許昌市夏季臭氧污染特征與氣象因子影響分析*

徐媛倩 岳利波 曹 霞 付廣宇 羅藝琳 孫 鵬 張志華

(鄭州輕工業大學材料與化學工程學院,河南 鄭州 450001)

臭氧(O3)作為一種高活性氧化氣體,其在近地面濃度的升高會對人體健康、植被生長等產生不利影響[1-2]。嚴剛等[3]研究表明,自《大氣污染防治行動計劃》和《打贏藍天保衛戰三年行動計劃》實施以來,6項大氣常規污染物中只有O3污染呈逐年加重的趨勢,O3已逐步成為影響我國環境空氣質量的重要因素。

O3的生成不僅受其前體物氮氧化物(NOx)和揮發性有機化合物(VOCs)濃度水平的影響,氣象因子的作用也不可忽視[4-5]。高溫、低濕條件下易生成O3,靜穩條件下易造成局部O3積累,風速風向會導致O3的區域傳輸[6]。錢悅等[7]發現,在氣溫高于30 ℃、相對濕度在20%～40%、風速在2～3 m/s時易出現高濃度O3污染。王旭東等[8]指出,鄭州市夏季O3潛在源主要分布在河北、山東及安徽等地,楊健等[9]的研究表明,安陽市夏季O3潛在源主要分布在河北南部、湖北北部和遼寧北部,宋曉偉等[10]發現臨汾市O3污染連片發生,O3潛在源主要分布在山西南部、河南東北部、陜西中部。上述研究表明,我國不同區域O3污染潛在源分布分散,可能與氣象條件的差異有關。

許昌市位于河南中部,是中原城市群、中原經濟區核心城市之一,交通條件便利,制造業發達,第二產業產值占比為河南平均水平的1.4倍[11]。近年來,許昌市面臨嚴峻的O3污染形勢,2022年許昌市共損失優良天117 d,其中因O3污染損失的優良天占比達39%,O3是環境空氣質量的主要污染因子。

目前針對許昌市O3污染特征的研究主要集中在趨勢分析及其與NO2、細顆粒物(PM2.5)等因子的關系上[12-15],缺少針對許昌市O3濃度與氣象條件關系及潛在源的研究。為此,通過研究許昌市2019—2022年夏季O3污染趨勢、氣象因子影響及潛在源貢獻,分析許昌市O3污染規律,識別氣象因素與O3濃度超標的關系,探究夏季污染時段O3的主要來向,以期為許昌市O3污染精準研判和精細化防控提供科技支撐。

1 材料與方法

1.1 數據來源

以2019—2022年夏季(5—9月)為研究時段,從許昌市國控空氣質量監測站獲取逐小時O3濃度監測數據,許昌市氣象站獲取同期逐小時氣象數據(包括氣溫、風向、風速、相對濕度)。根據生態環境部發布的數據,以O3日最大8 h滑動平均值(MDA8)大于160 μg/m3、小時O3大于200 μg/m3判定O3污染[16]。O3污染等級根據《環境空氣質量指數(AQI)技術規定》[17]區分。文中O3月均值為一個日歷月內O3的MDA8算數平均值,夏季O3季均值指5—9月O3的MDA8算數平均值。

1.2 分析方法

1.2.1 后向軌跡分析

采用HYSPLIT模型,通過診斷風場和邊界層高度等要素,模擬氣流的空間位移和拉格朗日軌跡,識別污染物的擴散與傳輸過程[18]。本研究以許昌市(34.03°N,113.85°E)為模擬點,使用美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)全球資料同化系統(GDAS)氣象數據,計算2022年夏季每3 h(0:00、3:00、6:00、9:00、12:00、15:00、18:00、21:00)的氣團48 h后向軌跡,模擬高度為100 m,并利用MeteoInfo軟件進行聚類。

1.2.2 潛在源貢獻因子分析(PSCF)

PSCF以條件概率函數為基本原理,利用氣流軌跡識別潛在源區的空間分布[19]。潛在源的研究范圍為25°～55°N,95°～125°E,網格分辨率為0.5°×0.5°,選取O3小時均值160 μg/m3為閾值區分清潔和污染軌跡。潛在源區PSCF值越大,表示該區域對許昌市污染貢獻越大[20-21]。

1.2.3 濃度權重軌跡分析(CWT)

CWT法用于計算軌跡的權重濃度,反映其污染程度,彌補了PSCF不能反映污染物軌跡污染程度的不足[22-23]。

2 結果與討論

2.1 O3濃度變化特征

圖1展示了許昌市2019—2022年夏季O3與NO2季均值的變化。總體而言,2019—2021年夏季O3與其前體物NO2的季均值同步下降,但2022年出現了NO2微降而O3反彈的情況,O3季均值較2021年增加17 μg/m3,可能氣象條件對O3濃度的提升產生顯著影響。

