhou from 2019 to 2021

2021年廣州市全年O3-8 h均值和O3-8 h-90%的空間分布特征相似，說明均值和高位值（第90分位數）的空間變化無明顯差異，均呈現“南高北低”的特點，O3高值區主要分布在南部郊區，中部和東西兩翼也相對較高（圖3）。

圖3 2021年廣州市全年O3-8 h均值及O3-8 h-90%濃度分布圖Figure 3 Distribution of the mean concentration of O3-8 h and the concentration of O3-8 h-90% in Guangzhou in 2021

2.2 O3-8 h與氣象因子的關系

2.2.1 O3-8 h與氣象因子的相關性分析

統計分析 2021年廣州市 O3-8 h與各氣象因子相關性（表1），發現O3-8 h與氣溫、日照時數、風速、相對濕度、降水量和氣壓均通過雙側 0.01水平下的顯著性檢驗，其中，O3-8 h與氣溫和日照時數均呈正相關，與風速、相對濕度、降水量和氣壓均表現為負相關。O3-8 h與日照時數的相關性明顯比其他單項氣象因子強且表現為高度正相關，表明氣象因子中日照時數與O3-8 h的關系最密切，日照時數越長，在一定程度上反映出太陽輻射越強，O3光化學反應越有利，促進O3生成；風速與O3-8 h濃度的相關性僅次于日照時數且為中度負相關，一般風速越大，水平擴散條件越好，對O3有一定的清除作用。日照時數代表光照生成條件，風速代表擴散清除條件，因此將日照時數與風速的比值（日照時數/風速比值）作為一個組合變量，發現O3-8 h與日照時數/風速比值的相關性高于O3-8 h與任一單項氣象因子的相關性（表1），相關系數r為0.75，呈現高度正相關關系。且O3-8 h與日照時數/風速比值的線性擬合方程的斜率隨著上午 07:00 NO2濃度區間的升高呈現先增后減的變化（圖4）。這是由于07:00 NO2濃度在一定程度上可代表光化學反應前體物的初始濃度（蘇筱倩等，2019），因此在 07:00 NO2濃度較小（＜42 μg·m-3）時，斜率隨著07:00 NO2濃度區間的升高而增大，當 07:00 NO2濃度較高（＞42 μg·m-3）時，斜率明顯變小，原因可能為NO2濃度較高時產生了明顯的“滴定”效應（吳瑞霞等，2005；奇奕軒等，2017；齊國偉等，2022），O3濃度迅速降低，因此斜率變小。

圖4 O3-8 h濃度與日照時數（ds）/風速（vw）比值在上午7時NO2的不同濃度區間的線性擬合圖Figure 4 Linear fitting diagrams of the concentrations of O3-8 h and the ratio of sunshine duration/wind speed at different range of the concentrations of NO2 at 7:00 a.m.

表1 2021年廣州市O3-8 h與氣象因子的相關性Table 1 The correlations between the concentration of O3-8 h and meteorological factors in Guangzhou in 2021

廣州市地處南亞熱帶南緣，根據華南氣候特征，并沒有氣候學意義上的冬季，通常將3—8月劃分為濕季，1—2月、9—12月劃分為干季（黃俊等，2018）。對比廣州市干濕季O3-8 h與氣象因子的相關性（表1）可知，O3-8 h與風速和相對濕度的相關性均呈現干濕季差異較大的特點，而O3-8 h與其他氣象因子的相關性均表現為干濕季差異較小的特點。O3-8 h與風速在干季表現為高度負相關（相關系數為-0.514**），而在濕季則呈現低度負相關，原因可能為濕季邊界層較高，垂直擴散較好，干擾了水平擴散，因此影響了兩者的相關性。O3-8 h與相對濕度在濕季呈中度負相關（相關系數為-0.469**），但在干季則無相關性（相關系數為0.041）。

