冀南地区近地面O3浓度变化特征及其与气象因子相关性分析

张 珺，宋晓辉

(河北省邯郸市气象局，河北 邯郸 056001)



冀南地区近地面O3浓度变化特征及其与气象因子相关性分析

张 珺，宋晓辉

(河北省邯郸市气象局，河北 邯郸 056001)

摘要：以冀南地区邯郸市为研究对象，采用邯郸市环境监测站近地面O3浓度资料和邯郸市气象站同期气象资料，利用统计和相关分析方法，结合O3浓度的分布特征，对O3浓度及其与气象因素的相关性进行了分析。结果表明：邯郸市近3年以O3为首要污染物的不达标天气出现了55 d；近地面O3平均浓度以夏季最高，冬季最低；近地面O3浓度受气温、降水、风、气压等气象条件的影响，它们之间存在一定的相关性。

关键词：O3；气象因子；冀南地区；相关分析

我国工业化进程的加快导致城市的大气污染现象严重，环境问题已受到越来越多人的关注。环保部2015年9月份发布的数据显示，在8月份全国70多个城市的空气质量不达标的天数中，O3已连续4个月成为空气质量超标的首要污染物。过量的近地面O3是光化学烟雾的重要特征污染物，它是由工业活动和交通排放的氮氧化物通过光化学反应产生的二次污染物[1-5]。O3浓度除了与局地光化学反应有关外，还与气象条件和其前体物NOx、VOCS、CO等的浓度密切相关。近地面O3对人的眼睛和呼吸系统有强烈的刺激性，其浓度的升高会对越来越多人的健康造成威胁[6-9]。邯郸市位于河北省最南端，晋冀鲁豫四省交界处，当地严重的空气污染已引起政府和群众的普遍关注。近年来，冀南地区大气污染程度十分严重，持续的雾霾天气给当地生态、经济、健康等方面造成了很大的负面影响。关于近地面O3浓度的特征及其气象条件的研究，一直是众多学者关心的焦点问题[10-14]。

1资料与方法

本文以冀南地区邯郸市为研究对象，利用邯郸市3年近地面O3质量浓度连续观测资料和同期地面气象观测资料，采用统计、相关分析等方法，对邯郸市区近地面O3质量浓度特征及其与气象条件的相关性进行了分析，以期为邯郸市空气质量预报系统的建立提供依据，为政府科学决策提供技术支撑。

2结果与分析

2.1O3作为首要污染物的空气质量等级分布

在2013年1月1日～2015年11月18日期间，以O3作为首要污染物的天气在2013年出现35 d， 2014年有21 d，2015年有30 d。3年中出现不达标天气的共计55 d，其中三级轻度污染47 d，占比54.7%；四级重度污染出现8 d，占比9.3%；未出现重度和严重污染。达标天数31 d，其中一级优出现2 d，二级良出现29 d，分别占比2.3%、33.7%。出现连续3 d以上以O3作为首要污染物的大气污染2次，均出现在2013年：2013年6月26日～6月28日连续3 d，O3浓度分别为0.181、0.209、0.175 mg/m3，2013年8月19日～8月22日连续4 d，O3浓度分别为0.166、0.183、0.215、0.208 mg/m3(图1)。

图1　2013～2015年以O3作为首要污染物的空气质量分布特征

2.2近地面O3浓度逐日变化特征

通过对2013年1月1日～2015年11月18日近地面O3浓度进行逐日统计分析(图2)可以看出，O3浓度呈现以年为周期的波状特征，浓度值以夏季较高，冬季较低，这是由于夏季太阳辐射强，温度高，氮氧化物易发生光化学反应，且邯郸位于太行山侧，地形条件不利于夏季空气污染物扩散，污染物易聚集在城市中。

横线为O3浓度超标标准图2　2013～2015年邯郸市近地面O3浓度逐日变化

2.3近地面O3浓度的月、季变化特征

由邯郸市2013～2015年近地面O3浓度月变化特征(图3)可以看出，1月O3平均浓度最低，且2013年<2014年<2015年；2～5月，O3浓度呈逐渐上升趋势；6～8月，O3浓度维持在高值状态，平均浓度2013年>2014年>2015年；从9月开始O3浓度随着温度的降低呈快速下降趋势。分析表明，冬季O3平均浓度最低，夏季O3平均浓度最高。2014年在5月份 O3平均浓度就已经达到最高值，分析其原因可能与同期邯郸高温天气较多有关，5月下旬邯郸气温比常年同期值偏高达5.1 ℃。

