气象因素对泉州臭氧的影响

佘日新

福建省泉州环境监测中心站， 福建 泉州 362000

随着我国经济发展，城市化进程加快，能源消耗的增加，大气污染问题日趋严重[1]。很多研究表明，我国的污染问题呈现从以往单一煤烟型污染向复合型污染转变的态势[1-3]，以细颗粒物(PM2.5)和臭氧(O3)污染为主要特征的复合型大气污染问题日趋凸显。近地面的臭氧不仅是温室气体，也是影响城市大气环境的重要污染物，危害动植物生长以及人体健康[4-5]。它主要是由氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)和可挥发性有机物(VOCs)等前体物在合适的气象条件下，通过一系列复杂的光化学反应生成。近地面O3浓度的变化，不仅与人为排放有关，还与气象条件有关[6]。气象因素在O3的形成、沉降、传输、稀释过程中扮演着重要角色，但对于这些研究仍有很多不确定性[6-9]。首先，气象要素之间是相互影响、相互制约，具有协同作用，如大气的稳定性与温度廓线有关，或者与地面温度和太阳辐射有关，因此，研究单一气象要素对O3的影响是非常困难的；其次，气象要素能够通过直接或间接的物理过程影响O3浓度，如辐射可以通过间接过程影响O3浓度，又如云作为一种液相化学反应器和O3前体物NOx的提供者，可以通过传输或者扩散的方式影响O3浓度[10]；最后，不同地区性气象因素作用的差异较大，因此需要针对不同地区单独分析。

目前在国内开展的气象因素对O3影响的研究工作中，就分析方法而言，多采用主成分分析和逐步回归分析、或者相关统计方法[11-13]。就研究地区而言，多在北京、天津、上海、厦门、沈阳等城市和珠三角地区开展[14-22]。王闯等[17]利用2013年沈阳市环境空气监测点的O3监测数据，分析发现能见度、温度、风速与O3浓度呈正相关，相对湿度与O3浓度呈负相关；易睿等[5]分析2013年长三角地区25个城市的O3观测资料后指出，O3浓度在高温和长时间日照时易出现高值，且随着相对湿度、风速的增加，O3超标频率和浓度均值都表现出先升后降的规律；薛莲等[23]利用2013—2015年青岛市O3的监测数据，发现在强太阳辐射、高温、相对湿度60%左右、风速4 m/s 左右、偏南风等气象条件下易出现高浓度O3。这些工作无疑大大促进了我国O3空气质量分析和预报预警水平的提高。

统计发现，泉州市在2017年仅有的20 d污染日中,有17 d首要污染物为 O3(臭氧8小时)，因此，通过开展泉州气象因素变化影响 O3污染的研究十分有意义，可以为主管部门对臭氧污染防控提供较为精准的决策，节约人力、物力和时间成本。

1 资料与方法

1.1 站点选取

选取泉州市4个国控站点进行对比分析，即清源山对照点和涂山街、津头埔市中心老城区站点以及万安新城区站点(万安站点车辆较少，扩散较好)。

1.2 资料说明

选用2017年1月1日—12月31日清源山、涂山街、万安、津头埔4个站点逐小时地面O3观测资料、逐小时地面气象要素(包括温度、相对湿度、风速、风向)观测资料进行分析。

泉州位于我国东南沿海地区，依据季节划分至小时时间尺度，春季(3—6月)共有2 928 h，夏季(7—9月)共有2 208 h，秋季(10—11月)共有1 464 h，冬季(12—2月)共有2 160 h，全年共计8 760 h。扣除质控校准和停电故障，统计O3小时浓度有效个数和有效率，各站点全年数据有效率均在97%以上，表明分析时段泉州O3数据质量较好可用。

2 结果与讨论

2.1 臭氧浓度分布特征

如表1所示，分析泉州市全年O3质量浓度，发现清源山对照点O3质量浓度年均值最高为(90.26±31.21) μg/m3，明显高于涂山街、万安、津头埔站点，这3个站点的浓度基本接近。

