潮州市PM2.5－O3 复合污染特征及与气象要素的关系

丁丽佳，杨婕俐，凌良新，杨利娜

（1.潮州市气象局，广东潮州 521011；2.潮州市突发事件预警信息发布中心，广东潮州 521011）

近年来，国家、省、市对空气污染的治理力度加大，细颗粒物污染趋于缓解，而O3污染事件又开始频发［1－6］。潮州地处广东东南部韩江三角洲北部，2014—2020年空气质量监测结果显示，主要污染物为细颗粒物和臭氧，并且细颗粒物的质量浓度下降显著，O3的质量浓度下降速率较小。由于PM2.5和O3污染具有一定的关联性，二者不仅具有共同的前体物［7］，并且在大气中通过多种途径相互影响［8］。在大气污染防控上需做到协调防治才能取得较好的防治结果。

目前国内对PM2.5与O3复合污染研究主要集中在京津冀［9］、长三角［10］和珠三角［11－12］区域，研究表明，不同区域复合污染发生的季节不同，与不同区域的季节气候特征、天气系统不同有关，天津多发生在3—9月［9］、上海多发生3—10月［10］、珠三角多发生于秋季［11］，珠三角［11］气温在20～25℃且相对湿度在60%～75%的范围内时，复合超标污染事件发生占比最高。

广东省生态环境保护“十四五”规划的主要目标之一：“大气环境质量继续领跑先行，PM2.5浓度保持稳定，臭氧浓度力争进入下降通道。”2019—2020年潮州空气质量在全省22地市和区中排名在9～11名之间［13－14］，目前潮州的经济发展相较于珠三角还非常落后，随着经济发展，可能出现更严重的空气污染情况。因此需未雨绸缪，做好影响潮州环境空气质量因素的分析，尤其是PM2.5－O3复合污染特征和气象影响分析。目前针对潮州空气污染特征的相关分析仍较少，主要是SO2、NO2、PM10等变化特征分析［15－16］，本研究在前期研究［17］的基础上，基于长时间和高时空分辨率的监测数据，开展潮州市PM2.5－O3复合污染特征和气象要素影响分析，以期为潮州PM2.5－O3复合污染预测预报和协同控制提供参考。

1 资料与方法

1.1 资料

使用资料包括2014年1月1日—2020年12月31日潮州国家气象观测站的逐日、逐时地面气象观测资料；潮州市区的西园路、档案局空气自动监测子站2014年1月1日—2020年12月31日逐时空气质量监测数据。

1.2 方法

污染物质量浓度及分级处理：提取潮州市区2个空气自动监测子站的PM2.5、O3质量浓度小时数据，将同一时刻的质量浓度数据做均值处理，得出逐时PM2.5、O3质量浓度；逐日24 h平均求出逐日PM2.5平均质量浓度，采用8 h滑动平均，求出逐日O3最大8 h平均质量浓度。对PM2.5、O3质量浓度按《环境空气质量标准（GB3095－2012）》［18］、《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》（HJ633－2012）［19］的污染物项目质量浓度限值进行分级。

气象数据处理：提取潮州市国家气象观测站（59312）逐时降水、气温、日照、相对湿度、风速数据，并按对应的同时次的PM2.5、O3级别进行分类。

PM2.5－O3复合污染定义：由于潮州2014—2020年出现PM2.5、O3质量浓度同时到达轻度污染以上的日数仅18 d（2014年9 d、2015年8 d、2016年1 d），同时在环境空气质量预报中，当空气质量指数在二级以上时，须预报首要污染物，因此本研究将日均ρ（PM2.5）、ρ（O3－8 h）同时在二级以上（ρ（PM2.5）＞35μg·m－3、ρ（O3－8 h）＞100μg·m－3）定义为PM2.5－O3复合污染日。

