气象因子和海风对秦皇岛市臭氧污染的影响

周士茹 宋金妹 陆倩 郭鸿鸣 赵玉广 高艳春

(1.承德市气象局，河北 承德067000；2.秦皇岛市气象局，河北 秦皇岛066000；3.河北省环境气象中心，河北 石家庄050021)

引言

近年来随着中国经济的发展，中国地区以O3(臭氧)为首要污染物的光化学污染呈逐渐加重的趋势，近地层高浓度的O3主要是NOx(氮氧化物)和VOCs(挥发性有机物)在太阳照射下生成的[1－2]，平流层的臭氧通过大气活动也向对流层输送一部分O3，但是近地层光化学过程产生的O3是平流层O3输送通量的7—15倍[3]。近地层高浓度的O3会对人体健康产生一系列不利影响[4]，还会刺激叶片使农作物减产和抑制森林树木的生长[5]。如今O3污染受到政府和人们的广泛关注，国内外学者对各地近地层O3污染的特征以及来源开展了广泛的研究。赵乐等[6]分析了石家庄夏季典型时段臭氧污染特征并对O3的来源进行了解析，发现OVOCs(含氧挥发性有机物)对O3生成潜势的贡献最大。潘本锋等[7]发现京津冀地区O3质量浓度较高的月份集中在5—9月，12月至次年1月浓度最低，控制O3前体物的源排放是控制O3污染的有效途径。

局地气象条件对于O3的生成有重要的影响，因各地经济水平和气象地理环境不同，各地O3污染的气象条件表现出不同的特征[8－10]。中国珠三角地区O3超标日的气象因子特征表现为晴天少雨、辐射增强、边界层高度增加、相对湿度降低、风速变小和气温升高[11－14]。中国长三角的O3污染常出现在太阳辐射强、温度高的气象条件下，台风登陆能够加重O3的污染[15－18]。北京地区造成O3浓度高值的主要背景场是处于低压前部，O3浓度与气压、湿度、能见度呈负相关关系，与风速、温度呈正相关关系[19－20]。承德市出现O3超标的气象条件为辐射强、气温高、无降水，湿度小和受偏南风或西南风影响[21－23]。张冬倩等[24]分析了秦皇岛市臭氧污染特征，并没有给出有利于O3污染的气象条件，也没有探讨海陆差异造成的海陆风循环对秦皇岛市O3污染的影响。秦皇岛市位于河北省东北部，濒临渤海，是重要的旅游城市之一。本文利用2017年9月至2019年9月的污染物浓度监测数据和气象观测数据，探讨秦皇岛市有利于出现O3污染的气象因子指标，以及海风对秦皇岛市O3污染的影响，为预防和治理以O3为首要污染物的大气污染提供参考。

1 资料与方法

图1 秦皇岛市区环境监测站、气象站和海上浮标站分布Fig.1 Spatial distribution map of the environmental monitoring station，the weather station and the buoy station in Qinhuangdao

使用的污染物浓度观测资料来源于秦皇岛市环境监测站的共享数据，秦皇岛市建成区内有国控监测站点6个(图1)，分别位于北戴河环保局、北戴河区委老干部局、第一关、市监测站、文明里和建设大厦，覆盖了秦皇岛市区不同类型的下垫面，具有较好的代表性。自动监测站内各监测仪器均按照《环境空气质量自动监测技术规范》(HJ/T193—2005)[25]进行定期校准和维护保养，以保证监测数据的准确有效。按照《环境空气质量标准》(GB3095—2012)[26]关于污染物数据统计的有效性规定，保证1 h平均浓度至少有45 min的采样时间，每天至少有20 h平均浓度值。资料内容包括O3-8h(日最大8 h滑动平均)浓度、O31h浓度、NO2浓度、CO浓度、PM2.5浓度和PM10浓度。使用的污染物资料时段为2017年9月至2019年9月，时长为2 a。根据中国《环境空气质量指数(AQI)技术规定》(HJ 633—2012)[26]分级方法限值分级:空气质量优良(O3-8h浓度≤160μg·m－3)、轻度污染(160μg·m－3＜O3-8h浓度≤215μg·m－3)、中度污染(215μg·m－3＜O3-8h浓度≤265μg·m－3)和重度污染以上(O3-8h浓度＞265μg·m－3)。

