气象因素对太原夏季近地面臭氧浓度的影响

2016-11-04李莹朱凌云闫世明张逢生

科技与创新 2016年18期

李莹　朱凌云　闫世明　张逢生

摘要：以2014年夏季（6-8月）太原市近地面大气O3及其相关前体物（NOX、NO2、NO、CO）和气象因素等观测数据为基础，分析了O3浓度水平和时间变化特征，重点讨论了气象因素（气温、相对湿度、风速和太阳辐射）对O3浓度变化的影响，并初步建立了预测地面臭氧浓度的气象学方法。结果表明：2014年夏季太原市O3污染程度总体较轻，其中以6月污染相对较重。O3小时浓度日变化呈单峰型分布，在午后15：00左右达到最大值，最小值出现在清晨06：00左右。O3前体物NOX、NO2、NO和CO体积分数呈现白天低、夜间高的日变化过程。O3体积分数变化与气温、太阳总辐射呈正相关，与相对湿度呈反相关，与风速的正相关程度不显著，夏季O3浓度高值多对应于高温低湿的午后。采用每日14：00气温、相对湿度和风速等气象参数，运用逐步线性回归方法建立起臭氧浓度预报方程。该方程对预测臭氧日最大8 h平均浓度有良好的效果。

关键词：城市臭氧；变化特征；气象因素；回归方程

中图分类号：X515 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.18.026

近地面臭氧是一种污染气体，它在大气化学反应中充当重要的氧化剂，可引发光化学烟雾事件，对人和生物造成严重的影响；同时，臭氧也是一种温室气体，在地球辐射平衡中扮演着重要角色，影响全球气候变化。对近地面臭氧的研究已成为当今环境科学研究领域的前沿课题之一。

城市O3形成是一个复杂的过程，O3并没有直接排放源，它是由NOX、CO和VOCs等前体物在合适的气象条件下反应产生。太原作为北方重要的工业城市之一，近年来，伴随着城市发展、能源结构的转变、城市汽车保有量的迅速增加，汽车尾气NOX、CO等污染物在太阳光的作用下转化为臭氧，产生一系列影响，夏季更容易发生，因此，近地面臭氧浓度水平已渐成为当地居民共同关注的环境空气质量问题。已有不少学者对我国典型城市地面O3浓度水平、变化特征及影响因素等进行了研究，但目前针对太原市大气O3浓度特征及与气象要素关系的研究较少，对太原空气质量问题的认识也不够全面。

本文利用太原市2014年夏季O3、NOX（包括NO2和NO）、CO观测资料，并结合同期获得的气象资料进行分析，得出臭氧与其前体物NOX、NO2、NO和CO的时间变化规律，讨论各气象要素对臭氧体积分数变化的影响，并给出由气象要素构成的O3体积浓度回归方程，旨在为今后深入开展常规污染物监测积累经验，也为开展光化学污染趋势预报和寻找可行的气象指标提供依据和思路。

1 资料与方法

原山西省观象台（北纬37°47′，东经112°33′，海拔高度778.3 m）位于太原市城区南部，其北约150 m处为晋阳街道，其西约180 m处为城市主干道平阳南路，西北方向主要为住宅区，东北和东南处各有一家电子企业单位。采样点设在观象台院内一座房舱的楼顶，离地高约3 m。观测仪器分别采用美国热电环境设备公司生产的49i紫外光度法O3分析仪、42i化学发光NO-NO2-NOx分析仪和48i气体过滤相关法CO分析仪。各仪器每天连续24 h采样监测，每隔5 min记录一次数据。在观测过程中，参照国家标准对所有仪器进行了定期标定，以保证观测结果的准确性和可靠性。

选取原山西省观象台2014年夏季6—8月O3、NOX、NO2、NO和CO观测数据作为分析资料，其间日有效观测时间大于或等于20 h的观测日数共计91 d。文中小时平均值为整点后1 h内5 min数据平均值，月平均值和季平均值根据小时平均值计算得到。太原市同期地面观测气象资料来源于山西省气象信息中心。