2.2.2 不同范圍氣象因子與O3的關系分析

表2所示為各氣象因子在不同范圍下的O3-8 h均值和O3-8 h超標率的統計。O3-8 h均值和超標率大體上均隨日照時數和氣溫的增大而升高，這是因為日照時數和氣溫在一定程度上能反映太陽輻射的強度，日照時數越長，氣溫越高，光化學反應越劇烈（Lee et al.，2014；Fu et al.，2015；符傳博等，2022b），越有利于O3生成。O3-8 h均值和超標率基本上隨風速、降水量和氣壓的增大而降低，這是由于風速越大，越有利于O3擴散，O3濃度越低。雨天一般伴隨著云量多、輻射弱、風速增強等天氣現象，且降雨對O3有一定的濕清除作用（陳漾等，2017；齊艷杰等，2020），當降水量為0時，O3-8 h均值和超標率最高；當降水量大于10.0 mm時，超標率為0。低氣壓時，廣州地區大氣通常是由熱帶氣旋外圍下沉氣流所控制，伴隨高溫、晴空和高日照時數天氣，利于O3生成；而當出現高氣壓時，主要是由于北方冷空氣南下，氣溫有所下降，風速較大，因此O3濃度較低（黃俊等，2018）。O3-8 h均值和超標率隨相對濕度的增大呈現先升后降的變化，這與長三角、江西省、武夷山市等（易睿等，2015；鄒旭東等，2020；鄧慧穎等，2021；錢悅等，2021）地區和城市的變化規律相似。當相對濕度大于80%時，O3-8 h均值和超標率明顯下降，這是因為相對濕度反映了大氣中水汽的含量，大氣中的水汽與O3的氣相反應與非均相反應都是對流層O3重要的匯，一方面水汽通過影響太陽輻射從而影響空氣中的光化學反應，一方面水相中的O3可將二氧化硫和二氧化氮氧化成硫酸根和硝酸根離子，因此高相對濕度不利于O3累積（唐孝炎等，2006；王開燕等，2015；易睿等，2015；錢悅等，2021）。

表2 不同氣象因子范圍與O3-8 h均值和O3-8 h超標率的關系Table 2 The relationship between different meteorological factor ranges and the mean concentration of O3-8 h and over-limit ratio of the concentration of O3-8 h

風向對O3濃度也有重要影響。圖5所示為不同的風向、風速下O3-8 h均值。由圖5可知，2021年廣州市吹西南風且風速較小（＜2.0 m·s-1）時，O3-8 h均值最高，說明廣州偏西部可能存在 O3前體物源區，在西南氣流作用下，對廣州市 O3污染產生影響，與黃俊等（2018）的結論基本一致。

圖5 不同風向、風速下的O3-8 h均值Figure 5 The mean concentrations of O3-8 h at different wind directions and wind speeds

2.3 O3污染天氣分型

分析2021年廣州市O3超標日的地面和高空天氣形勢（表3）發現，O3超標日500 hPa高空形勢多為副高、偏西氣流、西風槽、西北氣流等控制，地面則均處于弱氣壓梯度場。本研究將廣州市O3超標日的地面天氣形勢歸納為均壓場、弱低壓槽和弱高壓脊3種類型，其中受均壓場控制的 O3超標日有16 d，占2021年O3總超標天數的44.4%，受弱低壓槽控制的有13 d，占比36.1%，受弱高壓脊控制的有7 d，占比19.4%，這與2014年北京市O3超標日高壓類、低壓類和均壓類這3種地面天氣形勢的占比接近（各占16%、36%、48%）（程念亮等，2016）。2021年廣州市一共發生3 d O3中度污染，其地面天氣形勢均為均壓場主導。

表3 2021年廣州市O3超標日天氣形勢及O3-8 h均值Table 3 Weather situations and the mean concentrations of O3-8 h on the exceeded days of O3-8 h in Guangzhou in 2021

表4統計了2021年廣州市O3超標日在不同地面天氣形勢下的氣象條件和O3濃度。可知，廣州市近地面處于均壓場控制時，O3濃度明顯高于其他兩個天氣型，這是由于在均壓場控制下，區域內氣壓分布均勻，變化極小，氣壓梯度不明顯，風力微弱，在3種地面天氣形勢下的風速最低，污染物難以擴散，易在區域內滯留形成二次污染，造成O3超標。弱低壓槽和弱高壓脊控制時，低壓弱槽線和高壓弱脊線的移動往往都會出現風向轉換過程，導致O3在區域內往返傳輸，不利擴散，也易造成O3累積超標；但弱低壓槽控制時，平均氣溫和平均日照時數雖都明顯高于弱高壓脊，光化學反應條件較強，但相對濕度較大，消弱了一部分光化學反應，因此O3-8 h均值和O3高位值（O3-8 h-90%）與弱高壓脊的接近，但O3高位值比弱高壓脊的略高。

