昆明市臭氧污染特征及与气象因子关系初步研究

王占良，段燕楠，杨芳园，邹灵宇

(昆明市气象局，云南 昆明 650034)

0 引言

O3是挥发性有机物( VOCs) 和氮氧化物( NOx)等在大气中通过一系列光化学反应生成的二次污染物，对人体健康和生态环境均产生较大影响[1-2]。我国京津冀、长三角、珠三角区域已开展O3污染特征的研究[3-7]。此外，还有一些研究针对O3生成潜势，研究 VOCs主要物种对O3生成的贡献[8-9]。各项研究均表明，O3生成主要受气象条件和气态前体物的影响。随着气候变化和社会经济的不断发展，近年来，环境污染问题日益严重，空气中的臭氧污染逐渐凸显，臭氧污染已成为国内外关注的环境污染问题之一。2014—2018年，昆明O3浓度日平均值总体呈上升趋势，已成为首要污染物天数仅次于PM2.5的大气污染物。

2017年的环境公报显示[10]，O3已经成为我国部分城市的首要大气污染物，也是6种常规观测污染物中浓度不断上升的唯一污染物。中国城市O3浓度具有季节性和月度周期性变化特征，春季O3污染主要集中在华北地区、华中地区北部及华中地区南部，夏季由东部沿海向西部内陆扩大，秋季由西北向东南沿海转移，冬季主要集中在华南地区、华东地区及西南地区南部。臭氧的时间性也很明显，臭氧浓度在清晨是非常低的，8点之后，随着形成臭氧的废气越来越多，日照时间越来越长，臭氧浓度也逐渐升高，于14—16点达到峰值，之后缓慢降低。

目前针对影响臭氧污染形成因素的研究主要集中在四大方面：气象因素影响、大气环流输送影响、自然界释放前体物影响、人为排放前体物影响。很多研究表明，近地面臭氧浓度不仅与光化学反应前体物的浓度有关，还与天气状况和气象条件有关，强太阳辐射利于臭氧生成，气温高、相对湿度低、近地面风速小、城市逆温等均有利于局地臭氧的累积。

昆明市位于云贵高原中部，属于典型的内陆山地城市，三面环山、南濒滇池，地形地貌容易形成局地风，不利于大气污染物的扩散。主城区平均海拔为1890m，紫外线强度大、辐射强，导致污染物二次生成和光化学反应，易造成颗粒物和臭氧浓度升高。

昆明市属北纬低纬度亚热带-高原山地季风气候，常年平均风速为2.1m/s。昆明市在2015—2017年平均有效年降水日数在全国排名第33，平均风速排名第22。降雨量在年际和年内变化较大，年内明显地分干、湿两季，其中5—10月降水量占全年的85%左右，11月—次年4月仅占全年的15%左右。降雨量分布不均衡，有效降雨天数较少且多单点暴雨，年降水日数在全国74城市排第31名。干季容易加重颗粒物污染。冬春季节昼夜温差大，容易形成逆温和雾，导致污染物累积和浮尘产生。

1 资料来源

(1)昆明站地面观测数据为2014—2018年逐日常规观测数据。

(2)高空探测资料选用昆明站2014—2018年逐日秒级采样数据。秒级采样数据主要包括采样相对时间、温度、湿度、气压、高度。昆明国家基准气象站海拔1889.3m，经纬度为102°39′E、25°00′N。

(3)采用的昆明大气环境监测站空气质量指数逐日数据来自于中国空气质量在线监测分析平台公布的历史数据。O3的24h均值为O3的日最大8h滑动平均值(O3-8h)，春季为3—5月，夏季为6—8月，秋季为9—11月，冬季为12月至—次年2月。

(4)针对日益凸显的臭氧污染，我国实施的新《GB-2环境空气质量标准》中指出，空气质量指数中臭氧浓度高于100μg/m3为臭氧超标，臭氧的控制标准为臭氧8小时浓度日平均值，一级为100μg/m3，二级为160μg/m3。

2 昆明市空气质量指数与臭氧污染基本情况

昆明市2014—2018年空气污染全部为轻度污染，图1中实框为空气污染总日数，斜线框为臭氧超标并成为首要污染物的臭氧污染日数。从图1可以看出，昆明市近5年来空气质量总体变好，但2015年和2018年臭氧污染比较突出，这两年臭氧污染日数占空气污染总日数的75%和100%。

昆明2014—2018年各月轻度污染频数(AQI>100)和臭氧污染频数(O3>160)分布见图2，从图中可见，12月空气污染次数最多，其次是7月和3月，而臭氧污染最多在7月，其次是3月和8月。近5年昆明市夏季空气质量首要污染物全是由于臭氧超标导致的，秋季和冬季空气质量首要污染物不是臭氧，而春季空气质量首要污染物中，臭氧污染3月占40%、5月占100%。

