气象条件对梅州城区臭氧浓度的影响研究

郭 青，罗碧瑜，曾东好，曾惠娟，高国靖

(广东省梅州市气象局，广东 梅州 514021)

1 引言

臭氧(O3)是一种具有氧化能力的重要大气成分，随着对流层前体物排放量的增大，臭氧超标对公众健康、社会生活以及生态环境造成严重影响。伴随着城市汽车拥有量的不断攀升，汽车尾气排放的大量NOX、CO、挥发性有机物(VOC)等在充足的阳光影响下，伴随着合适的气象条件，极易造成光化学反应，引起O3的超标。近年来，各地陆续开展O3监测，不少学者对O3的影响机理开展了大量的研究工作。邓雪娇等[3]、李颖敏等[4]、陆克定等[5]、张浩月等[6]研究分析了珠江三角洲O3污染与相关气象条件的关系。洪茂盛等[7]、朱毓秀等[8]、谈建国等[9]、陈世俭等[10]针对不同地区的O3浓度与气象要素的相关性获得了大量的研究成果。总的来说，O3浓度变化的影响因子是多方面的。国内外专家对这方面做了大量的研究工作[11-14]，梅州市作为广东省重要的旅游城市，对空气质量的要求尤为严格。本文通过分析梅州城区的O3变化规律及其与相关气象条件的关系，旨在为本地区的O3的监测与预警预报提供科学依据。

2 资料来源及分析方法

2．1 资料来源

文中采用2014—2017年的O3监测数据(O3-8 h，即指O3日最大8 h滑动平均值)来源于梅州市环境监测中心，梅州城区的环境监测站点目前包括北部的嘉应大学站，西部的梅县新城站以及南部的环境监测中心站(见图1)，其每日发布的O3监测数据为三者的几何平均值；同期的相关气象资料(气温、气压、风速、湿度、降水、日照时数、云量以及相关天气形势图)来源于梅县区国家气象观测站。

图1 梅州城区环境监测中心监测站点分布图Fig.1 Distribution map of monitoring stations in Meizhou urban environmental monitoring center

2．2 分析方法

空气质量参数的计算与超标界定方法主要参考《环境空气质量标准》(GB3095-2012)[1]和《环境空气质量指数(AQI)技术规定》(HJ633-2012)[2]，O3一级标准的浓度限值是100 μg/m3，二级标准的浓度限值是160 μg/m3，即当日O3浓度最大滑动8 h平均值>100 μg/m3，则定义为一级超标日；同理当日O3浓度最大滑动8 h平均值>160 μg/m3为二级超标日。

文中主要采用数理统计的分析方法，对梅州市环境监测站2014—2017年的O3监测数据以及同期的梅县区国家气象观测站的气象观测数据进行统计分析，得到了近3 a来梅州城区的O3浓度的现状，并利用相关系数的显著性检验方法对O3浓度与气象要素的相关性进行检验。统计量n遵循显著水平α=0.05的相关系数的显著检验，公式为：

(1)

式中，rc为相关系数临界值，α为显著水平，tα通过查t分布表可得到。

当因子间的相关系数R>rc时，表明相关性显著；当因子间的相关系数R

3 O3的现状分析

3．1 O3年变化特征

由图2可知，梅州地区2014—2017年AQI超标日数逐年下降，而O3超标日数维持稳定水平，一级超标天数分别为132 d、73 d、57 d、94 d，二级超标天数分别为4 d、4 d、3 d、3 d。梅州空气指数超标的首要污染物是PM2.5和O3。O3二级超标天数占AQI超标日数的比例快速上升，4 a来占比分别为13.8%、28.6%、42.9%、60%。

由此可见，伴随着政府对PM2.5的有效控制，梅州空气质量逐年提高，空气质量为优的天数逐年提高，空气质量为轻度污染以上的天数逐年下降。但是O3污染依然维持稳定的水平，近4 a来，梅州城区O3浓度依次88.9、75.8、71.1、80 μg/m3，O3已成为影响梅州市区空气质量重要因素。

图2 空气质量指数及O3超标日数的年变化曲线Fig.2 The annual variation curve of air quality index and ozone over the standard days

