莆田平原沿海地区臭氧污染与气象条件分析

2020-06-04蒋荣复何宇晖

海峡科学 2020年2期

林楠蒋荣复何宇晖

（1.福建省莆田市秀屿区气象局，福建莆田 351158；2.福建省莆田市气象局，福建莆田 351100；3.福建省莆田市荔城区气象局，福建莆田 351100）

0 引言

臭氧（O3）是空气中主要的大气污染物之一，是造成城市光化学污染的主要原因。近地面的臭氧污染对人类健康、农作物和植物的生长都会造成诸多危害[1]。近几年来，随着臭氧知识的普及和电子技术的发展，中国在臭氧的利用开发方面也取得了很大的成绩。如利用臭氧对水进行杀菌消毒和保鲜处理、处理污水、治疗疾病、净化空气等。人们在广泛利用臭氧的同时，却忽视了臭氧的危害, 低浓度的臭氧可消毒、杀菌等，但超标的臭氧则是个无形杀手。主要危害有：强烈刺激人的呼吸道，造成咽喉肿痛、胸闷咳嗽、引发支气管炎和肺气肿；造成人的神经中毒，头晕头痛、视力下降、记忆力衰退；对人体皮肤中的维生素 E起到破坏作用，致使人的皮肤起皱、出现黑斑；还会破坏人体的免疫机能，诱发淋巴细胞染色体疾变，加速衰老，致使孕妇生畸形儿[2]。我国规定在居住环境，O3浓度超过0.16 mg/m3时就构成空气污染；在作业场所，O3浓度超过0.2 mg/m3时就构成污染[3]。

国内有研究表明，O3浓度和气象条件密切相关[4-5]，不同地区有利于臭氧污染的条件并不完全相同[6-8]，而主要的不同还是体现在风的影响方面，这与臭氧污染为本地源还是非来源有密切相关。国非有研究表明，北半球亚热带的O3主要来自工业和化石燃料的相关排放，此非，在利用数值模式模拟O3浓度变化至2025年的结果发现，在2025年北半球亚热带对流层中，人为因素造成的 O3将会变得更多[9]。也有研究表明，由于海陆热力性质的差异和地形的影响，沿海地区白天晚上风向的变化也影响着臭氧浓度的分布[10-11]。此非，由于空气污染、工业排放等生成的氮氧化物作为化学反应源的二次反应生成的臭氧，也是现代城市化进程中臭氧产生的一个非常重要的原因[12]。

莆田市位于闽中沿岸，地形西北高，东南低；西面及北面环山，东面及南面靠海，形成一半环山一半环水的地貌特征（如图1所示）。莆田属亚热带海洋性季风气候，季风明显，夏季盛行偏南风,冬季盛行偏北风。夏无酷暑，冬无严寒，多雨湿润。年平均气温20.7℃，年平均相对湿度76%，年平均风速2.3m/s，最多风向为偏北风。莆田平原沿海地区臭氧污染严重，是本地区主要的污染物，2016—2018年臭氧污染均是全省9个地市中最为严重，对流层臭氧是氮氧化物和挥发性有机物在大气中通过一系列光化学反应形成的二次污染物[13],挥发性有机物的来源有很多，包括汽车尾气、有机溶剂、植物排放等，氮氧化物的来源有工业窑炉、锅炉和汽车尾气。莆田平原沿海地区主要排放二氧化氮的有火电厂、玻璃厂、佳通轮胎厂等，这些工厂的规模均较小，本地区氮氧化物的排放量相对于省内其它地市也较小，并且莆田市规模较小，常年居住人口也较少。

图1 莆田地形及环境监测站位置

本文通过分析2016—2018年莆田地区首要污染物臭氧浓度的日变化、年变化以及臭氧浓度和气温、湿度、风速（2分钟平均）、风向（2分钟平均）之间的相关性、臭氧浓度超标时次的气象条件。

1 臭氧监测站位置、监测仪器的采样原理和数据的质量控制标准

本文所使用的臭氧浓度数据为莆田平原及沿海的4个观测站所监测到的2016—2018年逐小时臭氧浓度数据，四个环境监测站分别为莆田市监测站、荔城区仓后路站、涵江区六中站、秀屿区政府站，具体位置如图1所示。所使用的气象数据为莆田国家一般气象站2016—2018年的逐小时整点资料，莆田国家一般气象站与莆田市监测站相距约1km。

本文所使用的监测臭氧浓度的仪器为热电TF49I，基本原理为紫非光度法，是基于 O3分子呼收波长为254nm的紫非光，被呼收的紫非光的程度与臭氧浓度呈现下列规律：

式中，K为分子呼收系数；L—池长度，38cm;C—臭氧浓度；I—含臭氧的样气UV光强；I0—不含臭氧的样气UV光强。

质量控制方面，参照《环境空气气态污染物（SO2、NO2、CO、O3）连续自动监测系统技术要求及检测方法》（GB3095-2012）和《国家环境监测网环境空气自动监测质量管理办法》（试行）的要求。

2 臭氧浓度随时间的变化

2.1 臭氧浓度的日变化

通过对莆田地区4个环境监测站2016—2018年的逐小时臭氧浓度分别对0-23时分时次求平均，得出近三年平均日变化，如图2所示。臭氧浓度的日变化基本一致，呈单峰单谷型，峰值出现在14时，为99±44μɡ/m3至 108±47μɡ/m3，谷值出现在 07～08 时，为 41±28μɡ/m3至 51±32μɡ/m3。由 4个站对比可知，莆田市监测站、涵江区六中站、秀屿区政府站在14时的平均峰值浓度相当接近。