圖1 2019—2022年夏季O3、NO2季均值變化

圖2為許昌市2019—2022年夏季O3月均值及日超標率的變化特征。觀測期間,O3月均值最高的月份均為6月,平均高達162 μg/m3,平均日超標率為61%,5月、7月、8月和9月的平均日超標率分別為27%、20%、11%和28%。

圖2 2019—2022年夏季O3月均值及日超標率變化

由圖3可見,許昌市O3濃度日變化呈單峰狀,最小值出現在7:00左右,最大值出現在16:00左右,O3濃度與NO2濃度的日變化呈負相關。由于NO2濃度在夜間不斷積累[24],加上早高峰影響,導致NO2在7:00左右達到第1個峰值。隨著白天光照的增強,光化學反應加劇,NO2濃度出現下降,在14:00左右達到最低值;而O3濃度在7:00左右出現上升,在16:00達到峰值,比NO2最低值滯后2 h左右。隨著晚高峰與光照的減弱,NO2濃度從17:00開始出現上升趨勢,O3生成速率下降,加上機動車排放NO對O3的滴定效應(NO+O3→NO2+O2)[25-26],NO2濃度在22:00左右達到第2次峰值,O3濃度則在17:00后快速下降。

圖3 2019—2022年夏季O3與NO2的日變化

2.2 氣象因子與O3濃度的相關性

為探討氣象因子與O3濃度的相關性,分別分析了小時氣溫、相對濕度和風速與O3濃度的相關性。

2.2.1 氣 溫

圖4(a)為不同氣溫區間O3濃度的變化情況。可以看出,在研究時段內,O3濃度與氣溫呈正相關,R2為0.619。O3濃度和小時超標率均隨氣溫升高而升高,氣溫<25 ℃時,無O3超標;氣溫≥30 ℃時,O3小時超標率開始明顯增大;氣溫≥35 ℃時,O3均值和小時超標率最高,分別為170 μg/m3和21%。

圖4 不同氣溫區間下O3均值與小時超標率的分布

為進一步探討氣溫的影響,考察30～<33、33～<35、≥35 ℃的氣溫區間O3均值的年際變化。由圖4(b)可見,不同氣溫區間的O3均值均呈逐年下降趨勢,表明許昌市近年來的O3管控措施對O3濃度的削減起到積極作用。

2.2.2 相對濕度

圖5為不同相對濕度區間的O3均值及小時超標率。O3濃度與相對濕度呈顯著負相關,R2為-0.710。在一定條件下,大氣中的水汽通過影響光化學反應而分解O3[27]。當相對濕度為20%～<30%時,O3均值和小時超標率最高,分別為162 μg/m3、19%;相對濕度為30%～<40%時,O3均值和小時超標率分別為155 μg/m3、13%;相對濕度≥40%時,O3的小時超標率降至10%以下。

圖5 不同相對濕度區間O3均值與小時超標率分布

2.2.3 風 速

圖6為不同風速區間O3均值及小時超標率變化。隨風速的增加,O3均值逐漸升高,O3小時超標率則先升高后略有下降。風速在2～<3、3～<4 m/s時,O3小時超標率較高,分別為3.23%、3.22%。風速主要通過影響O3及前體物的混合與擴散來影響O3濃度。當風速<4 m/s時,隨著風速的增大,O3前體物混合更加充分,更易于生成O3,此時風速對O3污染的混合作用大于擴散作用。當風速≥4 m/s時,風速對O3污染的擴散和稀釋作用占主導地位,不利于O3濃度的局地累積[28-30]。

圖6 不同風速區間O3均值與小時超標率分布

2.3 典型時段氣象因子的綜合影響分析

為進一步探討氣象因子對O3濃度的影響,選取O3超標時段和O3月均值最高的月份(2022年6月)為研究對象,識別氣象因子對O3濃度的綜合影響。

2.3.1 超標時段分析

圖7展示了2022年夏季不同氣溫與相對濕度、氣溫與風速區間的O3小時超標率分布。由圖7(a)可見,當氣溫≥35 ℃,相對濕度在20%～<40%時,O3小時超標率最高,該區間平均值為42%。與單因素影響(溫度≥35 ℃或相對濕度在20%～<40%)相比,氣溫與相對濕度聯合作用下O3小時超標率增加明顯。

圖7 氣溫與相對濕度、風速對O3小時超標率的協同影響

由圖7(b)可見,當氣溫在38～39 ℃,風速在2～<3 m/s時,O3小時超標率明顯增大,此時出現高濃度O3主要是由于該風速范圍有利于O3前體物充分混合并發生光化學反應。當氣溫在40 ℃左右,風速在1～<2 m/s時O3小時超標率也較高,表明在高溫、靜穩條件下,本地O3較易生成與積累,導致O3濃度較高。需要說明的是,在氣溫為38 ℃、風速大于7 m/s的區間也出現了分散的高值區,這是因為風速大于7 m/s的數據量極少,在氣溫≥35 ℃的情況下出現的個別超標時段造成相對較高的小時超標率。

