衢州市区臭氧浓度变化特征及影响因素*

2023-05-27唐家翔张金祥徐宏辉陆沅泉

环境污染与防治 2023年5期

张超唐家翔张金祥徐宏辉陆沅泉

(1.浙江省衢州市气象局,浙江衢州 324000;2.海南省气象台,海南海口 570203;3.浙江省气象科学研究所,浙江杭州 310008;4.浙江省衢州市生态环境监测中心,浙江衢州 324000)

臭氧(O3)在对流层中虽然占比很小[1],但随着人类不断排放氮氧化物(NOx)等前体物[2-3],经光化学反应转化成的O3越来越多,导致对流层中O3浓度不断升高,成为对流层大气中的污染物。对流层大气中的O3超过一定浓度不仅会导致植物死亡和农作物减产,还会危害人类呼吸系统[4-7]。近年,O3污染问题日益突出,已经成为继细颗粒物(PM2.5)后影响空气质量的重要污染物[8]。

O3浓度与气象要素息息相关。焦姣等[9]发现,O3小时浓度与温度、风速呈正相关,与相对湿度呈负相关。杨溟鋆等[10]研究表明,重庆市O3中重度污染期间,其空间分布受山谷风环流与城市热岛效应影响。刘强军等[11]研究发现,太行山南麓O3浓度与温度具有明显正相关,与太阳总辐射也呈正相关。符传博等[12]研究三亚市的O3浓度变化特征时发现,稳定的东北风风场、高温低湿的天气是造成O3污染发生的主要原因。而任万辉[13]认为,造成沈阳市O3污染的主要天气类型有暖脊型、均压场型、高空槽型和副热带高压型4种。

长三角是我国工业较为发达的地区,由于NOx等前体物排放较多,O3污染较为严重。很多学者对长三角的O3污染研究发现:丽水市的O3年际变化呈上升趋势[14];杭州市O3污染指数日均值春季最大[15],O3除本地生成外,还受到外地污染传输影响[16];南京市O3浓度比北京市、上海市、广州市、成都市、兰州市和武汉市都高[17];台州市[18]本地排放源是O3的主要来源,而且春季贡献率最高。

衢州市位于长三角西南部,有“四省通衢”之称,交通发达,人类活动频繁,正处在建设“活力新衢州,美丽大花园”的关键期,空气质量倍受关注。衢州市及其周边地区氟化工企业较多,又地处金衢盆地,污染物容易积累,然而衢州市的O3污染还是鲜有关注。本研究统计了2018—2020年人口聚集的衢州市区O3逐小时浓度,分析其变化特征,并与气象要素和前体物进行相关分析,为掌握衢州市区O3浓度变化规律和影响因素提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 资料

衢州市区有3个环保国控站,分别为衢州学院、环保大楼和实验学校,本研究利用该3个环保国控站2018—2020年的逐小时O3和NO2浓度数据进行分析。

气象要素数据(温度、降水量、相对湿度、日照时数和风向、风速)来自衢州市区的3个气象观测站,其中有1个国家基本气象站,2个区域气象站(衢州学院气象站和黄家街道气象站),也为2018—2020年逐小时数据,3个站点的数据取平均值。

衢州市区环保国控站和气象观测站的位置如图1所示。

图1 资料选取站点位置Fig.1 Location of data selection sites

1.2 方法

根据《环境空气质量指数(AQI)技术规定》(HJ 633—2012),将O3年均值和日最大8 h滑动平均值(O3-8 h)分成3个级别:一级(0～100 μg/m3)、二级(>100～160 μg/m3)、三级(>160～215 μg/m3),分别对应优、良、轻度污染。O3年、季、月、日平均值均用逐小时的数据平均得到。

2 结果与讨论

2.1 衢州市区O3浓度年变化

衢州市区2018—2020年O3浓度年均值和O3-8 h各级别天数见表1。总体来看,O3各年均值都处于一级水平(优),且呈连续下降趋势,说明衢州市“蓝天保卫战”有一定成效。

统计O3-8 h各级别的天数发现,衢州市区2018—2020年O3-8 h一级天数占绝大多数,达到60.04%,三级天数仅占4.20%。从变化趋势来看,一级天数逐年上升,从最低的2018年215 d(占比59.90%)上升到2020年的223 d(占比60.93%);相反,三级天数逐年下降。

表1 2018—2020年O3质量浓度年均值和O3-8 h各级别天数Table 1 O3 annual mass concentration and days of O3-8 h at various levels from 2018 to 2020

2.2 衢州市区O3浓度月、季变化

衢州市区各季度O3质量浓度春季最高,为64.49 μg/m3,其次秋季62.75 μg/m3,夏季61.20 μg/m3,冬季最低,仅为33.89 μg/m3。

从图2来看,衢州市区O3月浓度变化呈现“M”双峰型,其中峰值出现在5、9月。一般而言,夏季O3浓度高于其他季节,因为O3浓度与前体物发生光化学反应效率有关,太阳辐射强、温度高的夏季有利于前体物转化生成O3[19-21]。然而衢州市区却是春季与秋季较高,夏季反而略低,可见衢州市区O3浓度时间变化规律与其他大多城市具有差异性。

