合肥地表臭氧变化特征及气象要素影响分析

王敏,方欣,王毛翠,方海涛

(1安徽省气象局安徽省大气探测技术保障中心,安徽 合肥 230031;2中国科学技术大学地球和空间科学学院,安徽 合肥 230026)

0 引 言

臭氧(O3)是一种二次大气污染物,对气候、环境和人类健康有重要影响[1-3]。O3也是一种重要的温室气体,对流层O3的辐射强迫贡献高达21%,仅次于CO2引起的辐射强迫[4,5]。对流层O3分布较少,但与人类生活密切相关。O3作为刺激性物质,易对人类呼吸系统造成影响,导致呼吸系统感染和缺陷。长期暴露于高浓度的O3环境中,可能对肺造成永久性损害,特别是对幼儿、哮喘患者和老年人[6]。同时,O3对生态系统尤其是植物叶片有明显的破坏作用,高浓度地面O3对植物有高度毒性,能够给植物带来可见的叶片伤害,影响农作物的收成[7]。

对流层O3具有强季节性、偶发性和昼夜波动的特征。气象条件对地表O3浓度有决定性的影响[8,9]。天气尺度环流模式,如冷锋、喷气风和高压系统,已被确定为影响地面臭氧变化的气象驱动因素[10]。近年来,随着城市化、工业化进程的快速发展,对流层O3浓度呈持续增长趋势,表现为重度污染天数增加明显[11]。2013年,环境保护部(MEP)开始组织实施O3污染监控,在全国建立O3实时在线监测网络。同年,国家实施GB 3095–2012《环境空气质量标准》,将O3新增为每日例行监测项目[12]。程麟钧等[13]研究表明:2015 年,我国 338 个城市 O3年平均浓度范围为 36.9～118.2 µg·m-3,平均为 (82.6±14.6)µg·m-3。338 个城市中,35个城市日最大连续8小时O3浓度平均值(O3-8h)超过100µg·m-3,54个城市90百分位浓度超过国家二级标准(160µg·m-3),超标城市比例为16.0%。污染最严重的城市位于华北地区,其次是华中和华东地区。安徽地处长江三角洲,在对淀山湖O3来源分析研究表明,安徽对淀山湖日最大O3贡献为11.6%[14]。合肥(31.9°N,117.2°E)地处东部沿海向中部、西部地区阶梯转移的过渡地带,为华东地区中心城市之一,其O3污染问题也逐步引起重视。近二十年来,中科院合肥物质科学研究院持续开展了激光雷达O3垂直观测研究,分析了合肥地区O3的垂直分布特征[15,16]。地表温度与太阳辐射关系密切,O3是由氧原子和氧分子结合反应形成的,太阳辐射在对流层的光化学中起着重要作用,其决定了臭氧的光解速率和OH的形成[8]。谢丰和李德萍[17]研究表明:逐日平均气温与总辐射、直接辐射、散射辐射显著正相关。净辐射与平均气温的相关系数最高,全国大部分地区都在0.7以上。对流层O3污染状况已成为大气环境科学领域研究的热点问题之一,本文利用O3监测资料和同期气象数据,分析了合肥地表O3的日、月变化特征。以合肥地区气象观测数据,分析了气象要素对O3浓度的影响,为区域O3污染防治和预警预报提供参考。

1 数据来源

合肥地面O3浓度数据来自中国空气质量在线监测分析平台(http://www.aqistudy.cn)。该平台公布了2013年12月起至今全国PM2.5、CO、NO2及O3浓度观测数据。选取合肥地区2014年1月1日至2020年6月30日O3-8h观测数据,研究O3浓度的变化特征。并将O3观测数据与大气温度、湿度、风速等气象要素(安徽省气象信息中心提供)进行综合分析,力求获得影响O3浓度变化的原因。

