武汉城区臭氧时空分布及其与气象因子相关性研究

，4

(1.武汉市环境保护科学研究院，湖北 武汉 430015；2.武汉大学资源与环境科学学院，湖北 武汉 4300794； 3.武汉市环境保护局，湖北 武汉 430015；4.武汉智汇元环保科技有限公司，湖北 武汉 430070)

武汉城区臭氧时空分布及其与气象因子相关性研究

尹珩1张珂2，3孙辰1王海1，4丰俊1柯罡1

(1.武汉市环境保护科学研究院，湖北 武汉 430015；2.武汉大学资源与环境科学学院，湖北 武汉 4300794； 3.武汉市环境保护局，湖北 武汉 430015；4.武汉智汇元环保科技有限公司，湖北 武汉 430070)

本文采用武汉市10个大气国点位2016年全年臭氧自动监测数据和气象数据，总结了武汉城区臭氧的季节、月、日浓度的时间变化规律以及空间分布特征，分析了臭氧与气温、风向风速、湿度等气象因子的相关性。

臭氧；时空分布；气象因子；相关性

臭氧(O3)是大气中一种天然微量组分，90%位于距离地面20～50km的平流层中，10%分布在对流层中。O3具有强氧化性，过量的O3对人体和生物有害[1-3]。随着经济的快速发展，城镇化水平的不断提高，我国典型区域近地面O3问题日益凸显[4]。监测数据显示，京津冀、珠三角和长三角等区域O3已逐渐替代细颗粒物(PM2.5)成为夏季首要空气污染物[5]。武汉市也面临同样严峻形势，虽然近几年空气质量优良率持续上升，但空气质量改善的压力依然很大，O3污染日益凸显，尤其是在夏季。本文主要对武汉城区O3时空分布及其与气象因子的相关性进行研究。

1 材料与和方法

本次研究O3资料类型为武汉市10个大气国控点的O3小时均值、日最大8小时均值，其中沉湖七壕为对照点，其余9个站点(东湖高新、东湖梨园、沌口新区、吴家山、青山钢花、汉阳月湖、汉口花桥、武昌紫阳、汉口江滩)的平均值代表了“武汉城区”空气质量水平。气象资料类型为温度、相对湿度、风速等小时观测值。时限均为2016年1月1日—12月31日。

2 武汉城区O3时空分布特征

2.1 季节变化特征

按武汉市季节特点，本次研究冬季定义为12月-次年2月，春季为3月-5月，夏季为6月-8月，秋季为9-11月。在季节浓度(图1)分布上，武汉市O3浓度呈现明显夏秋高，春冬低的特点，具体表现为冬季<春季<夏季<秋季的特征。O3浓度出现季节变化的原因有两方面，一是气象条件的不一致导致发生光化学反应的强弱不同，夏秋季节的太阳辐射的气温较高，且持续时间长，对生成O3的光化学反应提供了很好的反应条件；二是O3前体物浓度以及局部地区的人为排放源、自然排放源，对O3的生成也有一定的影响。

图1 2016年武汉城区O3季节变化趋势

2.2 月度变化特征

2016年，城区O3小时浓度较高的月份主要集中在5-9月份(图2)，平均小时浓度值为145μg/m3，远高于全年平均浓度108μg/m3；10月起逐月降低至12月的60μg/m3；1月浓度最低，为51μg/m3。

图2 2016年武汉城区O3小时浓度月均值变化趋势

2.3 日变化特征

2016年，城区O3最高小时值出现在9月2日(334μg/m3)。选择全年O3小时浓度值最高的时间段(2016年8月26—9月16日)进行分析，结果显示(图3)：O3浓度在夜间较小，0∶00～8∶00呈逐渐下降趋势；8∶00之后随着气温和光照强度的逐渐增大，产生O3的光化学反应也逐渐增强，O3浓度开始逐步上升，直到15∶00达到日最高值；之后，随着太阳光照强度和气温的逐步减弱，O3浓度也逐步降低。

图3 武汉城区O3小时均值浓度变化趋势(2016.8.26-9.16)

2.4 空间分布特征

根据前面分析，武汉城区夏秋两季O3浓度明显高于春冬。进一步对夏秋两季O3空间分布特征进行分析，结果显示(图4和图5)：夏季O3浓度集中在城区中心的东湖梨园和外围的沌口新区、东湖高新；秋季城区中心的东湖梨园和外围的东湖高新、吴家山特征浓度明显远高于其他点位。

图4 2016年武汉市9个大气国控点夏季O3平均浓度

图5 2016年武汉市9个大气国控点秋季O3平均浓度

3 气象因子对O3浓度的影响

3.1 温度对O3浓度的影响

从图6可以看出，当温度升高时，O3浓度升高；温度下降时，O3浓度降低。2016年气温较高的6-9月，也是O3浓度较高的月份；气温较低的1月、10-12月也是O3浓度较低的月份。

图6 2016年武汉市气温和O3浓度变化趋势

比较不同气温范围内O3浓度(表1)，结果显示：O3浓度在不同气温范围间的变化率较大，并且随温度升高有增大的趋势；当气温低于10℃时，O3平均浓度较低，为78.16μg/m3；当温度高于30℃时，O3平均浓度最大，为176.57μg/m3。这是因为O3的生成是其前体物在太阳辐射作用下发生光化学反应，而温度变化和太阳辐射强弱正相关。

