永安市臭氧污染特征及其与气象条件的关系研究

2020-12-11涂新前

海峡科学 2020年10期

王玉庄亮涂新前

(1.永安市气象局,福建三明 366000； 2.三明市永安生态环境局，福建三明 366000)

0 引言

臭氧是大气中重要的微量组分，大部分集中在平流层中，平流层中臭氧能阻挡高能量的太阳紫外辐射，是地球生命的保护层。在城市地区近地面，臭氧主要是人类活动排放的氮氧化物(NOx)和挥发性有机物(VOCs)等前体物在光照下发生光化学反应的产物，是造成城市光化学污染的主要因子，它对人体健康、农作物和植物的生长均有严重危害[1]。我国于2012年2月颁布了《环境空气质量标准》(GB 3095-2012)，新增了O3监测指标和浓度限值[2]。

相关研究表明，城市臭氧生成量和生成速率不仅与氮氧化物、可挥发性有机物等前体物的浓度有关[3-5]，同时气象因子对近地面O3质量浓度有重要作用，但不同情况下，主导因子不尽相同。北京地区O3质量浓度与太阳辐射、温度和日照时间呈正相关，春季最有利于O3质量浓度增加的相对湿度区间在45%～50%，夏季和秋季最有利于O3生成的相对湿度区间在60%～65%，冬季相对湿度与O3质量浓度呈明显负相关；平均风速在2.0～2.5 m/s最有利于O3质量浓度增加[6]。当杭州市紫外辐射大于0.06MJ/m2、气温高于25 ℃、相对湿度低于60%时，O3质量浓度较易出现超标情况[7]。刘建等[8]发现，珠三角地区气温高于27 ℃或相对湿度低于55%时，O3超标率和平均浓度相对较高。

由于永安市2016年才开始监测臭氧质量浓度，本文研究利用近4年(2016—2019年)永安市臭氧浓度观测数据，分析臭氧污染特征并探讨永安发生臭氧污染时的气象条件，以期为永安市臭氧污染预报与防治提供科学参考。

1 资料

所选用的资料为永安市生态环境局监测的逐日臭氧最大8h平均质量浓度数据和永安国家基准气候站的地面气象观测资料，选取时段为2016年1月1日—2019年12月31日。臭氧污染等级的划分参照《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》(HJ633-2012)，O3-8h浓度与空气质量分指数(IAQI)的对应关系见表1。

2 永安市臭氧浓度变化特征

2.1 O3-8h浓度的年变化

由表2可见，2016—2019年永安市O3-8h浓度﹥120μg/m3(永安市环保部门关心的临界值)主要出现在3～11月，O3-8h浓度﹥160μg/m3主要出现在5～10月。研究期内，O3-8h浓度在2016—2018年逐年增加，从2019年开始逐渐减小，这很可能与地方政府相关部门开展的环境整治有关。

表1 O3-8h浓度及其对应的空气质量分指数和空气质量指数类别

表2 2016—2019年永安市各月O3-8h浓度﹥120μg /m3日数分布单位：天

2.2 O3-8h浓度的月变化

图1给出2016—2019年永安市各月O3-8h浓度平均值，其月变化呈现“M”型结构，这和李霄阳等[9]的研究结论一致，峰值出现在5月和9月，分别为82.0、90.5μg/m3，谷峰之间单调递增。

图1 2016—2019年永安市各月O3-8h浓度平均值

3 臭氧与辐射关系分析

辐射是触发光化学反应进而生成臭氧的重要条件之一。从2016年1月1日—2019年12月31日永安国家基准气候站日总辐射曝辐量与O3-8h浓度的拟合曲线(见图2)可以看到，两者具有明显的线性关系，O3-8h浓度随日总辐射曝辐量增大而增大。在O3-8h浓度>160μg/m3的样本中，日总辐射曝辐量最小值为2032W/m2，在O3-8h浓度>120μg/m3的样本中，日总辐射曝辐量最小值为1335W/m2；然而，在日总辐射曝辐量>1335W/m2的条件下，仍然有65%的O3-8h浓度<100μg/m3，表明较高的日总辐射曝辐量是臭氧污染形成的必要但非充分条件。

图2 2016年1月1日-2019年12月31日永安市

4 臭氧与气象条件关系分析

由于3～11月是O3-8h浓度>120μg/m3的集中期，本文对O3-8h浓度与气象要素关系的分析仅采用3～11月的数据。

4.1 O3-8h浓度与气温关系分析

由图3可见，5～6月，O3-8h浓度出现一个明显的回落，可能与这一期间频繁的阴雨天气导致日照不充足影响O3生成速率有关，但这期间气温依然维持在全年较高水平，气温日较差dT更能反映O3-8h浓度的回落，这和杜云松等[10]的研究结论一致。

图3 2016—2019年永安市标准化后的气温

由表3可见，在3～11月，日最低气温Tmin和O3-8h浓度相关程度不明显，日平均气温Tmean、日最高气温Tmax、气温日较差dT与O3-8h浓度都呈现出显著的正相关关系(相关系数均通过α=0.001的显著性检验)，以日最高气温Tmax和气温日较差dT的相关系数为最高，其中气温日较差dT与O3-8h浓度的相关系数最大，达到0.71，明显高于其他气温指标。本文重点讨论日最高气温Tmax和气温日较差dT与O3-8h浓度的相互关系。

