韶关市主城区2016—2020年臭氧污染特征分析

2022-12-27郭永婷余冬文黄观荣刘玮莹

广东气象 2022年6期

郭永婷，余冬文，黄观荣，刘玮莹

（1.韶关市气象局，广东韶关 5 1 2 0 2 6；2.乳源瑶族自治县气象局，广东乳源 512700）

党的十八大以来，生态文明建设不断推进，其中大气污染治理是生态环境3大攻坚战之一，2018年7月3日国务院公开发布《打赢蓝天保卫战三年行动计划》［1］，旨在明显改善环境空气质量，明显增强人民的蓝天幸福感。

目前我国许多城市仍然面临着解决PM2.5污染的急迫需求，并且臭氧（O3）污染的重要性逐渐凸显，2018年《中国环境状况公报》显示，臭氧已经成为除PM2.5外的重要污染物［2］。为解决臭氧污染问题，省内很多专家从臭氧浓度的变化趋势、臭氧污染时空特征、臭氧污染过程的气象原因分析等方面展开研究。夏云等［3］发现当风速为0.19～0.29 m／s时，揭阳市容易出现空气污染情况，当风速＞1.84 m／s时，无污染出现；陈玲等［4］的研究结果表明东莞市的臭氧符合国家2级标准；甘泉等［5］发现惠州市臭氧质量浓度超标多出现在气温较高、相对湿度和风速较小、云量较少一般无降水、日照充足的天气；王文波等［6］研究发现肇庆市主导风存在偏南分量时臭氧质量浓度明显较高，西南偏西风时达到最高，偏北到偏东风下质量浓度普遍较低；陈靖扬等［7］分析广东省一次春季臭氧污染过程，结果表明较好的辐射条件和不利的边界层扩散条件是导致该次臭氧污染过程的主要气象因素。广东对臭氧研究集中在珠三角等地区［8-9］，韶关市臭氧污染特征的研究相对匮乏，而以往研究本地空气质量侧重于灰霾、大雾［10］，因此基于2016—2020年韶关市主城区国控环境空气质量检测数据和气象数据，分析了臭氧污染时空特征和气象因素对臭氧污染的影响，为韶关市臭氧污染防控提供参考。

1 数据与方法

2016—2020年韶关市主城区5个国控环境监测站常规六参数逐时观测资料来源于中国环境监测总站，国控空气质量监测站包括市八中（1669A）、碧湖山庄（1670A）、园林处（1671A）、韶关学院（1672A）、曲江监测站（1673A），韶关市主城区环境空气质量用5个国控站算术平均表示。地面气象站数据选取韶关市气象局站（站号G1401）逐日气象要素。

基于《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》［11］和GB3095-2012《环境空气质量标准》［12］，PM2.5、PM10、SO2、NO2年评价指标为城市站点PM2.5、PM10、SO2、NO2的年平均；CO年评价指标为城市站点CO 24 h平均第95百分位数（CO-95per）；O3年评价指标（MDA8-90per）为城市站点O3最大8 h平均第90百分位数。PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO日评价指标为城市站点PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO的24 h平均；O3日评价指标（MDA8）为城市站点O3的日最大8 h（08：00—24：00（北京时，下同）所有8 h滑动平均质量浓度中的最大值）平均。月、季度评价指标根据日评价指标计算得出。

2 臭氧污染特征

2.1 韶关市主城区空气污染概况

在2018年出台的《打赢蓝天保卫战三年行动计划》等一系列大气污染防控政策实施下，韶关市主城区环境空气质量在近3年得到较大改善。近5年，PM2.5、PM10、SO2、NO2的年质量浓度均分别从2016年的33、52、16、26μg／m3上升到2017年的峰值38、55、17、29μg／m3，随后逐年下降到2020年的24、37、10、21μg／m3；O3年质量浓度（MDA8-90per）从2016年的79μg／m3上升到2017年的峰值92μg／m3再下降到2019年的83μg／m3，2020年（84μg／m3）与2019年大致持平；CO（CO-95per）的年质量浓度近5年大致呈稳定下降趋势，从2016年的1.4 mg／m3下降到2020年的1.0 mg／m3。

如图1所示，2020年韶关市主城区颗粒物污染有极大的改善，根据GB 3095-2012《环境空气质量标准》，PM10、SO2、NO2、MDA8-90per，CO-95per质量浓度低于GB 3095-2012一级标准（40、20、40、100，4.0 mg／m3），PM2.5低于GB 3095-2012二级标准（35μg／m3）。

图1 2016—2020年韶关市主城区空气质量6参数年变化

2.2 臭氧污染年、月变化

2016—2020年韶关市主城区ρ（MDA8-90per）分别为79、92、90、83、84μg／m3，均未超过GB 3095-2012一级标准极限100μg／m3。根据HJ 633-2012《环境空气质量指数（AQI）技术规定》对空气质量进行污染等级划分：160μg／m3＜ρ（MDA8）≤215μg／m3为轻度污染、215μg／m3＜ρ（MDA8）≤266μg／m3为中度污染、ρ（MDA8）＞266μg／m3为重度污染。近5年韶关市主城区出现臭氧轻度污染72 d、臭氧中度污染4 d、臭氧重度污染0 d。

近5年韶关市主城区臭氧污染主要以轻度污染为主，中度污染天数较少，近2年未出现中度污染，近5年未出现重度污染。臭氧污染天数最多是2017年的22 d（20 d轻度污染+2 d中度污染），最少是2020年的9 d（轻度污染）。

从近5年韶关市主城区臭氧污染时间序列（图2）来看，第1个臭氧污染日出现在3月2日（2016年），即臭氧污染从3月开始出现，4和7月有2个小高峰，在9月达到一年中的峰值，6和8月有两个谷值，这与汪宇等［13］研究的珠三角城市臭氧污染月变化相似。最后1个臭氧污染日出现在11月17日（2019年），12、1和2月均未出现臭氧污染。