进一步分析衢州市区O3浓度夏季偏低原因,发现衢州市区的气候特点是6—7月为梅雨季节,降水量比其他月份多,从而导致该时段太阳辐射较少,不利于前体物转化生成O3。统计2018—2020年衢州市区每月降水量可以看到,6—7月的降水量明显大于其他月份。由此可见,O3浓度受太阳辐射影响较大,而降水对太阳辐射影响也较大。但仍需要指出的是,衢州市区春季降水量比秋季略多,但O3浓度却比秋季略高,因此断定O3浓度除了受气象因素影响外,还存在其他因素影响,比如春季排放源增多、闪电活动增多、大气湍流运动增多等等,其中具体机理有待于进一步研究。

图2 2018—2020年O3和降水量月变化Fig.2 Monthly variation of O3 and precipitation from 2018 to 2020

2.3 衢州市区O3浓度日变化

2018—2020年衢州市区3个环保国控站的平均O3浓度日变化见图3。可以看出,衢州市区O3浓度日变化呈现单峰型变化,表现为白天高,夜间低,最低值出现在6:00前后,之后迅速上升,直到15:00前后达到最高值,随即逐渐下降。衢州市区O3浓度日变化规律与温度和NO2浓度有关。上午随着温度迅速升高,O3浓度随之迅速升高,而此时前体物NO2浓度却迅速降低,说明温度升高有利于前体物NO2转化生成O3。温度在15:00前后达到最高值,O3浓度也在同时达到最高值,而NO2浓度提前降到最低值,说明当温度达到最高值时,前体物NO2转化生成O3的效率最高。夜间,温度、O3浓度、NO2浓度的变化幅度都比较平缓,说明在夜间由于没有太阳辐射,且温度较低,前体物无法转化生成O3,导致O3浓度较低,NO2浓度较高,且波动幅度较小。

图3 2018—2020年O3、NO2和温度的日变化Fig.3 Daily variation of O3,NO2 and temperature

2.4 O3浓度与气象要素的关系

分别统计O3-8 h一级、二级、三级天的气象要素平均值(见表2)发现,O3-8 h一级的温度为16.3 ℃,O3-8 h三级温度升高到了25.9 ℃,可见温度升高会提高前体物转化生成O3的效率。O3-8 h一级、二级、三级日照时数依次为5.1、7.6、9.6 h,日照是光化学反应的基本条件,日照时数越长,越有利于前体物转化成O3。O3-8 h一级的相对湿度为82.4%,O3-8 h三级降为60.7%,说明空气干燥有利于O3生成。O3-8 h一级的降水量12.0 mm下降到O3-8 h三级的1.1 mm,进一步验证了降水量增多造成太阳辐射减少,从而影响前体物转化生成O3。O3-8 h一级、二级、三级的风速分别为2.3、2.1、2.2 m/s,基本没有差别。

表2 2018—2020年O3-8 h分级的气象要素统计Table 2 Statistics of meteorological elements under different O3-8 h levels from 2018 to 2020

5种气象要素除了风速以外,其余4种均通过0.01的显著性检验,与O3浓度相关系数最大的是日照时数。

综合分析气象要素与O3浓度的关系可知,在干燥、阳光充足、高温少雨的气象条件下,O3浓度高;相反,在潮湿、日照较少、低温多雨的气象条件下,O3浓度低。

2.5 O3浓度与前体物NO2浓度的关系

分别统计O3-8 h一级、二级、三级天的NO2平均浓度(见表3)发现,O3-8 h一级、二级、三级的NO2质量浓度呈下降趋势,由30.75 μg/m3下降到23.17 μg/m3,这是因为NO2转化生成O3后,其浓度下降,因此NO2浓度和O3浓度呈显著负相关关系,通过0.01的显著性检验,相关系数为-0.424,反映出衢州市区O3浓度主要由本地生成。

表3 2018—2020年O3-8 h分级的NO2统计Table 3 Statistics of NO2 under different O3-8 h levels from 2018 to 2020

2.6 典型O3污染过程分析

2019年9月下旬衢州市区持续多日处于副热带高压控制下,长时间为高温、干燥、无降水天气,太阳辐射强,非常有利于前体物转化生成O3,所以O3浓度一直处于较高水平。直至10月1日,台风“米娜”靠近浙江中北部沿海区,尽管衢州市区没有受台风环流影响,但也转为阴有降水天气,温度降低,使得O3前体物转化减弱,O3浓度降低。此次污染过程中28日、29日、30日最大O3-8 h分别达到了189.00、194.01、185.03 μg/m3,均为三级水平(轻度污染)。

图4分析了9月28日6:00至10月1日23:00的逐时O3浓度与气象要素。从9月底的每日变化可以看出,7:00温度开始上升,相对湿度下降,O3浓度随之快速增长;到了午后,以上变化相反。然而10月1日不再出现前面3天的日变化规律,表现为随着温度升高,O3浓度不是显著上升,反而下降。对比9月底与10月1日的气象要素发现,9月底日照时数每天有7～9 h,而10月1日降到了0 h,并且相对湿度一直都较高,说明日照时数对O3浓度具有重要影响,表2日照时数相关系数绝对值最大也说明了这一点。