3 昆明市臭氧污染特征分析

3.1 O3浓度年变化特征

昆明市2014—2018年O3日平均浓度变化不大，总体呈缓慢上升趋势。2018年最大，2014年最小，最大年比最小年多7.2μg/m3，多9.4%(见图3)。尤其是2018年的2—4月，浓度上升明显，比2015年同期偏多29%，是造成昆明地区轻度污染的首要污染物。

O3未达标天数(一级污染)2014年、2015年分别为73 d、66 d，2016年、2017年和2018年未达标天数分别为108 d、103 d和115 d(见图4和表1)。达到二级污染的天数为2015年6 d、2018年4 d、2017年1 d，2014年和2016年0 d。

3.2 O3浓度月变化特征

按月平均O3浓度分布来看(见图5)，近5年来昆明市O3浓度分布曲线呈单峰型，4月份最大(113.2μg/m3)，其次是3月和5月(分别为108.7和106.8μg/m3)，12月最小(58.0μg/m3)，6—8月相差不大(约76～79μg/m3)，9月比8月下降较快，9—12月缓慢下降，1—3月是一个快速递增过程，5—6月又是一个快速递减过程。从季节变化来看，昆明地区的O3浓度在春季最高，夏季次之，冬季和秋季相对较低。

平均各月O3未达标天数变化趋势与月O3浓度变化趋势一致(见图6)，一级污染主要出现在春季，3—5月占全年约67%，其中4月最多，为22 d，3月和5月分别为21 d和21.2 d；1月最少，仅0.2 d。一级O3污染较严重的季节为春季，其次是夏季和2月份。二级污染主要出现在夏季，6—8月共8次，约占73%，其中7月最多，共5次，占45%。

表1 昆明市2014—2018年各月O3浓度(μg/m3)分级天数 (d)

4 臭氧浓度变化与气象因子关系分析

近地面O3浓度不仅与光化学反应前体物的浓度有关，还与天气状况和气象条件有关。强太阳辐射、高温、相对湿度低、近地面风速小、城市逆温等均有利于局地O3的生成和累积。风速较大的气象条件一方面有利于大气污染物的扩散，另一方面同时抑制了光化学反应的发生。扩散与输送在风速的作用下同时都在发生着复杂多变的转化。

气象因子在臭氧形成、沉降、输送和稀释中扮演着重要角色。局地气象条件如风向、风速、温度和相对湿度等对臭氧及其前体物的时空变化具有重要影响。根据国内外研究成果，对昆明市臭氧浓度监测结果与气温、风向风速、相对湿度、辐射、气压等气象因素观测结果之间的关系进行分析。结果表明，昆明臭氧日最大8小时平均浓度与气温、风速、辐射呈现显著正相关性；而与气压、相对湿度呈现显著负相关。

4.1 臭氧浓度与温度的关系

对2014—2018年臭氧日最大8小时平均浓度与气温数据的分析结果表明，臭氧浓度与气温总体呈现显著正相关，相关系数大部分在0.19～0.63 (9～10月除外)，上半年相似系数总体上要大于下半年，相似系数最大值为2月0.63，其次是4月0.60。9—10月O3与地面气温相关性不好，9月相似系数中，2014年和2018年为显著正相关，而2015—2017年为弱负相关，10月O3与地面气温相似系数均<0.2，弱相关或不相关(图7和图8)。

结合臭氧日最大8小时平均浓度月际间变化情况(在每年 3—5月达到年度峰值， 而后呈现波动变化、总体下降的变化态势)，分析认为，昆明市全年气温差异性不大，进入夏季后气温有所上升，但昆明也正值雨季，相对较高的气温促成了其它关联气象因子(如湿度、降水等)对臭氧浓度的较强抑制作用，从而使得夏季开始臭氧浓度逐渐降低。

表2 历年9—10月O3与地面气温相似系数

4.2 臭氧浓度与地面风速的关系

从相似系数看(见图9和图10)，昆明臭氧浓度与地面风速之间的相关性较复杂，3月和7—9月为负相关，其他月份为正相关。不论是正相关还是负相关，相似系数的绝对值不超过0.4。臭氧主要是人类活动排放的NOx、NHMC、VOCs等污染物经光化学反应产生的二次污染物，风速较大的气象条件一方面有利于大气污染物的扩散，另一方面同时抑制了光化学反应的发生，扩散与输送在风速的作用下同时都在发生着复杂多变的转化。

地面风速对臭氧浓度的影响较为复杂，一般情况下，在逐日变化中，小风速的日平均值反映了全天较稳定的大气环境，有利于大气污染物和臭氧浓度的积累。而在日变化中，较大地面风速反映了垂直输送的加强，有利于将高浓度臭氧从高空带到地面，这是臭氧区域输送的显著表征，是地面臭氧浓度增值的外来源，臭氧会从高污染地区输送到相对清洁的地区，从而使该地区臭氧浓度显著升高。风速的月平均值在夏季最小(约1.8m/s)，冬春季节风速较大，风速变化范围也较宽，这有利于大气中污染物的输送和混合，也是昆明地区臭氧浓度平均值最高的季节。