2 结果与分析

2.1 PM2.5－O3复合污染状况及变化趋势

1）年变化。

统计2014—2020年潮州市区逐年PM2.5、O3－8 h平均质量浓度及复合污染日数变化情况。结果如图1所示。由图1可以看出，2014—2020年年平均ρ（PM2.5）、ρ（O3－8 h）及复合污染日数呈波动下降趋势，年平均ρ（PM2.5）在2014年最高，达48.5μg·m－3，之后逐年下降，在2019年再次上升；年平均ρ（O3－8 h）在2015年最高，达103.5μg·m－3，后逐年下降，2018年再次上升；PM2.5－O3复合污染日数2014年最多，达165 d，之后逐年下降，2017、2019年略有上升，三者均在2020年下降到近7年的最低水平。总体来说，质量浓度高的年份复合污染日数多，质量浓度低的年份日数少。可见近年来潮州市区PM2.5－O3复合污染呈下降趋势，与环境综合治理后空气质量改善有很大关系，但是复合污染的出现日数并不是和污染物平均质量浓度呈一一对应关系，比如2017年，年平均ρ（PM2.5）、ρ（O3－8 h）均比2016年下降，但复合污染日数反而上升，可见复合污染日下降除了与污染物质量浓度下降有关外，还与其他一些因素相关。

图1 PM2.5、O3－8 h平均质量浓度及复合污染日的逐年变化

2）月变化。

统计潮州市2014—2020年逐月平均ρ（PM2.5）、ρ（O3－8 h）及复合污染日数，结果如图2所示。月平均ρ（PM2.5）最高出现在3月，其次是1月，分别为45.8、45.7μg·m－3，最低出现6月，为19.6μg·m－3。月平均ρ（O3－8 h）最高出现在10月，其次是9月，分别为124.0、117.1 μg·m－3，最低出现6月，为89.6μg·m－3。两种污染物的平均质量浓度在盛夏季节均较低，这可能与盛夏季节对流旺盛，降水较多，有利于污染物的扩散或湿沉降有关。从复合污染日数的逐月变化情况看，10月至次年的4月是复合污染出现较多的月份，每月出现天数在10 d以上，尤其是1月，达到14 d。这个结果与珠三角地区有所不同，珠三角地区复合污染多发生于秋季，潮州则秋冬春季多发，尤其是冬季发生的几率最高。

图2 PM2.5、O3－8 h平均质量浓度及复合污染日的逐月变化

3）日变化。

对逐日ρ（PM2.5）、ρ（O3－8 h）进行分类，分别统计出PM2.5不同级别下O3逐时质量浓度变化（图3a）及不同O3－8 h分类下逐时PM2.5质量浓度变化情况（图3b）。结果显示不同PM2.5分类下，O3质量浓度的日较差及日最高质量浓度表现为PM2.5超标＞PM2.5二级＞PM2.5一级（图3a）。O3质量浓度的日变化规律较为一致，基本表现为早晨时段O3质量浓度为日最低，除PM2.5超标情况下，O3日最低质量浓度出现在08：00（北京时，下同）外，其余均出现在07：00；PM2.5二级以下，O3最高出现在15：00；PM2.5超标O3质量浓度最高出现在16：00。图3b显示，O3－8 h分类下，PM2.5质量浓度的日较差及日最高质量浓度表现为O3超标＞O3二级＞O3一级。O3－8 h一级时PM2.5逐时质量浓度在00：00最高，后逐渐下降，15：00到达最低，16：00上升，20：00达到小高峰，后再度下降；O3－8 h二级时PM2.5逐时质量浓度在19：00最高，后逐渐下降，次日15：00到达最低，O3－8 h超标时PM2.5逐时质量浓度在19：00最高，后逐渐下降，次日11：00—12：00略有上升，后再度下降，15：00到达最低。

图3 不同分类情况下污染物的逐时变化

总体表现为当其中一种污染物质量浓度较高时另一种污染物的质量浓度相应较高，同时污染物质量浓度的日较差也会相应增大；污染物峰谷值出现时间O3变化不大，主要表现为污染物超标时，峰值、谷值出现时间退迟1 h，PM2.5峰谷值出现时间较复杂。当空气较清洁时，峰值一般出现在半夜，谷值出现在15：00；当空气污染较严重时，峰值一般出现在19：00。

以往的研究表明，潮州市区PM2.5污染一般出现在降水较少、相对湿度小、气温较低的静稳天气下；O3污染较容易出现在降水少、气温高、相对湿度小、日照时数多、风速小的天气下。因此降水少、相对湿度小、风速较小下可能是有利于PM2.5－O3复合污染出现的气象因子。