同期气象观测数据来源于秦皇岛市国家基本气象站，数据内容主要包括气温、降水、相对湿度、风向风速、气压、太阳辐射资料。海上气象观测资料来源于渤海湾近海的两个浮标站，站号为秦皇岛32号和秦皇岛33号，使用的资料为气温。风向分析中，以秦皇岛国家基本气象站16个方位风向风频进行统计分析。

2 结果分析

2.1 O3污染特征

2017年9月1日至2019年8月31日，秦皇岛市O3-8h浓度资料有效观测日数682 d，平均O3-8h浓度为96μg·m－3，最高O3-8h浓度出现在2018年6月1日为291μg·m－3。观测时段O3浓度超标天数81 d，占总日数11.9%，其中中度污染及以上15 d，重度污染2 d，O3污染状况与京津冀其他城市相比较轻[7]。

2.1.1 月变化

2017年9月至2018年秦皇岛市O3-8h月均浓度见图2。由图2可知，秦皇岛市1—6月O3-8h月平均浓度逐渐升高，6月达到最高153μg·m－3，7月和8月浓度有所降低，9月浓度继续升高至143μg·m－3，10月以后O3-8h浓度显著下降。从逐月O3超标日数可以看出1—2月和10—12月这5个月无O3超标日，3—6月O3超标日数显著上升，6月O3超标日数达到11 d，7—8月超标日数降为5 d，9月又升高到12 d。秦皇岛市O3污染以5—6月和9月最为严重，这主要是因为夏半年太阳辐射强，气温高，同时7—8月秦皇岛市降雨较多，气象条件的变化对O3污染有重要的影响[20]。

图2 2017年9月至2019年8月秦皇岛市O3-8h月均浓度与O3月超标日数Fig.2 The monthly mean O3-8h concentration and the monthly number of days when O3 concentration exceeded the standard in Qinhuangdao from September of 2017 to August of 2019

2.1.2 日变化

2017年9月至2019年8月秦皇岛市O3浓度的日变化呈现明显的单峰型分布(图3)。由图3可知，春季和夏季最高浓度出现在午后15:00—17:00，最低浓度出现在清晨05:00—07:00，秋季最高浓度出现在14:00—16:00，最低浓度出现在06:00—08:00，而冬季最高浓度出现在14:00—15:00，夜间22:00到次日08:00则浓度均较低。各季节之间对比发现，日最高浓度由高到低依次为夏季、春季、秋季和冬季，夏季日最高浓度仅比春季高9μg·m－3，秋季日最高浓度明显下降，较夏季低40μg·m－3，冬季日最高浓度则比夏季低73μg·m－3。日最低浓度春季和夏季相差较小，秋季和冬季相差较小，春夏季节比秋冬季节高23μg·m－3左右。这主要与太阳辐射的季节变化和日变化有关，同时O3前体物的浓度对O3浓度的日分布也有重要的影响[14]。

图3 2017年9月至2019年8月秦皇岛市O3-1 h浓度的日变化Fig.3 The daily variations of O3-1h concentration in Qinhuangdao from September of 2017 to August of 2019

2.2 气象因子对O3浓度的影响

气象因素对O3浓度的影响已有较多研究，不同地区的气候地理条件不同，各地O3污染的气象条件有一定差异[8－10]。为了研究秦皇岛市气象条件对O3污染的影响，本文分别从太阳辐射、最高气温、降水和相对湿度以及风场的角度进行讨论，探讨有利于秦皇岛市出现O3污染天气的气象条件。

