佛山市近地面O3 变化特征及与气象因素的关系

2020-07-09步巧利甘泉黄先香

广东气象 2020年3期

步巧利，甘泉，黄先香

（1.佛山市气象局，广东佛山 528000；2.惠州市气象局，广东惠州 516003）

目前城市空气污染问题越来越受到人们的关注，对此很多专家学者也开展了大量研究［1-10］。随着经济的快速发展和城市化进程的不断加速，以O3为代表的光化学烟雾污染逐渐成为城市和区域面临的主要大气环境问题［6-10］，而近地面O3质量浓度过高会对人类、动植物和生态环境造成极大危害甚至导致各种疾病。

为解决O3污染问题，近年来，很多学者从O3质量浓度的时空变化特征［5-6］、O3与气象要素的关系［7-10］方面开展了许多研究，而现阶段主要集中于某地短时间的O3分析或者O3重大污染事件成因的研究。针对佛山地区近地面O3急速增加的形成机制却鲜有研究，基于长时间尺度的研究更是比较缺乏。佛山近几年O3污染频发，而以往研究主要侧重于灰霾的气候特征［11-12］及能见度变化方面［13］。因此研究佛山近地面O3污染变化特征及其影响因素非常有必要，并可为大气污染防治提供决策依据。

1 数据来源

研究所用空气质量数据来自广东省环境监测站，所用站点囊括佛山市8个环境国控站，在数据处理中，将8个站点的小时质量浓度数据作算术平均，并将得到的小时数据作为基础数据，日数据是求取每天00：00—23：00（北京时，下同）的24 h小时数据的算术均值（O3质量浓度日均值取O3日最大8 h算术平均质量浓度），再根据日均值计算得出月均值、季节均值和年均值，季节划分按照12月—次年2月为冬季、3—5月为春季、6—8月为夏季、9—11月为秋季。监测数据的缺失率为5.8%。同期气温、风速、气压、日照时数、相对湿度和降雨量等气象数据由佛山市气象局提供。

2 结果与讨论

2.1 大气污染物变化特征

从6种大气污染物质量浓度年变化特征（表1）可以看出，近5年来，SO2、CO呈现逐年减少的趋势；颗粒物和NO2质量浓度总体呈波动式下降；O3总体呈现增加的趋势。统计超标天数（依据《环境空气质量指数（AQI）技术规定》（HJ633-2012）达到轻度污染及以上即算1个超标日）发现，2014、2015、2016、2017、2018年PM2.5超标天数分别为36、29、21、27、14 d，O3超标天数分别为34、23、37、58、48 d，说明近5年来，PM2.5超标天数在减少，而O3超标天数在增加。根据O38 h质量浓度等级划分标准（HJ633-2012），近5年来，O3轻度污染天数分别为31、20、26、45、42 d，中度污染天数分别为3、3、7、10、5 d，重度污染天数分别为0、0、2、3、1 d，2017和2018年轻度污染天数呈现剧增态势；2016年至2018年中度污染和重度污染天数也有所增加。综合以上分析可以得出，近5年来，佛山臭氧污染趋于严重态势。

表1 六种大气污染物质量浓度（±s）逐年变化

年份 ρ（SO2）／（μg·m-3）ρ（NO2）／（μg·m-3）ρ（PM10）／（μg·m-3）ρ（PM2.5）／（μg·m-3）ρ（CO）／（mg·m-3）ρ（O3 8 h）／（μg·m-3 2014 25.83±10.72 48.70±21.77 67.30±34.98 45.59±25.40 1.07±0.32 90.15±52.03 2015 16.88±7.04 39.61±17.76 53.87±29.49 38.76±22.12 0.92±0.27 81.42±46.85 2016 13.53±5.42 40.48±17.93 51.84±29.61 37.25±21.02 0.82±0.22 90.22±52.07 2017 12.87±5.64 44.42±20.19 64.43±33.58 39.67±24.46 0.83±0.19 101.55±55.22 2018 10.42±4.21 39.71±19.05 59.55±30.91 33.77±19.20 0.76±0.19 100.33±51.71）

从O38 h月均质量浓度和超标天数（图1）来看，2014—2015年O3质量浓度高值及超标天数大值区主要集中在6—10月，2016年集中在5—10月，2017年集中在4—10月，2018年集中在3—10月；2017和2018年这2年首个O3超标日分别发生在2017年1月3日和2018年1月18日，2016年首个O3超标日发生在3月2日，2015年则是在4月15日，2014年最早出现在5月3日。