利用origin、SPSS软件对数据进行统计学处理，采用Pearson相关系数检验，来判断评价指标与影响因素之间的相关性。

2 结果与分析

2.1 O3浓度水平与污染评价

表1给出了2014年夏季太原市O3浓度（体积分数φ）统计特征值。由表1可知，O3体积分数夏季均值为（32.94±24.49）×10-9，O3体积分数月均值6月最高，7月次之，8月最低，且6月O3体积分数的变化幅度大于其他两月。O3小时浓度最大值出现在2014-06-13T14：00，达1.066 1×10-7（体积分数），日最大8 h平均浓度最大值出现在2014-06-22，为8.605×10-8（体积分数）。参照《环境空气质量标准》（GB 3095—2012）中臭氧（O3）的1 h平均浓度二级标准限值200 μg/m3及日最大8 h平均浓度二级标准限值160 μg/m3，对观测数据按1×10-9（体积分数）约2 μg/m3进行单位换算，统计O3超标情况。结果表明，2014年夏季3个月共有3 h出现O3小时平均浓度超标，超标率分别为0.28%，0.14%和0.00%；共有5 d出现日最大8 h平均浓度超标，超标率分别为10.00%，3.23%和3.33%.由此可见，2014年夏季太原市O3污染程度较轻，O3浓度水平以6月较高。

2.2 臭氧及其前体物浓度日变化特征

体积分数的日变化曲线。从图1中可以看出，O3体积分数日变化呈单峰型分布，在午后15：00左右出现体积分数最高值，然后逐渐降低，夜间O3体积分数维持在较低水平，在清晨06：00左右出现最低值。这种城市地区日变化特征与O3和其前体物之间光化学反应程度的高低及大气扩散能力的强弱相一致，与全球许多大中城市臭氧体积分数变化特征类似。

氮氧化物和一氧化碳是臭氧的主要前体物，它们在臭氧的大气化学过程中起着重要作用。NO、NO2、NOX和CO体积分数日变化曲线与臭氧呈反相关，峰型结构多为双峰型，即在上午07：00—09：00达到峰值，然后逐步回落，至下午15：00左右最低，在晚间22：00左右再次出现峰值。NOX和CO都主要来自机动车尾气的排放，早间车流量大，尾气排放量较大，但此时太阳辐射较弱，因此O3的生成速率较低，大量的前体物未及时消耗，积累在大气中。随后，较高的前体物浓度在太阳辐射的作用下产生大量的O3，经过一段时间的积累，至午后14：00—16：00出现了O3日浓度最高值。O3出现峰值的时间比前体物出现峰值的时间滞后约7 h。此时，前体物浓度降到了最低。傍晚时分，太阳辐射降低，大气中的光化学反应结束，出行高峰再次到来，汽车尾气排放的NO增加，使O3大量消耗并生成NO2，前体物重新积累并再次出现峰值，O3浓度则逐渐下降，至次日06：00左右达到最低值。

2.3 气象因素对近地面O3浓度的影响

气象因素在臭氧的形成和转化过程中起着非常重要的作用，它通过影响前体物的扩散、大气环流、光化学环境等影响臭氧浓度的变化。在各种气象条件中，较重要的影响因素有气温、相对湿度、风速、降水等。图2给出的是太原2014年夏季O3体积分数φ（O3）、气温、相对湿度、风速和太阳总辐射的平均日变化曲线。

2.3.1 气温的影响

温度作为太阳辐射强弱的重要指标，一般存在明显的日变化特征。从图2（a）和（b）可以看出，气温在昼夜间的高低变化也伴随着φ（O3）的昼夜变化，二者的日变化趋势一致。在夏季午后高温、强日照条件下，易发生一系列光化学反应而生成O3，高O3浓度往往和高温联系在一起。高温直接加快光化学反应速度，而且随着温度的升高，生物排放量加大，O3的前体物浓度增加，也促进了O3浓度的增大。

表2给出了太原市2014年夏季不同温度范围内相应的φ（O3）。从表2可以看出，O3体积分数随着温度的增加而增加。计算得到O3体积分数随温度增加的平均变化率为126%. 这说明O3体积分数受温度变化的影响较大。以夏季所有的观测数据为样本，计算地面φ（O3）与气温的相关性系数r. 结果表明，φ（O3）与气温的相关性系数平均值为0.76，在α=0.01的置信水平下显著相关。这与表2中反映的O3体积分数与温度的关系相一致。