對2022年6月O3小時濃度超標時段的風速風向進行分析,結果如圖8所示。整體而言,許昌市夏季主要在風速<7 m/s時存在O3小時濃度超標情況,風向多為南風(風向頻率3%)、東南風(風向頻率22%)。風向為東北方向,風速在3～<5 m/s時,O3濃度最高,此時應更多考慮許昌市東北方向周邊縣區排放與區域傳輸的共同作用。

圖8 2022年6月O3小時質量濃度隨風向、風速的分布

2.3.2 高濃度月份分析

鑒于2019—2022年均是6月的O3月均值最高,對2019—2022年6月O3濃度與氣象因子關系做進一步分析。整體而言,2019—2022年6月的O3小時質量濃度最大值從222 μg/m3增加到241 μg/m3。O3濃度高值主要集中在氣溫≥30 ℃,相對濕度為20%～<40%的時段內,相比2021年6月,2022年6月氣溫≥30 ℃的小時數從216 h增加到316 h,且出現40 ℃以上高溫6 h,相對濕度為20%～<40%的小時數從125 h增加到147 h,O3月均值則從158 μg/m3增加到175 μg/m3。長時間處于高溫(≥30 ℃)和低濕(20%～<40%)的氣象條件是導致2022年6月O3濃度較高的重要因素。

2.4 潛在源分析

通過對許昌市風速風向的分析,發現高濃度O3不僅來自本地生成,還可能受到區域傳輸的影響。為深入探索區域傳輸對許昌市O3濃度的影響,本研究進行氣團軌跡模擬及潛在源分析。

許昌市2022年夏季氣團主要來自東北、西南、東南方向,共5條軌跡(如表1所示)。軌跡1(占比24.67%)主要來自河南西南部,距離較短;軌跡2(占比7.11%)來自內蒙古方向,途徑陜西北部和山西,傳輸距離長;軌跡3(占比40.93%)來自山東西部和河南東北部,軌跡數量占比最大;軌跡4(占比15.44%)來自安徽西南部和河南東南部;軌跡5(占比11.85%)來自湖北、湖南和河南南部。許昌市O3平均質量濃度及O3>160 μg/m3軌跡出現頻率均較高的氣團主要來自西南與東南方向的軌跡1和軌跡4,O3>160 μg/m3軌跡條數較多的氣團主要來自西南和東北方向的軌跡1和軌跡3,以上軌跡傳輸距離均較短,O3污染傳輸主要來自山東、安徽和河南其他城市。

表1 許昌市夏季后向軌跡分析結果

圖9為2022年許昌市夏季PSCF及CWT的分析結果。PSCF高值區主要分布在安徽中部、湖北北部、陜西中部和河南西南部與北部。與PSCF高值區相比,CWT高值區呈片狀,CWT值大于100 μg/m3的區域主要分布在河南及周邊省份(山東西南部、安徽西北部、湖北中部、陜西東南部、山西南部及河北南部)。以上區域排放的O3前體物及生成的O3均會隨氣流傳輸到許昌市,加劇許昌市O3污染。因此,O3污染的防控不僅應結合氣象特征合理減少本地生成,還應加強與周邊城市和省份的聯防聯控。

圖9 2022年夏季O3的PSCF及CWT分布

3 結 論

(1) 許昌市2019—2021年夏季O3與其前體物NO2的季均值同步下降,但2022年出現了NO2微降而O3反彈的情況;觀測期間O3月均值均為6月最高,平均值達162 μg/m3,平均日超標率達61%;O3濃度日變化呈單峰狀,峰值出現在16:00左右。

(2) 許昌市O3濃度與氣溫、風速呈正相關,與相對濕度呈負相關。氣溫≥35 ℃時的O3均值(170 μg/m3)和小時超標率(21%)均最高;相對濕度在20%～<30%時的O3均值(162 μg/m3)和小時超標率(19%)最高;風速在2～<3 m/s時的O3小時超標率最高(3.23%)。

(3) 許昌市在氣溫≥35 ℃、相對濕度為20%～<40%、風速為2～<3 m/s、主導風向為南風時易發生O3小時濃度超標;2022年6月較多時段處于高溫(氣溫≥30 ℃)和低濕(相對濕度在20%～<40%),是導致O3濃度反彈的重要原因。

(4) 從許昌市后向軌跡和潛在源分布來看,夏季氣團主要來自東北、西南和東南方向;許昌市O3污染是在本地源生成的基礎上,疊加河南省內其他城市以及山東、安徽、湖北等區域傳輸的O3及其前體物共同污染的結果。O3污染的防治不僅需要結合氣象條件合理減少本地生成,還應加強與周邊區域的聯防聯控。