潮州市O3 质量浓度变化及其与气象因子的关系

丁丽佳，凌良新，谢汉良，陈新煜，杨婕俐

（1.潮州市气象局，广东潮州 521011；2.饶平县气象局，广东饶平 515700；3.潮州市突发事件预警信息发布中心，广东潮州 521011）

O3作为一种常见的大气污染气体，其质量浓度的增加对人体健康、生态环境和气候效应［1］等均有重大影响。近年来随着国家、省、市对空气污染的治理力度加大，可吸入颗粒物污染趋于缓解，而O3的质量浓度水平与其前体物之间呈现复杂的关系，治理难度大，O3在国内的许多城市已成为空气首要污染物。目前，许多学者对我国不同地区O3污染进行了研究，研究表明O3污染具有明显的季节变化特征且与气象条件密切相关；不同城市，O3污染特征及其与气象条件的关系也存在差异性，京津冀地区O3污染峰值多出现在5—7月；长三角地区O3污染多发生在4—9月，一年中出现两个污染高峰；珠三角地区O3污染在秋季多发［2］。广东省内也有不少相关研究，如李明华等［3］、甘泉等［4］、步巧利等［5］、王文波等［6］、杜勤博等［7］、夏云等［8］分别对惠州、佛山、肇庆、汕头、揭阳的O3质量浓度变化特征及与气象条件关系进行研究，发现晴热干燥、风小的天气，有利于O3的生成。

潮州市地处广东省东南部，属南亚热带季风气候区［9］。随着潮州城市工业发展和汽车保有量的增加，2019年以来O3已成为潮州市区的首要污染物［10-11］。目前针对潮州空气污染特征的相关分析仍较少，主要是SO2、NO2、PM10等变化特征分析［12］，针对O3的研究限于来源分析［13］，对O3的较长时间尺度污染特征研究和影响因素分析等仍为缺乏。本研究利用2014—2020年潮州市环境监测站空气自动监测子站的O3逐日、逐时数据，结合同期相关气象要素资料，研究潮州市O3污染特征及与气象条件关系，以期为改善空气质量和O3污染防治提供参考。

1 资料与方法

1.1 资料

本研究所用资料包括2014年1月1日—2020年12月31日潮州国家气象观测站的逐日、逐时地面气象观测资料；潮州市区的西园路、档案局空气自动监测子站2014年1月1日—2020年12月31日逐时空气质量监测数据。

1.2 方法

污染物质量浓度及分级处理：提取潮州市区2个空气自动监测子站的O3质量浓度小时数据，将同一时刻的O3质量浓度数据做均值处理，得出逐时O3质量浓度；并采用8 h滑动平均，求出逐日O3最大8 h平均质量浓度。对O3质量浓度按《环境空气质量标准》（GB3095-2012）［14］、《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》（HJ633-2012）［15］的污染物项目质量浓度限值进行分级，如表1所示，轻度污染以上即为超标。