表1 泉州4个站点O3浓度年均值Table 1 Average O3 concentration of Quanzhou stations

分析泉州市O3季节质量浓度发现，4个站点存在较大差异。其中，清源山对照点为春季>秋季>夏季>冬季，涂山街站点为春季>秋季>冬季>夏季，万安站点为冬季>春季>秋季>夏季，津头埔站点为春季>秋季>冬季>夏季。总体上，泉州O3质量浓度较高的季节主要集中在春、秋季，夏季最低。安俊琳等[24]分析了北京城区1个站点2004年8月19日—2005年7月14日连续观测的臭氧体积分数，发现臭氧体积分数季节变化为夏季>春秋季>冬季。王宏等[25]分析了福州市3个国控站点2009—2010年近地层臭氧的连续观测资料，发现福州市O3季节平均变化特征为秋季>春季>夏季>冬季。统计表明，泉州与福州O3质量浓度都是春、秋季高于夏、冬季，臭氧污染的防控重点都在春秋季；泉州市中心涂山街、津头铺站点季节变化趋势一致，临海的万安站点与山上的清源山对照点有自己的特点，这表明泉州不同站点O3生消及其演变有着强烈的地域性和季节性。

2.1.1 月变化

图1是清源山、涂山街、津头埔、万安4个站点O3质量浓度和温度的月变化曲线。可见，各站点O3质量浓度月变化均呈双峰形。其中清源山对照点和涂山街站点分布特征相似，4、5月O3质量浓度达第一峰值，也是全年最大值，7月为第一谷值，9月达到第二峰值。津头埔站点5月为第一峰，7月为第一谷，10月为第二峰。万安站点3月达第一峰，6月为第一谷，10月为第二峰。这与王占山等[26]研究北京地区O3浓度月变化均为单峰形，且最高值出现在6—8月有着明显不同。

图1 泉州市4个站点O3质量浓度和温度月变化曲线Fig.1 Monthly variation curves of O3 concentration and temperature in Quanzhou

进一步分析发现，除6—8月，多数情况下，O3质量浓度随气温升高而升高。但值得注意的是，虽然各站点6—8月平均气温逐月升高，且处于相对高位，可是对应的O3月平均质量浓度却处于低谷。如清源山对照点4—7月月平均气温呈上升趋势，7—9月呈下降趋势，这期间气温变化呈波峰形态，而O3月平均质量浓度与气温变化趋势完全相反，5—7月浓度降低，7—9月浓度升高，O3月平均质量浓度变化呈波谷形态。这表明泉州O3月平均质量浓度的高低除与气温升降有关外，还与其他气象因素有关。

2.1.2 日变化

图2是2017年不同季节清源山、涂山街、万安、津头埔4个站点O3质量浓度的日变化曲线。由此可见：①各站点O3质量浓度日变化均呈单峰形分布，且O3日峰值浓度，春夏季高于秋冬季。②O3质量浓度06:00—07:00为谷值，从08:00前后快速升高，这与日出后气温升高以及上班早高峰污染排放增加共同作用有关;13:00—14:00左右出现最高值，随后开始下降，夜间O3质量浓度维持较低水平；表明泉州O3质量浓度日变化与气温日变化有较高的一致性，同时也受到一定的人为活动影响。③各季节中，夏季O3浓度日变化幅度最大，冬季最小，这主要与夏、冬季节气温日变化幅度不同有关。

4个站点O3质量浓度日变化特征存在一定差异，城区的涂山街O3质量浓度13:00达峰值，下游清源山O3质量浓度推迟1 h(14:00)达日峰值，有明显的传输效应。

图2 不同季节4个站点O3质量浓度日变化曲线Fig.2 Diurnal variation curves of O3 mass concentration in different seasons of 4 stations

2.2 气象要素对O3的影响

2.2.1 O3与气象要素相关性分析

计算2017年小时O3浓度有效值与不同气象要素有效值间的相关性，见表2。可见，4个站点O3质量浓度与相对湿度的相关性最好，呈负相关，其相关系数为0.5～0.6，表明湿度降低，利于O3质量浓度升高；与风速的相关性次之，呈正相关，即风速增大，利于O3质量浓度升高；与温度的相关性比较复杂，既有正相关(清源山对照站和涂山街、津头埔站点)，也有负相关(万安站点)，但负相关系数较小。O3与风速的相关性，不同站点间存在差异，清源山对照点相关性较低，临海的万安站点相关性较高。O3与温度、相对湿度的相关性4个站点间差异不明显。

表2 不同站点O3与温度、风速、相对湿度的相关系数Table 2 Coefficients of O3 with temperature, wind speed and relative humidity at different stations

2.2.2 温度的影响

表3是各站点不同温度范围对应的O3小时质量浓度、风速、相对湿度的分布情况。可见，在一定温度(T)范围内(从T≤10 ℃ 变化到10 ℃30 ℃时)O3质量浓度随温度升高而增加；在另一范围内(从10 ℃

