氣象要素對近地層臭氧污染形成的影響研究

摘要：近地層臭氧（O3）是對人體健康和植被生長有害的重要污染物，O3的形成受氣象條件（擴散、稀釋等物理過程）、化學(xué)反應(yīng)生成/去除速率和源排放強度的共同影響。以山東省臨沂市為研究區(qū)，根據(jù)2019—2022年的O3歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)及氣象資料，深入分析溫度、相對濕度、風(fēng)速、降水量和風(fēng)向等氣象要素的不同區(qū)間下近地層O3的變化特征，明確氣象要素對O3前體物揮發(fā)性有機物（Volatile Organic Compounds，VOCs）濃度的影響。研究結(jié)果表明，O3濃度與溫度呈正相關(guān)，與相對濕度、降水和風(fēng)速呈負相關(guān)。平均溫度介于25～30 ℃，日最大溫度大于35 ℃，溫差大于8 ℃時，O3濃度最容易超標，平均溫度、日最大溫度和溫差均能指示O3超標現(xiàn)象，但溫差與日最大溫度的影響比較明顯。當(dāng)溫度為25～35 ℃，相對濕度為40%～60%時，臨沂市O3濃度易出現(xiàn)高值。溫度和相對濕度對VOCs存在相反的影響。當(dāng)風(fēng)速小于2 m/s時，VOCs濃度最高。隨著風(fēng)速的逐漸增加，VOCs濃度逐漸減小。當(dāng)臨沂市盛行偏南風(fēng)且風(fēng)速為6～8 m/s時，要格外注意O3的污染動向。研究成果有助于理解O3在大氣中的傳輸擴散、化學(xué)反應(yīng)過程，并可以用來初步判斷O3來源，為城市O3來源解析提供支撐。

關(guān)鍵詞：氣象要素；近地層；臭氧污染；揮發(fā)性有機物（VOCs）

中圖分類號：X51 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）07-0-05

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.07.056

Study on the Impact of Meteorological Elements on the Formation of Near Surface Ozone Pollution

ZHU Shuaishuai

（Shandong Academy of Environmental Sciences Co.， Ltd.， Jinan 250013， China）

Abstract： The near surface ozone （O3） is an important pollutant that is harmful to human health and vegetation growth， and the formation of O3 is influenced by meteorological conditions （diffusion， dilution， and other physical processes）， chemical reaction generation/removal rates， and source emission intensity. Taking Linyi city， Shandong province as the research area， based on historical monitoring data and meteorological data of O3 from 2019 to 2022， the variation characteristics of near surface O3 is deeply analyzed in different intervals of meteorological elements such as temperature， relative humidity， wind speed， precipitation， and wind direction， and the influence of meteorological elements is clarified on the concentration of Volatile Organic Compounds （VOCs） in O3 precursors. The research results indicate that O3 concentration is positively correlated with temperature and negatively correlated with relative humidity， precipitation， and wind speed. When the average temperature is 25～30 ℃， the daily maximum temperature is greater than 35 ℃， and the temperature difference is greater than 8 ℃， the O3 concentration is most likely to exceed the standard， and the average temperature， daily maximum temperature， and temperature difference can all indicate the phenomenon of O3 exceeding the standard， but the influence of temperature difference and daily maximum temperature is more obvious. When the temperature is 25～35 ℃ and the relative humidity is 40%～60%， the O3 concentration in Linyi city is prone to high values， and temperature and relative humidity have opposite effects on VOCs. When the wind speed is less than 2 m/s， the concentration of VOCs is highest. As the wind speed gradually increases， the concentration of VOCs gradually decreases. When southerly winds prevail in Linyi city with wind speeds of 6～8 m/s， special attention should be paid to the pollution trend of O3. The research results contribute to understanding the transport， diffusion， and chemical reaction processes of O3 in the atmosphere， and can be used to preliminarily determine the source of O3， providing support for the analysis of O3 sources in cities.

