长三角区域典型城市臭氧时空分布及其与气象因素相关性研究

2021-12-10孙睿张红汪水兵卫尤文

大气与环境光学学报 2021年6期

孙睿,张红,汪水兵∗,卫尤文

(1安徽省生态环境厅,安徽合肥 230071;2安徽省环境科学研究院,安徽合肥 230071)

0 引言

以臭氧为核心的氧化性物质具有极强的化学氧化活性,高浓度臭氧能够强烈刺激人的呼吸道、造成人的神经中毒、破坏人体的免疫机能、诱发染色体病变、加速衰老和致新生儿畸形等,已引起了国内外学者的广泛关注[1−7]。近年来,臭氧浓度分布特征及其影响因素研究较多,李连和[8]、张莹等[9]研究表明珠三角城市内臭氧浓度仍在高位徘徊,且臭氧污染夏秋季节浓度较高的季节特征显著;易睿等[10]、刘芷君等[11]研究表明长三角地区主要城市以臭氧为首要污染物,且大部分城市存在臭氧污染超标状况,臭氧污染相对较重的地区主要分布在上海及周边城市群。单源源等[12]研究表明长三角地区对流层臭氧浓度呈现显著的纬度地带性差异,且随着纬度的升高而增加;Wang等[13]、Cheng等[14]研究表明高温、低风速、强光照及强太阳辐射等气象条件有利于臭氧生成;Xing等[15]研究发现臭氧污染除受温度、风速、太阳辐射强度等影响外,还与湿度、降雨量密切相关;王磊等[16]研究表明南京地区地面臭氧与气温、能见度、日照时数、总辐射辐照强度等要素呈显著正相关,与相对湿度、总(低)云量呈负相关;易睿等[10]研究表明长江三角洲地区城市臭氧污染与机动车数量有显著的相关性,且高温、长时间日照容易出现臭氧浓度高值;臭氧超标率和浓度均值均随风速、相对湿度的增加先升后降;王男[17]研究表明沈阳臭氧污染受气象因素的影响存在明显季节变化。汪水兵等[18]研究发现温度、相对湿度和太阳总辐射与O3浓度呈正相关,温度在30～35°c、相对湿度在40%～50%、太阳总辐射在800～1000 W·m−2时O3浓度达到最高值,风速在4～4.5 m·s−1时外源输送较强烈,且O3浓度较高,降水削弱了O3的生成。程念亮等[19]、王闯等[20]、王宏等[21]研究发现臭氧高浓度污染还与天气类型、风向、气压等因素相关。

综上所述,影响臭氧浓度的气象因素主要有温度、风速、相对湿度、能见度、光照强度及太阳辐射强度等。前期对于长三角区域臭氧污染及其成因研究主要集中在上海市、江苏省和浙江省,对包括安徽省在内的长三角区域一体化研究较少。本文以包括安徽省在内的长三角区域9个典型城市为研究对象,选取温度、风速、相对湿度和能见度等气象因素,分析长三角区域臭氧污染特征及其影响因素,揭示区域气象因素与臭氧时空分布间的相互关系,有利于长三角区域一体化臭氧污染联防联控。

1 数据与方法

1.1 数据来源

臭氧浓度数据来源:全国城市空气质量实时公布平台公布的长三角城市群臭氧实时监测数据;数据时间范围:2018年1月1日–12月31日,本文选取上海、南京、杭州、宁波、绍兴、舟山、合肥、芜湖、安庆9市共7.46万组数据进行统计分析,揭示长三角区域的臭氧污染现状及其变化规律。

气象数据来源:中国气象科学数据共享服务网中的观测台数据,每个城市选用1个观测站台,选用时充分考虑数据的完整性、代表性等因素。

1.2 分析方法

根据新修订的《环境空气质量标准》(以下简称《标准》)[22]计算臭氧日最大8 h浓度,臭氧超标按《标准》中超二级标准来统计,当臭氧日最大8 h浓度≥160µg·m−3或臭氧1 h浓度≥200µg·m−3时,视为臭氧超标污染。臭氧日最大8 h浓度计算,首先对从一天中的00:00开始计算连续8 h的均值,然后从01:00之后计算,以此类推,共计算出17个连续8 h的均值,取其中最大的均值即为臭氧日最大8 h浓度值,即:N1=avg{c0,c1,c2,···,c7},N2=avg{c1,c2,c3,···,c8},······,N17=avg{c16,c17,c18,···,c23},取 max{N1,N2,N3,···,N17},得到臭氧日最大8 h浓度变化数据,对气象数据和臭氧数据采用分类统计分析方法,分析易发生臭氧高浓度污染的气象条件。臭氧浓度日变化规律与气象因素之间的相互关系采用SPSS软件里的Pearson相关系数判定,并利用散点图解析气象因素对臭氧浓度的影响程度。

