烟台市区臭氧污染特征及气象成因

王一龙,董韶妮,徐淑飞,姜 超

(1.烟台市芝罘环境监控中心,山东 烟台 264000;2.烟台市环境监控中心,山东 烟台 264003;3蓬莱海关综合技术服务中心,山东 烟台 265600;4.烟台市气象局,山东 烟台 264003)

近年来,我国大气细颗粒物(PM2.5)污染总体防控成效显著,而以O3为首要污染物的中度及以上污染天数上升趋势明显[1-3],已演化为影响我国环境空气质量的重要因素[3-4]。近地面O3主要是由氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)和挥发性有机物(VOCS)等前体物在适宜的气象条件下发生一系列光化学反应的二次产物,高浓度O3对人类健康、气候和生态环境造成不利影响[5-7],O3污染问题已引起社会的广泛关注[8]。目前,关于O3浓度变化特征及生成要素的研究已成为当前大气污染研究的热点[9-10]。国内外已有研究表明,近地面O3浓度分布及变化规律存在显著的区域性差异,但都存在明显的季节变化和日变化特征[3,11-12],不仅受前体物排放和大气光化学过程控制,还与局地气象条件密切相关[13-14]。此外,O3浓度变化还具有一定区域传输特性[15],与周边O3及其前体物区域传输有关[16-17]。

烟台是山东半岛的中心城市之一,也是重要的港口城市,属暖温带大陆性季风气候,兼受海洋性气候调节,具有独特的气候特征[18]。自2017年O3成为烟台市首要污染物以来,近几年O3污染问题日益突出,其中2019年烟台市O3作为日首要污染物的比例高达40.8%。本文基于烟台市区2018—2020年逐时O3监测数据及同期气象观测资料,分析了烟台O3浓度分布特征及其与气象条件的关系,探讨了利于烟台市区O3污染形成的气象因子阈值,以期为烟台市区O3污染预警及防治提供参考依据。

1 资料和方法

本研究对烟台市区2018—2020年的空气质量数据和气象数据进行分析。空气质量数据来源于烟台市环境监控中心共享数据,研究区域内包括烟台开发区、轴承厂、西郊化工站等7个国控地面监测站,基本覆盖整个烟台市区。气象观测资料来源于烟台市国家气象观测站同时期数据,包含气温、气压、相对湿度、小时降雨量、风速及风向逐时数据。文中ρ(O3-1h)、ρ(O3-8h)分别为臭氧质量浓度小时平均值和臭氧质量浓度8 h滑动平均值,O3小时超标是指ρ(O3-1h)>200 μg/m3,O38 h滑动平均超标是指ρ(O3-8h)> 160 μg/m3,指标解释及评价方法见相关标准[19-20]。

2 结果与讨论

2.1 ρ(O3)总体变化特征

烟台市区2018—2020年O3浓度统计显示(图1),ρ(O3-8h)变化范围为16～259 μg/m3,平均值为101 μg/m3。由图1可知,ρ(O3-8h)分布主要集中在50～160 μg/m3之间,占85.4%,其中ρ(O3-8h)>160 μg/m3共出现了93 d,且主要分布在3—10月份,以5—6月份居多,分别出现了14 d 和17 d。依据《环境空气质量标准》[19]评价可知,ρ(O3-1h)最大为288 μg/m3,为国家二级标准的1.4倍,累计超标124 h,浓度高值集中在4—10月份,其中以6月份为最高,超标时刻主要集中在13:00—17:00。ρ(O3-1h)连续超标4 h以上的共有8 d,分别出现在6、8和9月份,天数依次为3、2、2 d;最长连续超标时长为11 h,出现在2020年6月19日11:00—21:00。