2.3.2 相对湿度的影响

相对湿度反映了大气中水汽的含量，水汽与O3的反应是对流层O3浓度的一个重要的汇，高相对湿度不利于O3体积分数的积累。由图2（a）和（c）可以看出，一日内O3浓度最高的午后存在高气温、低相对湿度的特点，地面O3体积浓度与相对湿度的日分布曲线呈反相关。分析结果也表明（表略），O3体积分数随着相对湿度的增加逐渐减小，2014年夏季O3体积分数与相对湿度的平均相关系数为-0.68，在α=0.01的置信水平下呈显著反相关。

2.3.3 风速的影响

风速对原生污染物的影响主要取决于大气对污染物的稀释和传输的特征，但风速对二次污染物O3的影响既有由于扩散作用的效应，又有由于引起上层臭氧向下输送的效应。分析风速与O3小时平均浓度日变化曲线可以发现，在午后风速出现一天中的极大值，中午较高的风速应不利于污染物的富集，但臭氧体积分数仍在午后达到最大值。这是因为地面风速增大，垂直动量输送加强，有利于臭氧从浓度较高的高空往下输送，而且随着风速和湍流作用的增强，加速了光化学反应，使臭氧在中午前后达到最大，如图2（a）和（d）所示。

表3为不同风速条件下的臭氧体积分数分布。由表3可以看出，当风速小于等于3 m/s时，随着风速的增大，O3体积分数不断递增；当风速大于3 m/s时，O3体积分数降低。造成这一现象的原因是由于较高的风速一方面抬高了大气边界层高度，使得上层O3向地面处混合，增加O3浓度；另一方面其水平扩散作用能够稀释O3，降低O3浓度。这两种作用同时发生，当风速较低时向下的O3混合作用更强，从而造成O3体积分数不断累积。但随着风速的继续加大，扩散作用逐渐增强至两种作用相当，因此在风速不断增加时，O3体积分数的增加率下降或O3体积分数降低。计算得出2014年夏季O3体积分数与风速的平均相关系数为0.21，二者的相关程度不显著。这说明风速对O3浓度的影响较复杂。

2.3.4 太阳总辐射的影响

O3的产生与太阳辐射有密切联系，O3是由于太阳辐射而形成的二次污染物。图2（a）和（e）分别列出了O3小时平均浓度与太阳辐射强度2014年夏季平均的日变化曲线。由图可知，二者的日变化存在相关性，太阳辐射强度一般在05：00—12：00逐渐加强，最大值出现在中午12：00，12：00以后逐渐减弱；O3浓度一般在07：00—15：00逐渐加强，最大值出现在午后15：00，在15：00以后逐渐减弱。总体上看，O3浓度比太阳辐射最大值出现时间滞后了约3 h。

2.4 臭氧浓度预测方程的建立

太原2014-06-01—2014-07-24的臭氧浓度MAX8的拟合结果见图3.可见，拟合效果较好。为了检验方程的可预报性，用没有参与回归方程分析和建模的2014-07-25—2014-08-31相关实况资料检验。图3给出了O3体积分数预测值和观测值的对比。可见，预测方程能够较好地反映臭氧逐日变化特征。

3 结论

通过论述，得出以下几个结论：①2014年夏季太原市O3污染程度较轻，O3小时平均浓度和日最大8 h平均浓度超标率分别为0.14%和5.49%.O3体积分数月均值6月最高，7月次之，8月最低，臭氧污染以6月状况相对较重。②O3体积分数在午后15：00左右出现最高值，在清晨06：00左右出现最低值，日变化呈单峰型。NO、NO2、NOX和CO体积分数日变化曲线与臭氧呈反相关，白天较低，夜间较高，并呈双峰型日变化。因太阳辐射所造成的光化学反应过程，O3出现峰值的时间比其前体物出现峰值的时间滞后约7 h。③O3体积分数变化与气象要素关系密切，与气温、太阳总辐射呈正相关，与相对湿度呈反相关，夏季O3浓度高值多对应于高温低湿的午后，风速对O3浓度的影响较复杂。④采用每日14：00气温、相对湿度和风速等气象要素，运用逐步线性回归方法建立臭氧浓度预报方程，对预测臭氧日最大8 h平均浓度有良好的效果。

4 讨论

在本次预报方程建立过程中，仅用了有限时段的观测资料进行臭氧浓度和气象因素的分析，同时假定臭氧浓度仅依赖于气象因素变化，而未考虑前体物浓度的影响。在今后的拟合研究中，应加入光化学反应前体物浓度等影响因子，并进一步检验、改进和完善预报方程，以提高拟合的准确度和实用性。

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