图1 2014—2018年近地面O3 8 h质量浓度及超标天数的逐月变化

O3是二次污染物，其形成原因是氮氧化物（NOx）与挥发性有机物（VOCs）在高温和强光条件下，发生光化学反应。而氮氧化物主要来源于汽车尾气排放，和人类生活息息相关，因此，本研究主要探讨不同季节O3质量浓度周变化特征。

从不同季节O38 h质量浓度的周变化（表略）来看，冬、春季节和全年均表现为周五、周六质量浓度低于其它时段，夏季则表现为周末质量浓度高于工作日。整体来看，除夏季外，秋、冬、春季和全年大致表现为周末质量浓度低于工作日；这和广州的周变化特征表现较为一致［8］，广州中心城区也表现为O38 h非周末质量浓度值高于周末。

从近地面6种污染物质量浓度的日变化（图2）来看，O3质量浓度呈单峰变化，且在15：00前后出现峰值；其前体物CO、NO2质量浓度则在15：00前后出现谷值，这和其他城市的O3日变化特征表现一致［3-9］；颗粒物质量浓度表现为早晚高、中午低的日变化特征。

图2 近地面6种污染物质量浓度日变化

2.2 O3质量浓度变化气象成因

以往研究发现，气象条件对O3的形成、扩散和稀释相当重要［14-16］。因此统计不同季节近地面O3质量浓度与各气象要素的关系至关重要。对佛山市2014—2018年8个环保国控站的逐日O38 h质量浓度和3个国家气象基准站的气象要素日均值进行相关性分析，有效样本数为1 720个（表略）。全年来看，平均气温、最高气温、日照时数和O3质量浓度存在显著正相关，而相对湿度、平均风速、日雨量、气压和O3质量浓度存在显著负相关。从季节变化来看，冬春季节气压和O3质量浓度没有相关性，夏秋季节平均气温、最高气温与O3质量浓度的相关性更明显，日照时数则表现为秋冬春季相关性更明显。统计超标日和非超标日气象参数的情况，可得出超标日气象参数的阈值。由表2可以看出，超标日风速、相对湿度和气压均低于非超标日；而气温、日照时数则高于非超标日，且各气象参数呈现明显的年际变化，日照时数和臭氧超标天数表现大致一致，均呈波动式增长，日最高气温和日均气温呈波动式下降。

表2 O3 8 h超标和非超标条件下的气象参数（¯x±s）

为了进一步探讨近5年来气象要素对佛山臭氧的影响，本研究尝试从造成O3超标的各气象要素阈值进行分析。

图3为2014—2018年佛山不同气象要素范围下O38 h质量浓度及超标率。

图3 2014—2018年佛山不同气象要素范围下O3 8 h质量浓度及超标率

气温是反映太阳辐射强弱的重要指标［14］，而近地层O3主要是由人为排放的氮氧化物和挥发性有机物等在高温、强光照条件下经过一系列复杂的光化学反应二次转化生成的。从图3a可以看出，O38 h质量浓度和O3超标率随着日均气温的增加而快速升高，且增速也越来越显著；当日均气温不超过15℃时，不存在臭氧超标的情况。

风速对近地面臭氧浓度的影响比较复杂，不考虑外来源传输时，较大的风速可令O3质量浓度降低，但地面风速大会使得垂直方向的输送增加，有利于高空臭氧的向下输送［15］。从图3b可以看出，当日均风速低于2 m／s时，O38 h质量浓度和O3超标率随着风速的增加而增大；当风速超过2 m／s时，O38 h质量浓度和O3超标率随着风速的增加而减小，总体呈现先增加后减小的趋势。

水汽能够消耗近地面的O3［16］，从图3c中可以看出，当相对湿度低于70%时，O38 h质量浓度和O3超标率随着相对湿度的增加而增大；当相对湿度大于70%时，则随之减少。这是因为当日均相对湿度超过70%时，往往伴随着降水或是云量增加，不利于近地面O3质量浓度的增加。

从图3d中可以看出，O38 h质量浓度和O3超标率随着日照时数的增加而增大，与日均气温对O3的影响表现较为一致，这是因为近地面O3是在强日照条件下产生的二次污染物，当日照时数长时，有利于O3的生成。

气压对O3质量浓度的影响表现为，O38 h质量浓度和O3超标率随着气压的增大而减小（图3e），这是因为气压低有利于光化学反应。

结合表2和图3，当出现日均气温高于26℃、相对湿度40% ～70%、气压低于1 010 hPa、日均风速低于2 m／s、日照时数大于6.5 h的气象条件时，有利于大气中的O3前体物快速发生光化学反应生成O3，从而造成O3超标。