陕西省西咸新区空港新城夏季臭氧与气象因子关系分析

梁俊宁，马启翔，汪平，刘杰

陕西省环境科学研究院，陕西 西安 710061

臭氧（O3）是大气中重要的痕量组分之一，其主要集中在平流层，对流层中的含量仅占整个大气层臭氧总量的10%左右（William et al.，2018）。虽然臭氧在平流层起到了保护人类与环境的重要作用，但其在对流层浓度增加则会对人体健康产生有害影响（Turner et al.，2016；Sadiq et al.，2017），因为臭氧具有强烈的刺激性，可对人体呼吸道、心血管、神经系统、眼睛和皮肤造成伤害，并会影响血液输氧功能，使甲状腺功能受损、骨骼钙化，还可诱发淋巴细胞染色体畸变，损害某些酶的活性和产生溶血反应等（Brook，2002；Turner et al.，2016）。臭氧还是一种反应性极高的强氧化剂，能使橡胶开裂，伤害植物叶子（Fowler et al.，2009；Kumar et al.，2013），并使大气能见度降低。臭氧形成条件是强日光和低湿度，其浓度高峰一般出现在中午或午后。

近年来，随着中国城市化和机动车保有量的快速增长，大量汽车尾气和工业排放中的氮氧化物和有机物在太阳光与热作用下经化学反应形成臭氧。臭氧污染主要形成于市区及市郊，并在有利气象条件下扩散到外围地区。目前，臭氧浓度的升高与超标问题已成为中国大多数城市的新环境问题（邵平等，2014；Wang et al.，2017；严仁嫦等，2018；Shen et al.，2019）。国内外专家学者对对流层臭氧的生成条件、化学反应机理、对人体健康和生态系统的影响、污染监测和控制等方面均开展了大量的研究工作，并且取得了显著的效果（Alexandre et al.，2014；Zou et al.，2015；Latif et al.，2016；Kalabokas et al.，2017）。已有研究发现，气象因素对臭氧的生成具有明显的影响作用，尤其是气温、湿度、风速和紫外线辐射（姚青等，2009；Samuel et al．，2013；吴锴等，2017；黄俊等，2018；赵伟等，2019）。安俊琳等（2009）发现北京市臭氧体积分数变化与温度、风速呈正相关，与相对湿度呈负相关，且夏季与温度相关性较高，冬季与风速相关性较高；王宏等（2011）研究发现导致福州市臭氧平均浓度值最高的天气型是台风（热带辐合带）外围，高压后部、地面倒槽和锋前暖区等强暖性、且非常不利于污染物扩散的天气型易造成臭氧浓度超标，臭氧浓度与温度、日照、太阳辐射呈显著正相关，与云量、相对湿度、降水量呈显著负相关。

陕西省西咸新区空港新城作为陕西省主要交通枢纽中心，以西安咸阳国际机场为核心，着力打造以西安国家航空实验区为统领，建设丝绸之路交通商贸物流中心、国际航空服务业聚集中心、国际文化创意中心、生态和农业小镇示范中心。该区域地势平坦，相对海拔高底较高，太阳直射能力强，紫外辐射强度与辐射指数均较高。根据西安市2016—2018年环境空气质量监测国控点24 h连续观测资料统计，2016、2017、2018年西安市O3质量浓度第 90 百分位数分别为 169.0、182.7、189.7 μg·m-3，呈现逐年显著上升的趋势；O3超标天数也在逐渐增多，分别为48、59、89 d。空港新城 O3质量浓度夏季高，且明显高于其他季节。数据表明，空港新城地区O3污染近年来表现为快速增长趋势，O3污染已成为该地区常态化污染问题，全年臭氧超标天数较多。空港新城O3质量浓度第90百分位数、全年平均值、夏季平均值均明显高于西安市（刘松等，2017），说明空港新城O3污染较西安市其他地区更为严重。