Keywords： meteorological elements; near surface; ozone pollution; Volatile Organic Compounds （VOCs）

臭氧（O3）是氧氣（O2）的同素異形體，在大氣層中可以抵抗紫外線，但是若近地面的O3濃度過高，則會使得人們出現(xiàn)頭疼、咳嗽等不良反應(yīng)，產(chǎn)生呼吸道疾病，危害人體健康。據(jù)統(tǒng)計，每年全球有三十多萬人的死亡與O3的暴露有關(guān)[1]。2019—2022年，我國大氣中可吸入顆粒物（PM10）、細顆粒物（PM2.5）、二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）和一氧化碳（CO）濃度已呈現(xiàn)逐年下降的趨勢[2]，但是O3污染呈現(xiàn)逐年惡化的趨勢，并且污染持續(xù)時間長，擴散影響范圍大，城市、郊區(qū)等區(qū)域無明顯差異，相比細顆粒物，O3污染更難以控制。從國內(nèi)外多年的O3污染控制經(jīng)驗來看，在長期的空氣污染治理中，O3污染治理最具挑戰(zhàn)性[3]。大氣污染防治是一個長期挑戰(zhàn)，O3與其前體物揮發(fā)性有機物（Volatile Organic Compounds，VOCs）的基礎(chǔ)研究是科學(xué)防控大氣污染亟待開展的工作。因此，選擇山東省臨沂市作為研究區(qū)，根據(jù)2019—2022年的O3歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)及氣象資料，深入分析溫度、相對濕度、風(fēng)速、降水量和風(fēng)向等氣象要素的不同區(qū)間下近地層O3變化特征。VOCs是O3生成的關(guān)鍵前體物，具有活性大、種類多和來源復(fù)雜的特點[4]，工業(yè)生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生各種揮發(fā)組分，各組分又相互反應(yīng)，化學(xué)生成機制復(fù)雜多變，直接影響近地面的O3濃度[5]。深入分析氣象要素對VOCs濃度的影響，有助于理解O3在大氣中的傳輸擴散和化學(xué)反應(yīng)過程，并可以用來初步判斷O3來源，為城市O3來源解析提供支撐。

1 氣象要素對臭氧污染形成的影響

1.1 溫度

2019—2022年，不同環(huán)境溫度區(qū)間下，臨沂市O3濃度的分布如圖1所示。數(shù)據(jù)顯示，溫度介于25～35 ℃時，O3小時濃度均值較溫度低于25 ℃時有明顯升高。據(jù)統(tǒng)計，臨沂市月均溫度最高值出現(xiàn)在7—8月，為27.5 ℃，但O3月均濃度高值多出現(xiàn)在6月，為130 μg/m3，說明溫度并非影響臨沂市O3生成的唯一要素。

統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，臨沂市O3超標天的平均小時溫度均在19 ℃以上，O3濃度高值時段是13：00—17：00，溫度均在25 ℃以上；在O3非超標天的相同時段，溫度均在17 ℃以下。為進一步探索溫度和O3濃度的關(guān)聯(lián)，分別將日平均溫度（Tave）、日最大溫度（Tmax）和溫差（?T，最高溫度與最低溫度之差）作為溫度指標，統(tǒng)計O3超標天數(shù)、O3超標率和O3濃度，結(jié)果如表1所示（均剔除降雨日）。數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)平均溫度低于20 ℃時，O3濃度僅有33 d超標，超標率為16%，而平均溫度介于25～30 ℃時，超標天數(shù)最多，有127 d超標，超標率高達57%。當(dāng)平均溫度大于30 ℃時，超標率為58%，說明更高的溫度并沒有導(dǎo)致O3超標更明顯。經(jīng)分析，溫度升高會加快O3光化學(xué)反應(yīng)，但是更高的溫度也會影響大氣湍流，大氣不穩(wěn)定加劇，反而不利于O3分子穩(wěn)定。

日最大溫度區(qū)間升高會導(dǎo)致O3超標天數(shù)和超標率均顯著提高，說明O3超標和日最大溫度區(qū)間存在正相關(guān)[6]。Tmax小于25 ℃時，O3濃度僅有19 d超標，且O3超標率（9%）和濃度（114 μg/m3）相對偏低；當(dāng)Tmax介于30～35 ℃時，超標天數(shù)最多；當(dāng)Tmax大于35 ℃時，O3超標率最高，達82%，同時O3濃度也最高，達199 μg/m3。同時，溫差與O3超標率呈顯著的正相關(guān)。溫差介于8～12 ℃時，超標率為48%，O3濃度均值達160 μg/m3；溫差大于12 ℃時，超標率（55%）和O3濃度（161 μg/m3）均達到最大；溫差小于8 ℃時，O3超標率顯著降低。綜上，平均溫度、日最大溫度和溫差均能指示O3超標現(xiàn)象，但溫差與日最大溫度影響較明顯。