2 O3浓度变化特征

2.1 日变化特征

利用2017年1月1日–6月30日合肥地面O3每小时观测数据,分析合肥地区O3浓度的日变化规律。数据处理时将每天相同时刻的O3浓度求平均,得到O3逐时浓度均值变化曲线,如图1所示。图中显示,O3浓度的日变化规律呈单峰型。O3浓度从零点开始逐渐下降,在07:00左右达到一天的最低值,最低浓度为42.45µg·m-3。从07:00开始,O3浓度快速上升,上升速率约为每小时10.74µg·m-3。在15:00左右到达峰值,最高浓度为116.52µg·m-3。一天之中,O3的最高浓度约为最低浓度的2.74倍。15:00以后,随着太阳总辐射强度的减小,O3浓度逐渐下降。一天之中,14:00–16:00时间段内O3浓度相对较高,在114.30µg·m-3以上。多天相同时刻O3逐时浓度的标准偏差在07:00左右变化相对较小,为24.79µg·m-3,在15:00左右变化相对较大,为 53.00 µg·m-3。

图1 O3日逐时浓度变化曲线Fig.1 Diurnal variation curve of O3concentration

2.2 月变化特征

利用2014年1月1日至2020年6月30日O3-8h观测数据,将每月所包含的天数内O3-8h求平均,得到O3-8h月均值,如图2所示。O3-8h月均值变化呈现“M”型。春夏季O3浓度较高,特别在6月和8月,可达到一年中O3浓度峰值。冬季O3浓度逐渐回落至一年中的最低值,最低浓度一般出现在1月和12月。每年7月O3-8h月均值都有明显下降。合肥O3浓度月变化特征与沈阳、北京等地区明显不同[18,19]。研究期间,O3-8h月均最高值在2017年6月,为160.37µg·m-3;O3-8h月均最低值在2014年12月,为28.16µg·m-3。2014–2019年,每年O3-8h月均最高值是最低值的2.8～3.7倍,平均为3.1倍。可以看出,合肥地区不同季节O3污染程度差别很大。同时,2020年O3-8h月均值变化明显异常,在6月出现大幅度降低。这可能与2020年安徽梅雨期天气异常有关。安徽省在2020年6月2日入梅,8月1日出梅,梅雨期长达60天,为出现气象记录以来最强梅雨。后面将详细分析温度、湿度等气象要素对O3浓度产生的影响。

图2 O3-8h月平均值变化曲线Fig.2 Change curve of O3-8h monthly mean value

3 气象要素影响分析

3.1 风速

由图中O3浓度日逐时变化特征分析可知,合肥地表12:00–20:00这8小时内O3浓度处于较高时间段。数据处理时,将每日12:00–20:00风速逐时数据求均值,作为风速8 h均值数据。图3为2017年1–6月O3-8h及风速8 h均值变化曲线。结果表明:合肥地表日平均风速在0.94～6.62 m·s-1之间,平均值为2.44 m·s-1;1–3月,风速波动明显;5–6月,日平均风速相对减小,风速波动也有所降低。利用相关分析方法,O3-8h与风速8 h均值的Spearman相关系数为0.09。在研究期间,地面风速对O3浓度的影响不显著。考虑到O3浓度具有水平扩散和垂直交换的特点,因此仅依据地面水平风速资料还不足以分析其对O3浓度产生的影响,可结合地理位置、污染源情况、高空风场资料、气象条件、城市规模等进行综合分析。

图3 O3-8h与风速8 h均值的变化图Fig.3 Variation diagram of O3-8h and the mean value of 8 h wind speed