合适的地形、气象及污染源条件使得该区域更容易发生光化学反应，从而使臭氧浓度升高。本文主要对西咸新区空港新城盛夏期间臭氧与气象因素（如气温、相对湿度、风向风速和紫外辐射等）进行了实时观测，分析臭氧浓度与气象要素变化的响应关系，通过分析臭氧与主要气象因素间的相互关系，探析该地区对臭氧有影响的气象条件，为该地区夏季臭氧污染控制提供参考。

图1 空港新城大气环境观测点位示意图Fig. 1 The location of observation site in airport new city(ANC)

1 观测点与仪器介绍

1.1 观测点概况

空港新城地处渭河以北的黄土台塬。规划范围内地势呈阶梯形增高，由一、二级河流冲积阶地过渡到一、二级黄土台塬。塬面地势平坦，台塬边缘由于长期受泾河、渭河及其支流的切割，形成几条沟壑，海拔在430—560 m之间。为获取空港新城盛夏期间臭氧及其前体的浓度水平，在空港新城北杜中学（108°42′E，34°27′N）建立了环境监测点（图1），仪器位于建筑屋顶。场地距离西安咸阳国际机场西北侧约5 km。观测时间为2018年7月27日00:00—2018年8月26日23:00（共31 d）。空港新城范围内主要污染源包括机场污染源、移动污染源、非道路移动污染源和工业企业污染源等。

1.2 气象条件概况

空港新城属暖温带大陆性季风气候，具有雨热同季、四季分明的特点。观测期间该站点的温度为19—38.1 ℃，相对湿度为37%—94%，更高的湿度主要受到降水天气的影响。平均风速接近1.4 m·s-1，平均气压948.3 hpa。太阳总辐射在950 W·m-2以下，平均值为211.8 W·m-2，紫外线辐射在0—103 W·m-2之间，平均值为22.7 W·m-2。观测期间采样点温度、相对湿度、风速、气压、太阳紫外线辐射、降水量等气象因素如表1所示。

1.3 观测仪器与数据

臭氧浓度使用Thermo Scientific Model 49i臭氧分析仪进行监测。气象要素观测仪是锦州阳光科技有限公司生产的自动气象站（PC-3），可同时测量风向、风速、温度、相对湿度、紫外线辐射等。温、湿度监测使用PTS-3型温湿度计，风向和风速使用ec-9x型和 ec-9s型传感器监测，紫外线辐射使用TBQ-ZW-2型传感器监测。自动气象站周边地区相对开放，不受地形和建筑物的影响。安装高度15 m，仪器高度 1.5 m。试验过程中一共获取了有效监测数据4464个，包括O3小时浓度值和5个气象参数。

2 结果与讨论

2.1 臭氧浓度变化特征

空港新城盛夏期间（7—8月）臭氧浓度变化如图2所示。由图可知，监测期间空港新城臭氧质量浓度在 2—306 μg·m-3之间，平均为 103.8 μg·m-3，其最大值为 306 μg·m-3（8月 7日），超过中国环境空气质量标准中臭氧 8小时最大浓度限值（200 μg·m-3）的53%。臭氧质量浓度值较高时段主要集中在12:00—19:00，在不考虑降水天气影响下，该时段臭氧质量浓度为71—306 μg·m-3，平均为165 μg·m-3。在监测的31 d中有16 d出现了臭氧超标现象，其中最长超标时间为7 h（8月5日），超标时段主要集中在13:00—19:00。

空港新城 O3质量浓度日变化呈现单峰曲线，其在00:00—08:00较低且变化幅度不大， 09:00开始逐渐升高，并在17:00左右达到峰值，之后开始下降。主要是由于其前体物NOx在上午07:00达到最大值，加之空港新城日出时间一般在08:00左右，之后气温开始逐渐升高，太阳辐射也不断增强，O3形成的光化学反应也随之开始进行，O3在09:00开始升高，并在17:00左右达到峰值。随着光化学反应的深入进行，臭氧质量浓度达到最大值而前体物质量浓度逐渐减少，最终达成一种动态平衡关系。之后受太阳光照角度的影响，太阳辐射逐渐减弱、气温也随之降低，产生 O3的条件变差，同时受近地面沉积作用影响，造成近地面 O3消耗进而使得O3维持在一个较低水平。