图2 2016—2020年韶关市主城区臭氧污染等级时间序列

分析臭氧污染月变化（图略）规律可知，韶关主城区总体上呈现冷暖交替、季节转换时高（4和9月），气温最高、日照最长时高（7月）、降水多时低（6和8月）的特点，这与沈劲等［14］分析的珠三角北部城市站臭氧月变化一致。

2.3 臭氧质量浓度日变化

分析2016—2020年韶关市主城区O3质量浓度和NO2质量浓度日变化趋势（图3），O3质量浓度呈明显的单峰型分布，夜间明显低于白天，一天中O3质量浓度谷值出现在07：00（北京时，下同），此后随着气温上升O3质量浓度缓慢上升，日间12：00—15：00时段急剧上升并于15：00达到峰值，傍晚随着气温的下降O3质量浓度快速下降，并在夜间保持较低的质量浓度。

图3 2016—2020年韶关市主城区O3和NO2质量浓度日变化

NO2质量浓度呈双峰型分布，第1个峰值出现在08：00，第2个峰值出现在20：00，两个峰值对应着两个城市交通高峰期，谷值出现在14：00。NO2质量浓度日变化较小，与O3质量浓度日变化大致呈反相关的特点，这与传统光化学理论一致。由于光化学过程在午后最剧烈，O3质量浓度在午后快速增加，NO2的光解促进了O3的生成，午后边界层抬升，导致NO2在午后质量浓度有所下降，傍晚以后O3被消耗，NO氧化成NO2，NO2质量浓度快速上升并于夜间维持在较高质量浓度［15］。

2.4 臭氧污染空间变化

2016—2020年韶关市主城区5个国控点臭氧污染天数一共为485 d，占总天数（9 180 d）的5.3%，其中春、夏、秋、冬季臭氧污染天数分别为152、148、180、5 d，该结果与5个国控点平均数据秋季臭氧污染重、春秋季臭氧污染较重结果大致相符。单个国控站出现冬季臭氧污染的情况，但出现天数极少，这与韶关主城区5个国控点平均冬季无臭氧污染的情况有些不同。

2016—2020年韶关市主城区5个国控点的臭氧污染、臭氧质量浓度差异不大（图4），从臭氧污染天数的空间分布来看，城东＞城西＞城中＞城北＞城南，其中臭氧污染最多在城东1672A站点出现117 d，臭氧污染最少在城南1673A站点出现75 d；从臭氧质量浓度来看，城西＞城东＞城中＞城北＞城南，其中臭氧质量浓度最高在城西1670A站点95μg／m3，臭氧质量浓度最低在城南1673A站点89μg／m3。综合比较，韶关市主城区的城南1673A站点臭氧污染最小。

图4 2016—2020年韶关市主城区5个国控点臭氧污染季度变化和臭氧质量浓度均值

3 臭氧污染案例分析

3.1 2017年9月臭氧污染过程

2017年9月，韶关市经历了一次严重的光化学污染，30 d内出现了8 d臭氧污染，均为臭氧轻度污染。期间共经历了2次臭氧污染过程，分别是9月15—21、27日，臭氧质量浓度分别为180、167μg／m3，其中过程最大臭氧1 h出现在9月20日17：00臭氧质量浓度为228μg／m3，最大臭氧8 h出现在9月20日臭氧质量浓度为213 μg／m3。

为了探究气象条件与臭氧超标的关系，选取了代表韶关市主城区的韶关市气象局站（G1401站）的平均气温、最高气温、降水量、日照、平均风速、相对湿度6要素的逐日气象数据，按臭氧污染日和非污染日进行统计分析（表1）。对比发现，平均气温、平均风速2个气象要素在臭氧污染日和非污染日的数值差异小；降水量、相对湿度、最高气温、日照4个气象要素在臭氧污染日和非污染日的数值差异非常大。臭氧污染日平均降雨量0.0 mm、相对湿度62.3%、日照6.6 h、最高气温35.5℃；非污染日均降雨量2.6 mm、相对湿度72.2%、日照5.1 h、最高气温34.5℃，由此可以得出，干燥晴朗、高温炎热（≥35℃）、日照充足、湿度小的天气容易导致出现臭氧污染；而雨天、潮湿阴凉、日照少的天气不容易出现臭氧污染。

表1 2017年9月韶关市主城区臭氧污染日和非污染日、近5年中度污染各气象要素和臭氧质量浓度统计

3.2 臭氧中度污染日的天气系统

为了探究臭氧中度污染的天气背景，分析2016—2020年韶关主城区臭氧中度污染日（2016年7月25日、2017年5月30日、2017年8月19日、2018年5月24日）的地面、高空天气形势发现，华南地区500 hPa基本处于纬向环流控制，位势高度距平明显高于常年平均，有利于出现连续高温晴热天气。尤其是2016年7月25日和2017年8月19日，华南地区完全由副高588 dagpm线控制，2017年5月30日、2018年5月24日粤北地区在副高588 dagpm线边缘，由586 dagpm线控制（图略）。从臭氧中度污染日地面气压场（图略）可以看出，其中有3 d广东处于高压后部的低压场，1 d处于两高之间的均压场。两种地面场形势都是气压场偏弱、风速小，低层水平扩散能力弱，近地面大气层结稳定，从而容易导致生成臭氧的前体物的积累［16］。对比臭氧中度污染日臭氧质量浓度与气象6要素（表1）可得，最高气温越高、日照越长对臭氧质量浓度的升高越有利，越容易产生更严重的臭氧污染。