2015—2019 年贵港市臭氧污染特征及其与气象要素的关系

谢汶静，王盛繁，何林宴，黄巾旗，李婷，蒙金凤

（贵港市气象局，广西 贵港市 537100）

引言

近年来，随着城市化进程的加快以及经济和工业的快速发展，O3引起的污染问题日益突出［1］。近地面形成的O3污染不仅影响植物的生长，导致农作物的减产，而且还会对人体健康造成威胁和伤害［2-3］。O3的主要影响因素也可以归类为排放、化学过程、气象条件三类。然而同一排放源在不同的气象条件下也可能产生不同的污染状况［4-7］。程念亮等［8］、陆克定等［9］、王闯等［10］、易睿［11］等分别对北京、珠三角、沈阳和长三角等地O3污染与气象条件之间的关系进行了研究，认为O3浓度与温度、风速成正比，与湿度、气压及以能见度成反比。有学者认为O3污染变化的重要因子是综合气象条件，干燥、无雨、弱风以及充足的日照是形成O3污染的重要气象条件［12］。总而言之，O3污染的发生是多种因素共同作用的结果，而气象条件等又因地而异，且近年来，广西O3污染问题日益突出，但对本区域O3污染的演变趋势及其与气象要素的相关性研究较少［13-14］，因此，有必要开展贵港市O3污染特征及气象要素对其影响的研究，为贵港市O3污染防治提供依据。

1 资料来源与方法

使用2015 年1 月1 日—2019 年12 月31 日的贵港市空气自动监测站数据、贵港国家气象观测站的风、气温、相对湿度等地面资料。采用统计分析方法研究2015—2019 年贵港O3污染变化趋势，并对气温、相对湿度（RH）、日照时数（SSH）等气象要素与O3浓度关系进行相关性分析。参照《环境空气质量标准》［15］（GB3095—2012），按照二类功能区所对应的二级标准进行评价和分析，当O3日最大8h 平均浓度超过160μg·m-3时空气质量就不达标，其中浓度在160～215μg·m-3区间为轻度污染，在215～265μg·m-3为中度污染，而在265～800μg·m-3时为重度污染。

2 结果与讨论

2.1 2015-2019 年贵港市臭氧质量浓度基本特征

2.1.1 年变化特征

对贵港市2015—2019 年O3浓度进行统计可知，2015—2019 年贵港市8h 的O3浓度为6～272μg·m-3，平均值为94μg·m-3，8h 的O3浓度大于160μg·m-3共出现127d，占城市监测总天数（1826d）的7.0%，其中，轻度污染116d，占O3超标总天数的91.3%，中度污染10d，占7.9%，重度污染1d，占0.8%，无严重污染天气。

由表1 可知，贵港市近5aO3持续性污染呈加重的趋势。2015 年O3持续性污染最长时间为4d，之后呈波动增加，至2019 年，贵港市O3持续性污染最长时间增长为13d，持续性污染（连续O3超标≥2d）次数增至8 次。从表2 可知，贵港市由8h 的O3浓度造成的污染天数基本呈逐年增加的趋势，由2016 年16d 逐步增长到2019 年的43d。另一方面，由PM2.5造成的污染呈减弱的趋势，这可能说明贵港环境污染由细颗粒物污染正逐步转换为O3污染。