清源山对照点和涂山街站点，温度从10 ℃30 ℃)，O3质量浓度降低(升高)，其原因除受气温升高影响外，可能还与相对湿度升高(降低)有关；温度从T≤10 ℃变化到10 ℃

万安站点和津头埔站点，温度从T≤10 ℃变化到10 ℃30 ℃(从10 ℃

以上分析表明，全年小时O3质量浓度与温度变化的相关性比较复杂，为进一步探寻两者间的对应关系，逐月计算不同站点O3质量浓度与温度的相关关系。结果表明，多数情况下，各站点O3质量浓度与逐月气温总体上呈正相关，即升温利于O3质量浓度增长，尤其是在夏季(7、8、9月)其相关系数最高；但在1、4、10月，各站点O3质量浓度与温度均呈负相关。这表明气温升高并不总意味着O3质量浓度的升高，还要综合考虑季节和其他气象因素变化造成的影响。

表3 清源山对照点和万安站点不同温度范围下O3小时质量浓度、有效个数、风速、相对湿度Table 3 The ozone hour mass cncentration, effective number, wind speed, relative humidity at different temperature ranges in Qingyuan Mountain and Wan′an stations

注：由于O3小时质量浓度同温度的关系，涂山街站点与清源山对照点类似，津头埔站点与万安站点类似，因此表3～表5中仅给出清源山对照点和万安站点的数据，以代表各站点。

2.2.3 风向和风速的影响

图3是清源山对照点和万安站点春夏秋冬四季O3质量浓度的风玫瑰图。

可见，清源山对照点虽然在不同季节盛行的风向略有不同，但O3质量浓度高值区均出现在偏南风情况之下。

注：彩色等值线代表污染物O3质量浓度的空间分布和大小；图中闭合黑线代表风频率图3 清源山对照点和万安站点各季节O3质量浓度风玫瑰图Fig.3 Wind rose map of O3 mass concentration at Qingyuan Mountain and Wan′an stations in each season

可见，春季主要是南偏东风向(南-南东，O3浓度超过100 μg/m3)，夏、秋季和冬季主要是南偏西风向(南-南西，O3浓度超115 μg/m3)； O3质量浓度低值区与盛行风向基本一致。万安站点，东南风使O3升高，O3质量浓度超过100 μg/m3，而西北风时O3质量浓度较低。整体而言，在偏南风主导下O3质量浓度出现高值的情况与工业源集中分布在泉州市西南和东南区域较为吻合,南风时受南部工业源影响较大。

表4是各站点不同风速条件下的O3质量浓度、温度、相对湿度的分布情况。其中风速>6.0 m/s是指大于6 m/s且小于观测的最大风速范围内的风速。结果表明，总体上，涂山街、万安、津头埔站点O3质量浓度随风速增加而增加。清源山对照点对风速较为敏感，当风速小于3 m/s时，O3质量浓度随风速增加而增加；风速大于3 m/s时，O3浓度随风速增加而下降。风速大于6 m/s时，由于样本数少，不予考虑。

表4 清源山对照点和万安站点不同风速范围内O3小时质量浓度、O3有效个数、温度、相对湿度Table 4 The ozone hour mass concentration, effective number of O3, temperature and relative humidity in different wind speed ranges of Qingyuan Mountain and Wan′an stations

注：由于O3小时质量浓度同温度的关系，涂山街站点与清源山对照点类似，津头埔站点与万安站点类似，因此表中仅给出清源山对照点和万安站点的数据，以代表各站点。“—”表示WS>6 m/s时，不予考虑的数据。

2.2.4 相对湿度的影响

表5是各站点不同相对湿度条件下O3质量浓度分布情况。整体上看，O3质量浓度随相对湿度的增加逐渐减小，且O3质量浓度的减小速度随相对湿度的增加而增加。相对湿度从小于40%增加到大于80%，O3质量浓度下降率分别为10%、25.2%、29.1%。表明空气中水汽越多，到达地面的太阳紫外线越少，降低O3生成速率，不利于O3生成。

通过不同站点O3质量浓度与相对湿度的相关性分析发现，O3质量浓度与相对湿度均呈负相关，除6月相关系数较低外，其余各月相关系数都较高，说明低湿度条件有利于O3的生成。

表5 清源山对照点和万安站点不同相对湿度范围内O3小时质量浓度、O3有效个数、温度、风速Table 5 The ozone hour mass concentration, effective number of O3, temperature and wind speed in different relative humidity ranges of Qingyuan Mountain and Wan′an stations