2.2 气象条件分析

观测期间，监测点的温度、相对湿度、风速、紫外线辐射、降水等气象因素概况见表1。与臭氧有直接关系的气象因子小时值变化情况如图3所示。

由图3可知，空港新城盛夏（7—8月）环境气温在19—38.2 ℃之间，午后温度均在35 ℃以上，湿度在37%—94%之间，其中湿度≥80%以上时段占总观测时间的 14%（主要受下雨天气影响）。风速在7 m·s-1以下，而4 m·s-1以下风力占观测时段的94%，其中23%时段为静风。从风向来看，空港新城夏季以东北风为主，其频率为32%，其次为东风（22%），北风频率为14%，其余风向频率均不足8%，静风风向按上次风向计。空港新城夏季紫外线辐射强度为 0—103 W·m-2，10:00其强度开始上升，13:00达到最高值，10:00—16:00空港新城紫外线辐射强度在50—103 W·m-2之间。

2.3 气象因子对臭氧的影响

空港新城臭氧质量浓度的日变化趋势与气象条件的变化具有显著相关性，其中臭氧在17:00达到最大值，相应的温度也在17:00达到最高值，而湿度在17:00达到当日最低值，紫外线在午后强度最大，并在13:00达到峰值。这也说明，随着太阳辐射的增强、气温逐渐升高、湿度下降，大气光化学反应能力不断加强，并在17:00达到最强状态，而此时臭氧浓度也达到了日最大峰值。本研究结果与王闯等（2015）对沈阳的研究结果一致。空港新城夏季气温较高、湿度整体偏低，适宜的温、湿度条件有利于光化学反应，可以促进该区域臭氧生成，造成区域臭氧浓度偏高。

图2 臭氧小时浓度变化曲线图Fig. 2 The figure of the hourly concentration of ozone

图3 观测期间主要气象因素变化曲线Fig. 3 Variations of meteorological parameters during the period of observation

2.3.1 温度

由图4可知，空港新城臭氧质量浓度与温度呈正相关，其相关系数为r=0.7783，温度升高时有利于加速对流层光化学反应速率，促进臭氧前体物质间的转化速度，进而促进臭氧生成。

由图5可知，空港新城夏季臭氧浓度随着环境空气温度的升高而快速增大，当平均气温低于25 ℃时，O3质量浓度处于较低水平（＜43 μg·m-3）且无超标情况出现，当气温为 25—30 ℃时，臭氧平均浓度升高了近一倍但仍未达到超标水平，当平均气温大于32 ℃时，臭氧开始出现超标，在32—34、34—35、≥35 ℃时，其平均浓度分别为163.06、182.44、202.20 μg·m-3，超标率分别为 1.9%、14.0%和26.3%。可见温度越高，太阳辐射越强，光化学反应强度增大，导致生成的O3质量浓度越高。

图4 臭氧与温度相关性分析Fig. 4 Correlation analysis of ozone and temperature in airport new city

图5 不同温度下臭氧平均浓度超标准率Fig. 5 O3 ultra standard rate and average concentration at different temperature

2.3.2 紫外辐射

由图6可知，太阳紫外线辐射与臭氧质量浓度呈显著正相关，其相关系数为r=0.5828。研究期间，空港新城紫外线辐射在00:00—07:00时为0 W·m-2，08:00开始出现上升趋势并在14:00达到最高值（其平均辐射强度为74 W·m-2），之后开始下降，并在22:00—24:00下降为 0 W·m-2。紫外线辐射峰值较臭氧峰值早出现3个小时，即随着紫外线的升高，生成臭氧的反应不断加强，并在紫外线峰值之后的3 h左右达到最大浓度值。太阳辐射尤其是紫外线辐射对臭氧生成具有明显的促进作用，主要是因为臭氧能够较好地吸收紫外线辐射，增强了反应能力，同时太阳辐射可引起温度的升高，二者又共同作用于光化学反应，进而缩短臭氧生成时间，加快臭氧的生成速度。

图6 臭氧与紫外线辐射相关性分析Fig. 6 Correlation analysis of ozone and ultraviolet radiation in airport new city

