武汉城市圈臭氧污染特征及气象因子影响分析

岳岩裕， 吴翠红， 许 可， 管振宇， 周 悦

(1.金沙国家大气本底站,武汉 430074; 2.武汉区域气候中心,武汉 430074; 3.武汉中心气象台，武汉 430074; 4.湖北省环境监测中心站，武汉 430072)

引 言

臭氧是在一定光照条件下前体物经过一系列复杂的光化学反应生成的[1]。随着社会经济的发展，气溶胶排放量增大，臭氧的前体物排放量也出现了显著增加。复合型污染物中气溶胶和臭氧存在相互影响，气溶胶通过影响辐射进而影响O3的生成，O3作为一种强氧化剂也会影响气溶胶的生成[2]。近地层臭氧是典型的二次污染物，高浓度的O3会对人体健康、植物生长产生不利影响[3]。

我国O3污染主要集中在华北地区、华中地区北部、长江三角洲和珠江三角洲地区，其浓度高值主要出现在5-10月，农村地区的污染与城市相当[4-5]，但中心城区O3浓度水平会出现较低的现象，这与NO2对O3的消耗有关[6]。我国主要的大城市均处于VOC控制区，削减VOC能显著控制O3的浓度[2]。2013-2015年湖北省O3浓度整体呈上升趋势，且属于VOC控制区[7]。目前针对O3的研究多基于站点观测和模拟数据开展时空分布规律分析[4,8]、前体物来源识别[9-10]、多指标模式预报[11-12]及气象条件对O3浓度变化影响等。王宏等[13]提出了本地源排放、外来输送及气象条件三种因素共同影响近地层臭氧浓度。由于排放源及气象条件与O3浓度的关系复杂，明确臭氧来源确有困难。因此，近几年许多专家开展了天气形势和气象要素如气温、日照、辐射、气压、风和相对湿度等因子对O3浓度的影响研究，并发现典型O3污染主要发生在强辐射、长日照、低湿度、高气温、低风速和低云量的条件下[13-18]，O3超标日的天气型主要有变性高压、地面倒槽和锋前暖区等[13,19-20]。同时，O3污染也已经不再局限于前体物排放源地附近，已成为一种区域性的污染现象。其中气象要素是关键，区域输送则主要发生在上游O3污染较严重时段，配合适当的风向，下风向地区容易出现高O3浓度[21-22]。

武汉城市圈位于我国中部城市群的中心，以武汉为核心，包括黄石、黄冈、咸宁、鄂州、孝感、仙桃、天门、潜江等周边8个大中型城市。武汉市作为国家中心城市，其在“一带一路”“长江经济带”“长江大保护”等国家重大发展战略中发挥着重要作用。湖北省臭氧浓度呈东高西低分布特征，东部城市圈为浓度高值区，臭氧已经成为第二大首要污染物[7]。目前，武汉城市圈臭氧的研究侧重于化学特征及单一城市污染过程的特征分析，针对城市圈多个城市3年完整时间序列下气象条件对臭氧浓度演变的影响研究相对较少。因此，本文基于武汉城市圈气象站和环境监测国控站的观测数据，开展O3浓度时空分布规律及气象条件影响的特征研究。

1 数据与方法

本文使用的资料包括：(1) 湖北省环境监测中心站提供的武汉城市圈2015年1月1日至2017年12月31日9个城市25个国控站点和4个省控站点(天门、潜江和仙桃无国控站)6种污染物(SO2、NO2、CO、O3、PM2.5和PM10)浓度逐小时数据及日值数据，以及O3浓度日最大8 h滑动平均值。武汉城市圈又称武汉“1+8”城市圈(图1)，是以武汉为中心，周边覆盖黄石、黄冈、咸宁、鄂州、孝感、仙桃、天门和潜江8个大中型城市。(2) 湖北省气象信息与技术保障中心提供的同期武汉站逐小时气象要素观测资料，包括相对湿度(RH)、能见度(Vis)、2 min风向风速、海平面气压(P0)、气温(T)、总辐射、净辐射、日照等。(3) 同期相关天气现象资料。

