北戴河臭氧污染及气象背景研究

张宝贵 张建东 杨宗记 李飏

摘要：基于北戴河、乐亭气象观测站太阳总辐射照度等气象数据和北戴河环保监测站的臭氧监测数据，分析2014年-2020年北戴河区域臭氧1小时平均浓度超标状况、引起超标状况的气象背景，结果表明：臭氧污染呈明显上升趋势，当太阳总辐射照度>700 W／m2维持时间在3小时以上，地面水平风速≤1.4m/s极容易造成臭氧污染。在显著性水平a=0.05条件下，臭氧污染时数与气温、空气相对湿度、污染前3小时总辐照度、能见度呈正相关，与气压、污染期间总辐照度、风速呈负相关，且臭氧污染时数与风速和污染期间总辐照度的相关性最显著。

关键词：臭氧；气象背景；太阳总辐射照度；分析

中图分类号：X515 文献标志码：A

前言

臭氧是自由大气的成分之一，主要存在于地球12 km-35 km的平流层中，太阳紫外线照射作用下，氧气被分解成氧原子，氧原子与氧气结合形成臭氧，富集较多臭氧的空气层构成臭氧层。平流层中的臭氧对屏蔽、吸收太阳紫外辐射，保护地球生态环境不受紫外线侵害起关键作用，但是对流层底部尤其是人类生活空间（大气边界层底部0 m-100 m高度）存在的臭氧却是空气污染物之一，而且它既是光化学产物，还参与、诱发其它光化学反应，造成链式光化学污染。

地面空气中，臭氧污染产生需要一定的条件，首要条件是前体污染物，它是光化学反应的物质基础，另一个条件是光化学反应的环境（气象背景等）。目前，臭氧研究的范围和深度都在不断拓展，例如何涛认为“长三角区域的O3污染与本区域的人为源大气污染物排放有着极为密切的关联”；高文康研究京津冀地区的臭氧“在春、夏季呈单峰分布，白天15：00左右出现最大值”；还有学者认为O3质量浓度变化与气象要素密切相关等；梁永贤：“VOCs人为源排放对深圳臭氧贡献表现为正值，说明在深圳控制臭氧浓度的关键是控制人为VOCs排放源”；杨峰在研究臭氧污染治理方法的结论中特别强调“国家产业政策和污染治理体系在污染控制和环保方面是根本性的”；田云有“太阳辐射为大气光化学反应生成O3提供驱动力”的论述等，不胜枚举。

1数据与研究方法

1.1数据来源与数据处理

所用数据为环境质量监测数据以及气象监测数据等，这些数据分别是臭氧1小时平均浓度、太阳总辐射照度、空气能见度、气温、空气相对湿度、气压。数据采样地点（经纬度、海拔高度）分别是北戴河气象观测站（39°51′11.23″N、119°30′40.33″E，ALT 2.4 m）、北戴河区环保局观测站（119°.43′62.49″E、39°.89′96.24″N，ALT 0.5m，）、乐亭县气象观测站（39°25′11.47.22″N、118°53′40.31.52″E，ALT 9.7 m），以北戴河气象观测站为中心，北戴河环保局观测站在其西南，距离北戴河气象观测站2.5 km，乐亭县气象观测站在其西南，距离北戴河气象观测站38km。臭氧1小时浓度数据来自于北戴河区环保局，太阳总辐射照度数据来自于乐亭县气象观测站，其余数据来自于北戴河气象观测站。

环境空气质量标准（GB 3095-2012）规定“臭氧1小时平均（1-hour average）为任何1小时污染物浓度的算术平均值”，同样日、月、季、年平均值均为“各个自然时间段的算术平均值”。臭氧1小时平均浓度超标（二类）的阈值是200 ug/m3，大于200ug／m3即为超过国家标准（二类）。在数据处理中，如果当日臭氧1小时平均浓度出现1次（1小时）或1次以上>200 ug/m3即为当日臭氧超标。数据采集时间节点自2014年1月1日00：00时始至2020年12月31日23：00时止。