表4 2021年廣州市O3-8 h超標日在不同地面天氣形勢的氣象因子和O3質量濃度Table 4 Meteorological factors and the concentrations of O3 in different ground weather conditions on exceeded days of O3-8 h in Guangzhou in 2021

2.4 O3污染的連續性和區域性

2021年廣州市O3污染總共發生了8次連續污染過程（本文將連續兩天及以上天數 O3超標定義為O3連續污染過程），共計23 d，占全年O3污染天數的63.9%，且廣州發生的8次持續O3污染時，省內有23.8%—81.0%的城市發生O3污染（表5），說明廣州市O3污染具有持續性、區域性特征。

表5 2021年廣州市O3連續污染過程情況Table 5 Continuous O3 pollution processes in Guangzhou in 2021

2.5 案例分析

以4月30日—5月1日為例，廣州市連續兩天出現O3中度污染，省內多個城市O3超標，全省O3超標城市（含廣州市）分別為10個和15個，多個城市出現中度污染，個別城市出現重度污染，該時間段內出現了1次區域性O3污染過程。

4月28日廣州市受冷空氣影響，氣溫較低，風速較大，擴散條件良好，O3濃度較低，至29日冷空氣減弱，氣溫回升，O3濃度開始上升。4月30日—5月1日廣州市轉受均壓場控制（圖6），擴散轉差，平均風速低至1.6 m·s-1，風級為軟風以下（小時風速小于1.6m·s-1）時數為13 h·d-1，即超過一半的時間處于軟風以下微弱風力的控制，且 30日中午開始風向不斷轉變，容易導致O3滯留不散，加上平均日照時數10.1 h·d-1，O3生成條件良好；且在廣州塔地面與 118 m 的監測點（113.3178°E，23.1087°N）觀測到4月30日00:00—08:00出現了逆溫現象（圖7），不利于污染物擴散，使得地面O3前體物——NO2和總揮發性有機物（TVOCs）迅速聚集且濃度上升（圖8），08:00后，地面逆溫現象解除，前體物在白天日照增強的情況下快速反應生成O3，前體物濃度均快速下降，廣州市O3濃度迅速上升，造成污染。

圖6 4月30日—5月1日O3污染過程地面天氣形勢Figure 6 Ground weather situations during O3 pollution from April 30 to May 1

圖7 4月29日16:00—5月1日15時廣州塔地面、118 m氣溫及溫差時序圖Figure 7 The sequence diagram of the temperature at ground and 118 m of Guangzhou Tower and their temperature differences from 16:00 on April 29 to 15:00 on May 1

圖8 4月28日—5月2日廣州市O3、NO2、TVOC、氣溫和風向風速時序圖Figure 8 Time sequence diagram of O3, NO2, TVOC, temperature, wind direction and speed from April 28 to May 2 in Guangzhou

5月2日，受較強偏南氣流和降水影響，氣溫下降，當天日照時數驟減至1.1 h，O3濃度下降，污染過程結束。

3 結論

（1）2021年廣州市環境空氣質量超標天數42 d，其中O3超標36 d，為廣州市最主要的大氣污染物；O3污染時間早發；O3高值區主要分布在南部郊區、中部和東西兩翼區域。

（2）O3-8h濃度與日照時數和氣溫均呈顯著正相關，與風速、降水量、氣壓和相對濕度均呈顯著負相關，其中O3-8h與日照時數相關性最高，風速次之；O3-8h與日照時數/風速比值的相關性高于O3-8h與任一單項氣象因子的相關性，其線性擬合方程的斜率隨著07:00 NO2濃度區間的升高呈現先增后減的變化；O3-8h與風速和相對濕度的相關性均呈現干濕季差異較大的特點；O3-8h濃度隨相對濕度的增大呈現先升后降的變化，當相對濕度大于80%時，O3-8h濃度和超標率明顯下降；均壓場、弱低壓槽和弱高壓脊為 O3超標日的主要地面天氣形勢類型，受均壓場控制的O3超標天數最多，O3-8h均值最高。

（3）廣州市O3污染特征具有持續性、區域性特征，2021年廣州市O3污染總共發生了8次連續污染過程，期間省內有23.8%—81.0%的城市發生O3污染。4月30日—5月1日廣州市連續兩天出現的O3中度污染為地面低風速、日照時間長、風向持續轉變等因素造成 O3聚集，再加上夜間逆溫造成前體物累積與白天輻射增強加速 O3生成綜合作用的結果。