图1 武汉城市圈地理位置及环境监测站分布

根据环境保护部《环境空气质量指数(AQI)技术规定》(HJ633-2012)O3最大8 h滑动平均值大于100 μg/m3为超一级水平，适用于一类环境功能区为自然保护区、风景名胜区和其他需要特殊保护的区域；O3最大8 h滑动平均值大于160 μg/m3为超二级水平(超标日)，适用于居住区、商业交通居民混合区、文化区、工业区和农村等地区。本文的O3浓度日均值指日内最大8 h平均值，月均值指一个月内各日最大8 h平均浓度的算术平均值，年均值指年内各日最大8 h平均浓度的算术平均值。利用O3浓度日均值对O3平均值进行计算。以超二级水平为指标来计算每月O3超标的日数，同时对超标日浓度进行分析。

2 结果与分析

2.1 武汉城市圈O3浓度时空分布

图2(a)是2015-2017年城市圈不同城市O3浓度年均值分布。可以看出，湖北省东南部的黄冈、咸宁和鄂州的O3浓度值最高，其中黄冈的均值超过100 μg·m-3；其次是武汉和孝感的，江汉平原3个城市(仙桃、天门、潜江)的最低，其浓度和变化幅度明显有别于东部地区的。除了江汉平原3个城市外，其他6个城市近3年O3浓度差值波动范围为3～13 μg·m-3。武汉市O3浓度逐年下降，黄石和孝感的呈逐年上升，而黄冈、咸宁的变化不大。不同城市超标日数逐年分布显示(图2b)，2015年武汉、咸宁、鄂州、黄冈超标日数较多；2016年黄冈、鄂州超标日数较多；2017年各地超标日数均有所下降，环境保护治理卓有成效，黄冈、孝感和咸宁超标日数较多。3年的平均值来看，黄冈和鄂州的平均超标日数最大，分别为48天和44天。从超标日的逐年变化来看，武汉、黄冈、咸宁和鄂州O3超标日数在2017年下降明显。对武汉而言，2015年O3年均浓度虽然不高，但是其超标日数最多；黄石O3年均浓度略低于武汉的，但超标日数为东部6个城市中最少的城市。2016年和2017年仙桃、天门和潜江基本没有超标日。就整个城市圈平均值而言，2015年O3浓度值和超标日数均为最高，平均值分别为89.9 μg·m-3和37天；2016年分别为85.9 μg·m-3和32天；2017年最低，分别为78 μg·m-3和20天。整体存在逐年下降趋势。O3浓度平均值和超标日数的高值空间分布基本一致，鄂东南为高值区，黄冈这3年O3超标日数均为较多的地区。

图2 2015-2017年武汉城市圈不同城市O3浓度均值(a)和超标日数(b)分布

图3给出了城市圈9个城市的月均值。整体来看呈现出中间高、两边低的特征，O3浓度的高值时段为4-9月，具体来看各个城市的峰值月份有所不同(图略)，峰值较多的月份是5、8和9月。华北地区高浓度O3污染期一般为6-9月，月平均峰值一般出现在6月和9月，7-8月的略低[23-24]，武汉城市圈的O3浓度月际分布有类似的特点。夏季由于高温和长时间日照等因素影响，光化学反应速率较高[11,25]，同时夏季边界层高度较高，大气湍流强，O3的垂直输送过程明显[26]，导致O3浓度处于峰值。6-7月武汉城市圈处于梅雨期，频繁的降水过程会影响日照和气温，进而导致夏季6-7月O3浓度略偏低；而冬季O3浓度的低值与低辐射和低气温有关。研究同时发现，颗粒物会导致气溶胶光学厚度增大，削弱太阳辐射，进而影响O3生成[27]。

