西安市臭氧污染特征及其与气象条件的关系

卢 娣，董自鹏，曹慧萍，李星敏

(1.陕西省气象服务中心，西安 710014；2.陕西省气象局秦岭和黄土高原生态环境气象重点实验室，西安 710016；3.陕西省气象科学研究所，西安 710016)

自《陕西省“治污降霾·保卫蓝天”五年行动计划(2013—2017年)》实施以来，关中地区大气污染防治取得了明显成效，可吸入颗粒物(PM10)和细颗粒物(PM2.5)质量浓度显著下降[1-2](http://www.shaanxi.gov.cn/gk/zfwj/47050.htm)，但臭氧(O3)污染日数却逐渐增多[3-4]，给人体健康和生态环境带来不利影响，引起了人们的广泛关注。目前，我国地面O3观测研究主要集中在华北、珠三角和长三角等地区[5-7]。已有的研究表明，对流层臭氧的来源主要有平流层输入、区域输送和光化学反应，即交通、石化产业、燃煤排放的氮氧化物和挥发性有机物(VOCs)等臭氧前体物，在阳光照射下经一系列化学反应而生成O3[8-9]。近年来，我国O3污染不再局限于前体物排放源附近，已形成区域性污染[5]。O3污染的形成，不仅受其前体物影响，还与气象条件密切相关。吴锴等[10]在成都市的研究表明，当相对湿度大于85%时，O3质量浓度小于50 μg/m3，不会出现O3超标情况；当相对湿度介于40%～60%时，O3超标率呈上升趋势[11]。谈建国等[12]研究发现上海市O3污染多发生在日照强、温度高、风速低的气象条件下，并且郊区污染高于市区[13]。王磊等[14]发现南京近地面O3质量浓度与气温、能见度、日照时数、总(净)辐射显著正相关，与相对湿度、总(低)云量负相关。张灿等[15]研究认为影响重庆 O3质量浓度的主要气象因素为最高温度、温差、太阳辐射、降水量、相对湿度、水气压和压差，并据此建立了O3质量浓度预报方程。

位于关中平原中部的西安市是关中城市群中最大的城市，在西安开展O3污染研究对关中平原大气污染防治具有重要意义。目前，关于西安市O3污染的研究仍较少，马文静[16]以O3日最大8 h平均质量浓度作为判定依据，对比了西安城区O3超标日(最大8 h平均质量浓度>160 μg/m3)和非超标日(最大8 h平均质量浓度<100 μg/m3)的气象条件，认为O3超标日的气温和紫外辐射均明显高于非超标日，且在气压和湿度较低的情况下易发生O3超标的情况。贝耐芳等[17]利用 WRF-Chem (weather research and forecasting model coupled with chemistry)模式对关中地区2015年7月25—30日的一次O3污染事件进行了数值模拟。本文利用2014—2017年西安泾河、长安气象站和西安市环保局观测资料，对西安市臭氧污染特征及其与气象条件的关系进行分析，以期为西安市臭氧污染预报与防治提供科学参考。

1 资料选取

所选用的臭氧资料包括西安市环保局监测的逐时O3质量浓度数据(C(O3))和逐日O3最大8 h平均质量浓度(以下用C8h(O3)表示)数据，C(O3)数据选取时段为2014年4月1日—2017年7月31日，C8h(O3)数据为2014年1月1日—2017年12月31日；其中，C(O3)数据主要用于臭氧质量浓度的日变化分析，C8h(O3)主要用于臭氧污染特征及其与气象参数和辐射关系的分析。臭氧污染等级的划分参照《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》(HJ633—2012)，C8h(O3)与空气质量分指数(IAQI)的对应关系见表1。

表1 C8h(O3)及其对应的空气质量分指数和空气质量指数类别

所采用的气象数据包括泾河气象观测站的日最高气温(Tmax)、日平均气温(Tmean)、日平均相对湿度(Umean)、日最小相对湿度(Umin)、日平均风速和日照时数，数据的选取时段与臭氧相同。应用到的辐射数据包括泾河气象站观测的总辐射日最大辐照度(Fmax)和日总辐射曝辐量，以及长安气象站观测的日紫外辐射曝辐量。其中，泾河站辐射数据的选取时段为2015年8月23日—2017年7月31日，长安站紫外辐射数据的选取时段为2015年1月1日—2017年3月30日。

2 西安市臭氧质量浓度变化特征

2014—2017年西安市轻度以上(C8h(O3)≥160 μg/m3)臭氧污染主要出现在5—8月，并且以7月最多，8月次之。研究期内，西安市年臭氧超标污染日数逐年显著增加，其中，2014年仅出现7 d，2015年出现14 d，2016年出现18 d，而2017年达到了47 d。