表1 2015—2019 年贵港市O3持续性污染情况

2.1.2 月及季节变化特征

贵港市2015—2019 年8h 的O3月均值情况和污染情况如图1a 所示，1—12 月均有出现日超标现象，O3超标天数分布不均，主要出现在8—11 月。同时，8—10 月8h 的O3浓度均处于较高水平，其中9月8h 的O3平均浓度最高，为124μg·m-3，其O3超标天数也最高，为28d，1 月、3 月8h 的O3平均浓度最低，为72μg·m-3，O3超标天数1 月、3 月、6 月和12月最少，为1d。将O3污染数据按春季（3—5 月）、夏季（6—8 月）、秋季（9—11 月）、冬季（12 月至次年2月）分类后，从8h 的O3浓度季节平均值（图1b）分布来看，O3季节变化明显，呈单峰型，其中秋季O3浓度最高，为111μg·m-3，其次是夏季，冬季最低，为78μg·m-3。O3超标天数的季节变化趋势与其浓度季节变化一致，秋季累计污染天数最多，为67d，占O3超标总天数的52.8%；夏季次之，为26d，冬季最少，为11d。从分布上看，春季O3污染主要出现在4 月，夏季为8 月，而秋季为9—10 月。

表2 臭氧及PM2.5引起的污染天数

图1 O3浓度月均值、季节O3浓度均值和污染天数

2.1.3 日变化特征

O3浓度日变化与近地面大气光化学反应过程密切相关，由图2 可以看出，贵港O3浓度日变化呈单峰型，O3浓度一般在日出前后达到谷值，之后随着太阳辐射增强，O3生成的速率加快，O3质量浓度不断增大，在15 时前后达到峰值，此后随着太阳辐射减弱，O3浓度逐渐下降。已有学者指出O3的日循环主要分为四个阶段［16-17］：O3及其前体物的前夜累积阶段、清晨NOx 大量排放的O3抑制阶段、O3 光化学生成阶段、O3消耗阶段。由于夜间太阳辐射弱，夜间生成O3的光化学反应较弱，而近地层NO 对O3的不断消耗导致夜间O3浓度逐渐降低，且一直保持在低浓度区，O3浓度谷值一般在清晨8：00 左右出现。8∶00—16∶00 左右为O3光化学生成阶段，10∶00后，由于太阳辐射逐渐增强、NO3的大量光解以及温度的逐渐升高，生成O3的光化学反应逐渐增强，O3浓度在15∶00 左右达到峰值，之后由于太阳辐射的减弱而逐渐降低。16∶00 左右到午夜是O3消耗减少阶段，主要是由于16∶00 以后太阳辐射减弱、垂直混合、水平辐散加强以及下班高峰期的NO 排放对O3消耗作用，使O3在夜间下降到全日浓度低值区。

图2 2015—2019 年贵港市O3浓度日变化曲线

2.2 臭氧污染与气象要素的关系

2.2.1 气温与日照时数对臭氧污染的影响

选取2015—2019 年贵港出现连续性O3污染时的O3小时监测结果和同时刻的气温，按季节分类后进行回归分析可知（图2），O3小时浓度与气温呈正相关，不同季节相关系数稍有差异，但相关系数都达0.7，并在0.01 水平上显著相关。这表明O3的产生与气象条件关系密切，而气温上升表明太阳辐射增强，这时NO2开始大量光解，使得O3浓度累积。

从气温与O3散点图（略）可知，随着气温的升高，O3浓度明显增加，在同一温度条件下，低湿条件和较小风速条件下更容易引起O3浓度超标现象的产生。

高日照时数意味着太阳辐射强烈，大气光化学反应愈活跃，从不同日照时数（SSH）下O3超标率图（略）可以看出，随着SSH 的增大，O3超标率明显上升。8h 的O3浓度均值与SSH 呈正相关，相关系数r为0.679，通过0.01 水平的显著性检验。当SSH＜2h时，无O3超标现象，且8h 的O3平均浓度最低，为65μg·m-3；当SSH≥2h，8h 的O3平均浓度为95μg·m-3，并且开始出现超标现象；当SSH≥8h 时，O3超标率明显增大，为22.0%。当SSH＞10h，8h 的O3平均浓度最高，为136μg·m-3。阴雨天气不利于O3的生成，而日照时间越长，越有利于O3浓度的累积。