3.2 O3的季节变化

为了反映O3在四季中的变化规律，依据春季3—5月，夏季6—8月，秋季9—11月，冬季12月—次年2月的方法，对梅州城区的O3进行分类统计分析。

由图3可知，梅州市夏半年的空气质量状况明显优于冬半年，超过半数以上的轻度污染发生在冬季，夏季污染频次最低，秋季多于春季。而相对而言，O3污染状况则冬季最优，具体表现在O3浓度冬季最低，超标日数最少；而春、夏、秋季的O3浓度差别不大，O3一级超标日数秋季最多，春、夏季次之，冬季最少；O3二级超标日数全部集中在春季和夏季。

图3 空气质量指数及O3超标日数的季节变化曲线Fig.3 The seasonal variation curve of the air quality index and the number of ozone over standard days

3.3 O3月变化

由图4可知，O3浓度9月最高，月平均值达到92.4 μg/m3；4月次之，月平均值达到91.9 μg/m3；8—10月为一年中O3浓度的高值区域，11月—次年3月为O3浓度的低高值区域；O3浓度12月为全年最低，月平均值仅为63.3 μg/m3；O3二级超标主要发生在3—8月，最多的是4月(二级超标日数达到5 d)。9月没有发生轻度污染以上的现象，主要原因可能是因为这段时间多连续性降水，如台风型降水。

由此可知，秋季冬季的首要污染物是PM2.5，而春季夏季的首要污染物主要是O3，因为O3是由三个氧原子结合成为气体，在太阳紫外线辐射的光化学作用下形成的；受温度、湿度、光照等气象要素的影响，春季、夏季O3光化学反应速率较快，O3的二次生成浓度升高；相对而言，秋冬季平均气温、日照相对较低，光化学反应速率较弱，因此O3浓度低，很难达到超标的限值。同时，冬季颗粒物处于全年峰值区域，在一定条件下影响了气溶胶的光学厚度，进一步减缓了O3的光化学反应速率，造成O3冬季最少。当然，O3浓度也受前提物质的排放与扩散输送有关。

图4 O3的月变化曲线Fig.4 The monthly variation of ozone

4 O3特征与相关气象条件关系

4.1 O3月平均浓度与相关气象要素关系

利用公式(1)，计算出当样本容量n=12，显著水平α=0.05时，相关系数的临界值：rc=0.576。

通过计算O3的近4 a月平均浓度分别与同期气温、气压、湿度、降水、风速、总云量、低云量、日照、变温、变压、变湿的相关系数(见表1)，通过相关系数的显著性检验可得到：O3的月平均浓度与同期气温、日照显著正相关，与同期的气压呈显著负相关，与同期的其他相关气象要素的相关性不显著。

一年中，夏半年O3浓度高于冬半年，O3二级超标日数全部集中在春季和夏季。夏季主要受低压系统控制，气温高，日照时间长，太阳辐射强，这些条件都有利于促进光化学反应速率，使得O3的月平均浓度升高。而在冬半年，本地区主要受高压系统控制，气温较低，日照时间较低，太阳辐射较弱，光化学反应速率较慢，因而O3的月平均浓度较低。

4.2 O3污染过程浓度与相关气象要素的关系

通过分析2014—2017年中的3次典型污染过程，计算O3浓度分别与同期气温、气压、湿度、降水、风速、总云量、低云量、日照、变温、变压、变湿的相关系数(见表2)，通过相关系数的显著性检验可得到：O3的逐日浓度与同期气温、日照显著正相关，与同期的总云量、低云量、湿度呈显著负相关，与同期的其他相关气象要素的相关性不显著。

①污染过程O3逐日浓度与同期气温呈显著的正相关，通常在太阳辐射影响下，气温逐步升高，高温加剧了光化学反应的速率，造成二次生成的O3增加，进而O3浓度伴随着气温升高而升高。

表1 O3月平均浓度与相关气象要素的相关系数Tab.1 Correlation coefficient of monthly average concentration of O3 and related meteorological elements