对邯郸2013～2015年近地面O3浓度日均值进行分季节统计(表1)，结果发现除了冬季外，其他3个季节都存在近地面O3浓度超过《环境空气质量标准》(GB3095─2012)二级标准规定0.2 mg/m3浓度限值的现象。尤其是夏季，近地面O3浓度明显偏高于其他季节，说明邯郸地区光化学反应现象比较严重。这3年相比，2013年近地面O3平均浓度最高，O3超标天数比2014年、2015年超出78%以上，光化学污染最重；2014年O3平均浓度最低，且秋冬两季均未出现O3超标现象。分析这3年 O3浓度的最大值发现，2014年最大值出现在春季，2013年和2015年的最大值都出现在秋季。

图3　邯郸市2013～2015年近地面O3浓度月变化特征表1　邯郸2013～2015年近地面O3日均浓度季节统计

年份季节最大值/(mg/m3)最小值/(mg/m3)平均值/(mg/m3)超标天数/d超标率/%2013春季0.2600.0200.12166.52夏季0.2860.0530.1672830.40秋季0.2980.0020.1171415.40冬季0.0940.0050.042002014春季0.2520.0500.11855.43夏季0.2060.0240.14788.70秋季0.1630.0160.08300冬季0.1180.0120.057002015春季0.3810.0270.11144.35夏季0.2390.0320.1391415.20秋季0.3330.0080.10199.90

2.4气温对近地面O3浓度的影响

O3的形成转化主要受太阳辐射的控制，在近地面层，O3浓度的高低还受到气温、降水、风、气压等气象条件的影响。通过对2013年1月1日～2014年12月31日的O3小时浓度资料进行统计分析(图4)可以看出，近地面O3浓度的日变化特征呈现单峰型变化规律，随着太阳辐射的增强，近地面O3浓度从早晨7：00开始随着气温的升高而升高，15：00～16：00达到峰值(近地面O3浓度没有在14：00左右达到最高是因为太阳辐射引起的光化学反应需要一定的反应时间)，17：00左右开始逐渐降低。这说明，O3浓度受日照、气温影响，白天浓度高，午后达到最高，傍晚逐渐下降。

图4　O3浓度的日变化特征

2.5降水对近地面O3浓度的影响

对2013～2015年夏季(6～8月)有无降水时的O3浓度进行统计(表2)。结果表明，降水时(降水量>0 mm)这3年近地面O3平均浓度为0.145 mg/m3，无降水时为0.154 mg/m3。因为夏季太阳辐射强烈，气温高，有利于氮氧化物的光化学反应，因此O3浓度较高；降水天气太阳辐射小，气温较低，不利于O3的形成，另外，降水对O3有一定的吸收、清除作用。

表2　2013～2015年夏季有无降水时O3浓度分布

2.6风对近地面O3浓度的影响

2.6.1风频分析对2013～2015年夏季(6～8月)风向频率进行统计(图5)，结果表明：这3年夏季风向频率大体一致，以南风(S)为主，均占比20%左右；北北西风(NNW)最少，在2013、2014、2015年中分别占比0.82%、0.41%和0.10%。

2.6.2风速分析从2013～2015年邯郸市夏季(6～8月)风速玫瑰图(图6)可以看出，各风向上平均风速总体相当，2013、2015年均为南风(S)的平均风速最大，分别为2.71、2.39 m/s，2014年北风(N)的平均风速最大，为2.46 m/s；2013年东东南风(ESE)的平均风速最小，为1.23 m/s，2014年西北风(NW)的平均风速最小，为1.18 m/s，2015年北西北风(NNW)的平均风速最小，为1.32 m/s。前面风频分析中得知在夏季邯郸常刮南风，从南风风向上平均风速比较，2013年>2015年>2014年。

