佛山市臭氧污染的气象条件

2022-04-29步巧利黄先香

广东气象 2022年2期

步巧利，黄先香

（佛山市气象局，广东佛山 528000）

近年来，随着人为排放控制措施的有效实施，细颗粒物浓度明显下降，但近地面臭氧却呈现快速增长的态势。近地面臭氧质量浓度过高会对人类健康、气候和生态环境造成不利影响，因此臭氧污染问题日益受到人们的重视［1-3］。

近地面臭氧是由氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）和挥发性有机化合物（VOCs）在大气中发生的一系列光化学反应的二次产物，所以臭氧污染除了与前体物排放和化学过程有关外，还与气象要素密切相关，有研究表明同一排放源在不同气象条件下产生的污染相差巨大［4］。为解决臭氧污染问题，近年来，很多学者从臭氧质量浓度的时空变化特征［1，5-6］、臭氧与气象要素的关系方面开展了许多研究［7-9］。也有学者基于数值模拟［8，10］、人工智能［8，11］和统计分析等［12-19］手段来模拟和预测近地面臭氧的时空分布，发布高浓度臭氧的预警。佛山地处珠三角腹地，私家车保有量和人口密度大，外加陶瓷和家具产业的繁荣，人为排放源强度较高，臭氧污染较严重。而现阶段针对佛山地区系统的臭氧污染特征及其预报的研究尚不够完善。本研究利用2017至2020年佛山市8个国家环境监测点的臭氧监测数据和3个国家基本气象站的气象要素数据，分析佛山市近地面臭氧质量浓度的时空变化规律及其与气象要素的关系，以期为臭氧污染监测预报和污染防治提供决策依据。

1 数据与方法

1.1 数据来源

本研究所用臭氧质量浓度数据来自佛山市环境监测中心站的8个国家环境监测点（三水云东海、三水监测站、南海气象局、华材职中、湾梁、高明孔堂、容桂街道办、顺德苏岗）的监测数据；气象数据（气温、日照时数、相对湿度、降雨量、风速）来源于佛山市3个国家基本气象站（三水、南海、顺德）。数据时间为2017年1月1日至2020年12月31日。在数据处理中，日数据是求取每天00：00—23：00（北京时，下同）的24 h小时数据的算术均值（由于近地面臭氧主要来源于光照条件下生成的二次污染物，因此臭氧质量浓度日均值取臭氧日最大8 h滑动平均质量浓度）；全市平均是指8个国家环境监测点的算术平均值。空气质量指数（air quality index，AQI）超标日是指当日AQI日均值超过100即为超标。

1.2 方法

佛山处于南亚热带南缘，根据华南气候特征，定义汛期（4—9月，其中前汛期4—6月，后汛期7—9月）和非汛期（10月—次年3月）。利用线性相关、滑动平均等统计方法分析佛山市近地面臭氧质量浓度的时空变化特征及其与气象条件的关系。参照《环境空气质量标准》（GB3095-2012）中臭氧日最大8 h平均质量浓度超过160μg/m3时为超标日（超过4个国控站点出现即算当日超标），按照综合气象条件对臭氧污染的影响进行评分［12-13］。

Tie等［19］利用箱模式分析了北京冬季灰霾的成因，城市的长、宽和边界层高度构成了箱，假定颗粒物在箱内融合得很好，且边界层和自由大气之间的颗粒物传输忽略不计，统计PM2.5质量浓度小时变率（当前时次与前一时次质量浓度之差）和地面10 m风之间的关系，得到了平衡风速，也就是当水平风速大于平衡风速时，有利于污染物的扩散，反之则不利。本研究用到的气象要素指标的计算方法是Bu Qiaoli等［18］基于Tie等［19］提出的平衡风速的概念获得的，也就是统计污染物变率随气象要素的变化关系，从而得到定量化的气象要素指标。其中臭氧污染物变率是由当天臭氧8 h质量浓度值与前一天的质量浓度值之差获得。

2 结果与分析

2.1 臭氧年变化

统计可知，2017年1月1日至2020年12月31日佛山市8个国家环境监测点的监测总日数为10 976 d。全市AQI超标日数为250 d，臭氧超标日数为195 d，臭氧超标日数占AQI超标日数的78%，其中中度污染日数占AQI超标日数的14.4%，重度污染天数占AQI超标日数的2.4%。