2.2.2 相对湿度

从不同相对湿度（RH）下O3超标率（略）可以看出，随着RH 的上升，O3超标率表现为先上升后下降的趋势。其中，在RH 小于40%时，基本没有出现O3超标，而随着相对湿度的上升，O3超标率明显上升。RH 在40%～50%时，O3超标率最高，超标率达26.7%，RH 在50%～60%时，超标率为26.2%，略有下降，后随着RH 的升高，O3超标率和O3-8h 平均浓度均明显下降。当RH≥90%时，没有出现O3超标现象，且O3-8h 浓度均值最低，为43μg·m-3，这一结论与长三角、珠三角和京津冀等地区的研究有一致性［18-19］。将O3和RH 进行相关性分析可知，O3质量浓度与RH 存在负相关，相关系数r 为-0.655，在0.01水平上显著相关。

结合RH 与O3散点图（图3c）进一步分析可知，在相同RH 情况下，O3浓度高值主要集中在高温及较小风速的气象条件下。大气中的水汽能影响太阳紫外辐射的强度，因此水汽在光化学反应有着重要的作用。有学者也指出，影响O3污染的前体物NOx在RH 为60%左右时是光化学反应强度最大值的临界值，在60%之后随着RH 的升高而减小［15］；此外，高相对湿度是形成湿清除的重要指标之一，此时大气中水汽所含的自由基OH、H 等可以迅速将O3分解为氧分子，从而降低O3浓度，因此高的RH 不利于O3质量浓度的积累。

2.2.3 风向与风速

有学者研究表明，形成O3污染的重要原因是稳定边界层对大气扩散的不利影响及O3富集层的向下输送作用［20］。风向反映了污染过程中污染物输送的来向，风速的大小能反映出污染物输送效率或清除过程的效率，另一方面也反映了边界层稳定度的强度，风速增大对O3浓度变化的影响主要体现在两方面：一方面是使大气边界层高度增大，垂直动量输送增强，大气湍流作用加强，有利于上层O3向地面传输；另一方面增强了O3的水平扩散作用，稀释O3。这两种作用同时发生，当风速较低时，O3的向下输送作用强于O3水平扩散作用，因此随着风速的增大O3超标率增大。当风速达到一定值时，水平扩散作用占主导地位，随着风速的增加O3超标率下降。

对2015—2019 年风向频率的季节性变化进行分析可知（图4），贵港盛行风为N、NE 和E 风，其中春季和夏季主要为NE 风，秋季、冬季主要为N 风。当风速较小时，春季—秋季均有些O3浓度高值出现，这与风速较小，有利于污染物的聚集反应有联系。其中春季多在E—SW 风时较易出现较高O3浓度值；夏季多在W—NE、E—SE 风；秋季在NW—SW 风控制下都较易出现O3高值；而冬季O3超标日数较少，但在偏NE、偏S、偏SW 风时有较高值出现，在W—NW 风控制下，O3浓度值低。

图4 贵港市不同季节风向风速变化的O3浓度分布图

3 结论

通过统计分析2015—2019 年贵港市O3污染特征及其与气象要素的关系，得到以下结论：

（1）2015—2019 年贵港市O3污染主要是轻度污染，O3污染持续时间不断延长，O3超标天数呈逐年增长趋势，O3污染日益突出。

（2）2015—2019 年贵港市O3浓度变化呈显著的季节性变化，在夏末和秋季（8—11 月）O3超标现象最为常见，且秋季超标占总超标天数的一半以上，O3浓度最低出现在冬季。O3浓度日变化呈单峰型特征，在每天的15：00—16：00 达到峰值，谷值出现在8：00。

（3）高温低湿条件有利于贵港市O3污染的发生。O3浓度与日照时数、气温呈显著的正相关，相关系数分别为0.679 和0.7 以上；与相对湿度呈显著负相关，相关系数为-0.655。日照时数大于8h、相对湿度40%～70%，O3超标率较高。

（4）不同季节出现O3浓度高值时的风向不尽相同，秋季在NW—SW 风控制下，O3浓度容易出现高值，夏季为W—NE、E—SE 风。