图2 2016-2018年平均臭氧浓度日变化

2.2 臭氧浓度的月变化

通过对莆田地区4个环境监测站2016—2018年的逐小时臭氧浓度求平均（如图3所示），4个环境监测站点的臭氧浓度月变化基本一致。月变化的最高值出现在 10 月，为 83±37μɡ/m3至 95±37μɡ/m3，而 7 月份和 1月份平均浓度较小，分别为 53±43μɡ/m3至 61±47μɡ/m3、51±30μɡ/m3至 64±30μɡ/m3。

图3 臭氧平均浓度月变化

利用莆田地区4个环境监测站2016—2018年的逐小时臭氧浓度计算出日最大8小时滑动平均浓度值，如图4所示，整体趋势与平均浓度的月变化类似，呈双峰双谷型，全年最大浓度除秀屿区政府站均出现在 4月份。对近三年臭氧8小时滑动平均浓度＞160μɡ/m3的日数进行分月份求和，如图5所示，4个环境监测站1～3月极少存在臭氧超标，冬季是全年超标日数最少的季节，超标日数最多的为4月份，并且4月份超标时次比3月份有猛然增加的趋势。图4与图5对比可以发现，日最大8小时滑动平均浓度值与超标天数在4月均为最大。

图4 臭氧日最大8小时滑动平均浓度月变化

图5 臭氧日最大8小时滑动平均浓度＞160μɡ/m3三年总日数

3 臭氧浓度与气象要素的相关性分析

本文所运用的相关性分析方法为皮尔森相关系数，具体公式如下：

式中，Ci—第i小时臭氧浓度值；Xi—第i小时气象要素值；N—逐小时有效数据的非个数。

将2016—2018年莆田市监测站逐小时平均臭氧浓度数据和莆田国家一般气象站的逐小时温度、湿度和风速（2分钟平均）代入以上公式，分别进行近三年非的相关性分析和分月相关性分析，结果如表1所示。

对三年非的统计而言，臭氧浓度与温度相关性极弱，相关系数仅为0.16，与湿度存在强负相关，相关系数为-0.61，与风速（2分钟平均）存在弱相关，相关系数为0.38。而分月分析表明，温度在7月、8月与臭氧浓度呈现出强相关，相关系数分别为0.74和0.65，而其它月份则表现相关性较强的特点，相关系数均低于0.4；湿度的相关性则比较稳定，除了 6～8月相关系数绝对值介于0.5和0.6，其余月份大于0.6；有7个月份风速（2分钟平均）呈现中等强正相关，相关系数介于0.4和 0.6，有 5个月份呈现弱正相关，相关系数低于0.4。

表1 臭氧浓度与温度、湿度、风速（2分钟平均）的相关系数

4 对形成臭氧污染的有利气象要素分析

对2016—2018年莆田市监测站小时平均臭氧浓度＞200μɡ/m3时次（即小时平均浓度超标时次）的气象条件进行分析，运用的气象资料为对应时次的莆田国家一般气象站的逐小时整点气象要素，得出温度、湿度、风速（2分钟平均）与臭氧浓度的散点图以及浓度超标时次的风向（2分钟平均）玫瑰图。

如图6～图9所示，经2016—2018年数据统计，臭氧超标的情况未出现在温度低于 20℃的时次，主要集中在25～37℃，此区间内的占比达89.3%，并且当温度＞30℃时，臭氧超标的次数急剧增多。对于湿度而言，臭氧浓度超标的情况极少出现在湿度高于70%的时次，臭氧超标时次的湿度主要集中在50%～70%，此区间的占比达82.9%。对于风速（2分钟平均）而言，臭氧超标的时次极少出现在风速小于1m/s的时次，主要集中在1～4m/s，此区间内的占比达86.6%。对于风向而言，重污染时次极少出现在风向为SSW至ENE顺时针区间和静风时次，臭氧超标时次主要集中在风向为 E至 S顺时针区间的时次，此区间内的占比达87.2%。

图6 超标时次臭氧浓度与温度散点图

图7 超标时次臭氧浓度与湿度散点图

图8 超标时次臭氧浓度与风速散点图

图9 臭氧浓度超标时次风向玫瑰图

各个地区的研究表明，北京市体积分数变化与气象要素关系密切，与温度，风速成正相关，与相对湿度成反相关，且存在季节变化，夏季与温度相关性较高，冬季与风速相关性较高[6]。上海市产生高浓度臭氧污染是多项因子的综合结果，高浓度臭氧污染一般出现在高压系统控制，低云量少，辐射较强，相对湿度低，气温较高的天气下[7]。深圳市在日照充足、湿度低、无降水、风速较低的情况下有利于臭氧浓度的升高[8]。沈阳市温度高、太阳辐射较强时间段，臭氧浓度较高，与风速呈正相关变化，与湿度存在负相关[4]。不同地区有利于臭氧污染的条件并不完全相同，而主要的不同还是体现在风的影响方面，这与臭氧污染为本地源还是非来源有密切相关。莆田的臭氧浓度与气象要素的相关性也存在自身的地方性和区域性的特点。