2.1 O3质量浓度的日变化

图1给出西安市O3质量浓度日变化情况，可以看出，西安O3质量浓度呈单峰型日变化，最小值22.2 μg/m3出现在07时，随着太阳辐射和光化学反应的增强，日间O3质量浓度逐渐上升，并在16时达到峰值100.7 μg/m3，此后单调下降至次日07时。由于20 时之后光化学反应基本停滞，同时，臭氧受NO滴定作用不断消耗[18]，夜间臭氧维持在低值。值得指出的是，西安市O3质量浓度日变化幅度较大，最大值可是最小值的几倍。

图1 2014—2017年西安市O3平均质量浓度日变化

2.2 O3质量浓度的月变化

图2给出2014—2017年C8h(O3)的逐月平均值，其月变化表现为明显的单峰型结构，峰值148.5 μg/m3出现在7月，谷值30.0 μg/m3出现在11月，谷峰之间单调递增，反之亦然。这种变化与京津冀地区相似[6]，但与华南城市地区O3质量浓度“M”型的月变化[19]有所不同。

图2 2014—2017年西安市各月C8h(O3)平均值

3 C8h(O3)与辐射关系分析

3.1 C8h(O3)与总辐射关系

辐射是触发光化学反应进而生成臭氧的重要条件之一，图3给出2015年8月23日—2017年7月31日西安泾河气象站Fmax与C8h(O3)的拟合曲线，可以看到，两者具有明显的指数关系，C8h(O3)随Fmax增大而增大。在C8h(O3)>160 μg/m3的样本中，Fmax最小值为798 W/m2；然而，在Fmax>800 W/m2的条件下， 仍然有31%的C8h(O3)<100 μg/m3，表明较高的Fmax是臭氧污染形成的必要但非充分条件。对日总辐射曝辐量与C8h(O3)的拟合分析(图略)表明，两者间也存在着类似的指数关系。

图3 2015-08-23—2017-07-31西安泾河C8h(O3)与总辐射日最大辐照度散点图

3.2 C8h(O3)与紫外辐射关系

近紫外波段的太阳辐射能够影响NO2的光解反应速率，进而控制臭氧的生成速率[20]，对臭氧污染的形成至关重要。图4给出2015年1月1日—2017年3月30日西安市长安区气象观测站日紫外辐射曝辐量与西安市环保局长安观测点C8h(O3)的拟合关系，可以看到，两者间显著正相关，表明紫外辐射的增加促进了近地面臭氧污染的形成。

图4 2015-01-01—2017-03-30西安市长安区不同温度下日紫外辐射曝辐量与C8h(O3)散点图

鉴于辐射与气温关系密切，因此，在分析紫外辐射与臭氧质量浓度的关系时，进一步考虑了Tmax在其中的影响，并将之划分为：Tmax<20 ℃、20 ℃≤Tmax<30 ℃及Tmax≥30 ℃三个区间。图4同时给出了不同温度区间内紫外辐射与C8h(O3)的关系。当Tmax<20 ℃时，日紫外辐射曝辐量的平均值为242.5 kJ/m2，C8h(O3)平均值为41.5 μg/m3，且仅有2.6%的C8h(O3)>100 μg/m3；当Tmax在20～30 ℃时，日紫外辐射曝辐量平均值增大至586.1 kJ/m2，C8h(O3)随之增大，平均值达到98.9 μg/m3，有47.5%的C8h(O3)>100 μg/m3；而当Tmax≥30 ℃时，日紫外辐射曝辐量平均值增大到957.4 kJ/m2，相应地，C8h(O3)平均值增大至146.3 μg/m3，79.3%的C8h(O3)>100 μg/m3，其中，17.9%的C8h(O3)超过160 μg/m3，形成臭氧超标污染。

4 C8h(O3)与气象条件关系分析

由于5—8月是臭氧污染的集中期，因此，对于C8h(O3)与气象要素关系的分析仅采用2014—2017年5—8月的数据。此外，气温、相对湿度等气象要素的季节变化与臭氧质量浓度的季节变化具有较高的相关性，只采用5—8月的数据，能够一定程度上剔除气象要素和臭氧协同变化对两者关系的影响。

表2为西安在不同C8h(O3)情况下对应的泾河气象站日最高气温(Tmax)、日平均气温(Tmean)、日平均相对湿度(Umean)、日最低相对湿度(Umin)、日平均风速及日照时数的平均值，可以看出，随着C8h(O3)的增大，相应的Tmax、Tmean的平均值在上升，而Umean、Umin和日平均风速在下降，表明高温、低湿、弱风有利于O3生成和O3质量浓度的增加。

