漳州市臭氧污染特征及其與氣象因子關系的分析

李育慧 ,夏麗娜 ,李育喬

1.漳州市龍文區氣象局，福建漳州 363007；2.福建省氣象服務中心，福建福州 350001

臭氧(O3)是一種危害較大的大氣環境污染物，對大氣輻射、生態環境的影響較大。O3是NOx、CO和VOCs等前體物在一定的氣象條件下發生一系列化學反應產生的，具有較強的破壞性。O3的氧化還原反應是一個復雜過程，它通過氧自由基(HO2、RO2)氧化NO，再經過光解反應，最終形成O3[1-2]。

隨著城市現代化進程的加快，漳州經濟快速發展，機動車數量攀升，能源消耗增加，大氣污染問題備受矚目。許多學者認為，O3的含量和氣象條件之間存在著緊密聯系。張浩月等[3]在珠江三角洲研究發現，該地區臭氧含量具有顯著區域性變化；易睿等[4]對長三角地區的O3污染調查發現，O3濃度與溫度、日照呈正比。有研究表明，高溫會促使光化學反應加劇[5]，從而增加O3。空氣中的水分、風速、風向也會影響臭氧濃度。臭氧污染受到多種因素的聯合影響[6]。主要探討了漳州市O3污染特征及其與氣象條件的關系。

1 資料來源與分析方法

1.1 數據來源

選取漳州市生態環境局2016年1月1日—2018年12月31日 的O3和 其他污染物監測數據，氣象數據為漳州市氣象局同期監測的日平均氣溫、風向、風速，以及相對濕度等地面氣象觀測數據。

1.2 分析方法

通過Origin軟件中的polar contour函數繪制風玫瑰圖，利用統計分析法詳細分析漳州市臭氧污染特征，并探討它們與氣象條件之間的關聯性。

2 結果與分析

2.1 O3濃度的總體變化特征

由圖1可知，2016年1月1日—2018年12月31日，O3日最大8 h平均濃度范圍為8～216 μg/m3，平均值為89.3 μg/m3，集中在50～150 μg/m3之間的約占總量的76.1%。有49 d O3日最大8 h的平均濃度超過160 μg/m3，主要集中在4—10月，以4月和10月最多，分別為12、9 d。O3污染日數不斷上升，逐年增加趨勢明顯，尤其是在2017年和2018年，分別出現22 d和26 d。

圖1 2016—2018年漳州市O3日最大8 h平均濃度變化

根據《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)，O3小時均值二級標準濃度的最高閾值為200 μg/m3，分析實際監測數據發現，O3小時濃度超過這一閾值的累積時長達84 h。其中，最大值為270 μg/m3，是國家二級標準濃度的1.4倍，超標時段大多在13:00～17:00。

2.2 O3濃度的月變化特征

由圖2可知，2017年和2018年O3濃度比2016年明顯增高，主要原因是2017年和2018年氣溫異常偏高，降水偏少，呈高溫日數偏多、日照時數偏多的特點，非常利于O3生成。O3的月濃度變化呈現2個高峰，有明顯季節變化，春季(5月)出現首次高峰，夏季或秋季(8—10月)出現第二次高峰，這與太陽輻射強度、氣溫高低、光照強度等氣象因素相關。

圖2 2016—2018年漳州市O3月均濃度變化

O3濃度在春季出現最大值，可能與“對流層頂折疊”現象、對流層上部高濃度O3通過沉降和平流作用向下輸送，以及冬季O3前體物大量積聚有關[7]。而夏季和秋季(8—10月)，漳州市太陽輻射強烈，日照時間較長，有利于NOx、VOCs 等前體物質發生光化學反應，進而導致O3濃度大幅增加。

2.3 O3濃度日變化特征

依據春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)和冬季(12月至翌年2月)季節劃分，統計漳州市2016年1月至2018年12月不同季節和時段的O3小時濃度變化。可以看出，O3濃度與近地面大氣的光化學反應之間存在著密切聯系，表現為明顯的單峰型分布特征。NO2濃度變化則呈雙峰型分布，在09:00左右出現首個峰值，這主要是城市交通早高峰所致；18:00后,由于太陽輻射衰減，NO2的光解反應受到抑制，再加上NO與O3的反應也導致了NO2產生，從而使夜間NO2濃度升高。此外，CO的存在也會影響夜間NO2濃度，但由于其惰性較強，對O3的影響相對較小[8]。

根據唐文苑[9]研究，臭氧的日循環可劃分為4個過程：夜間NOx的釋放、清晨的臭氧抑制、臭氧光化學反應以及臭氧消耗。夜間NO持續消耗導致O3濃度大幅下降，并保持在較低水平。一般來說，O3濃度在06:00～08:00達到最低值。而08:00～16:00是O3光化學反應的關鍵時段，這一時段空氣污染程度較為嚴重。

隨著汽車早高峰出現，尤其是在汽車擁堵的情況下，NOx、CO等有害化學物質含量急劇攀升，11:00后，受太陽輻射和溫度的影響，光化學反應更加活躍，O3的含量在15:00～16:00達到最大，之后隨著太陽輻射減弱和氣溫降低，O3含量逐漸減少。16:00至午夜開始了O3的消耗和沉淀過程，加上下班高峰期到來，新的污染物排放量大幅增加，而夜間近地面沉淀作用又加劇了這一過程，從而使O3污染水平從一天的最高值降至最低值。在齊冰[10]的研究中，O3濃度日變化趨勢也顯示了相似規律。

