慈溪臭氧浓度变动与气象因子关系初析

林宏伟，卢 莹，茅吉锋，徐立江

(1.慈溪市气象局，浙江 慈溪 315300； 2.宁波市生态环境局慈溪分局，浙江 慈溪 315300)

0 引言

臭氧在平流层吸收太阳释放的紫外辐射，不仅阻止了短波辐射到达地面，还改变了透入对流层太阳辐射的光谱分布[1]。王磊等[2]发现南京近地面O3质量浓度与气温、能见度、日照时数、总(净)辐射显著正相关，与相对湿度、总(低)云量负相关。张灿等[3]研究认为，影响重庆O3质量浓度的主要气象因素为最高气温、温差、太阳辐射、降水量、相对湿度、水气压和压差，并据此建立了O3质量浓度预报方程。

近地层气象要素和O3分布演变紧密相关，在慈溪开展O3浓度研究对长三角大气污染防治具有重要意义。

1 资料和方法

选用的O3资料为宁波市生态环境局慈溪分局大楼和慈溪市实验小学两个省控监测点的数据。数据选取时段为2017年1月1日—2019年12月31日。数据是标准的每日O3最大8 h的两站平均质量浓度(以下用C8h(O3)表述)数据，用于O3污染特征及与气象参数的分析。同时期气象观测的月平均最高气温、月平均相对湿度(采用直接观测得到的相对湿度表述空气中的湿度，下文同)、月降水量、月平均风速、月日照时数及指定时段内小时气象数据均使用慈溪国家基本气象站的资料，与O3浓度数据监测站点的位置最为接近，能够较好地反映慈溪城区O3浓度变化的气象特征。所用的以月为时间单位的数据为两站日最大O38h的平均值(基于小时O3浓度统计)，小时数据采用慈溪实验小学省控站点的小时监测资料。

2 气象数据特征

2.1 臭氧浓度和气温

分析慈溪2017-2019年臭氧污染具有一定的时间特征(见图1～3)，由图可见，选取的气象变化因子中，气温与臭氧浓度关系最为密切，特别是最高气温变化与O3浓度相关性最强。一般情况下，近地面层的臭氧浓度与气温成正相关，因此慈溪臭氧浓度呈现出较强的季节性变化特征，其中，年初和年底(冬季)气温低，臭氧浓度就低。

图1 2017年臭氧及气象因子年际变化Fig.1 Inter-annual variation of ozone and meteorological factors in 2017

图2 2018年臭氧及气象因子年际变化Fig.2 Inter-annual variation of ozone and meteorological factors in 2018

图3 2019年臭氧及气象因子年际变化Fig.3 Inter-annual variation of ozone and meteorological factors in 2019

2.2 臭氧浓度与日照

除气温外，慈溪的冬天是一年中气温最低时间，出现连阴雨天气较多，昼短夜长导致日照时数偏少，抑制了臭氧充分地光化学反应，因此冬季是慈溪臭氧浓度最低的季节[4]。随着季节转换，气温升高，昼夜变化，日照时间变长，前体物光化学反应生成O3的有利条件逐渐增加。由此可见，慈溪每年的季节转换，特别是春末夏初至夏末秋初是一年中臭氧污染最严重时期，也是臭氧防治的关键时间节点。

2.3 臭氧浓度与湿度

通过2017-2019年O3浓度与选定气象因子的变化(见图1～3)，每年5-9月平均气温是一个逐渐上升的过程，图中每年6-7月的O3浓度相比5月及8月浓度要偏低，可见影响O3浓度的另一个重要因子是空气中的湿度。慈溪臭氧浓度与各个季节的空气湿度均呈负相关，从图 1～3中可以看出，5月臭氧浓度达到峰值，此时慈溪气候湿度相对较低，而进入 6月中旬后，慈溪进入梅雨季，阴雨日数增加，湿度也大幅上升，此时慈溪的臭氧浓度反而开始下降，同时阴雨天也减弱了太阳辐射，日照时数减少，导致臭氧浓度下降。进入7月份湿度显著升高，臭氧平均浓度和超标日数较5、6月初均有较明显的降低。伴随着7月中下旬梅雨季结束，晴热高温天气显现，空气中湿度再次回落，8月的臭氧浓度又再次回升。

2.4 臭氧浓度与降水

影响臭氧浓度的重要因素还有降水天气现象。选取2019年8月7日-8月14日较为明显的臭氧浓度变化为例，根据该时段臭氧浓度变化(见图4)可以看出下雨天臭氧浓度明显低于晴天。

图4 2019年8月7日-14日气象要素图Fig.4 Meteorological factors from August, 7th-14th, 2019

一般情况下，降水天气现象可以降低臭氧浓度，特别是稳定性的大尺度系统降水，以2019年12月20日-12月21日降水为例(图5)：慈溪出现全市大范围的降水，降水出现时，臭氧浓度快速下降，下雨过程臭氧保持在较低水平，雨止后又呈上升趋势。

图5 2019年12月20日-21日臭氧浓度与气象要素图Fig.5 Ozone concentration and meteorological factors from December 20th to 21th, 2019

但是夏季出现小尺度系统短时强对流性质降水时，臭氧浓度反而有上升趋势。以2019年8月8日-8月9日强对流降水(图6)为例：当时慈溪出现短时局地性的强对流性质降水并伴有闪电产生，慈溪国家基本气象刚好监测到有降水，根据分析，应是闪电时出现的高能量电荷 (即光化学作用下)伴有一定量的O3产生，导致短时间内监测到的臭氧浓度有所升高。

图6 2019年12月20日-21日臭氧浓度与气象要素图Fig.6 Ozone concentration and meteorological factors from December 20th to 21st, 2019

3 结果与讨论

慈溪市C8h(O3)在全年变化中与各地变化有一致性也有特殊性，大体呈现夏季浓度较高，其次为春秋，冬季最低的季节变化规律，春夏交替及夏秋交替时为臭氧污染防治的主要时期。

C8h(O3)受气温、日照、湿度、降水等气象要素共同影响，其中受气温影响最为显著，气温、日照与C8h(O3)均具有显著的正相关关系，C8h(O3)与湿度具有负相关性，连阴雨对臭氧也有一定的抑制作用。

降水性质不同，对C8h(O3)深度变化也不同。夏季强对流多伴有地闪产生，会使C8h(O3)短时间升高，冬季稳定性降水则会抑制C8h(O3)。

根据C8h(O3)随气温、湿度变化的规律，春夏交替、夏秋交替之时可以在一定范围内气温处于较高时段适度增加空气中的水汽含量，增湿降温促进空气流动，从而达到一定程度上抑制臭氧浓度的效果。