2 分析结果

2.1 臭氧污染时空分布特征

图1为臭氧日最大8 h浓度月均值变化。由图可知,研究区域臭氧8 h月均浓度变化存在一定的差异性,上海、杭州臭氧日最大8 h浓度月均值在1–6月份逐渐升高,并在6月份达到最大值,主要受温度影响,温度升高,太阳辐射加强,光化学反应越强烈有利用臭氧生成;6–7月份下降幅度较大,主要受“梅雨”季节的影响,空气湿度增大,大气中的水汽对太阳辐射具有削弱作用,降低光化学反应强度;7–10月份缓慢降低,且趋于平稳,主要是太阳辐射强度有所降低,但日照时间仍然较长,生成臭氧的光化学反应时间长,导致臭氧日最大8 h平均浓度虽然有所降低,但仍维持在一个相对高值;10–12月份臭氧日最大8 h平均浓度快速降低,主要是太阳辐射强度减弱,温度降低,日照时间变短,不利于臭氧生成。南京、合肥、芜湖、安庆长三角西部地区臭氧日最大8 h浓度月均值变化情况相似,在1–4月份逐渐升高,4–5月份降低,主要与长三角西部地区在2018年5月份出现连续的强降雨有关,5–6月份升高达到最大值;6月份之后变化情况与杭州、上海相似。宁波、绍兴、舟山长三角东南地区臭氧日最大8 h浓度月均值在1–5月份逐渐升高,5月份达到最大值,5–8月份逐渐降低,主要是夏季易受清洁的海洋气团影响,导致臭氧浓度降低;8–10月份臭氧浓度再次升高,主要受海洋季风气候的影响减弱,且有来自长三角其他地区高浓度臭氧输入;10–12月份臭氧浓度降低。

图1 臭氧日最大8 h浓度月均值变化Fig.1 Changes in the monthly average value of the maximum 8 h daily ozone concentration Delta

图2为臭氧超标天数季节变化对比结果。由图可知,研究区域臭氧超标主要集中在春、夏、秋三季,其中上海、南京、杭州、合肥、芜湖、安庆臭氧超标在夏季居多;宁波、绍兴、舟山臭氧超标多发生在春季。此外,长三角内陆城市的臭氧超标天数要明显高于沿海城市,主要与沿海城市易受海洋季风影响,对高污染大气有稀释作用,内陆城市高污染大气不易扩散,臭氧浓度较高。

图2 臭氧超标天数季节变化对比Fig.2 Comparison of seasonal changes of ozone excess days

综上所述,研究区域臭氧污染呈现春夏高、秋冬低的季节变化特征,内陆城市臭氧污染较沿海城市严重。

2.2 臭氧污染的影响因素分析

图3为臭氧浓度与气象因素年均变化分析结果,由图可知:安庆、上海、芜湖等市的臭氧浓度较其余城市高,杭州、宁波相对较低;绍兴、舟山风速较其余城市低;杭州、合肥、南京、宁波的能见度较其余城市低;安庆、杭州、合肥、宁波的年均温度较其余城市高;上海相对湿度较低,舟山较高,其余城市差异不大。由此可以看出,长三角典型城市不仅臭氧浓度有明显的区域性差异,气象条件也有一定的差异性。

图3 臭氧浓度(a)及气象因素风速(b)、能见度(c)、温度(d)、相对湿度(e)年均值差异Fig.3 Differences in annual average values of ozone concentration(a)and meteorological factors(b),visibility(c),temperature(d),and relative humidity(e)

2.2.1 温度对臭氧的影响

图4为不同温度范围内的臭氧浓度变化情况。由图看出,臭氧平均浓度随温度的变化大致呈现正相关,计算得到研究区域臭氧平均浓度随温度增加的平均变化率为36.75%,说明臭氧平均浓度随温度的变化较大;臭氧超标(以下文中所指的超标均指臭氧1 h浓度超国家二级标准,即≥200µg·m−3)主要发生在20°C以上,20°C30°C时臭氧超标小时占总小时数的7.13%,而研究区域温度主要分布在20°C

图4 不同温度范围内的臭氧浓度Fig.4 Ozone concentration in different temperature ranges

表1为臭氧1 h超标率随温度变化的统计结果。由表可知,除舟山市外,其余城市臭氧超标率随温度的升高而增大,舟山市由于地理位置及所受季风气候的影响,臭氧1 h浓度超国家二级标准常发生在春季,而春季气温出现温度高于30°C的小时数较少,因而舟山市气温高于30°C时无超标现象。

表1 不同温度范围内的臭氧超标率Table 1 Over standard rate of ozone in different temperature range

2.2.2 相对湿度对臭氧的影响

图5为不同湿度范围内的臭氧浓度变化。由图可知,臭氧浓度与相对湿度呈现负相关;当相对湿度HR<60%时,臭氧浓度随湿度的增加平均变化率较小,为−5.5%,相对湿度HR>80%时,臭氧平均变化率为30%,相对湿度越高,对臭氧浓度的影响越大。