3.2 温湿度

2014年1月–2018年6月,O3-8h和日平均温度变化曲线如图4所示。从图4(b)可以看出,受东亚季风影响,合肥地表温度具有明显的单峰值年变化特征。在研究时间段,合肥日平均温度在每年7–8月达到峰值。日均最高温度出现在2017年7月27日,为35.6°C;日平均温度在每年1、2月降至全年最低。日均最低温度出现在2016年1月24日,为-5.9°C。图5(a)-(c)分别为研究时间段O3-8h、日平均湿度及平滑处理后日平均湿度的变化曲线图。图5(b)显示,合肥日平均湿度变化相对较大,数据波动剧烈。为了清楚展示湿度的年变化特征,对湿度数据进行5点平滑处理,结果如图5(c)所示。可以看出,相对于地表温度,日平均湿度极值出现时间无固定规律,但夏季(6–8月)通常湿度较大。受气象要素影响,O3也呈现较强的年季变化特征,其变化规律与温度基本一致,与湿度的变化趋势关系不明显。利用相关性分析方法进行分析,结果显示O3-8h与日平均温度、日平均湿度的Spearman相关系数分别为0.54和-0.26。

图4 合肥地区O3-8h(a)和日平均温度(b)的年际变化特征Fig.4 Interannual variation of O3-8h(a)and daily mean temperature(b)in Hefei

图5 合肥地区O3-8h(a)、日平均湿度(b)和平滑后湿度(c)的年际变化特征Fig.5 Interannual variation characteristics of O3-8h(a),daily mean humidity(b)and smoothed humidity(c)in Hefei area

为进一步分析O3与温度、湿度的相互关系,利用统计方法分别将2014年1月–2018年6月相同日期的O3-8h、日平均温度、日平均湿度求均值,得到O3-8h、温度、湿度日均值数据。根据统计数据,O3-8h日均值范围为 24～143 µg·m-3,平均值为 78.90 µg·m-3;温度日均值变化范围为 1.92～32.08°C,平均为 16.85°C;相对湿度日均值在50%～92%之间,平均为75.57%。O3-8h、温度、湿度日均值变化曲线如图6所示。图6(a)显示,O3浓度在6月份左右达到峰值,温度在7月底达到峰值。在时间序列上,O3和温度的峰值出现时间有所偏移,这可以结合湿度日均值变化曲线予以解释。如图6(b)所示,6月底至7月份中旬,湿度日均值处于相对较高时段。6月20日–7月20日期间,相对湿度日均值基本在72.75%～92.00%之间,均值达到了83.39%,超湿度日均值(75.57%)7.82%。此期间合肥正处于梅雨季节(安徽省入梅时间主要集中在6月第2候和第4候,出梅时间主要集中在7月第2候[20])。梅雨季节高湿多雨、太阳总辐射较低,不利于O3的生成。因此,一年之中O3浓度峰值多出现在6月和8月份,在7月O3浓度明显降低。

图6 2014–2018年间合肥O3-8h、温度(a)和湿度(b)多年日平均变化曲线Fig.6 Daily mean variation curves of O3-8h,temperature(a)and humidity(b)in Hefei from 2014 to 2018

4 结 论

1)合肥地表O3浓度的日变化规律明显,呈单峰型。O3浓度在07:00左右达到最低值,最低浓度均值为42.45 µg·m-3;在 15:00 左右到达峰值,最高浓度均值为 116.52 µg·m-3。O3月浓度变化呈“M”型,臭氧浓度一般在6月和8月最高,1月和12月臭氧浓度逐渐回落至一年中的最低值。通常每年7月O3浓度都有明显下降趋势。2020年O3浓度月变化特征明显异常,6月份O3浓度不增反降,这与2020年安徽省梅雨期天气异常有关。

2)O3-8h与风速8 h均值的Spearman相关系数为0.09,两者相关性不显著。O3浓度与温度和湿度关系密切。O3-8h与日平均温度、日平均湿度的Spearman相关系数分别为0.54和-0.26。O3浓度在6月份左右达到全年的峰值,7月份明显降低,8月份到达次峰值。这可能是因为在6月底至7月中旬期间,合肥处于梅雨季节,相对湿度日均值基本在80%以上。梅雨季节高湿多雨、太阳总辐射较低,不利于O3的生成。