1.2研究方法

使用Excel软件和数理统计方法，对环境和气象要素的数据进行统计分析，绘制相关要素平均值的变化图表，计算臭氧1小时平均浓度的超标时数与相关气象要素平均值的相关系数，在显著性水平a=0.05的前提下，对相关系数进行显著性检验。

2分析与结果

2.1臭氧污染分布及基本特征

2.1.1臭氧污染年变化

2014年至2020年北戴河臭氧污染的年分布如图1（折线图部分）所示，2014年全年臭氧1小时平均浓度超标时数为2小时，2015年增加为57小时，2016年以后超标时数激增，除2018年90小时以外，其余年份，分别为2016年122小时、2017年241小时、2019年280小时、2020年160小时，7年合计超标952小时，且呈逐年快速增长趋势。以超标天数计，臭氧1小时平均浓度2014年超标2天，2015年29天，2016年36天，2017年45天，2018年28天，2019年52天，2020年34天，合计共超标226天，其中2019年为最多年份。

臭氧1小时平均浓度的年均值变化，从2014年的年平均40 ug/m3，增加到2020年的年平均75ug/m3（2014年-2020年7年均值为62.1 ug/m3），其年均值呈逐年上升趋势。图中各年度臭氧1小时超标浓度均值，历年相差不明显，最小值是210.5ug/m3，最大值为243.8 ug/m3，最高年份比最低年份的平均值高33.3 ug/m3，超标浓度7年平均值为233.5 ug/m3。

臭氧1小时平均浓度超标有时连续出现（图略），在7年总共952小时的超标过程中，统计≥2小时超标次数，则连续2小时超标41次、连续3小时超标27次、连续4小时超标25次，连续5小时超标14次，连续6小时超标10次，连续7小时超标15次，连续8小时超标8次，连续9小时超标4次，连续10小时超标11次，连续11小时超标7次，连续12小时超标4次，连续13小时超标2次，合计168次连续超标，单次连续超标时间最长为13小时。臭氧1小时平均浓度在连续超标3小时以下为161次（占比61.7%），合计为256小时（占比26.9%）。

2.1.2臭氧污染月平均分布

如图2所示臭氧1小时1月-12月日常平均浓度和超标浓度月分布情况，日常臭氧1小时月平均浓度呈中间高两边低的单峰型，6月份最高为107.9ug/m3，12月份最低为15.4 ug/m3，日常月均值为61.9 ug/m3；图中，超标臭氧浓度6月份最高为240.5ug／m3，1月份最低为205.5 ug/m3，12月份无超标发生，1-12月超标臭氧平均浓度为223.8 ug/m3。

统计各月出现的臭氧超标时数（图略），分别为1月份2小时、2月份1小时、3月份2小时、4月份66小时、5月份189小时、6月份273小时、7月份216小时、8月份95小时、9月份100小时、10月份5小时、11月份3小时，12月份无超标状况出现，合计952小时。超标时数较多月份为5-7月合计为678小时，占比为71.2%，8月-9月份超标时数合计为195小时占比为20.5%。

2.1.3臭氧污染24小时分布特点

臭氧污染一般从中午开始并持续到下午或午夜，如图3所示24小时00：00-23：00时臭氧浓度、超标时数分布。各时刻“超标时数”见图中黑色柱状图，凌晨00：00-04：00超标时数依次为14、6、6、3、2小时，其中05：00-09：00无超标，自10：00时超标时数逐渐增多，到下午16：00时达到峰值（127小时），17：00-23：00呈下降态势。超标最多时段在15：00-18：00时，超标分别为109、127、115、110小时。