表1 O3质量浓度分级对应的质量浓度阈值μg·m-3

气象数据处理：提取潮州市国家气象观测站（59312）逐时降水、气温、日照、相对湿度、风向、风速数据，并按对应的同时次的O3级别进行分类。

利用均值处理等方法对不同级别O3质量浓度的年、季、月、日变化特征进行分析，采用相关统计方法分析O3质量浓度与气象因子的关系。

2 结果与分析

2.1 臭氧变化

1）年变化。

统计2014—2020年潮州市区年平均O3质量浓度及8 h滑动平均质量浓度，O3质量浓度一级、二级、超标日数（图1），结果显示潮州市区O3平均质量浓度、最大8 h滑动平均质量浓度、二级及超标年出现日数均呈波动下降趋势，2015年O3污染较明显，2016—2017年呈下降趋势，2018年再度上升，出现次峰，2019—2020年再度下降。潮州市区O38 h质量浓度2014—2020年平均为102.4μg·m-3，最大值为246.1μg·m-3，其中2015年的平均值最高，达到117.7μg·m-3，2020年最低，为91.9μg·m-3，比2015年下降了21.9%。O3质量浓度2014—2020年平均为64.1μg·m-3，最大值为170.5μg·m-3，以2015年的平均值最高，达到73.4μg·m-3，2020年最低，为57.1μg·m-3。潮州市区O3质量浓度各等级年出现日数呈一级波动增加、二级与超标日数波动减少的趋势，超标年出现日数（超标日）最多的是2015年，达到69 d，其次是2014，为35 d，2017年超标日有较明显下降，为18 d，2018年再度上升到30 d，2019年以后持续下降，2020年超标日仅为8 d。潮州市区O3污染日中轻度污染日约占污染日的93.0%，中度污染日仅2014、2015、2018年分别出现3、11、1 d，无重度及以上的O3污染日。

图1 O3和O3 8 h质量浓度（a）以及各级别污染日数（b）的逐年变化

2）月和季节变化。

统计分析潮州市区2014—2020年O3质量浓度及各级别日数的逐月和季节变化（图2）。从质量浓度的月变化（图2a）来看，O38 h平均质量浓度最高出现在10月，最低出现在12月，汛期和枯水期基本一致、前汛期略高于后汛期。O3月平均质量浓度最高出现在10月，最低出现在7月，最低月的质量浓度为最高月的61.5%，呈枯水期高于汛期、前汛期高于后汛期的季节变化特征。O3超标日的逐月及季节变化呈汛期高于枯水期、前汛期高于后汛期的季节变化特征（图2b）。一年中各月份均出现过超标日，其中10月最多，达6.3 d，其次是9月，为4.7 d，2、6、7、12月最少，为1 d。O3中度污染日在3、4、5、10月都有出现，主要出现在4和10月，10月出现中度污染日最多。以上分析结果表明，潮州市区O3质量浓度较高、超标日出现较多的时段主要是夏末到初秋，这一时间段潮州降水趋于减少，而气温仍然较高；另一个时段是春末到初夏，这个时间段潮州气温明显上升，降水仍未明显增加，有利于O3的形成。这与杜勤博等［8］对汕头市O38 h污染特征分析得出的结论基本一致，秋季为一年中O38 h质量浓度较高时段，也存在一定的差异，汕头污染较小出现在6月，潮州出现在7月。

图2 不同时段O3的逐月、季节变化

3）日变化。

分析潮州市区O3质量浓度全年、枯水期、汛期、前汛期和后汛期逐时变化（图略），结果显示各时段的O3质量浓度的日变化规律基本相同，均呈单峰变化。O3质量浓度在07：00—08：00（北京时，下同）出现最低值，随后迅速上升，最大值出现在午后14：00—16：00，之后质量浓度又逐渐降低。其中汛期最小值和最大值分别出现在07：00和14：00；全年最大值出现在15：00、最小值出现在07：00，枯水期最大值出现在16：00、最小值出现在08：00，推迟1～2 h。按O3质量浓度1 h限值标准对逐时O3质量浓度进行分级，发现2014—2020年潮州市区逐小时O3质量浓度大多数为一级，占总时次数的99.8%。二级出现在上午10：00到凌晨01：00、03：00；超标出现在11：00—23：00。中度污染出现在14：00—16：00，总共只出现3次。从逐时分级情况看，二级和超标出现规律与逐时质量浓度变化规律接近，均是在午后14：00—16：00出现峰值，同时，这种变化特征与气温的白天高、夜间低的日变化规律也相似。

