2014～2019年霸州市高温天气下臭氧(O3)变化特征研究

闫利霞，周 鹏，郭立平，张 丽，白盛会，范凯彬

(1.河北省霸州市气象局，河北 廊坊 065700；2.河北省廊坊市气象局，河北 廊坊 065000；3. 廊坊智慧环境生态产业研究院有限公司，河北 廊坊 065000)

引 言

近年来，随着工业化的发展和城市进程的加速，臭氧已经变成我国多地夏季空气质量超标日的首要污染物[1]。O3浓度增加轻者伤害人体健康、破坏森林、造成农作物减产，重者将造成空气污染急性作用事件危及人畜生命[2]。因此臭氧治理已成为大气污染治理的重要内容之一。对于臭氧的研究，国内外一些专家学者从不同角度，开展了多方面的研究并取得了一些成果。如周贺玲[3]、孙丹丹[4]、关玉春[5]等对臭氧的分布特征及影响因子开展了一系列的研究。另外王占山[6]等研究发现，北京市O3浓度在5～8月维持相对较高浓度，日变化呈单峰型分布，具有明显的“周末效应”；潘本锋等[7]对京津冀地区的O3污染特征进行分析发现，该地区已成为全国O3污染最严重的地区之一，且夏季O3浓度高，冬季浓度低，和气温呈显著的正相关关系；杨关盈等[8]也得出临安本底站夏季臭氧光化学反应比较强烈；黄俊等[9]研究发现，气温高、日照长、辐射强、气压低、湿度小及2～3级风力是广州地区近地面产生高O3浓度的主要气象因素。

以上研究成果表明，O3浓度增高主要出现在夏季，和气温呈明显的正相关，但是对于高温天气下不同级别温湿度和小时O3浓度的相关研究没有进行深入细致的分析。霸州地处华北平原中部，位于京、津两大直辖市和雄安新区之间，地理位置优越，经济发展迅速，环境治理问题也变得十分重要。而霸州市高温天气演变的特征表明[10]， 60年来高温出现次数和强度都有明显增加，这就意味着夏季O3浓度可能有增加的风险，因此对霸州市高温天气下小时O3浓度进行深入研究，并给出O3浓度超标时的温湿度指标，对于提高高温及O3的预报预警服务能力、公众防范O3污染以及相关部门科学治理臭氧污染，均具有十分重要的意义。

1 材料与方法

1.1 数据来源

河北省霸州市区共有3个空气质量自动监测站，分别为霸州港益酒店(116.3660030°E，39.1610860°N)、霸州市第三小学(116.4166000°E，39.1238000°N)、霸州开发区便民服务中心(116.3833330°E，纬度：39.1258330°N)。其中霸州港益酒店建站较早，从2014年1月1日开始采集有效数据；其他两个站点建站较晚，均为2017年12月1日开始采集有效数据。

故本文选取的O3资料以霸州港益酒店2014年1月1日～2019年12月31日的逐时监测数据为主，以其他两个站点2018年1月1日～2019年12月31日的逐时监测数据为辅。气温和相对湿度资料选取自霸州国家基本气象站(116.39277°E，39.16861°N)同期逐时监测数据。

1.2 评价标准

按照《环境空气质量评价技术规范(试行)》(HJ 663-2013)[11]规定，O3的小时评价为1h平均浓度值；日评价为日最大8h平均浓度值；月、季、年评价为日最大8h滑动平均值的第90百分位数浓度值。根据国家环境保护标准《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》(HJ 633-2012)[12]的规定，对O3浓度进行分级，当O31h平均浓度>200μg/m3或O38h滑动平均浓度>160μg/m3时超过环境空气质量二级标准，即超标，反之则达标。根据中国气象局规定，日最高气温≥35℃的天气称为高温天气，高温日数指达到高温天气标准的日数[13]。