2.4 氣象因子對O3的影響

2.4.1 氣溫對O3的影響根據最新的研究結果[11]，O3污染情況與氣溫高低關系緊密。對逐時氣溫與O3濃度的擬合分析發現，當氣溫上升時，O3濃度也會升高，而且增長率隨著溫度越高越明顯。

當氣溫較低(＜15 ℃)時，O3平均濃度＜80 μg/m3；但隨著氣溫升高，O3濃度顯著增加。當氣溫升至15～20 ℃時，O3濃度開始出現超標現象，超標率達到1.2%。當氣溫分別升高至20～25 ℃和25～30 ℃時，O3超標率分別達到7.6%和5.2%。當氣溫處于30～35 ℃變化時，O3超標率達到最高，為8%。此外，從O3平均濃度變化看，當氣溫低于15 ℃時，O3的平均濃度變化不大，但當氣溫超過15 ℃時，其增長趨勢會變得更加明顯，尤其是當氣溫超過30 ℃時，O3平均濃度會超過100 μg/m3。

O3的超標頻率也隨著氣溫升高而增加。Spearman的分析結果顯示，氣溫與O3濃度均值之間的相關系數達到0.285，且經過雙側0.01的顯著性檢驗，兩者之間密切關聯，呈顯著正相關。

2.4.2 相對濕度對O3的影響當空氣相對濕度＜70%時，O3平均濃度會顯著增加，超過100 μg/m3；當空氣相對濕度處于50%～55%時，O3平均濃度將迅速攀升，最高可達120.7 μg/m3，此時O3濃度超標率也將達到20%。空氣相對濕度在55%～80%時，O3平均濃度和超標率均明顯下降，尤其是當相對濕度＞75%時，無O3超標情況。有3個方面的因素對此產生重要影響：首先，水汽會減弱紫外輻射[12]，導致光化學反應減弱；其次，濕度增加也會加速O3干沉降；最后，O3的消耗也可通過大氣中的水汽反應進行[13]。

2.4.3 風速和風向對O3的影響據嚴茹莎等[14]研究，O3污染的主要原因是O3富集層的向下輸送和邊界層的穩定性，阻礙大氣擴散。同時，風速變化也可以反映出污染物傳播情況，更好地評估空氣污染程度，而風向變化可以更準確地反映污染物傳播方向。

在風速≤2.0 m/s的條件下，O3濃度均值會隨著風速增加而增大，其超標頻率也會相應上升(在風速＜1.0 m/s的條件下，無O3超標情況)。當風速達到2.0 m/s以上時，O3超標頻率明顯減少，甚至無超標。這是由于隨著風速增加，O3濃度也會發生相應改變：一是抬高了大氣邊界層高度，從而加強垂直動量輸送，使O3從對流層頂輸送至地面；二是提升了O3的水平擴散能力，從而減少了O3濃度。因此，在風速較低的情況下，O3以向下輸送作用為主，其超標頻率隨著風速增加而增大；但當風速超過一定閾值，O3將以水平擴散作用為主，其超標頻率會明顯減少[2]。

分析風向頻率的季節性變化對O3濃度影響可看出(圖3)，春季、秋季和冬季以東南風為主，而夏季以偏南風和西北風為主。一年四季中，在SW-SE方位，O3濃度相對較高。尤其是在S-SE方位，當風速在1.0～2.0 m/s時，O3濃度最高。

圖3 2016—2018年漳州市O3濃度變化與風向頻率季節性變化關系

此外，夏季的NW方位，當風速在1.0～2.0 m/s時，也會出現O3濃度最高值。冬季漳州O3濃度顯著下降，這表明漳州O3濃度升高主要受到東南部、南部和西北部污染源的影響，而北部地區污染物排放量卻相對較少。

3 結論

(1)2016—2018年漳州市的O3濃度呈明顯上升趨勢，光化學污染問題愈演愈烈。研究發現，O3濃度日變化表現為單峰型分布特征。O3濃度在15:00～16:00達到峰值，06:00～08:00出現最低值。

(2)2016—2018年漳州市O3濃度呈明顯季節性變化，春末、夏季以及初秋(5—10月)的濃度最高，冬季濃度最低。

(3)漳州市高溫低濕的氣象條件對O3污染有著重要影響。當氣溫＞15 ℃、相對濕度為50%～75%、風速≤2.0 m/s時，O3濃度顯著增加，甚至超標。可見O3濃度與氣溫呈正相關，與相對濕度、風速呈負相關。因此，氣象條件可以作為預測O3污染的重要參考指標，以便更好地控制和減少污染物排放。

(4)漳州O3濃度在不同風向下有所變化。北風情況下，O3濃度較低。但在東南風或西北風(夏季)情況下，O3濃度顯著增加。表明漳州O3污染源主要分布在東南部、南部和西北部，而北部地區污染程度相對較低、污染源相對較少。