图5 不同相对湿度范围内的臭氧浓度Fig.5 Ozone concentrations in different relative humidity ranges

表2为不同相对湿度范围内的臭氧超标率统计结果。由表可知,随着相对湿度的增加,臭氧超标率先上升后降低,相对湿度HR<20%时没有出现超标,20%80%(长三角相对湿度主要分布区间)时出现臭氧超标的概率较小,主要原因有以下几个方面:一是相对湿度高时,大气中的水汽对太阳辐射具有削弱作用,光化学反应强度降低;二是大气中所含的H·、HO·等迅速将臭氧分解成氧分子,降低臭氧浓度;三是相对湿度越高时臭氧生成前体物湿清除作用越强[17]。总体来说,相对湿度在20%

表2 不同相对湿度范围内的臭氧超标率Table 2 Over standard rate of ozone in different relative humidity range

2.2.3 风速对臭氧的影响

图6为不同风速范围内的臭氧浓度变化情况。由图可知,臭氧浓度随风速的增大逐渐增大,但升高幅度逐渐减小。当风速V<3.6 m·s−1时,臭氧浓度随风速而增加的平均变化率为23.75%,当风速达到3.6 m·s−1后,风速在增大时,臭氧浓度反而会降低,主要受高空传输影响[23]。

图6 不同风速范围内的臭氧浓度Fig.6 Ozone concentration in different wind speed ranges

表3为不同风速范围内臭氧超标率统计结果。由表可知,各市超标率随风速的变化呈先升高后降低趋势。平均风速分布在1.2～3.6 m·s−1,当风速为1.2～3.6 m·s−1时臭氧超标率较高,臭氧易发生高浓度污染的风速条件为风速达到 1.2～3.6 m·s−1。

表3 不同风速范围内的臭氧超标率Table 3 Over standard rate of ozone in different wind speed range

2.3 影响臭氧浓度日变化因素分析

2.3.1 温度对臭氧的影响

图7为臭氧浓度与温度的日变化规律。由图可知,臭氧浓度随温度的升高而增大。主要原因是太阳辐射越强,温度越高,光化学反应越剧烈,利用臭氧生成,臭氧浓度与温度成正相关性,相关性方程为y=9.79x−104.10(y表示臭氧浓度,单位为 µg·m−3,x表示温度,单位为°C),相关系数R2=0.83。

图7 臭氧浓度与温度的日变化规律Fig.7 Diurnal variation of ozone concentration and temperature

表4为各市温度对臭氧浓度日变化的线相关分析结果。从表可知,臭氧日变化与温度成正相关,且相关性显著。

表4 温度对臭氧浓度日变化的线性相关分析Table 4 Linear correlation analysis of daily variation of ozone concentration with temperature

2.3.2 相对湿度对臭氧的影响

图8为臭氧浓度与相对湿度的日变化关系。由图可知,臭氧浓度与相对湿度成负相关,相对湿度越大,臭氧浓度越低,主要是相对湿度较高时,大气中所含的H·、HO·等迅速将臭氧分解成氧分子,降低了臭氧浓度。相关性方程为y=−231.95x+244.33(y表示臭氧浓度,单位为µg·m−3,x表示相对湿度,单位为%)相关系数R2=0.89。

图8 臭氧浓度与相对湿度日变化规律Fig.8 Diurnal variation of ozone concentration and relative humidity

表5为相对湿度对臭氧浓度日变化相关分析结果。由表可知,长三角各市臭氧浓度日变化与相对湿度成负相关。

表5 相对湿度对臭氧浓度日变化相关分析Table 5 Linear correlation analysis of relative humidity to daily variation of ozone concentration

2.3.3 风速对臭氧的影响

图9为臭氧浓度与风速日变化规律。由图可知,臭氧浓度与风速成正相关,成因与前文中的风速对臭氧的影响相同,相关性方程为y=45.84x−46.97(y表示臭氧浓度,单位为 µg·m−3,x表示风速,单位为 m·s−1)表示,相关系数R2=0.85。

图9 臭氧浓度与风速日变化规律Fig.9 Diurnal variation of ozone concentration and wind speed

表6为风速对臭氧浓度日变化相关分析结果。从表可知,长三角臭氧浓度日变化与风速均呈正相关。

表6 风速与臭氧浓度日变化相关性分析Table 6 Correlation analysis of daily variation of ozone concentration with wind speed

2.3.4 能见度对臭氧的影响

图10能见度与臭氧的日变化规律。由图可知,臭氧浓度随能见度的增大而增大。当能见度高时,太阳辐射较强,生成臭氧的化学反应变强,臭氧浓度增加。臭氧浓度与能见度日变化规律呈正相关,相关性方程为y=19.74x−71.38(y表示臭氧浓度,单位为µg·m−3,x表示能见度,单位为km),相关系数R2=0.95。