2.2 PM2.5－O3复合污染与关键气象因素影响

统计不同级别污染物质量浓度对应的气象条件，得到表1。

表1 潮州市区PM2.5、O3质量浓度与气象因子

从表1可以看出，PM2.5、O3质量浓度级别与气象条件存在一定关系：气温低、降水少、日照时数多、相对湿度小、风速小超标的几率较大。PM2.5、O3一级时平均质量浓度分别为19.2、69.7μg·m－3，平均气温为23.0℃，降水量为9.2 mm，日照时数为3.8 h，相对湿度为85.3%，风速为1.8 m·s－1。超标时平均质量浓度为87.6、184.6μg·m－3，平均气温为19.0℃，降水量为0.3 mm，日照时数为7.0 h，相对湿度为74.7%，风速为1.5 m·s－1。超标与一级相比，平均质量浓度高了68.4、114.9μg·m－3，平均气温低了4.0℃，风速小了0.3 m·s－1，降水量少了8.9 mm，日照时数多了3.2 h，相对湿度低了10.6%。二级出现时的气象条件与超标接近，也大多出现在晴朗干燥、日照充足、风速小的天气下，但值大多处于一级和超标之间。

统计气温、降水、日照时数、相对湿度、风速不同分级情况下PM2.5和O3的平均质量浓度及复合污染百分率，了解复合污染与气象因子的关系，结果如图4。PM2.5平均质量浓度在平均气温25℃以下较高，而O3平均质量浓度则是在20℃以上较高，复合污染百分率较高的区间与高PM2.5平均质量浓度的区间重合，尤其是在两种污染物质量浓度均较高的20～25℃区间，复合污染百分率达40.3%（图4a）。PM2.5和O3的平均质量浓度和复合污染百分率随降水量增加逐渐下降，在无降水和弱降水的情况下，复合污染百分率达55.2%（图4b）。不同日照时数分级下，PM2.5平均质量浓度虽有一定的起伏，但变化不明显，O3的平均质量浓度则是随日照时数的增加逐渐上升，复合污染百分率也逐渐上升，日照时数8 h以上复合污染百分率达40.9%（图4c）。相对湿度对于PM2.5和O3的平均质量浓度及复合污染百分率的影响是随着相对湿度上升，质量浓度及百分率逐渐下降（图4d）。风速对于PM2.5的平均质量浓度影响是随着风速上升逐渐下降，而对O3的平均质量浓度影响则是先增加后减少，复合污染百分率的变化趋势与O3的平均质量浓度的变化规律接近，在1～2 m·s－1区间的复合污染百分率最高，达60%（图4e）。综上所述，潮州复合污染多发生在日平均气温20～25℃、降水量≤1mm、日照时数＞8 h、相对湿度≤70%、风速≤2 m·s－1天气情况下。

图4 不同气象条件下PM2.5和O3的质量浓度及复合污染百分率变化

3 结论

1）2014—2020 年潮州市区年平均 ρ（PM2.5）、ρ（O3－8 h）及复合污染出现日数均呈波动下降趋势，这说明近年来潮州市区PM2.5、O3污染呈减弱趋势。ρ（PM2.5）、ρ（O3－8 h）具有明显的月变化特征，月平均ρ（PM2.5）最高出现在3月，其次是1月；月平均ρ（O3－8 h）最高出现在10月，其次是9月，两种污染物最低均出现在6月。复合污染出现较多的是10月至次年4月，是PM2.5－O3协同防控的重要时段。

2）潮州市区PM2.5、O3污染具有一定相互作用，当其中一种污染物质量浓度较高时另一种污染物的质量浓度相应较高，同时污染物质量浓度的日较差也会相应增大；污染物峰谷值出现时间O3变化不大，主要表现为污染物超标时，峰值出现时间迟1 h，在16：00。PM2.5峰谷值出现时间较复杂，当空气较清洁时，峰值一般出现在半夜，谷值出现在15：00；当空气污染较严重时，峰值一般出现在19：00。因此可根据峰值的出现规律，在易出现污染的重点时次采取措施，减少污染排放，达到防止污染出现的目的。

3）潮州市区PM2.5－O3复合污染与日平均气温、雨量、日照时数、相对湿度、风速有关，复合污染容易发生在日平均气温20～25℃、降水量≤1 mm、日照时数＞8 h、相对湿度≤70%、风速≤2 m／s天气下。

本研究对潮州市区PM2.5－O3复合污染特征做了初步分析，得到了PM2.5－O3复合污染与气象因子的相关关系，但对形成复合污染的机理未深入研究。在前人的研究成果中，天气系统是影响PM2.5－O3复合污染的重要因素之一［12］，未来将对复合污染天气进行分型，以进一步了解复合污染的形成机理。