②O3逐日浓度与同期日照时数呈显著的正相关，一般而言，日照时数越长，太阳辐射量越大，进而气温升高加快光化学反应速率，二次生成O3量从而增加，O3逐日浓度升高；

③O3逐日浓度与同期总云量、低云量呈显著的负相关，通常情况下，总云量、低云量少时，天气多晴朗，太阳辐射强，高温利于促成光化学反应生成O3，最终造成O3浓度升高；

④O3逐日浓度与同期湿度呈显著的负相关，当湿度大时，说明大气中含水量高。通常空气中水汽含有H、OH等自由基能将O3快速分解为氧分子，进而降低O3浓度。空气中的水汽也可以对太阳紫外辐射强度产生影响。

表2 O3浓度与相关气象要素的相关系数Tab.2 Correlation coefficient of concentration of O3 and related meteorological elements

4.3 O3污染过程浓度与同期天气形势的关系

过程1(图5a)：2014年6月11日起，500 hPa我区上空为槽后西北气流控制，850 hPa为高压脊底部东北气流控制，地面为弱高压脊控制，云量开始减少，日照时数增多，气温逐日升高，12日、13日O3浓度分别达到181 μg/m3、173 μg/m3，均超过了二级超标限值；13日起，南海北部的热带扰动逐渐增强并开始北抬，逐渐向粤东沿海靠近，我市上空云量逐日增多，日照时数逐日减少，O3浓度不断下降；15日开始，我区转受季风槽影响，天气阴沉，有阵性降水出现，O3浓度均小于100 μg/m3。

过程2(图5b)2015年4月12日,随着500 hPa东亚大槽逐渐东移并过境，我市降雨逐步停止转为多云天气，偶见阳光，O3浓度开始升高；13日起我市转受槽后西北气流控制，低层为受偏北气流控制，天空云量减少，日照时数增多，O3浓度开始攀升，15—17日O3浓度分别达到162 μg/m3、168 μg/m3、169 μg/m3，连续3 d O3浓度达到二级超标限值；18日，850 hPa上广东转为西南急流控制，低层受发展的西南低槽影响，我区上空为偏南气流控制，云量增多，最低气温明显上升，温度日较差小，O3浓度急剧下降，均低于100 μg/m3。

过程3(图5c)2016年7月21日起，西太平洋副高明显西伸加强，我区转受副高控制，天气晴好，全市维持高温天气，光化学反应速率加快，O3浓度急剧升高；特别是24日，副高强度达到鼎盛，592线包围本地区，全市最高温度普遍在38 ℃以上，对应O3浓度也达峰值(168 μg/m3)；27日，受北部湾热带低压环流影响，我市转受偏南气流影响，低层比湿增大，有分散阵雨出现，促进了O3的分解，O3浓度快速下降，逐日浓度均低于100 μg/m3。

5 结论

文章利用2014—2017年梅州城区的O3监测数据和相关气象观测资料，对本地区的O3的变化特征及影响O3的气象条件进行了相关分析，结果表明：

①梅州地区2014—2017年O3超标日数维持稳定水平，O3二级超标日数全部集中在春季和夏季；二级超标天数分别为4 d、4 d、3 d、3 d，O3二级超标天数占AQI超标日数的比例快速上升，O3二级超标主要发生在3—8月，最多的是4月，O3是影响梅州市区空气质量重要因素。

图5 (a-c)O3污染过程浓度变化曲线Fig.5 (a-c)The variation of ozone concentration in pollution process

②O3的月平均浓度与同期气温、日照显著正相关，与同期的气压呈显著负相关；O3污染过程中，O3的逐日浓度与同期气温、日照显著正相关，与同期的总云量、低云量、湿度呈显著负相关。

③O3污染过程中，二级超标日的天气形势分别为：500 hPa我区上空为槽后西北气流控制，850 hPa为高压脊底部东北气流控制，地面为弱高压脊控制；500 hPa东亚大槽逐渐东移并过境后，转受槽后西北气流控制，低层为受偏北气流控制；西太平洋副高明显西伸加强，本地区副高强度达到鼎盛，592 hPa线包围本地区。

④本文对O3与气象条件关系的分析，基于有限的资料分析得出，具有一定的局限性, 有待于今后采集更多的个例做深入的分析研究。