1.2 相對濕度

2019—2022年，臨沂市相對濕度為0%～50%時，O3濃度隨著相對濕度的增大而升高；相對濕度為50%～90%時，相對濕度與O3濃度呈現(xiàn)較好的負相關(guān)。臨沂市O3超標天和非超標天相對濕度日變化相差不大，非超標天濕度一般均在50%以上，比超標天略高，說明相對濕度與O3濃度呈微弱的負相關(guān)，濕度對臨沂市O3濃度的影響不明顯。

不同日均相對濕度（Have）、日最低相對濕度（Hmin）的條件下，O3超標率及O3濃度如表2所示。數(shù)據(jù)顯示，相對濕度與O3濃度呈現(xiàn)顯著負相關(guān)。當(dāng)日均相對濕度大于80%時，O3濃度并未發(fā)生超標；當(dāng)日均相對濕度不超過70%時，超標率有顯著提升；當(dāng)日均相對濕度不超過60%時，超標率最高，為47%。當(dāng)日最低相對濕度不超過40%時，O3超標率最高；當(dāng)日最低相對濕度為40%～50%時，O3超標率次之；當(dāng)日最低相對濕度大于60%時，O3超標率顯著降低。

1.3 溫度及相對濕度的綜合影響

溫度與相對濕度對O3濃度的綜合影響如圖2所示。數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)溫度為25～35 ℃，相對濕度為40%～60%時，臨沂市O3濃度易出現(xiàn)高值。

1.4 降水量

經(jīng)統(tǒng)計，臨沂市降水主要集中在氣溫較高的7—8月，2個月份的降水量顯著高于其他月份。4—6月，臨沂市O3濃度逐步升高，而在7—8月，O3濃度并沒有隨著溫度的升高而升高，反而呈降低趨勢，這可能受到高降水量的影響。

1.5 風(fēng)速與風(fēng)向

臨沂市O3污染嚴重的月份為5月、6月和9月，5月主導(dǎo)風(fēng)為西南風(fēng)，6月主導(dǎo)風(fēng)為東南風(fēng)，9月則轉(zhuǎn)為東北風(fēng)。隨著風(fēng)速的增大，臨沂市O3濃度逐漸升高，當(dāng)風(fēng)速為6～8 m/s時，O3濃度最高，為125 μg/m3。當(dāng)主導(dǎo)風(fēng)為偏南風(fēng)時，O3濃度較高，其中主導(dǎo)風(fēng)為南風(fēng)時，O3濃度最高，為127 μg/m3。因此，當(dāng)臨沂市盛行偏南風(fēng)且風(fēng)速在6～8 m/s時，要格外注意O3污染的動向。00：00—13：00，O3非超標天的風(fēng)速略高于超標天，但到13：00后，O3超標天的風(fēng)速逐漸上升并超過非超標天，超標天和非超標天風(fēng)速最大值分別出現(xiàn)在16：00和15：00，超標天為4.0 m/s，非超標天為

3.7 m/s。風(fēng)速越大，O3濃度越高，除本地生成外，臨沂市O3濃度還可能受區(qū)域傳輸影響。2019—2022年，O3超標日條件下，臨沂市O3濃度的風(fēng)向玫瑰圖如圖3所示。數(shù)據(jù)顯示，O3超標日小時濃度高值基本分布的風(fēng)速區(qū)間在0～6 m/s，主要集中在4 m/s以內(nèi)。臨沂市主導(dǎo)風(fēng)為偏南風(fēng)時，O3小時濃度容易出現(xiàn)高值，表明它有很大可能會受到偏南風(fēng)的污染傳輸影響。