超标臭氧浓度24小时各时刻分布（参考主要纵坐标轴、空心柱状图）呈起伏状态，00：00-04：00浓度缓慢降低（05：00-09：00时无超标），自10：00-11：00浓度上升达到峰值，12：00-23：00呈起伏状态，超标浓度均值为234 ug/m3。图3中，日常臭氧浓度24小时各时刻分布（参考次要纵坐标轴、折线图）呈波动状态，在00：00-07：00时浓度呈下降趋势且波谷在07：00时最低值46.7ug/m3，08：00-16：00浓度逐渐上升，16：00时波峰值为106.1 ug/m3，17：00-23：00时浓度又开始下降。

2.2臭氧污染与环境空气气象要素之间的关系

2.2.1臭氧与太阳总辐射照度

太阳总辐射照度是表征太阳照射的指标之一，乐亭县气象观测站各年份总辐射照度年均值2014年312.8 W/m2、2015年313.3 W／m2、2016年343.3W/m2、2017年329.8 W/m2、2018年327.1 W/m2、2019年336.3 W/m2、2020年335.8 W/m2，7年均值为328.3 W/m2，年均值最低是2014年，最高是2016年。整体呈起伏波动性（图略）。

太阳总辐射照度月分布如图4所示，太阳辐射最强是4月份为430.0 W/m2，5月份次之为409.3W/m2，11月份最弱为225.1 W/m2，12个月平均值为328.3 W/m2。比较图4与图2，太阳辐射最强月份（4月）与臭氧均值最高月份（6月）不重叠，这种状况是因为2014年-2020年4月份平均水平风速为2.1 m/s日平均最大水平风速为4.9 m/s，而6月份平均水平风速为1.5 m/s日平均最大水平风速为3.5 m/s，因而6月份更不利于空气流动、交换，较容易造成臭氧累积超标。

辐照度00：00-23：00时（图略）24小时均值为249.1 W/m2，14：00时辐照度581.1 W/m2为当日各时刻最高均值，早晨04：00时日出辐照度均值为1.3 W/m2，20：00时日落辐照度均值为0.2W/m2。

形成臭氧污染之前，要有长时间、较强的太阳辐射过程，统计分析表明，超标形成前连续3小时较高太阳辐照度值，极容易引起臭氧超标。2014年-2020年共226天超标，其超标前3小时的平均辐射照度为777.9 W/m2。因此以700 W/m2为参数计算超标发生率。计算公式为：P=d1／d2（p：超标发生率，d1：超标前连续n小时辐照度> 700 W/m2的超标日数，d2：超标前连续n小时辐照度>700 W/m2的总日数）。计算结果显示连续3小时辐照度均值>700W/m2，臭氧超标发生率为67.3% （191/284）；连续2小时辐照度均值>700 ug／m3臭氧超标发生率为42.5% （191/449）。

当臭氧污染发生后，随着臭氧浓度的增加，含有臭氧的光化学烟雾会消减太阳辐射。表1中，臭氧超标期间有453小时其太阳辐照度在0-199 W/m2之间、85小时在200-299 W/m2之间、76小时在300-399 W/m之间、60小时在400-499 W/m2之间，臭氧超标期间的辐照度在0-399 W/m2之间合计有614小时，占比为64.5%。

2.2.2臭氧与风速

如表1所示，臭氧污染主要发生在静风（0.0 m/s-0.2 m/s，蒲福风力等级国标GB/T 28591-2012）或软风（0.3 m/s-1.5 m/s）期间。其中，风速小于0.3 m/s时，发生221小时污染，0.3 m/s-0.6m/s之间有191小时、0.7m/s-1.0 m/s之间有133小时，1.1 m/s-1.4 m/s有146小时，合计风速在0.0 m/s-1.4 m/s之间发生691小时，占全部污染的72.6%，表明环境空气的风速越小，越容易发生臭氧污染。在风力等级轻风（1.6 m/s-3.3m/s）范围内出现252小时臭氧污染占比为26.5%，风力为微风（3.4 m/s-5.4 m/s，）以上仅仅出现9小时，微风以上空气的流通性较强，不利于污染气体的堆积。