2 结果与讨论

2.1 霸州高温与O3分布的关系

2.1.1 高温日数与O3浓度年分布的关系

图1为霸州市2014～2019年高温日数与O38h(90%)浓度年变化及超标日数的关系。结果表明，6年内O38h(90%)浓度值均超标。其中2019年O38h(90%)浓度值达到最高为219μg/m3，超标日数99d，高温日数为24d；2014年和2017年次之为207μg/m3，超标日数分别为108 d和84 d，高温日数分别为15d和27d；2018年最低为189μg/m3，78d超标，高温日数25d；其次为2016年192μg/m3，71d超标，高温日数为9d。其中2018年高温日数最多，但臭氧浓度并不是最高，而2015年高温日数最少，臭氧浓度和超标日数均居第三位。表明O3浓度年值和年高温日数分布不完全一致，且6年内O38h(90%)浓度年值有波动，但O3年超标日数基本呈波动下降的趋势，值得关注的是O38h(90%)浓度年值和O3年超标日数在2019年均呈现出较为明显的上升趋势，这表明臭氧治理迫在眉睫。

图1 2014～2019年霸州市高温日数与O38h(90%)浓度年变化及超标日数的关系Fig.1 Relationship between high temperature days and the annual change of O3 8h (90%) concentration and over standard days in Bazhou city during 2014～2019

从空间上来看，2018年和2019年3个站点的O38h(90%)浓度年值变化相差不大，幅度仅在2～19μg/m3之间。2018年港益酒店最大为189μg/m3，开发区便民服务中心最小为170μg/m3；2019年开发区便民服务中心上升为最大222μg/m3，第三小学最小217μg/m3。

2.1.2 高温日数与O3浓度季节变化的关系

按照气象学上的标准可进行如下四季划分：3～5月为春季、6～8月为夏季、9～11月为秋季、12月～次年2月为冬季。2014～2019年6年内霸州共出现高温天气106d，其中93d出现在夏季，12d出现在春季，秋季只出现了1d。图2为霸州市2014～2019年O3浓度季节变化特点，其中开发区便民服务中心和第三小学是2018～2019年两年的季平均值，可知，霸州市O3浓度分布同样具有明显的季节变化特征，夏季最高，其次为春季，再次为秋季，冬季最低，与气温变化趋势一致，也与高温日数的变化一致。其中夏季3个站点的O3浓度值约为冬季的3倍，均已达到了环境空气质量四级标准(O38h滑动平均浓度>215μg/m3)，为中度污染；春季港益酒店达到三级(O38h滑动平均浓度>160μg/m3)，为轻度污染，其他两个站点未超过二级标准，为达标；秋季和冬季3个站均达标。

图2 霸州市O3季节性变化Fig.2 Seasonal variation of o3 in Bazhou city

2.1.3 高温日数与O3浓度月变化的关系

图3为霸州市2014～2019年高温日数与O38h(90%)浓度值的月变化特征。得知，6年内高温日数在5～9月均可出现，主要集中在6月和7月；三个站点O38h(90%)浓度值相比，上半年港益酒店稍高于其他两站，下半年三个站点基本吻合，5～9月O38h(90%)浓度值均超过160μg/m3，达到国家环境空气质量三级标准，为轻度污染；最高浓度值都出现在6月，7月次之，且这两个月三个站点的O38h(90%)浓度值均超过215μg/m3，达到国家环境空气质量四级标准，为中度污染；未出现高温日数的月份(1～4月、9～12月)O38h(90%)浓度值逐渐降低，最低出现在12月。这进一步说明，高温是造成臭氧浓度严重超标的主要因素。

图3 2014～2019年霸州市不同月份高温日数与臭氧浓度的关系Fig.3 Relationship between the number of high temperature days and O3 concentration monthly distribution in Bazhou City in 2014～2019

2.1.4 高温日小时平均气温与小时O3浓度日分布的相关性

图4为高温日小时平均气温与港益酒店监测站小时O3浓度的日分布对照曲线，可以看出，O3浓度日变化与气温日变化趋势基本一致，呈明显的“单峰型”，这与罗进奇[16]等研究成都市城区大气污染特征得到的O3日变化分布的结论是一致的。早6时O3浓度达到一天中的最低值，较气温日最低值滞后一小时；9时O3浓度还在100μg/m3以内；10时随着温度的升高，O3浓度值迅速升高至136μg/m3；16时达到浓度极大值225μg/m3，较气温日最高值推迟一小时，且12～18时连续7小时O3浓度值维持在200μg/m3以上，严重超标，超标期间的温度值维持在35.0℃左右，这说明高温天气极易造成O3浓度值超标。