单位：%图5　2013～2015年夏季风向频率玫瑰图

单位：m/s图6　2013～2015年夏季风速玫瑰图

2.6.3各风向下近地面O3浓度分布图7是根据2013～2015年夏季各个风向上近地面O3平均浓度做出的玫瑰图： 2013年、2014年的近地面O3平均浓度在刮东南风(SE)时均为最高，分别为0.135、0.117 mg/m3，2015年刮东风(E)时最高，为0.085 mg/m3；2013年刮西风(W)时最小，为0.081 mg/m3，2014年刮西西北风(WNW)时最小，为0.042 mg/m3，2015年刮北西北风(NNW)时最小，为0.036 mg/m3。可以看出，2015年夏季 O3浓度较2013和2014年在各个风向上明显下降，2014年夏季近地面O3浓度较2013年在各个风向上也均有所下降。

单位：mg/m3图7　2013～2015年夏季各个风向上近地面O3平均浓度玫瑰图

2.7气压对近地面O3浓度的影响

通过对2013～2015年夏季(6～8月)平均气压和O3浓度进行统计分析(图8)可以看出，平均气压和O3浓度的日变化规律均为单峰型，从0:00到4:00，气压和近地面O3浓度变化趋势一致，均呈下降趋势；从5:00开始，气压呈上升趋势，10:00达到最大值，为1009.7 hPa;随后呈下降趋势，16:00达最小值1006.6 hPa;17:00开始气压又呈逐渐上升趋势。近地面O3浓度从8：00开始逐渐上升，分析其原因：一是与太阳辐射增强有关；另一方面，8：00是上班高峰期，机动车排放的尾气中含有的NOX、CO、挥发性有机物VOC易发生光化学反应产生O3，从而引起O3浓度增加[15-18]。15：00～16：00 O3浓度达到峰值0.09 mg/m3，17：00开始下降。从图8中可以看出，从10：00开始，气压和O3浓度呈明显的反相关关系。

图8　2013～2015年夏季(6～8月)平均气压和O3浓度日变化

2.8近地面O3浓度与气温、降水、气压、风等气象要素的相关性分析

对统计期间近地面O3浓度与同期气象要素作相关分析，发现近地面O3浓度与气温呈显著正相关，与降水量呈极显著负相关，与气压呈显著负相关，与风速呈负相关，与霾日数呈极显著负相关，与雾日数呈显著负相关，与云量呈负相关，与相对湿度呈负相关，其中风速云量、相对湿度与O3浓度的相关性均没有通过显著性检验(表3)。

表3　O3浓度与气象因子间的相关系数

注：“*”代表通过α=0.05的相关性检验；“**”代表通过α=0.01的相关性检验。

3结论与讨论

3.1结论

近3年来，受邯郸市产业发展结构及所处地理位置等因素影响， 邯郸市出现以O3为首要污染物的不达标天气55 d，以轻度污染为主。近地面O3浓度呈现以年为周期的波状特征，浓度值夏季较高，冬季较低，近地面O3浓度在夏季表现为2013年>2014年>2015年； 2013年O3平均浓度最高，近地面O3超标天数比2014年、2015年超出78%以上，光化学污染最重。

O3浓度的变化与气象条件有着非常密切的关系。影响近地面O3浓度的气象因素主要有气温、降水、风向、风速、气压等。O3的日变化特征呈现单峰型变化规律，O3浓度随着气温的升高而升高；降水天气太阳辐射小，气温较低，不利于O3的形成，且降水对O3有一定的吸收、清除作用；2015年夏季 O3浓度较2013和2014年在各个风向上均有明显下降；平均气压和O3浓度的日变化规律均为单峰型；O3浓度与气温、气压、降水等气象因素具有显著相关性。

3.2讨论

尽管本文对邯郸市近地面O3浓度变化特征及影响因素研究得出了上述几点结论，但是由于O3浓度及气象资料的时间尺度较短，数据较少，本文对其研究仅仅是初步的，所得的结论也是初步的，对邯郸市近地面O3浓度和气象条件的相关性及其影响等方面的分析仍需大量的观测及更深入的研究。由于时间关系，对于O3受其他气象因素的影响本文还未进行研究，计划在下一步的工作中进行分析探讨。

参考文献：

[1] Wang T, Kwok J Y H. Measurement and analysis of a multiday photochemical smog episode in the Pearl River delta of China[J]. Journal of Applied Meteorology, 2003, 42(3): 404-416.

[2] 刘建栋,周秀骥,于强,等.近地层大气臭氧对作物光化学作用影响的数值模拟研究[J].大气科学,2004,28(1):59-68.

