郴州市区大气臭氧污染特征及气象条件分析

周齐英,袁 韬,刘 徽

(1.湖南省永兴县气象局,湖南 永兴 423300;2.气象防灾减灾湖南重点实验室,湖南 长沙 410118;3.湖南省郴州市气象局,湖南 郴州 423000)

0 引言

近年来,随着大气颗粒物污染的改善,O3污染成为大气污染整治工作的重点,给环境和公众生活带来危害。研究表明,近地面O3主要是由人类活动排放的氮氧化物(NOx)和挥发性有机物(VOCs)等污染物在大气中经过光化学反应所产生[1-2],随着城市化进程加快,城市区域机动车的增加和可挥发性有机物排放量显著增加,O3问题变得日益严峻,在人们生活健康、动植物生长、气候系统变化等方面造成较大危害[3-5];O3浓度高低除了与相关前体物浓度有关外,还与气象条件有着密切的联系[6]。黄俊等[7]研究表明,广州市城郊的O3浓度在晴天最高,其次是少云和多云天气,最低是在雨天。气温高、日照长、辐射强、气压低、湿度小及2～3级的风力是广州地区近地面产生高浓度O3的主要气象因素。吕长春[8]研究表明,四川自贡市O3-8h浓度与温度呈正相关关系,温度越高,O3-8h平均浓度越高;与湿度呈负相关关系,当相对湿度处于50%～60%区间时,有利于O3生成。齐冰等[9]研究2012—2016年杭州市近地面O3连续观测资料发现,冬季O3浓度较低,其余季节均较高,O3浓度日变化呈单峰型分布,14时出现峰值,O3浓度变化与紫外辐射、温度呈正相关关系,与相对湿度呈负相关关系。紫外辐射>0.02 MJ·m-2、气温>20 ℃、相对湿度<70%时,O3浓度会出现超标情况。

郴州市位于湖南省东南部,与广东韶关接壤,地处南岭山脉中段与罗霄山脉南段交汇地带。境内地貌复杂多样,多山丘,山地丘陵约占近3/4。气候四季分明,春早多变,夏热期长,秋晴多旱,冬寒期短。不同地区的大气环境、地理生活环境因素存在较大差异,研究郴州地区的O3浓度变化规律及其气象影响因子,提高O3预报水平,可为郴州大气环境治理提供帮助。

1 数据与方法

O3、NO2数据来自郴州市环境监测站2017—2020年逐日、逐小时监测数据,包括郴州兴隆步行街、郴州市环保局、郴州市审计局、郴州市职中4个国控站(图1),气象观测数据来自郴州国家基本气象观测站。

图1 2017—2020年4个环保监测站(A、B、C、D)及气象观测站点(E)位置图

对2017—2020年O3日最大8 h滑动平均(O3-8h)不同浓度范围,对应的日平均温度(T)、日平均相对湿度(RH)、日平均本站气压(P)、日降水量(R)、日照时数(S)进行分区统计分析;并利用SPSS软件进行相关分析;选取O31 h平均(O3-1h)浓度超标(>200 μg·m-3)及气象要素进行统计分析超标阈值。季节上采取气象定义,春节为3—5月,夏季为6—8月,秋季为9—11月,冬季为12—次年2月。

2 结果与讨论

2.1 O3-8h浓度年变化分布特征

2017—2020年O3-8h浓度第90百分位数W值分别为150 μg·m-3、153 μg·m-3、137 μg·m-3、125 μg·m-3,均未达到《GB 3095—2012环境空气质量标准》[10]二级标准限值。近年来,各级地方政府加强举措,打好蓝天保卫战,加大大气污染防治工作力度,加之2020年新冠疫情影响,一定程度上有利于大气环境向好[11-12]。从图1可以看出,郴州市区4个环境监测站O3-8h年平均浓度差异不大,在76～80 μg·m-3之间。表1中郴州市区日O3-8h的质量等级评价主要以优为主,占全年总日数的62%～73%,其次是良,污染等级以轻度为主,2018—2020连续3 a未出现中度、重度污染特征;O3作为郴州常见污染物(PM2.5、PM10、O3)之一,出现O3污染的日数占总污染日数的比例有上升趋势,2017年52.9%(108/255),2018年38.1%(84/220),2019年59.3%(133/224),2020年59.2%(96/162)。

表1 2017—2020年郴州市区O3-8h质量分指数(IAQI)等级分布及首要污染物占比

2.2 O3-8h浓度逐月变化特征

从图2可以看出,出现O3轻度污染时段集中在4—11月,其余月份未出现轻度及以上污染。9月份发生轻度污染天数最高,2017—2020年累计天数达21 d;其次为10月的9 d。郴州市区O3-8h月均值(图2a)浓度范围为32～175 μg·m-3,月变化大致呈双峰型,第1个显著增长时段在1—5月。随着气温升高,日照辐射逐渐增强,光化学反应活动增多,O3-8h浓度在5月达到第1个峰值(114 μg·m-3),6月有所降低,但总体保持在较高水平。6—7月是郴州暖区性热对流强降水过程、台风影响集中期[13-14],降水过程抑制了太阳辐射,并通过湿沉降促进O3的消散;第2个显著增长时段在6—9月,在9月达到第2个峰值(175 μg·m-3)。10—12月O3-8h浓度逐渐降低。秋季大气环流多受稳定的高压控制,太阳辐射较强,日照时数较多,有利于O3生成。