2.2.3臭氧与能见度

空气水平能见度是衡量空气透明度的指标，对到达地面的太阳辐射有一定影响。能见度越高表示在空气介质中气溶胶（0.01-10 um固态、液态颗粒）含量越少，太阳辐射穿透大气到达地面的能力越强。表1中能见度≥16 km时，臭氧1小时平均浓度超标341小时，能见度为15 km时，有125小时超标，14 km时有105小时超标。能见度在14 km-16 km以上时，合计超标占比为60%。能见度10km-13 km时超标290小时，占比为30.5%。其中能见度≤7 km时，仅有3小时臭氧超标。

2.2.4臭氧与温度

臭氧污染绝大多数出现在4月-10月份，5月-7月份出现频率最高。如表1所示，地面气温<12℃时，臭氧1小时平均浓度超标有12小时，气温在24℃-26.9℃（平均气温25.3℃）发生235小时（次）占比24.7%，在27℃-29.9℃（平均气温28.3℃）之间占比为22.9%，二者合计占比47.6%。夏至前30天的平均气温是25.6℃，夏至后30天的平均气温28.4℃，期间太阳直射北半球，北半球与太阳的距离最短，地面接收的包括紫外辐射的太阳总辐射最强，此期间无明显冷空气过境，小风频率高不利于光化学烟雾扩散，臭氧污染时数最多。

2.2.5臭氧与相对湿度

2014年-2020年平均相对湿度为67.4%，其中春季平均相对湿度为61.5%，夏季81.6%、秋季68.2%、冬季为58.4%，相对湿度按冬－春－秋－夏递增，湿度最高季节夏季比最低季节冬季高39.7%。表1中相对湿度区段50%-59.9%超标149小时占比15.7%，60%-69.9%区段267小时占比28%，70%-79.9%区段229小时占比24.1%，80%-89.9%区段125小时占比13.1%，在相对湿度50%-89.9%区段，臭氧超标占总发生时数的80.9%。

2.2.6臭氧与气压

臭氧污染期间的气压变化，表1中污染时数较多的区段在1000-1007.4 hPa之间，其中有142小时发生在气压1 000-1 002.4 hPa区段，有256小时在1002.5-1004.9 hPa区段，有210小时气压值在1 005-1 007.4 hPa区段，合计608小时，占总超标时数的63.9%，其它区段发生的频率合计占36.1%。7年气压总平均值是1016.7 hPa，超标期间的气压均值为1 005.2 hPa，污染期间的气压均值比总平均气压低11.5 hPa，可见臭氧污染期间的气压场相对较弱。

2.3臭氧污染时数与气象要素的相关性

计算气象要素与臭氧污染时数的相关性（显著性水平a=0.05）如表2所示，其中气温、相对湿度、污染前3小时总辐照度、能见度与其正相关；而气压、污染期间总辐照度、风速与其负相关。对其相关关系做显著性检验，表2中p值既有显著也有不显著，p值小于0.05的分别为气温、气压、污染期间总辐照度、风速、能见度，其中与污染时数相关性最好的是风速、污染期间总辐照度。

3结论

2014年-2020年臭氧1小时平均浓度年均值为62.1 ug／m3，月均值为61.9 ug／m3，且呈逐年增长的趋势；总超标时数952小时合计226天，最长连续超标时数13小时，最长连续超标日数7日，超标高发月份为5-7月份；臭氧1小时平均浓度在07：00时最小为46.7 ug/m3，16：00时最大为106.1 ug/m3。太阳总辐射照度年均值为328.3W/m2，4月份太阳辐射最强11月份最弱。臭氧污染发生前，连续3小时辐照度均值>700 W/m2，臭氧超标发生率为67.3%。臭氧污染主要发生在水平风速0.0 m/s-1.4 m/s之间，占全部污染的72.6%。在显著性水平a=0.05条件下，臭氧污染时数与气温、相对湿度、污染前3小时总辐照度、能见度正相关，与气压、污染期间总辐照度、风速负相关，其中风速和污染期间总辐照度跟臭氧污染时数相关性最显著。