4.3 臭氧浓度与太阳辐射的关系

臭氧浓度变化受太阳辐射的影响很大，晴天时太阳辐射越强，臭氧浓度越高，在一定程度上说明晴天时较强的太阳辐射有利于臭氧的光化学生成反应。同时，云南地处云贵高原，海拔高，热量差异大，紫外线强烈，太阳辐射对大气中的NOx在光照条件下发生的光化学反影响不可忽略。

统计分析昆明市2014—2018年太阳总辐射量和臭氧浓度的月分布见图11，从图中可看出，太阳总辐射和臭氧浓度分布曲线相似，呈单峰型，并有春季大秋冬季小的特征。昆明市太阳总辐射5月份出现全年最大值(670.7MJ/m2)，其次是4月份和3月份，6—8 月维持在500 MJ/m2左右，9—10月份缓慢下降，11月份又略有升高，12月为全年最低值(356.57 MJ/m2)，1—5月为递增过程，2—3月是一个快速增加过程，而6—7月又是一个快速递减过程。这一季节规律，也与昆明主城区臭氧浓度月份、季节的变化规律基本一致。

对昆明市2014—2018年臭氧日最大 8小时平均浓度与日太阳总辐射、日照时数进行相关性分析(见图12)，结果表明：臭氧浓度与太阳总辐射呈现显著正相关，相关系数在0.371～0.739，年平均相关系数为0.608，相关性非常好，最大值为12月份0.739，最小值为3月份0.371，除了3月和9月外，其余月份相关系数均在0.5以上。

臭氧日最大 8小时平均浓度与日照时数相关性也很好，相关系数在0.299～0.716，年平均相关系数为0.554，最大值为12月份0.716，最小值为3月份0.299，属显著正相关，这与臭氧和日太阳总辐射的相关性一致。

4.4 臭氧浓度与相对湿度的关系

对2014—2018年臭氧日最大8小时平均浓度与相对湿度的分析(见图13)结果表明，臭氧浓度与相对湿度总体呈现显著负相关，相关系数除了3月份为0.16外，其余月份都在 0.40～0.69。结合臭氧日最大8小时平均浓度月际间变化趋势，认为昆明地区春季臭氧浓度普遍较高的主导气象因子并非是相对湿度，昆明地区冬季相对湿度在全年中最小，而夏季则最大，在最大最小的高反差下，湿度对臭氧浓度的累积具有较大的影响，所以其相关性较高，这与其他一些研究者在其它区域的研究结论并不一致(相对湿度在一定程度上导致了春季臭氧浓度高于夏季和秋季的臭氧浓度)。

4.5 臭氧浓度与地面气压的关系

对2014—2018年臭氧日最大 8 小时平均浓度与地面气压的进行相关性相关性分析(见图14)，结果表明：臭氧浓度与地面气压的相关性不明显，6—10月为正相关，其他月份为负相关，且最大相似系数为1月份-0.437，6—10月分正相关相似系数均不大于0.2。

4.6 臭氧浓度与大气稳定度的关系

近地面层与自由对流层的垂直输送与混合层的发展有着一定的联系，混合层发展的越深厚则垂直混合越充分。污染物在大气中的迁移扩散，湍流起着重要的作用，而湍流的强弱又与大气稳定度有关，近地层大气温度的垂直分布决定了大气稳定度。因此，出现高臭氧浓度情况时，温度垂直梯度值也较大。

大气稳定度的判定方法主要分为2大类：第一类是基于常规气象资料，利用地面风速、云量、日照强度等资料对大气稳定度进行判定；第二类是基于高空气象资料，利用温度的垂直分布情况，对大气稳定度进行判定。本文利用高空探测秒级数据来计算50～150m的温度垂直分布，结果见图15。从图中可看出，除了9月外，其他各月臭氧浓度与50～150m温度垂直分布呈正相关，冬季和春季相关性好于夏季和秋季，年平均相关系数为0.225。

5 结论

臭氧是一种二次污染物，其污染状况和分布特征不仅与前体污染物、下垫面状况、光化学反应前体物的浓度有关，还与强太阳辐射、高空大气环流背景、天气状况、气象因子等密切相关，具有明显的季节变化特点。臭氧污染也越来越受重视。本文通过对昆明市2014—2018年空气质量和臭氧(O3)污染特征、臭氧污染与气象因子的关系等进行分析，初步总结出了一些规律。

(1)2014—2018年，昆明市空气质量总体逐渐变好，但O3浓度整体呈上升趋势，春季和夏季臭氧污染比较明显，2015年和2018年臭氧污染比较突出。

(2)O3浓度春季高，秋冬季低，O3浓度高值主要集中在3—5月，其中4月最大，12月最小，从2—4月上升较快，6月比5月下降明显，6—8月相差不大，9月份开始下降。

(3)O3浓度>160 μg/m3的臭氧污染主要出现在3—8月，其中7月最高。

(4)昆明臭氧浓度与太阳辐射、气温、大气低层温度垂直分布、风速等呈正相关，与气压、相对湿度呈负相关。