图2 2017—2020年郴州市区O3-8h浓度月变化(a)、NO2浓度月变化(b)

从2017—2020年NO2浓度月变化(利用24 h平均值计算)来看(图2b),NO2与O3-8h浓度呈负相关关系,相关系数为-0.311,2020年上半年NO2浓度降低,但O3浓度并没有较其他年份明显偏低,可能和排放源增加有关,2020年下半年NO2浓度接近常年,但O3-8h浓度较前几年偏低,下半年温度和日照条件稳定较好,可能和NOx对臭氧的滴定作用有关。

2.3 O3-1h浓度日变化特征

郴州市区2017—2020年O3-1h全年数据日变化呈单峰型(图3a),白天浓度明显高于夜间,全年NO2小时数据日变化呈双峰型(图3b),二者呈显著负相关性,相关系数为-0.601。08时之前,O3浓度一直处于较低状态且呈缓慢下降趋势,主要由于夜间无光化学反应,O3消耗导致浓度下降,在08时左右出现谷值。NO2在夜间积累,07时开始,机动车出行增加,排放尾气造成NO2浓度在09时出现峰值。09时后随着气温逐渐上升以及太阳辐射不断增强,在光化学反应的作用下,O3浓度在14—16时左右达到峰值,NO2被大量消耗。随着太阳辐射强度的减弱,光化学反应减弱,NO等还原物质的消耗,O3又逐渐降低[15-16],NO2浓度不断增加,在23时出现峰值。

图3 2017—2020年郴州市区O3-1h浓度日变化(a)、NO2浓度日变化(b)

2.4 O3浓度与气象因子的关系

2.4.1 不同气象要素对O3-8h浓度的影响分析 总结黄俊等[7]、崔坤等[17]研究方法,对2017—2020年日平均温度(T)、日平均湿度(RH)、日平均本站气压(P)、日降水量(R)和日照时数(S)进行分区统计分析。

表2给出了不同气象要素范围下的O3-8h浓度。O3-8h浓度随着气温升高而增加,当T>10 ℃时O3-8h平均浓度值最低仅41 μg·m-3,T>30 ℃时O3-8h浓度为118 μg·m-3,T≤10 ℃时O3-8h浓度仅为41 μg·m-3;O3-8h浓度随着相对湿度(RH)升高而逐渐降低,当RH>90%时,O3-8h浓度明显降低,为50 μg·m-3,50%10 h时O3-8h浓度为127 μg·m-3,5 h

表2 不同范围气象要素的O3-8h浓度

2.4.2 O3浓度与气象要素的相关性分析 对郴州市区2017—2020年的逐日O3-8h浓度和气象要素平均值进行相关性分析。从表3可以看出,O3-8h浓度与日平均温度(T)和日照时数(S)成正相关,其中与风速的相关性不明显为0.022。

表3 O3-8h浓度和气象要素的相关性(n=1461)

O3-8h浓度与气压(P)、湿度(RH)、降雨量(R)成负相关。与日照时数相关性最好,相关系数为0.661;其次是湿度,相关系数为-0.65,与降水的相关性为-0.200。

2.4.3 O3-1h浓度超标的关键气象因子阈值 选取2017—2020年的O3-1h浓度超标值(>200 μg·m-3)及对应的小时平均温度(T)、平均本站气压(P)、平均相对湿度(RH)、平均风速(V)进行统计分析,结果如图4所示。当郴州市区O3-1h浓度超标时,T的范围为22～34 ℃,25℃以上时O3易超标(图4a);P的范围为960～973 hPa,在967 hPa以上高压控制的稳定晴好天气下,有利于O3生成积累(图4b);RH的范围为26%～58%,极端值72%出现在2017年7月29日14时,偏北风加大,可能是上游长株潭地区污染物输送造成O3-1h超标,当相对湿度低于40%的情况下O3易超标,占比达73.6%(图4c);当V的范围为1～4 m·s-1,4～10 m·s-1,O3-1h浓度超标率分别为56.0%、44.0%(图4d)。

图4 O3-1h浓度超标时气象要素值T(a)、P(b)、RH(c)、V(d)统计箱线图

2.4.4 O3-8h浓度与风的关系 除了风速扩散作用对污染物的影响之外,上游污染物输送和风向对O3-8h浓度也有重要的影响[18-19]。郴州市区夏半年以偏南风向为主,冬半年以偏北风向为主。O3-8h浓度也主要体现在偏南风和偏北风的影响上(图5),O3-8h浓度出现极值时,大部分都是在偏北风的背景下,郴州偏北方向有衡耒重工业地区,再往北是长株潭工业生产区,市区南部6 km是郴州工业园区、40 km左右是宜章县城和宜章化工业园区,这可能是在南北风向背景下方向,O3-8h浓度较高的原因。