2 氣象要素對VOCs濃度的影響

2.1 溫度與濕度

VOCs是O3生成的關(guān)鍵前體物，具有活性大、種類多和來源復(fù)雜的特點。工業(yè)生產(chǎn)過程會產(chǎn)生各種揮發(fā)組分，各組分又相互反應(yīng)，光化學(xué)反應(yīng)生成機制復(fù)雜多變，直接影響近地面的O3轉(zhuǎn)化。光照是光化學(xué)反應(yīng)的必要條件，光照時間長，溫度會相應(yīng)升高，加劇光化學(xué)反應(yīng)且延長反應(yīng)時間，而較高的相對濕度也會影響光化學(xué)反應(yīng)[7]。

VOCs體積濃度、溫度和相對濕度的日變化曲線如圖4所示。從日變化來看，白天溫度升高，VOCs濃度降低，相對濕度降低。經(jīng)分析，日出后，隨著光照強度的增加，溫度不斷升高，空氣中水汽逐漸減少，相對濕度逐漸降低，光化學(xué)反應(yīng)加強，VOCs不斷被消耗，同時白天混合層高度抬升，也稀釋VOCs濃度[8]。

2.2 風(fēng)速與風(fēng)向

為判斷臨沂市VOCs體積濃度與風(fēng)速的關(guān)系，統(tǒng)計不同風(fēng)速下的VOCs濃度，如圖5所示。

當(dāng)風(fēng)速小于2 m/s時，VOCs濃度最高，為37.95×10-9。

隨著風(fēng)速的逐漸增加，VOCs濃度逐漸減小。風(fēng)速小于3 m/s時，VOCs濃度高值集中。主導(dǎo)風(fēng)為東北風(fēng)，風(fēng)速為6 m/s時，VOCs濃度會出現(xiàn)高值，其他大風(fēng)速對應(yīng)的VOCs濃度較低，表明臨沂市大氣VOCs以本地排放為主。主導(dǎo)風(fēng)為北風(fēng)時，VOCs濃度易出現(xiàn)高值。

3 結(jié)論

臨沂市O3濃度與溫度呈正相關(guān)，與相對濕度、降水和風(fēng)速呈負相關(guān)。平均溫度介于25～30 ℃，日最大溫度大于35 ℃，溫差大于8 ℃時，O3濃度最易超標，平均溫度、日最大溫度和溫差均能表征O3超標現(xiàn)象，但其中溫差與日最大溫度影響較明顯。當(dāng)溫度為25～35 ℃，相對濕度為40%～60%時，臨沂市O3濃度易出現(xiàn)高值。溫度和相對濕度對VOCs存在相反的影響。當(dāng)風(fēng)速小于2 m/s時，VOCs濃度最高；隨著風(fēng)速的逐漸增加，VOCs濃度逐漸減小。當(dāng)臨沂市盛行偏南風(fēng)且風(fēng)速為6～8 m/s時，要格外注意O3污染的動向。

參考文獻

1 郭麗瑤.新鄉(xiāng)市大氣有機磷酸酯和汞的污染特征、氣-粒分配行為[D].新鄉(xiāng)：河南師范大學(xué)，2018：47-49.

2 Zheng X Y，Orellano P，Lin H L，et al.

Short-term exposure to ozone，nitrogen dioxide，and sulphur dioxide and emergency department visits and hospital admissions due to asthma：a systematic review and meta-analysis[J].Environment International，2021（5）：106435.

3 許純領(lǐng)，王 輝，孫 丹，等.氣象因素對宿遷市臭氧濃度的影響研究[J].綠色科技，2020（3）：166-170.

4 QIU W Y，LIU Y H，TAN Z F，et al.Calculation of maximum incremental reactivity scales based on typical megacities in China[J].Chinese Science Bulletin，2020（7）：610-621.

5 劉 強，李 杉，李 穎，等.大氣環(huán)境質(zhì)量底線中的污染傳輸影響分析：以四川省典型城市為例[J].環(huán)境影響評價，2020（2）：52-56.

6 劉姣姣，葉 堤，劉芮伶.重慶市臭氧污染特征研究[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2020（9）：59-62.

7 張 帆.濟南市環(huán)境空氣VOCs污染特征及遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律研究[D].濟南：山東建筑大學(xué)，2012：25-26.

8 王廷祥.大氣冷凝水化學(xué)特性研究[D].上海：復(fù)旦大學(xué)，2012：31-32.