图3 2015-2017年武汉城市圈O3浓度月变化

臭氧的日变化呈单峰型，夜间由于日照时数基本为0，O3的光化学反应很弱，浓度处于低值；日出之后随着太阳辐射的加强，大气中氧分子的分解增强，同时气温升高，O3的二次光化学反应速率加快，浓度开始上升，基本在15:00-16:00达到浓度最大值，相比太阳辐射最强时段有所滞后，这主要与光化学反应生成二次污染物O3的反应时间有关[11,21,28]，辐射最强时段也是O3浓度迅速累积的阶段。之后随着太阳辐射的减弱，O3浓度又开始下降(图4)。其日变化特征与成都等地区的一致[29]。

图4 2015-2017年武汉城市圈O3浓度日变化

2.2 气象要素对O3浓度的影响

天气背景及气象要素作为影响O3浓度的重要因子，相关学者对不同地区的影响特征开展了研究。对北京等城市的研究发现，O3浓度与气压、湿度呈负相关，与风速、日照、温度、太阳辐射呈正相关[11,13,30]。对于广州城区而言，气温高于27 ℃、相对湿度低于55%及受偏西风控制是影响O3浓度变化的关键因子[26]。有关武汉城市圈气象要素对O3浓度的影响的研究则相对较少，本节针对这一问题进行了初步的分析。

2.2.1 气象要素与O3浓度的相关关系

表1给出了2015-2017年逐日O3浓度与气温、日照、气压、相对湿度、风速、能见度之间的相关关系。可以看出，湖北省东部5个主要城市O3浓度与气温、日照的相关性最好，为正相关关系且相关系数基本大于0.5，这与文献的研究结果相近[29,31-32]，气温越高、日照越强，越有利于O3的生成。O3浓度与相对湿度呈负相关，相关系数为-0.30～-0.54，相对湿度高反而不利于O3的生成。研究表明，高湿环境有利于颗粒物的湿增长，PM2.5浓度增加，抑制O3的生成[13]。其与气压也基本呈负相关关系，相对较低的气压通常出现在夏季，也是O3浓度的高值阶段。刘姣姣等[20]指出，O3浓度升高与大气压下降幅度密切相关，大气压下降超过0.4 kPa时，臭氧质量浓度较高；与风速的相关性最差；与能见度呈正相关，相关性低于0.5[11]。

表1 2015-2017年逐日O3浓度与气象要素的相关性

2.2.2 O3超标日及浓度峰值时段的气象要素特征

2015年武汉市一级超标日为150天，均值浓度为127.8 μg·m-3；二级超标日为59天，均值浓度为186.3 μg·m-3。2016年武汉市一级超标日为147天，均值浓度为128.6 μg·m-3；二级超标日为34天，均值浓度为181.2 μg·m-3。2017年武汉市一级超标日为121天，均值浓度为126.4 μg·m-3；二级超标日为26天，均值浓度为174.5 μg·m-3。虽然二级超标日浓度相差不多，但是2015年二级超标日数明显偏多，基本为2017年的2倍。从首要污染物来看，2015、2016和2017年O3作为首要污染物的占比分别为25.4%、30.7%、26.6%；PM2.5作为首要污染物的占比为55.4%、47.6%、39.8%；PM10作为首要污染物的占比为15.0%、13.7%、15.8%。可以看出，O3作为首要污染物，其占比为25%～30%，仅次于PM2.5的占比，为武汉市第二主导的污染物。表2给出了2015-2017年武汉市不同臭氧级别下气象要素的平均值。由于O3浓度峰值一般出现在14:00-15:00，因此探讨臭氧日最大浓度与气象要素的关系(图5)，应关注当日14:00-15:00的气象要素值。将气温、相对湿度、辐射、日照、风速和风向分为不同的区间，分析O3的浓度变化。