2.2.1 太阳总辐射强度

2017年9月至2019年8月秦皇岛市不同太阳总辐射强度对应的O3-8h平均浓度和O3超标率见图4a。由图4a可知，当太阳总辐射强度小于950 W·m－2时，O3-8h浓度随太阳总辐射强度的升高而阶段性升高，O3超标率也随太阳总辐射强度的增强而上升，较高的O3-8h平均浓度主要集中在太阳总辐射强度较强的条件下，当太阳总辐射强度850—950 W·m－2时，O3-8h的平均浓度最高，高达141—144μg·m－3，此时的O3超标日数也最多，O3超标率高达30%；当太阳总辐射强度大于950 W·m－2以上，O3-8h平均浓度略微下降，降为132—133μg·m－3，超标日数明显减少，太阳总辐射强度为950—1000 W·m－2时，O3超标率降为26%，太阳总辐射强度大于1000 W·m－2时，O3的超标率降为14%。这主要是因为太阳总辐射强度越强，光化学反应越活跃，导致O3-8h的平均浓度越高，但是同时太阳总辐射强度高于950 W·m－2主要出现在5—8月，较高的太阳总辐射强度有利于形成大气的热力不稳定，多对流性雷阵雨天气，因而O3-8h的平均浓度和O3超标率开始下降。由图4b中2017年9月至2019年8月秦皇岛市太阳总辐射强度的月分布可知，太阳总辐射强度较强的时段主要集中在春末和夏季，全年5—6月太阳总辐射强度最高可达 844—858 W·m－2，4月和7—9月太阳总辐射强度也高达717—771 W·m－2，此时正为秦皇岛市O3污染最为严重的时候，可见太阳总辐射强度是影响O3污染的重要气象因子。

图4 2017年9月至2019年8月秦皇岛市太阳总辐射强度对应的O3-8h平均浓度和O3超标率(a)及太阳总辐射强度月均分布(b)Fig.4 O3 over-standard rate and O3-8h average concentration corresponding to total solar radiation irradiance(a)and the variation of monthly average total solar radiation(b)in Qinhuangdao from September of 2017 to August of 2019

2.2.2 最高气温

气温对O3浓度的变化具有显著的影响，图5为2017年9月至2019年8月秦皇岛市日最高气温对应的O3-8h浓度和O3超标率。由图5可知，当日最高气温小于22℃时，O3-8h平均浓度低于107μg·m－3，O3超标率低于3.4%，随着日最高气温的升高，O3-8h平均浓度和O3超标率阶段性升高，当日最高气温22—32℃时，O3-8h的平均浓度维持在127—146μg·m－3，O3超标率稳定在20%—29.6%，当日最高气温大于32℃时，O3-8h平均浓度迅速升高至190μg·m－3，日最高气温32—34℃对应的O3超标率为54.6%，当日最高气温高于34℃时，O3的超标率高达83.3%。进一步计算日最高气温和O3-8h浓度的相关系数，发现两者的相关性高达0.69，通过了α＝0.01置信水平的显著性检验。可见，日最高气温大于32℃是秦皇岛市出现O3污染天气的重要气象条件，温度越高，近地层的O3浓度越高。

图5 2017年9月至2019年8月秦皇岛市日最高气温对应的O 3-8h平均浓度和O3超标率Fig.5 O3 over-standard rate and O3-8h average concentration corresponding to the daily maximum temperature in Qinhuangdao from September of 2017 to August of 2019

2.2.3 降水和相对湿度

由于2017年9月至2019年8月秦皇岛市O3-8h浓度较高的情况主要发生在夏半年，而此时又是降雨量较多的时段，因此选取2017年9月至2019年8月期间4—9月的资料来探讨降水对O3浓度的影响，其中无降水日数233 d，O3-8h平均浓度139μg·m－3，O3的超标率达28.8%，降水日数94 d，O3-8h平均浓度114μg·m－3，O3的超标率为12.8%。可以发现降水日O3-8h平均浓度和O3超标率均明显低于无降水日，这主要是由于降雨对O3及其他污染物具有湿清除作用，同时降水日云量较多，对太阳辐射造成影响。图6a为不同降雨量对应的O3-8h平均浓度和O3超标率，可以发现随着降雨量的增大，O3-8h平均浓度和O3超标率均明显下降，但是当出现中雨以上量级的降水时，仍有9.8%的概率出现O3超标天气。