表1给出了2017—2020年佛山市臭氧质量浓度的统计值，可以看出臭氧年均质量浓度、后汛期质量浓度和超标日数总体均呈下降趋势，但在2019年出现峰值；非汛期质量浓度先增加后减少，也在2019年出现峰值；从超标情况来看，中度污染每年都有出现，2017和2019年出现天数较多，重度污染除2019年外，其他年份都有出现。总体来看，后汛期质量浓度高于前汛期，汛期质量浓度高于非汛期，这主要是由于臭氧是光化学反应生成的二次污染物，与气温和日照呈正相关，而汛期温度和日照时数要高于非汛期，后汛期又高于前汛期。

表1 2017—2020年臭氧质量浓度逐年变化

2.2 臭氧月和季节变化

从逐月变化（图1）来看，臭氧8 h质量浓度和超标日数最高值均出现在9、10月，次峰出现在5月，最低值出现在12月，这种月变化差异与气象条件的调节有关。臭氧8 h质量浓度和超标日数表现为后汛期明显高于前汛期、汛期明显高于非汛期的季节变化特征，和年变化一致。从臭氧超标日数来看，1到12月均有臭氧超标现象，且汛期（4—9月）臭氧超标日数累积均超过10 d。臭氧中度污染在8到10月出现日数较多，1、2、3和12月未出现臭氧中度污染日。

图1 臭氧8 h质量浓度和超标日数逐月变化

2.3 臭氧的日变化

图2给出了佛山市全市平均臭氧质量浓度全年、汛期、前汛期、后汛期和非汛期的逐时变化。

图2 2017—2020年佛山市全市平均臭氧质量浓度日变化

由图2可以看出日变化规律均呈单峰分布，夜间质量浓度较低，06：00—08：00质量浓度为谷值，随后质量浓度开始大幅上升，峰值出现在14：00—16：00，之后质量浓度又逐渐降低，这种变化特征主要是受太阳辐射白天强、夜间弱的日变化规律影响。其中汛期谷值和峰值出现时间要早于非汛期1 h，与惠州的日变化类似［16］。

2.4 臭氧污染的逐日气象条件

统计可知，臭氧超标多出现在气温较高、风速偏小、相对湿度低、日照时数长、无降水或微弱降水的天气，全年来看，臭氧8 h平均质量浓度为193.41μg/m3，日均风速为1.78 m/s，平均气温27.35℃，相对湿度68.67%，降水量为1.92 mm，日照时数为7.82 h。汛期、非汛期和全年表现一致（表2）。

表2 佛山市全年、汛期和非汛期臭氧污染与气象条件分析

为了进一步量化气象条件对臭氧的影响，基于BU QiaoLi［18］创建的气象要素阈值方法计算影响佛山市臭氧8 h质量浓度的各气象指标，臭氧变化率是指当天臭氧质量浓度和前一天臭氧质量浓度的差值再与当天臭氧质量浓度的比值，公式为臭氧变化率=。

臭氧变化率有正有负，将气象要素划分成不同的区间，统计不同气象要素区间的臭氧变化率算数平均值，计算后发现存在一个气象要素的临界值，当大于或小于该临界值时，臭氧变化率出现正、负转换，该临界值就是“气象要素阈值”。

臭氧是光化学反应生成的二次污染物，和光照、气温密切相关；而水平风速的大小对污染物浓度的扩散和稀释能力起着非常重要的作用。统计佛山不同风速、气温和日照时数区间臭氧8 h质量浓度变化率，风速区间设置为0.2 m/s、气温区间设置为1℃、日照时数区间设置为1 h，得到不同气象要素的阈值。

由图3a可以看出，当日均风速小于2 m/s时，臭氧变化率为正，有利于臭氧质量浓度的上升。从风速大小来看，当日均风速介于3.4～4.0 m/s时，臭氧8 h质量浓度减少最明显，说明此时水平传输可以快速清除臭氧污染，从大气污染防治决策的角度考虑；当水平风速介于2.0～3.4 m/s时，风速对颗粒物的清除能力有限，臭氧质量浓度下降速率很低，此时如果发生重污染，需要采取应急减排措施；而当水平风速介于3.4～4.0 m/s时，臭氧质量浓度下降速率显著增大，表明水平传输可以快速清除臭氧污染，此时若有污染则无需采取应急减排措施。

从图3b和图3c来看，当平均气温高于28℃、日照时数大于4 h时，臭氧变化率为正，也就是有利于臭氧质量浓度的增加。