表1 武汉市城区不同温度范围内的O3浓度

3.2 风速对O3浓度的影响

根据2016年月均气象观测风速以及O3浓度变化情况，对O3浓度和风速变化之间的对应关系进行分析(见图7)，两者的相关性不是很明显。

图7 2016年武汉市风速和O3浓度变化趋势

表2给出了不同风速条件下的武汉市大气O3浓度分布情况，结果显示：当风速<1m/s时，O3的平均浓度达到最大值，为218.55μg/m3；风速>4m/s时，O3的平均浓度降到最小值，为80.48μg/m3；风速从小于2.0～3.0m/s升高到3.0～4.0m/s之间时，O3浓度降低较快，降低幅度达到28.8%。这主要是因为风对于O3具有混合和扩散两种作用，一定的风速可以抬高大气边界层高度，垂直方向上的O3与地面充分混合，水平方向上的O3及其前体物因为扩散作用得到了稀释。当风速较低时，混合作用强于扩散作用，O3浓度不断累积；随着风速增加，扩散作用逐渐增强，O3及其前体物浓度不断下降，最终导致O3浓度降低。

表2 武汉市城区不同风速范围内的O3浓度

3.3 相对湿度对O3浓度的影响

根据2016年月均气象观测相对湿度以及O3氧浓度变化情况，对O3浓度和相对湿度变化之间的对应关系进行分析(见图8)。结果显示：当相对湿度低于80%时，O3浓度相对较高。

图8 2016年武汉市相对湿度和O3浓度变化趋势

表3给出了不同相对湿度范围的平均O3浓度分布情况。当湿度介于60%至70%之间，O3浓度平均值最大，为147.19μg/m3；之后，湿度继续增高，O3浓度逐渐减小，当相对湿度超过90%时，O3浓度降低至57.28μg/m3。造成这种现象主要是，水汽是产生云的先决条件，在相对湿度较高的地方，出现云的机率较大，达近地面的紫外辐射减少，从而光化学反应减弱，导致了O3产生量减少。当相对湿度超过一定极限值(70%)时，高湿度有利于O3的湿清除，O3的质量浓度会快速降低。

4 小 结

(1)武汉市城区O3浓度在时间维度上规律明显。季节变化上，武汉城区O3浓度呈明显的冬春季低、夏秋季高的季节变化特征。月变化上，9月O3浓度最高、超标天数最多，其次是8月，1月浓度最低；日变化上，O3浓度在夜间浓度低，8∶00之后逐渐增大，15∶00达到日最高值，随后逐步减小。

表3 武汉市城区大气不同相对湿度范围内的O3浓度

(2)武汉市城区O3浓度在空间维度上有一定差异。武汉市9个监测站点各季节O3浓度空间分布略有不同，春季主要污染集中在外围的沌口新区、东湖高新、吴家山，夏、秋、冬主要污染集中在城区中心的东湖梨园和外围的东湖高新、吴家山。

(3)武汉市城区O3浓度受气温、风速、湿度的影响较大。温度越高(尤其是高于30℃时)，太阳辐射越强，O3浓度越高；风速越高，扩散作用越强，O3及其前体物浓度不断下降；当湿度介于60%至70%之间，O3浓度平均值最大，当相对湿度超过90%时，浓度最低。

[1]NationalResearch Council (NRC).Committee on Tropospheric Ozone Formation and Measurement，Rethinking the Ozone Problem Nurban and Re-gional Air Pollution[M].Washington DC：NationalAcademy Press，1991.

[2]刘彤，闫天池.我国的主要气象灾害及其经济损失[J].自然灾害学报，2011，20(2)：89-95.

[3]孔琴心，刘广仁，李桂忱.近地面臭氧浓度变化及其对人体健康的可能影响[J].气候与环境研究，1999，4(1)：63-65.

[4]孟晓艳，王瑞斌，杜丽，等.试点城市O3浓度特征分析[J].中国环境监测，2013，29(1)：64-70.

[5]张华，陈琪，谢冰，等.中国 PM2.5和对流层臭氧及污染物排放控制对策的综合分析[J].气候变化研究进展，2014，10(4)：289-296.

[6]武汉市统计局，国家统计局武汉调查队.武汉统计年鉴2016[M].北京：中国统计出版社，2016.

[7]武汉市环境保护局，2016武汉市机动车污染防治年[R].2016.

StudyontheSpatial-temporalDistributionofOzoneandItsCorrelationwithMeteorologicalFactorsinUrbanDistrictofWuhan

YIN Heng1ZHANG Ke2，3SUN Chen1WANG Hai1，4FENG Jun1KE Gang1

(1.Wuhan Research Academy of Environmental Protection Sciences，Wuhan 430015，China； 2.School of Resource and Environmental Science，Wuhan University，Wuhan 430079，China； 3.Wuhan Environmental Protection Bureau，Wuhan 430015，China； 4.Wuhan Zhihuiyuan Environmental Protection Technology Co.，Ltd，Wuhan 430070，China)

Variation trend of ozone concentration in seasons，months and days had been summarized by online monitoring data of 10 monitoring stations of Wuhan in 2016.The correlation between ozone and air temperature，wind direction，wind speed，humidity and other meteorological factors was analyzed.The results showed that the ozone concentration was higher in summer and autumn，and lower in spring and winter；Ozone concentration was highest in September and lowest in January.The ozone concentration trends of each monitoring station were similar，but there was a slight difference in ozone concentration in spatial distribution.The concentration of ozone in urban area was greatly affected by temperature，wind speed and humidity.

ozone；spatial-temporal distribution；meteorological factors；correlation

尹珩，硕士，工程师，从事环境规划研究方面的工作

张珂，硕士，从事环境管理方面的工作

文献格式：尹 珩 等.武汉城区臭氧时空分布及其与气象因子相关性研究[J].环境与可持续发展，2017，42(6)：150-152.

X831

A

1673-288X(2017)06-0150-03