表3 2016—2019年3～11月O3-8h浓度与

从2016—2019年3～11月永安国家基准气候站日最高气温Tmax与O3-8h浓度的散点图和拟合曲线(图4)可以看到，两者具有明显的正相关关系，Tmax越高，O3-8h浓度越大。当O3-8h浓度>160μg/m3时，Tmax的最小值为28.5℃；当O3-8h浓度>120μg/m3时，Tmax的最小值为19.5℃,表明温度越高越有利于O3的生成。当日最高气温Tmax高于28℃时，就应警惕臭氧污染的发生。

从气温日较差dT与O3-8h浓度的散点图和拟合曲线(图5)来看，二者具有明显的线性关系。当O3-8h浓度>160μg/m3时，dT的最小值为13.2℃；当O3-8h浓度>120μg/m3时，dT的最小值为9.7℃，表明气温日较差越大，越有利于O3的生成。当气温日较差dT大于11℃时，就应警惕臭氧污染的发生。

图4 2016—2019年3～11月永安市O3-8h

图5 2016—2019年3～11月永安市O3-8h

4.2 O3-8h浓度与相对湿度关系分析

考虑到臭氧污染主要出现在白天，而相对湿度的低值也主要出现在白天，因此，分析日最小相对湿度Umin与O3-8h浓度的关系。从2016—2019年3～11月永安国家基准气候站日最小相对湿度Umin与O3-8h浓度的散点图和拟合曲线(见图6)可以看到，两者具有明显的指数关系，O3-8h浓度随日最小相对湿度Umin的减小而增大。3～11月，在O3-8h浓度>160μg/m3的样本中，Umin最大值为44%；在O3-8h浓度>120μg/m3的样本中，Umin最大值为51%；在日最小相对湿度<50%的条件下，有46%的O3-8h浓度>100μg/m3。当Umin<45%时，需警惕臭氧污染的发生。

图6 2016—2019年3～11月永安市O3-8h

4.3 O3-8h浓度与地面风速、日降水量、总云量、日照时数关系分析

从表4可以看出，永安市O3-8h浓度与地面风速、能见度没有明显的相关关系，与日降水量和总云量有显著的负相关关系，与日照时数有显著的正相关关系，其相关系数均通过α=0.001的显著性检验。

表4 2016—2019年3～11月O3-8h浓度与定时

在2016—2019年3～11月，当日降水量达到中雨(10mm以上)级别的日数中，仅有1天臭氧浓度达到120μg/m3以上，但未形成臭氧污染；在小雨(0.1～10mm)的日数中，有1天臭氧浓度达到160μg/m3以上，有7天臭氧浓度达到120μg/m3以上；在无雨的时段，有4天臭氧浓度达到160μg/m3以上，有84天臭氧浓度达到120μg/m3以上。

分析O3-8h浓度与日照时数的关系发现，当O3-8h浓度>160μg/m3时，日照时数的平均值为9.2h，最少日照时数达7.6h，云量平均为3.5成，80%的日数云量在5成以下；当O3-8h浓度>120μg/m3时，日照时数的平均值为9.2h，最少日照时数达4.0h，云量平均为3.6成，69%的日数云量在5成以下；而O3-8h浓度<100μg/m3的日数中，日照时数的平均值为4.0h，云量平均为8.1成，60%的日数日照时数小于5h,87%的日数云量在5成以上。由此，较少的云量、较长的日照更有利于臭氧的生成。当日照时间>7h时，需要警惕臭氧污染的发生。

综上分析，和O3-8h浓度呈显著相关的气象要素为日最高气温、气温日较差、日最小相对湿度、日降水量、总云量和日照时数，而能见度、风速和O3-8h浓度的关系不明显。气温高、气温日较差大、湿度低、日照长有利于臭氧生成。夏季高温热浪期间，海上更少的水汽输送使得相对湿度减少，导致云量减少，造成达到地面的短波辐射通量增加，辐射是触发光化学反应进而生成臭氧的重要条件之一，从而促进臭氧生成。

5 臭氧污染日的主要气象特征及2020年高浓度臭氧日气象条件检验

5.1 臭氧污染日的主要气象特征

高浓度臭氧污染事件的产生与一定的气象条件有关，2016年1月1日～2019年12月31日O3-8h浓度>160μg/m3的日期及其相应的气象条件详见表5。

表5 高浓度臭氧出现日期及其相应的气象条件

5.2 2020年高浓度臭氧日气象条件检验

2020年3月1日～2020年8月31日，满足表6高浓度臭氧潜势气象条件判定标准的共有39天，其中O3-8h浓度>120μg/m3有9天，全都含在这39天内；O3-8h浓度>100μg/m3有28天，有18天含在这39天内。由此可见，表6所列高浓度臭氧潜势气象条件判定标准是高浓度臭氧日出现的充分非必要条件，对臭氧污染的预报具有一定的指导意义。