图4 2014～2019年霸州市高温日不同时次平均气温与O3浓度的关系Fig.4 Daily distribution comparison curve of hourly average temperature and hourly O3 concentration in high temperature days of Bazhou City in 2014～2019

2.2 高温天气下不同温湿度级别与O3分布的关系

从前面的分析可知，O3浓度超标主要出现在白天时段，因此选取了夏季高温日白天时段内(8～20时)的小时温度和小时相对湿度，并对其进行分级，统计了不同级别的温度和湿度下O3浓度的分布情况(图5)。

图5 2014～2019年霸州市高温天气下不同温度(a)和湿度(b)的O3浓度Fig.5 O3 concentration at different temperature (a) and humidity (b) levels under high temperature weather in Bazhou City during 2014～2019

图5(a)为不同温度下O3的分布特征。可以看到，O3平均浓度随着温度的升高而增加，温度<32℃时，O3平均浓度<160μg/m3，达标；温度升高到32℃时，O3浓度达159μg/m3，接近超标值；当温度升高至34℃时，O3浓度超过200μg/m3，已经达到超标标准；当温度在37～38℃时，O3浓度达最大值222μg/m3。

图5(b)为不同湿度范围下O3的分布特征。可以看出，O3平均浓度随着湿度的增加而降低，湿度≥60%时，O3平均浓度<160μg/m3，达标；当湿度<60%时，O3浓度超过160μg/m3，达超标标准；湿度在20%～40%之间时，O3浓度均超过200μg/m3，湿度在30%～35%之间O3浓度达最大值214μg/m3。

由此可知，在夏季高温天气里，当气温升高至32℃，相对湿度低于60%时，O3浓度接近160μg/m3，处于超标临界值；当气温升高到34℃，相对湿度20%～40%时，O3浓度值在200μg/m3左右，已经造成严重污染；当气温达到37℃或以上，湿度在30%～35%之间时，O3浓度均达峰值，远超200μg/m3。

3 结 论

3.1 2014～2019年霸州市O38h(90%)浓度值均超标，以港益酒店为例，2019浓度值最高为219μg/m3，O3年超标日数2014年最多为108d，高温日数2017年最多为27d。从空间上来看，开发区便民服务中心2019年O3浓度值最高为222μg/m3。

3.2 霸州市O3浓度分布具有明显的季节变化特征，夏季>春季>秋季>冬季。其中夏季三个站点的O3浓度值均达到了环境空气质量四级标准，为中度污染；春季港益酒店达到三级，为轻度污染，其他两个站点未超过二级标准，为达标；秋季和冬季均三个站均达标。

3.3 全年各月O38h(90%)浓度变化呈反“U”型分布，月均最高浓度在6月，最低在12月。5～9月均达到国家环境空气质量三级标准，为轻度污染； 其中6～7月均超过215μg/m3，达到国家环境空气质量四级标准，为中度污染。

3.4 高温日，O3浓度有明显的日变化特征，和气温日变化曲线一致，呈明显的“单峰型”，谷值出现在6时，峰值出现在16时，较气温极值的出现时间均延迟1h，且12～18时连续7小时O3浓度值维持在200μg/m3以上，严重超标。表明高温天气下O3浓度超标值维持时间较长，不易扩散，污染严重，对健康极为不利。

3.5 通过分析高温天气里不同温湿度级别对应的O3浓度，得到O3浓度超标时的温湿度指标，即：气温≥32℃，相对湿度≤60%时，O3浓度接近160μg/m3，处于超标临界值；当气温≥34℃，相对湿度在20%～40%时，O3浓度值在200μg/m3左右，严重超标；气温≥37℃，湿度在30%～35%之间时，O3浓度均达峰值，远超200μg/m3，且维持时间较长，不易扩散。因此在夏季高温天气里，当温湿度达到以上标准时，要特别注意O3浓度的变化，相关部门需及时采取管控措施。