图6b为不同相对湿度对应的O3-8h平均浓度和O3超标率，由图6b可知，相对湿度低于20%时，O3-8h平均浓度和O3超标率随着相对湿度的增加而降低，相对湿度20%—60%时，随着相对湿度的增加O3-8h平均浓度和O3超标率均持续上升，到相对湿度50%—60%时达到最高，此时O3-8h平均浓度为132μg·m－3，O3超标高达31.8%，当相对湿度大于60%以后，O3-8h平均浓度开始下降，O3超标率则显著下降，相对湿度大于80%以后，O3超标率降为0。这主要是因为相对湿度的季节分布和水汽对O3光化学反应共同作用造成的，一方面相对湿度的季节分布表现为冬季低而夏季高的总特征，冬季太阳辐射弱气温低，尽管相对湿度较低，但仍然不利于O3生成，由冬季到夏季相对湿度逐渐上升的同时，太阳辐射强度和气温也逐渐上升，有利于O3的生成；另一方面水汽对O3光化学反应的作用主要有三个，一是水汽产生的消光机制可削弱太阳辐射，二是高的相对湿度有利于O3的干沉降作用，三是水汽中的OH和HO2自由基可将大气中的O3分解为O2[27]。综合以上两种作用的影响，秦皇岛市最小相对湿度50%—60%，最有利于于出现O3污染天气。

图6 2017年9月至2019年8月期间4—9月秦皇岛市降水量级对应的O3-8h平均浓度和O3超标率(a)及日最小相对湿度对应的O3-8h平均浓度和O3超标率(b)Fig.6 O3 over-standard rates and O3-8h average concentration corresponding to April-September precipitation level(a)and minimum relative humidity(b)in Qinhuangdao from September of 2017 to August of 2019

2.2.4 风向风速

风场对污染物的区域间输送具有重要的影响，气流来源的不同是影响O3-8h浓度的因素之一，而风速的大小则能反映污染物的输送效率或者清除效率[20]。2017年9月至2019年8月秦皇岛市的平均风速分布见图7，由图7a可知，平均风速为1.5—2.0 m·s－1，东东北(NNE)—东(E)风向范围内的风速较大，平均风速可达1.8—2.2 m·s－1，东东南(ESE)—南(S)风风向范围内的风速较小，平均风速为1.22—1.37 m·s－1。图7b为秦皇岛市风向频率分布，西西北(WNW)和南西南(SSW)风出现的频率最高，风频可达16%—17%，东东北(ENE)—南(S)风、西南风(SW)和西北风(NW)的风向频率为5%—10%，其他风向频率则出现较低。图7c为不同风向对应的O3-8h平均浓度，可以发现东南(SE)—西南(SW)风风向范围内O3-8h的平均浓度高于100μg·m－3，其中南西南(SSW)和西南(SW)风控制下的O3-8h平均浓度超过120μg·m－3，SW控制下的O3-8h浓度最高达139μg·m－3。从不同风向对应的O3超标率(图7d)也可以看到，南西南(SSW)和西南(SW)风控制下的O3超标率远高于其他风向，分别为29.2%和34.8%。可见有利于秦皇岛市出现O3污染天气的控制风向为SW风和SSW风，这主要是因为秦皇岛东部和东北环渤海，海上污染较轻，而北部为承德市，污染源也较少，西南和南西南方向为唐山及曹妃甸滨海新区，工业较发达，O3及其前体物排放较多，在SW风和SSW风的作用下有利于污染物向秦皇岛市区输送。同时，SW风和SSW风影响下有暖平流向秦皇岛地区输送，导致温度相对较高，也是有利于O3生成的原因之一。

2.3 海陆差异对O3污染的影响

2.3.1 海风

图7 2017年9月至2019年8月秦皇岛市平均风速(a)、风向频率(b)、风向对应的O3-8h平均浓度(c)和风向对应的O3超标率(d)变化Fig.7 O3-8h average concentrations corresponding to the average wind speed(a)，the wind direction frequency(b)，wind direction(c)and O3 over-standard rate(d)corresponding to wind direction in Qinhuangdao from September of 2017 to August of 2019

因O3高浓度的时段主要出现在午后，海风对沿海城市O3浓度的影响更大，研究表明弱的背景风场利于海风环流的形成[28]。本研究根据秦皇岛地区地形、海岸线轮廓等自然地理特征，结合海陆风的判别标准，给出了秦皇岛地区海风的判别依据，当地面图上37°—43°N，117°—123°E范围内有小于等于一条等压线通过秦皇岛地区，同时白天风向范围在70°—210°，且白天秦皇岛站的温度大于海上浮标站的气温时，定义为海风日。由图8可知，2019年4—9月秦皇岛市海风出现日数最多的月份为夏季，6—8月海风出现日数达到16 d，出现频率达50%以上，4—5月海风出现日数为6—7 d，而9月海风出现日数为11 d。夏季背景风场较弱，海陆热力差异明显，更有利于海风的形成。