O3超标日的气压全年平均和5-9月的不同。就全年而言，O3超标日主要出现在5-9月，夏季气压整体偏低，而O3达标日各月均有，尤其是1-4月和10-12月气压比较高，因此全年O3超标日平均气压偏低。但是5-9月，在大陆高压或副高控制下，气压偏高，晴热高温的天气也较多，有利于O3生成，因此超标日气压偏高。整体而言超标日气压为1005～1007 hPa。O3超标日的平均气温基本在26 ℃以上，高温对O3生成有利。模式研究也发现，高温热浪期间O3浓度出现显著增加，高温直接加强光化学反应的进行[33-34]。当气温超过26 ℃时，光化学反应明显(表2)。随着气温的升高(图5a)，O3浓度也逐渐上升，日均值在27 ℃以上时O3浓度达到最大，14:00和15:00气温在29～33 ℃时，O3浓度最高。

相对湿度较高的情况下，空气中水汽所含的自由基H、OH 等迅速将O3分解为氧分子，降低O3浓度[30]；水汽也会通过消光机制影响太阳辐射致使紫外辐射衰减，进而降低O3浓度[11]。通过表2可以看出，超标日的相对湿度要低于达标日或全年的均值，基本在76%以下，O3的生成不需要高湿的环境。由气象要素与O3浓度关系图(图5b)可以看出，随着湿度增加，O3浓度逐渐下降，且当相对湿度高于80%时，O3浓度下降速率明显增加；而对于14:00或15:00的相对湿度而言，O3浓度的高值区相对湿度主要处于30%～60%，超过60%时浓度下降明显。安俊琳等[21]研究发现，相对湿度60%左右存在光化学反应强度临界值，大于60%时O3浓度随相对湿度的增加而减小。

O3的生成是本地光化学污染及区域输送的共同作用结果[30]。光化学过程受到地面总辐射量的直接影响[35]，辐射强度越大，光化学反应越明显，臭氧质量浓度越容易升高[20]。O3与总辐射、净辐射的相关系数分别为0.429、0.448，通过了相关性检验，相关性较好。从表2来看，无论是总辐射还是净辐射，O3超标日的均为最高，超过1.3 MJ·m-2，尤其是净辐射，是达标日的2倍左右。太阳辐射对O3生成的影响直接，且作用明显。图5(c)显示，随着总辐射的增加，O3浓度也呈现出增加的趋势，日平均总辐射为1.5～2.0 MJ·m-2时，O3浓度最高；14:00总辐射超过2.3 MJ·m-2，O3超标，而15:00仅需超过1.9 MJ·m-2，O3即超标。研究也表明，日照时间长，有利于促进光化学反应生成O3[11]。超标日的日照时数一般可以超过8 h，明显大于全年均值或者5-9月均值，基本为达标日的3～6倍。通过图5(d)可以看出，随着日照总时数的增加，O3浓度缓慢增加，在总时数10～12 h时，达到浓度峰值；对于14:00或15:00而言，单个时次日照时数超过0.2 h后，O3浓度即呈现波动变化。

表2 2015-2017年武汉市不同O3浓度级别下气象要素日均值

风的作用主要表现在垂直输送、水平输送和局地累积等方面。北京高浓度O3多出现在平均风速低于2.0 m/s的时候，风速增大，输送作用增强，也会导致O3浓度上升。高风速时会抬高边界层，进而增加垂直方向动量输送，将高层高浓度的O3向下输送带到地面[30,36]。Zhou 等[37]指出，臭氧的高浓度值主要集中在3～5 m/s的一个风速范围。虽然通过大量样本的分析，O3浓度与风速之间的相关性并不显著(表1)，但武汉O3超标日风速均低于全年风速平均值。通过图5(e)可以看出，平均风速与O3的相关特征不显著，而随着14:00和15:00风速的增加，O3表现为缓慢下降的变化特征，尤其是风速超过4.5 m/s以后下降趋势更为明显。风向对O3也有着重要影响。武汉地区为偏南至偏西风时O3浓度较高(图5f)，最高浓度出现在风向为260°左右，与福州受偏南和偏东风影响时臭氧浓度较高[13]类似，但与PM2.5高浓度的风向区间主要为偏北风不同[38]。