由图7可知，紫外辐射小于10 W·m-2时，O3平均质量浓度较低(70±45.07) μg·m-3，且无超标情况出现。当紫外辐射大于60 W·m-2，O3平均质量浓度（≥160 μg·m-3）超标情况明显增强，并随着紫外线强度的升高而不断增大。

图7 不同紫外线强度下臭氧平均浓度超标准率Fig. 7 O3 ultra standard rate and average concentration under different ultraviolet radiation

2.3.3 相对湿度

由图8可知，臭氧质量浓度与湿度呈负相关，其相关系数为r=-0.7845。臭氧和湿度存在较好的负相关性。在相对湿度低于 45%时，空港新城 O3日最大 8 h平均浓度均值出现超标现象，其中RH≤45%时均值为 192.2 μg·m-3，最大平均浓度出现于相对湿度为 45%—50%时，高达 194.8 μg·m-3，超标率高达21.8%。当相对湿度大于60%时，O3平均浓度明显下降并未出现超标情况，随着相对湿度的进一步增加，O3质量浓度也呈现急剧下降趋势。

图8 臭氧与相对湿度相关性分析Fig. 8 Correlation analysis of ozone and relative humidity in airport new city

当环境空气湿度较高时，水汽中的自由基—H、—OH等将臭氧迅速分解为氧分子，从而降低了臭氧的浓度（图9）。Kavassalis et al.（2017）研究发现相对湿度低于40%时，缺乏激发态O，相对湿度高于60%时，激发态O的消耗速度大于其生成速度，故认为相对湿度在40%—60%时最有利于臭氧的生成，这与空港新城的情况基本一致。

图9 不同湿度下臭氧平均浓度超标准率Fig. 9 O3 ultra standard rate and average concentration under different relative humidity

2.3.4 风向风速

臭氧质量浓度与风速的相关性不显著（图10），其相关系数仅为r=0.1513；根据风速与臭氧质量浓度的关系分析结果，空港新城地区风速较大时臭氧质量浓度较高，反之亦然。其主要原因是臭氧本身具有一定的不稳定性，在低风速条件下，臭氧长时间停留可分解成氧原子和氧分子，从而浓度有所下降，风速较大时臭氧在未分解前就被监测到。

图10 臭氧与风速相关性分析Fig. 10 Correlation analysis of ozone and wind speed in airport new city

风向对污染物的扩散具有明显的影响作用，一般情况下，主导风向下风向污染物浓度一般较高。研究期间，空港新城风向以东北风为主，其风频为31.12%，其次为东风20.27%，北风频率为13.69%，其他风向频次在4.0%—8.5%之间。空港新城地势较为平坦，风向变化比较频繁，从而导致污染物不利于在一个方位集结，因此不同风向下的臭氧平均浓度变化不大（图11）。

图11 不同风向的臭氧浓度水平Fig. 11 Ozone concentration levels in different wind directions

3 结论

（1）西咸新区空港新城盛夏期臭氧质量浓度在2—306 μg·m-3之间，平均为 103.8 μg·m-3，臭氧质量浓度较高时段主要集中在12:00—19:00，O3质量浓度日变化呈单峰型分布，在00:00—08:00较低且变化幅度不大，09:00开始逐渐升高，并在17:00左右达到峰值，之后开始下降。

（2）气象要素对 O3有一定的影响作用。空港新城臭氧质量浓度与气温和紫外辐射呈显著正相关，其相关系数分别为0.7783、0.5828，与相对湿度呈显著负相关（r=-0.7845）。空港新城臭氧质量浓度与风速之间的关系不十分显著，其相关系数为0.1513，这主要与该区域风速较低且变化幅度不大有关。由于该区域风向变化比较频繁，风向对监测点臭氧影响不大。

（3）在西咸新区空港新城，有利的气象条件如高温度、强紫外辐射和低相对湿度等有助于该区域臭氧质量浓度的升高，当环境温度≥32 ℃、紫外辐射≥40 W·m-2、相对湿度≤60%时，有利于对流层空气中臭氧的生成，更容易造成O3超标。