图1 2018—2020年烟台市区ρ(O3-8h)逐年变化

2.2 ρ(O3-1h)季节变化特征

由图2可见,烟台市区ρ(O3-1h)在一年中整体表现为中间高,两头低的趋势。一年中ρ(O3-1h)平均值最高点出现在6月份为(179±7) μg/m3;最低点出现在12月份,为(71±9) μg/m3。从季节划分(3、4、5月份为春季,6、7、8月份为夏季,9、10、11月份为秋季, 12、1、2月份为冬季)角度来看,烟台市区O3浓度在不同季节的变化特征为夏季>春季>秋季>冬季(图3)。其中,秋、冬季ρ(O3-1h)较低,且冬季无O3超标发生,主要是受低气温影响,导致光化学反应较弱而造成的;春季近地面ρ(O3-1h)明显升高,可能与春季多发“对流层顶折叠”现象及对流层上部高浓度O3通过沉降等作用向下传输有关[21];夏季太阳辐射、气温明显高于其他季节,O3前体物光化学反应进一步加剧,因此ρ(O3-1h)高于其他季节。

图2 2018—2020年烟台市区ρ(O3-1h)逐月变化

图3 2018—2020年烟台市区ρ(O3-1h)不同季节变化

2.3 ρ(O3-1h) 日变化过程

由图4可以看出,烟台市区ρ(O3-1h)日变化过程整体呈明显的“单峰单谷”型分布,与多个地区ρ(O3-1h)日变化特征一致[22-24]。日变化过程主要包含O3及其前体物的前夜累积、清晨氮氧化物大量排放O3抑制、O3光化学生成、O3消耗4个阶段。夜间至清晨无光化学反应,但近地面O3不断被NO消耗,浓度逐渐降低,一般早8:00时达到O3浓度谷值。随着交通早高峰的到来,大量汽车尾气中的氮氧化物等O3前体物释放,辐射强度及气温升高,光化学反应增强,O3浓度不断升高,午后14:00—15:00时O3浓度达到峰值,上述时段为O3光化学生成阶段。随后,O3浓度随着紫外辐射强度的减弱迅速降低,下午16:00到凌晨是O3消耗及沉积阶段,交通晚高峰机动车排放的NO使得O3的消耗速率加快,而同时排放的氮氧化物等O3前体物因光线条件下降而不再发生光化学反应,至次日凌晨7:00—8:00时,O3浓度降低至一天中的最低水平。

图4 2018—2020年烟台市区ρ(O3-1h)日变化特征

2.4 温湿度对ρ(O3-1h)的影响

研究表明,气温高低对O3的生成速率影响显著[25]。由图5可以看出,从低到高不同的温度区间,ρ(O3-1h)及超标率变化相似,呈递增趋势。当气温<15 ℃时,ρ(O3-1h)超标现象出现;当气温介于15～20 ℃时,ρ(O3-1h)超标率仅为0.15%;当气温介于20～25、25～30 ℃时,ρ(O3-1h)超标率上升明显;当气温>30 ℃ 时,ρ(O3-1h)超标率超过10%。该结果与成都、广州等地区的O3研究结论一致[26-27],这主要是由于随着气温和太阳辐射增强,大气光化学反应加剧,致使O3浓度快速攀升[28]。

图5 2018—2020年烟台市区ρ(O3-1h)及超标率随气温的变化

由图6可知,当相对湿度在30%～40%时,ρ(O3-1h)>100 μg/m3,超标率最高可达2.18%。当相对湿度>70%时,ρ(O3-1h)低于50 μg/m3,浓度下降趋势明显;当相对湿度>90%时,ρ(O3-1h)无超标情况发生。综上可见,ρ(O3-1h)随相对湿度的增加而降低,这主要是由三方面原因导致:一是紫外辐射被大气中水汽的消光机制衰减,光化学反应效率得到抑制;二是O3会被大气中水汽所含的OH、HO2等自由基分解为O2,致使O3浓度降低;三是有利于O3干沉降作用发生的环境一般相对湿度都较高[29]。

图6 2018—2020年烟台市区ρ(O3-1h)及超标率随相对湿度的变化

如图7所示,在气温相同的条件下,相对湿度越低的大气环境中O3浓度更高,即“干热”的气象条件更有利于近地面O3浓度上升,与杭州、银川等地区的近地面大气O3浓度的研究结果相一致[22,30]。主要由两个因素造成:一是大气中的长、短波辐射会被大气中的水汽散射和吸收[31],导致O3浓度因辐射强度减弱而降低;二是水汽可通过影响云量和云状降低太阳辐射强度,O3的光化学反应受到影响[26]。