[3] Pierce T, Hogrefe C, Trivikrama R, et al. Dynamic evaluation of a regional air quality model: Assessing the emissions-induced weekly ozone cycle[J]. Atmospheric Environment, 2010, 44(29): 3583-3596.

[4] 王雪梅,韩志伟,雷孝恩.广州地区臭氧浓度变化规律研究[J].中山大学学报:自然科学版，2003,42(4):106-109.

[5] 白建辉,王明星,Graham J,等.鼎湖山臭氧、氮氧化物和太阳可见光辐射相互关系的研究[J].环境科学学报，2000,20(2)：173-178.

[6] 唐孝炎,张远航,邵敏.大气环境化学[M].北京:高等教育出版社,2006:221-231.

[7] Gaza R S. Mesoscale meteorology and high ozone in the northeast United States [J]. J Appl Meteor, 1998, 37(9): 961-977.

[8] 宗雪梅,王庚辰,陈洪滨,等.北京地区边界层大气臭氧浓度变化特征分析[J].环境科学,2007,28(11):2615-2619.

[9] Wang F, Wang X, Zhao Y, et al. Nutrient response to periodic hydrological fluctuations in a recharging lake:A case study of Lake Baiyangdian [J]. Fresenius Environmental Bulletin, 2012, 21(5): 1254-1262.

[10] Saito S, Nagao I, Tanaka H. Relationship of NOxand NMHC to photochemical O3production in a coastal and metropolitan areas of Japan[J].Atmospheric Environment, 2002, 36(8): 1277-1286.

[11] 洪盛茂,焦荔,何曦,等.杭州市区大气臭氧浓度变化及气象要素影响[J].应用气象学报,2009,20(5):602-609.

[12] 张远航,邵可声,唐孝炎,等.中国城市光化学烟雾污染研究[J].北京大学学报:自然科学版,1998,34(2/3)：392-400.

[13] 叶芳,安俊琳,王跃思,等.北京近地层O3、NOX和CO及相关气象因子的分析[J].生态环境,2008,17(4):1425-1432.

[14] 王宏,陈晓秋,余永江,等.福州近地层臭氧分布及其与气象要素的相关性[J].自然灾害学报,2012,21(4):175-181.

[15] 任丽红,胡非,王玮.北京夏季O3垂直分布与气象因子的相关研究[J].气候与环境研究,2005,10(2):166-174.

[16] 刘娇娇,蒋昌潭,宋丹,等.重庆夏季近地面臭氧变化规律及影响因素分析[J].重庆大学学报,2014,37(8):91-98.

[17] 谈建国,陆国良,耿福海,等.上海夏季近地面臭氧浓度及其相关气象因子的分析和预报[J].热带气象学报,2007,23(5):515-520.

[18] 姚青,樊文雁,黄鹤,等.天津夏季地面O3浓度变化规律与影响因素[J].生态环境学报,2009,18(1):12-16.

(责任编辑：许晶晶)

收稿日期：2015-12-23

基金项目：河北省科技计划项目“邯郸市重污染天气预报预警研究”; 河北省气象局气象科研项目“河北中南部重污染天气气象条件及其预报研究”。

作者简介：张珺(1984─)，女，河北邯郸人，工程师，硕士研究生，主要从事环境气象方面的研究。

中图分类号：X823

文献标志码：A

文章编号：1001-8581(2016)07-0111-05

Change Features of O3Concentration near Ground and Its Correlation with Meteorological Factors in South Hebei

ZHANG Jun, SONG Xiao-hui

(Meteorological Bureau of Handan City in Hebei Province, Handan 056001, China)

Abstract：According to the data of O3 concentration near the ground provided by Environmental Monitoring Station of Handan City, as well as the meteorological data in the same period from Weather Station of Handan City, adopting the methods of statistics and correlation analysis, this paper studied the distributive and change features of O3 concentration near the ground, and analyzed the correlation between O3 concentration and meteorological factors. The results showed that: in recent 3 years, O3 was the primary pollutant in Handan city, and the pollutants did not reach the standard for 55 days; the average concentration of O3 was the highest in summer, and the lowest in winter; the O3 concentration was related to some meteorological factors, such as air temperature, precipitation, wind, and air pressure.

Key words：O3; Meteorological factor; South Hebei; Correlation analysis