图5 2015-2017年武汉市不同气温(a)、相对湿度(b)、总辐射(c)、日照(d)、风速(e)和风向(f)区间O3浓度分布

2.3 污染气体对O3浓度的影响

O3主要由NOx、CO和VOCs等前体物在合适的气象条件下反应生成[29]。由于缺少VOCs的观测资料，因此仅分析颗粒物和NO2、CO等前体物与O3浓度的关系。武汉市2015-2017年O3浓度与NO2的相关系数分别为-0.44、-0.47和-0.12，与CO的相关系数为-0.38、-0.44和-0.15，均通过了0.05的显著性检验。武汉市O3浓度与NO2和CO基本呈负相关，即随着NO2和CO浓度的增加，O3浓度会降低，这与城市地区一般为VOCs的控制区有关，VOCs控制区表现为NOx的增加导致O3浓度的降低，VOCs的增大会使O3浓度升高[2]。

图6给出了2015-2017年武汉市不同O3浓度级别下其他污染物浓度平均值的分布特征。O3超标日NO2、PM2.5和PM10浓度值较高，高浓度的O3作为氧化剂，促进其他化学反应，进行二次转化，生成颗粒物，尤其5-9月冷空气活动不活跃时期，以PM2.5、PM10为主的颗粒物浓度处于低值阶段，高浓度O3污染会通过氧化作用促进颗粒物生成；而对于全年而言，冬季颗粒物较多，会抑制地面太阳辐射，进而影响O3生成。颗粒物与O3浓度在冬季呈负相关，在夏季则表现为正相关[16]。从2015-2017年O3超标日和达标日O3、NO2和PM2.5年均值的分布来看(图7)，超标日O3浓度表现为逐年下降的特征，而达标日O3浓度却在增加；同时，5-9月达标日O3浓度也在下降，达标日O3浓度的增加主要发生在O3非高发的季节。NO2在超标日和达标日的浓度变化不大，略有下降。PM2.5浓度在O3超标日和达标日及全年背景下均呈下降趋势，说明武汉市颗粒物浓度和O3浓度在2015-2017年下降，大气环境有所改善，而O3污染的超标日极端情况在减弱，但达标日等较好空气环境下浓度增加。

图6 2015-2017年武汉市O3超标日和达标日O3、

图7 2015-2017年武汉市O3超标日和达标日O3、NO2、PM10和PM2.5浓度

3 结 论

(1)2015年武汉城市圈O3浓度值和超标日数均为最高，平均值分别为89.9 μg·m-3和37天，2015-2017年表现为逐年下降趋势。O3浓度值最高为城市圈中东部的黄冈、咸宁、鄂州、武汉和孝感等地。4-9月武汉城市圈O3浓度处于高值，尤其是5月和9月。2015年武汉市二级超标日数明显偏多，近乎为2017年的2倍。O3作为主要污染物，其占比为25%～30%，仅次于PM2.5为首要污染物的占比。

(2)O3浓度与气温、日照、辐射和能见度表现为正相关关系，且与气温和日照的相关性最好；与相对湿度和气压呈负相关关系；与风速关系不明显。

(3)武汉市O3超标日的气压偏低，为1005～1007 hPa，而5-9月大陆高压或副高控制下，O3超标日气压偏高。O3超标日平均气温基本在26℃以上，14:00和15:00气温在29～33 ℃时，O3浓度最高。随着相对湿度的增加，O3浓度下降明显，O3浓度高值区的相对湿度在14:00或15:00主要位于30%～60%。无论是总辐射还是净辐射，O3超标日均为最高，净辐射是达标日的2倍左右。随着总辐射的增加，O3浓度增加，日平均总辐射在1.5～2.0 MJ/m2时，O3浓度最高。超标日的日照时数一般可以超过8 h，在日总时数为10～12 h时，O3达到浓度峰值。武汉O3超标日风速均小于全年平均值，偏南至偏西风时O3浓度值较高，最高浓度出现在260°左右。

(4)武汉市O3浓度与NO2和CO基本呈负相关，NOX的增加导致O3浓度下降。5-9月O3超标日的颗粒物浓度较高，高浓度的O3和高温、强日照会加剧化学反应促进二次颗粒物的生成。