2.5 风速、风向对ρ(O3-1h)的影响

风速可决定大气污染物的传输和迁移程度,风向则会影响污染过程中污染物的迁移方向[12]。由图8可见, 烟台市区春、夏季主导风向为西南风, 出现频次分别为21.3%、20.1%,秋季风向主要来自SW—WSW方向,次风向为北风,出现频次分别为28.3%、14.6%,冬季主导风向为北风、次风向为西南风,出现频次分别为17.0%、16.5%。当主导风向为西南风向,风速介于2～6 m/s时,ρ(O3-1h)相对最高,这可能与观测站点西南方向工业区产生的高浓度O3远距离迁移、传输有关;当夏、秋季在偏北风向,风速介于2～4 m/s时,市区ρ(O3-1h)也表现出较高浓度,这主要是由于北向市中心区人口集中、日常交通拥挤,尤其夏、秋季为旅游旺季,站点附近人为源排放的挥发性有机物增加,局地光化学反应增强使得O3的浓度升高。当风速>7 m/s时,ρ(O3-1h)超标频次显著降低,这主要是由于随着风速变大,水平扩散作用逐渐占据主导地位,O3浓度被明显稀释。

图8 2018—2020年烟台市区不同季节ρ(O3-1h)与风速和风向的关系

2.6 ρ(O3-1h)与气象因子的相关性分析

由于各气象因子不服从正态分布,因此对ρ(O3-1h)与气温、相对湿度、地面气压、风速、小时降雨量采用Spearman相关分析,结果见表1。

表1 2018—2020年烟台市区不同季节ρ(O3-1h)与气象因子相关系数

由表1可知,ρ(O3-1h)与小时降雨量、相对湿度、地面气压呈负相关,与气温、风速呈正相关关系,与长沙市[32]及石家庄[12]O3污染与各气象因素相关性的结论一致。气温是烟台市区春、夏、秋三季ρ(O3-1h)的首要影响因素,冬季气温降低,风速超越气温而成为影响烟台市冬季O3浓度的主要因素。在各气象因素不能同步调控的情况下,通过人工增加平均相对湿度的方式能够一定程度降低烟台市区O3浓度。

2.7 有利于O3形成的气象因子分析

相关性分析仅可定性或半定量揭示气象因子与O3浓度之间的关联性,因此有利于O3形成气象因子阈值的研究对O3污染预警更具意义。基于2018—2020年烟台市区逐时O3监测数据及气象因子观测数据(图9)可以看出,当相对湿度<70%时,ρ(O3-1h)在平均值水平以上;当相对湿度>70%时,ρ(O3-1h)低于平均值,因此有利于O3形成的相对湿度阈值为70%。同理,当气温高于20 ℃、相对湿度低于70%、降雨量低于5 mm、风速介于2.5～6.5 m/s且主导风向为西南风向时,ρ(O3-1h)容易超过均值的气象阈值,并可初步作为O3污染的预警指标。

图9 2018—2020年烟台市区ρ(O3-1h)距平值随气温、相对湿度、风速、降雨量的变化

3 结 论

1)2018—2020年烟台市ρ(O3-1h)表现出显著的季节变化特征,夏季最高、春秋次之、冬季最低,浓度高值集中在4—10月份,其中以6月份为最高,浓度低值集中在冬季,且无O3超标发生。

2)烟台市区每日ρ(O3-1h)谷值出现于8:00,峰值出现于14:00—15:00,日变化特征属“单峰单谷”型分布。

3)对烟台市区ρ(O3-1h)正面影响的气象因素为气温和风速,负面影响的气象因素为气压、相对湿度和降雨量。人工增湿是可一定程度降低烟台市区 O3浓度的一种有效途径。

4)当气温高于20 ℃、相对湿度低于70%、降雨量低于5 mm、风速介于2.5～6.5 m/s、主导风向为西南风时,可初步作为烟台市区发生O3污染的预警指标。