3 臭氧污染过程气象条件分析

3.1 污染过程概述

2020年4月27—30日,郴州市区发生了1次O3污染过程,其中28日、29日为轻度污染,首要污染物均为O3。27日开始,天气形势逐渐稳定,近地面风速小,污染扩散条件较差,空气质量指数为82,良,O3-8h浓度为138 μg·m-3。

从表4中可以看到,28日开始,受气温升高、光照增强、风速加大等不利气象条件影响,O3浓度开始上升,28日空气质量指数(AQI)为102;29日气温进一步升高,AQI指数值为142,O3-8h浓度为206 μg·m-3,从29日12时开始,O3-1h浓度持续超标8 h,小时峰值达242 μg·m-3(13时);30日受低空急流加强影响,近地面风速加大,污染物浓度逐渐降低。此次污染过程,一方面郴州地区受地面高压控制,高空以西南气流为主的稳定环流形势控制,连续4 d的日平均最高气温较历史平均偏高2 ℃,持续日照时间长,以上气象要素条件有利于臭氧生成;另一方面,在近地面南风风力大的条件下,南部区域的临武县、宜章县有污染物不断输送,共同造成此次O3污染。

表4 2020年4月27—30日逐日空气质量实况与气象要素

3.2 天气形势分析

根据4月28日08时500 hPa和29日08时925 hPa探空实况资料(图略),28日高空槽逐渐东移入海,郴州地区转为受高空平直西风气流影响,850 hPa上郴州地区处于高压底部,以晴好稳定天气为主,08—20时市区近地面以下沉运动为主(图6黑色虚线框),有利于O3在地面累积;29日低层925 hPa西南气流逐渐加强,中低层转为上下一致的西南气流控制,地面气温升高,西南风风力加大,日照时间较长,近地面层以下沉气流为主等气象因素均有利于本地O3生成及外源输送。29日15时850 hPa附近垂直速度有辐合,有可能导致14—15时地面臭氧浓度发生变化。

图6 2020年4月28—29日ERA5再分析资料风场(单位:m·s-1)和垂直速度图(单位:-0.1 Pa·s-1)

3.3 地面气象条件分析

4月28日午后最高气温达29.6 ℃,湿度低,天空状况好,日照时间达11 h,晴空辐射强,且近地面存在风向辐合,有利于污染物汇聚。29日最高气温达30 ℃,日照时间10 h,03时开始偏南风平均风速加大到6.8 m·s-1,日极大风速达8 m·s-1,可能造成偏南方向区域污染输送,导致白天O3污染继续加剧,在13时达到第1个峰值242 μg·m-3,14—15时2个时次浓度持续降低至180 μg·m-3,16时后又出现峰值。根据郴州市区南风风向上游2个县城宜章(南方)、临武(西南方)O3监测数据来看,宜章、临武的O3浓度同样在13—15时具有相同的变化趋势,因此强盛南风输送的上游地区污染物,也是造成此次市区O3污染过程的重要因素。29日20时后,进入夜间无日照,O3无法继续生成,且南风影响区域进一步北推扩大,对污染物有较好的清除作用。

4 结论与讨论

(1)郴州市区O3空气质量分指数(IAQI)等级主要以优良为主,占全年的63.5%～93.9%,污染等级以轻度为主。O3作为首要污染物出现占比增加,2019年、2020年分别达到59.3%、59.2%。

(2)郴州市2017—2020年O3-8h月均值浓度范围为32～175 μg·m-3,月变化大致呈双峰型,出现在5月和10月,均与气温升高、日照辐射逐渐增强、大气条件稳定等有关。O3-1h日变化呈单峰型,白天浓度明显高于夜间。在08时左右降至一天中最低,在14—16时达到峰值。O3-8h浓度与NO2呈负相关关系,相关系数为-0.311;O3-1h日变化与NO2相关性显著,相关系数为-0.601。

(3)对郴州市区4 a的逐日O3浓度和气象要素进行相关性分析,O3浓度与温度和日照时数成正相关,与气压、湿度、降水成负相关,相关系数分别为-0.422、-0.653、-0.200,与日照时数相关性最强为0.661;风向的影响主要在偏南和偏北方向。

(4)2020年4月27—30日郴州市区1次O3轻度污染过程,发生在高层为平直西风环流,低层受高压底部控制的天气形势下。28日、29日最高气温分别达到29 ℃、30 ℃,湿度在55%左右,日照时间平均达11 h,近地面有风向辐合,偏南风风速大,有利于本地生成的O3和南方外源输送O3在本地积蓄。这是造成本次O3污染的重要原因。

(5)本文仅对郴州2017—2020年O3变化特征及其气象因子的关系进行了统计分析,并选取在典型高压系统下稳定环流形势中的1个典型污染过程进行简单理论分析,未做深入研究。O3是在NOx和VOCs等前提物进行的复杂光化学反应中生成的,其影响因素及变化特征还需进一步深入探索。