表2 2014—2017年5—8月西安在不同C8h(O3)情况下泾河站各气象要素平均值

注：①表示研究时段内样本数仅有2个。

4.1 C8h(O3)与气温的关系

从泾河Tmax与C8h(O3)的对应关系(表2)来看：当C8h(O3)>160 μg/m3时，Tmax的平均值为34.9 ℃，Tmax的最小值为26.3 ℃，Tmean的平均值为28.5 ℃；当C8h(O3)>215 μg/m3时，Tmax平均值为37.0 ℃，Tmean的平均值为30.3 ℃，表明温度越高越有利于O3的生成。从西安泾河站Tmax与C8h(O3)散点图(图5)来看，两者具有明显的正相关关系，Tmax越高，O3质量浓度越大，当Tmax高于35 ℃时，就应警惕臭氧超标污染的发生。

4.2 C8h(O3)与相对湿度的关系

从表2可以看出，随着O3质量浓度的增加，Umean平均值在减小。当C8h(O3)>160μg/m3时，Umean的平均值为52.5%；当C8h(O3)>215 μg/m3时，Umean的平均值为43.6%。这表明湿度低更有利于O3的生成。图6为C8h(O3)与Umean散点图，由图6可以看出：在Umean>75%的样本中，80.6%的C8h(O3)<100 μg/m3，C8h(O3)超过160 μg/m3的仅有1 d；在50%215 μg/m3，达到了中度污染；而在Umean≤50%的样本中，41.8%的C8h(O3)>160 μg/m3，发生臭氧超标污染的日数占整个研究时段内臭氧超标污染总日数的55.7%，其中有17 d的C8h(O3)>215 μg/m3，达到中度污染，占研究时段内中度以上臭氧污染总日数(18 d)的94.44%。

图5 2014—2017年5—8月西安泾河站日最高气温与C8h(O3)散点图

图6 2014—2017年5—8月西安泾河站日平均相对湿度与C8h(O3)散点图

考虑到臭氧超标污染主要出现在白天，而相对湿度(U)日变化的低值也主要出现在白天，因此，进一步分析Umin与C8h(O3)的关系(表2)。Umin>70%时，仅有2 d的C8h(O3)超过100 μg/m3，但仍小于160 μg/m3，未出现臭氧超标污染；40%160 μg/m3，出现轻度臭氧污染天气，但未出现中度污染；在Umin≤40%的样本中，84.2%的C8h(O3)>100 μg/m3。研究时段内臭氧超标污染天气共出现115 d，其中有102 d的Umin≤40%，占88.7%，而中度以上臭氧污染全部出现在这一相对湿度条件下；因此Umin小于40%时，需要警惕臭氧超标污染的发生。

4.3 C8h(O3)与日照时数、日平均风速关系

分析5—8月C8h(O3)与日照时数的关系发现：当C8h(O3)>160 μg/m3时，日照时数的平均值在10.5 h以上(表2)，96.5%的臭氧超标污染日的日照时数大于6 h，89.6%的臭氧污染日的日照时数大于8 h；而C8h(O3)<100 μg/m3的日数中，72.8%的日照时数小于3 h。因此，较长的日照更有利于臭氧的生成。

从表2可以看出，随着臭氧质量浓度的增大，日平均风速的平均值也在减小，臭氧超标污染日的平均风速小于非臭氧超标污染日。综合C8h(O3)与日照时数和日平均风速的分析结果来看，在晴天、小风情况下，更容易出现臭氧污染。

5 结论与讨论

(1)西安市臭氧质量浓度的日变化和月变化具有明显的单峰型特征，研究时段内日最大值(100.7 μg/m3)和最小值(22.2 μg/m3)分别出现在16时和07时，C8h(O3)月最大值(148.5 μg/m3)和最小值(30.0 μg/m3)分别出现在7月和11月；近年来，西安市臭氧超标污染日数增加明显。

(2)总辐射日最大辐照度、日总辐射曝辐量和日紫外辐射曝辐量与C8h(O3)均具有显著的正相关关系。其中，前两者与C8h(O3)表现为指数函数关系，而日紫外辐射曝辐量与C8h(O3)表现为线性函数关系，并且紫外辐射与C8h(O3)的相关系数高于总辐射，表明其在臭氧形成过程中所起的作用更为重要。

(3)日最高气温、平均气温、日照时数和C8h(O3)正相关，风速和相对湿度与C8h(O3)负相关，表明晴空条件下，高温、低湿、小风更有利于大气中臭氧的形成。在5—8月，当日最高气温大于35 ℃或者日最低相对湿度小于40%时，应警惕臭氧超标污染的发生。