图8 2019年4—9月秦皇岛市海风日数和出现频率Fig.8 The number of days and frequency of sea breeze in Qinhuangdao from April to September in 2019

图9 2019年4—9月秦皇岛市海风开始、结束和最大风出现时间(a)、海风风速(b)日变化Fig.9 The daily variations of the beginning and end time of the sea breeze and the appearance time of the maximum wind(a)and the daily sea breeze speed(b)in Qinhuangdao during April to September in 2019

2019年4—9月秦皇岛市海风月变化见图9，由图9a可知，海风一般在上午开始出现，下午开始的海风频率仅为5.6%，清晨08—09时海风开始出现的频率最高，这主要是因为日出后陆地开始升温，由于海陆热力性质的差异，陆地升温的速度快于海洋，陆地与海洋表面的温差逐渐扩大，海陆气压梯度随之增大，沿海地区形成海风环流系统，并逐渐深入内陆。海风的最大出现时间集中在中午前后，以12—13时出现的频率最高，其次为14—15时，主要由于正午前后海陆温差达到最大，海陆之间的气压梯度达到最大。海风的结束时间则主要集中在下午时段，上午结束的海风频率仅为2.8%，海风结束时间出现频率最高为16时，其次为19时，主要由于下午太阳辐射降低以后，陆地降温的速度同样快于海洋，海陆之间的温差减小为0以后指向反方向，海风结束。图9b为有海风和无海风时海风风速的日变化，由图9b可知，有海风日的平均风速在白天和夜间均低于无海风日，且风速均在午后风速达到最大。

2.3.2 海风对O3浓度的影响

图10 2019年4—9月秦皇岛市有海风和无海风O3-8h浓度的月变化Fig.10 Monthly variations of O3-8h concentration with and without sea breeze in Qinhuangdao from April to September in 2019

2019年4—9月秦皇岛市有海风和无海风日逐月的O3-8h平均浓度见图10，由图10可知，5月、6月、8月、9月有海风日O3-8h平均浓度均高于无海风日，且5月、6月和9月有海风日的月平均浓度高达155—166μg·m－3。这主要由于海风通常从日出后开始登陆，携带的冷湿气流与陆地上相对干热的空气相遇，在沿海的陆地上空形成热力内边界层，使海陆风辐合线附近的近地面产生逆温现象[29]。由于逆温的存在，此时的大气层结较为稳定，空气对流运动减弱，静稳形势下不利于污染物的扩散；同时，前日夜间城市的污染物通过陆风输送至海上，次日在海风发生后，污染物再由海风带回陆地，加剧了污染的循环累积[30]。这使得在有海风时，O3浓度自海风登陆后，O3浓度峰值比无海风日有所提高。此外一般海陆风是在没有大规模天气系统过境的条件下形成，大气本身处于相对静稳的状态，由上一节可知，海陆风发生时风速较无海风时小(图9b)，这种条件下更有利于O3等污染物的累积，造成O3浓度的增加。

3 结论

(1)2017年9月至2019年9月秦皇岛市O3污染月变化特征表现为以5—6月和9月最为严重，10—12月和1—2月则无O3超标天气出现。O3污染的日变化特征表现为单峰型分布，午后O3浓度最高而清晨O3浓度最低，且日最高O3浓度夏季＞春季＞秋季＞冬季，而日最低O3浓度春夏季节高于秋冬季节。

(2)有利于秦皇岛市出现O3污染的气象条件为太阳辐射强度850—950 W·m－2、日最高气温高于32℃、无降水和相对湿度50%—60%、受SW和SSW风影响。降水对O3污染物有清除作用，降水量级越大则O3-8h平均浓度越低。

(3)本文探讨了2017年9月至2019年9月海风对秦皇岛市O3污染的影响，秦皇岛市的海风以6—8月最多，出现频率达50%以上，海风多在上午08—10时开始出现，午后12—15时达到最大，傍晚以后减弱至结束；5—6月和8—9月有海风日的O3-8h平均浓度均高于无海风日，且5月、6月和9月有海风日的O3-8h月平均浓度高达155—166μg·m－3，海陆风环流对秦皇岛市的O3污染有加重的影响。