2.2 臭氧污染与气象条件

1）与逐日气象因子关系。

以月份为时间段，统计分析2014—2020年潮州市区逐日O38 h最大质量浓度与气温、降水、日照、相对湿度、风速等气象因子的关系，得到表2。

表2 潮州市区逐月O3 8 h最大质量浓度与气象因子相关关系

从表2可以看出，各月逐日O38 h最大质量浓度与日最高气温呈正相关关系，除了9月份外，其余月份的相关水平达到0.01的显著相关关系；与日最低气温除7和11月外，呈正相关关系，3、7—8、11月达到显著相关水平；与日平均气温除9和10月外，呈负相关关系，1、4—6、9—10、12月达到显著相关水平；与日降水量、日最小相对湿度、日平均相对湿度呈负相关关系，相关水平均达到0.01的显著相关关系；与日照时数呈正相关关系，相关水平均达到0.01的显著相关关系；与日平均风速除3—5月外，其余月份呈负相关关系，8—9、11—12月达到显著相关水平。总体来看，气温高、降水少、日照足、湿度低、风速小有利于O38 h最大质量浓度升高。但各月的具体情况并不一致，要做好O38 h最大质量浓度的预测需根据各月O38 h最大质量浓度与气象因子的相关情况建立不同的预测模型。

2）与逐时气象因子关系。

为了了解潮州市区不同级别O3质量浓度与气象条件的关系，进一步分析了全年、汛期和枯水期一级、二级和超标时降水概率、气温、日照时数和相对湿度的逐时变化特征（图略）。统计结果显示，逐时O3质量浓度多数为一级，二级出现于10：00到01：00、03：00，超标出现于11：00到23：00。不同时段的不同级别的逐时O3质量浓度与气象条件的关系的规律基本一致，表现为一级的降水概率较高、白天的气温较低、日照时数较少、白天段的相对湿度较高；超标与二级在降水概率、气温方面分布规律较为相似，差异在于超标日照时数更高、相对湿度夜间更低。从降水概率的逐时变化看，不同时段的一级的逐时降水概率均在5.7%以上；二级与超标时出现降水的概率较低，仅在16：00、17：00、20：00出现降水。特别是超标时，枯水期各时次的降水概率均为0.0%，而全年和汛期仅在16：00出现降水，这可能与汛期O3质量浓度峰值出现时间是在14：00，发生于16：00的热对流改变不了超标的结果。从气温来看，各时段的二级和超标的白天气温均较一级偏高，而夜间则有差异，其中全年二级和超标的夜间气温与一级相近，汛期二级和超标的夜间气温较一级偏低，枯水期二级和超标夜间气温较一级偏高，总体来说，二级和超标的气温日较差比一级偏大；另外，不同时段的二级和超标在10：00—12：00均存在气温大幅上升现象。各时段日照时数变化趋势基本一致，都是超标时日照最充足，超标时11：00—16：00平均日照时数都在0.8 h以上，尤其是11：00日照时数最高，均为1 h；而一级时日照时数偏少，各时次的平均日照时数都在0.6 h以下。从相对湿度的变化可以看出，各时段一级白天的相对湿度均比二级和超标偏高，夜间则存在一定差异，全年和枯水期的一级和二级夜间的相对湿度接近，超标比前二者偏低，而汛期不同级别夜间的相对湿度均比较接近。

3 结论

1）2014—2020年潮州市区O3年平均质量浓度、超标出现日数均呈波动下降趋势，这说明近年来潮州市区O3污染呈减弱趋势。O3质量浓度具有明显的月和季节变化特征，O3平均质量浓度峰值出现在4—5、9—10月，相应的O3超标日主要出现在4—5、9—10月。O3质量浓度的日变化呈单峰变化，其中在07：00—08：00出现最低值，随后迅速上升，最大值出现在14：00—16：00，之后质量浓度又逐渐降低。

2）潮州市区逐日O38 h最大质量浓度与日最高气温、日照时数呈正相关关系，与日降水量、日最小相对湿度、日平均相对湿度呈负相关关系，与日平均风速基本呈负相关关系。O3一级、二级和超标出现时的气象条件有较大差异，一级大多出现在气温较低、相对湿度较大、日照时数较少，多伴有降水的天气，超标则出现在降水少、气温高、相对湿度小、日照时数多、风速小的天气。

潮州市区不同时段逐日、逐时O3质量浓度与气象因子存在不同的相关关系，要做好O3质量浓度的预测需根据对应时段O3质量浓度与气象因子的相关关系建立不同的预测模型，这将是下一步要研究的内容。