注：由于O3小时质量浓度同温度的关系，涂山街站点与清源山对照点类似，津头埔站点与万安站点类似，因此表中仅给出清源山对照点和万安站点的数据，以代表各站点。

2.3 O3浓度超标时气象因子特征分析

图4～图6是清源山对照点和涂山街、津头埔、万安站点O3超标时所对应的温度-相对湿度、温度-风速、相对湿度-风速关系。可见，4个站点O3小时质量浓度超标时，气象要素与O3小时质量浓度并不是单一的对应关系，均对应着2个气象要素区间。再次表明泉州O3与气象要素关系的复杂性。

图4 4个站点O3小时质量浓度值超过200 μg/m3时对应温度和相对湿度散点分布Fig.4 Distribution of corresponding temperature and relative humidity scatter points when the concentration of ozone in each station exceeds 200 μg/m3

图5 4个站点O3小时质量浓度值超过200 μg/m3时对应温度和风速散点分布Fig.5 Distribution of temperature and wind speed scatter points at stations with mass concentration exceeding 200 μg/m3 in O3 hours

图6 4个站点O3小时质量浓度值超过200 μg/m3时对应相对湿度和风速散点分布Fig.6 Distribution of humidity and wind velocity scattered points for O3 hour mass concentration value at each station exceeding 200 μg/m3

根据图4～图6统计4个站点O3质量浓度小时值超标时气象要素区间值，结果见表6。清源山对照点O3质量浓度超标时气象要素对应值分为2个区域：①第一区域：温度18～27 ℃，相对湿度35%～65%，风速1.5～3 m/s；②第二区域：温度27～35 ℃，相对湿度47%～70%，风速0.7～3.5 m/s。其他站点具体数据也见表6。该数据可为进一步寻找和建立泉州其他站点O3质量浓度超标(200 μg/m3)时，精细化的气象预报因子和预报模型提供技术基础。

表6 O3浓度超标时不同站点温度、相对湿度、风速的统计Table 6 Statistics of temperature,relative humidity and wind speed at different stations when O3 concentration exceeds the standard

2.4 污染日与非污染日分析

将泉州市AQI日均值超过100定义为污染日。2017年泉州市轻度污染共有20 d，其中有17 d污染日的首要污染物为O3；臭氧为首要污染物在4月出现日数最高(8 d)，其次是9月(4 d)。

4个站点17个污染日和随机挑选的17个非污染日的气象要素平均值，见表7。污染日相对湿度较低，为50%～60%；非污染日相对湿度较高，为70%～80%；污染日气温低于非污染日的比例为58.5%(10/17)，由于污染日集中在4月，而4月O3质量浓度与温度呈负相关，因此总体上污染日温度低于非污染日，两者温度之差对应清源山对照点和涂山街、万安、津头埔站点分别为2.8、1.4、0.1、1.2 ℃，呈现出临海站点温差小，对照点站点温差大，城区介于其间的趋势。进一步表明，气温并不是决定泉州市O3质量浓度高低的唯一因素；污染日风向总体上来自西南偏南，非污染日风向跨度大，包括西南方向和东南方向。东南风带来海上的湿空气和相对干净的空气，产生增湿作用，不利于O3生成；相比于非污染日，清源山对照点和涂山街站点污染日风速较小，临海的万安站点和离海较近的津头埔站点于污染日的风速相对较大，但是两者的风速均未超过3 m/s。

表7 4个站点在污染日、非污染日的污染物浓度或气象场值Table 7 Pollutant concentration or meteorological field value of four stations on polluted and non-polluted days

3 结论

1)泉州市区O3质量浓度时空分布特征有明显的地域性，臭氧污染日主要集中在春秋季节，整体而言，污染日风向总体为西南偏南，临海的万安站点O3质量浓度相对低于西南风向的城区涂山街、津头铺站点，但东南风更有利于万安站点O3升高。城市北部的站点O3质量浓度出现的最大值相对南部站点推迟1 h，具有明显的传输效应。

2)O3日质量浓度变化呈单峰形，06:00—07:00为最低值，最大值出现在13:00—14:00，与日最高气温相关性高。

3)泉州市区O3质量浓度与相对湿度的相关性最好，O3污染日相对湿度较低(50%～60%)，非污染日相对湿度较高(70%～80%)；涂山街、万安、津头埔站点O3质量浓度随风速增加而增加。建议空气质量预警预报部门在预测到未来几天湿度低于60%，且伴有大风天气时，要注意提前研判及时向管理部门预警，提前做好臭氧污染防控。