中山市2015—2019年臭氧超标特征及其与气象条件的关系

麦健华，邓涛，于玲玲，何国文，李颖昕，余欣洋，耿一超

(1. 中山市气象局，广东 中山 528400；2. 中国气象局广州热带海洋气象研究所，广东 广州 510641；3. 广东省气象台，广东 广州 510641；4.暨南大学质谱仪器与大气环境研究所，广东 广州 510632）

1 引 言

随着城市化和工业化规模的扩大，城市环境问题日益突出。过去我国面临的最主要的空气污染问题是以气溶胶为主要污染物的霾污染[1-2]。经过数年的大力整治，霾污染已经得到有效遏制[3-4]，但随之而来的以臭氧（O3）为主要污染物的光化学污染却日益突显[5-6]。相关研究表明，中国的京津冀、长三角和珠三角地区以及其他重点城市在近年均面临着臭氧污染加剧、防控压力加大等问题[7-12]。采用一个日历年内臭氧日最大8小时滑动平均值的第90百分位数（MDA8-90）作为臭氧的年评价值[13]，全国74 个重点城市2013—2019 年臭氧年评价值上升了28.8%[14]。臭氧污染已逐渐取代霾污染成为影响我国空气质量的关键问题，关于臭氧污染特征及防治对策方面的研究亟待开展。

近地面臭氧主要是挥发性有机物VOCS和氮氧化物NOX等前体物在光化学反应作用下生成的二次空气污染物[15]。近年来关于臭氧的研究主要集中在臭氧污染的时空分布特征[16-17]、臭氧污染与前体物排放[18-19]及气象要素的关系[20-21]以及臭氧污染的地区和行业来源上[22-23]。其中气象条件主导着臭氧的生消、传输和扩散，与臭氧污染的产生密切相关。研究表明，在特定的天气形势下，气温高、湿度低、日照时间长、气压低、一定的风力是臭氧生成和积聚的有利条件，易引起臭氧污染超标[24-27]。但不同地区气候背景及地理位置差异显著，因此气象条件对臭氧污染的影响各有特点[28-29]。

中山市是珠三角的核心城市之一，东临珠江口，北靠广州、佛山，中部是山地，空气污染物易于在山地北侧的主城区积聚形成污染。根据广东省中山生态环境监测站提供的空气质量监测数据，近年来中山市臭氧污染问题渐趋严重，从2016 年起臭氧取代PM2.5成为中山市最主要的空气污染物，2019 年臭氧作为首要污染物的天数达到124天，为近年来最多。以往对中山空气污染的研究主要集中在灰霾上[30-31]，对臭氧污染的相关研究仍然不足。

本文利用中山市2015—2019 年连续5 年空气质量国控站观测的地面臭氧浓度数据、中山国家气象站观测的气象数据以及基于后向轨迹聚类分析的潜在源贡献因子方法进行分析，研究中山市臭氧污染超标与气象条件的关系，并探讨了臭氧起始浓度对臭氧超标的影响，以期为今后中山市对臭氧污染的预报预警及防治工作提供依据。

2 数据与方法

本文使用的地面臭氧观测数据由广东省中山生态环境监测站提供，包括了紫马岭、张溪及华柏园三个站点2015—2019 年的小时观测数据（O3-1 h）和日最大8 小时滑动平均数据（O3-8 h）。三个站点均位于中山市城区，其中紫马岭站位于紫马岭公园内，张溪站和华柏园站靠近交通干道，三个站点间的直线距离为3～5 km。气象数据由中山国家气象观测站提供，站点位置同样位于紫马岭公园内，包括了2015—2019 年的气温、相对湿度、降水量、风向、风速及太阳辐射数据，其中下文提及的北风泛指西北西到东北东风向范围下的风，南风泛指西南西到东南东风向范围下的风。

本文分季节讨论臭氧与气象因子的关系，划分3—5 月为春季、6—8 月为夏季、9—11 月为秋季、12—次年2 月为冬季。臭氧污染等级按照《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》[32]，根据O3-8 h 浓度划分为6 个级别，分别为优（0～100 μg/m3）、良（101～160 μg/m3）、轻度污染（161～215 μg/m3）、中度污染（216～265 μg/m3）、重度污染（266～800 μg/m3）和严重污染（＞800 μg/m3）。本文中臭氧超标指的是臭氧二级超标，即当天臭氧污染达到轻度污染或以上标准（O3-8 h＞160 μg/m3）[33]，同时当O3-1 h＞200 μg/m3时定义该时次臭氧超标。文中提到的臭氧浓度均为紫马岭、张溪和华柏园三个观测站点的平均浓度。

利用美国国家环境预报中心（NCEP）提供的再分析气象数据（GDAS）及地面臭氧浓度数据驱动MeteoInfo 软件和TrajStat 插件，将臭氧浓度阈值设置为160 μg/m3，即超过阈值的臭氧浓度对应的轨迹为污染轨迹，进行臭氧污染的24 h 后向轨迹聚类分析，并在此基础上计算臭氧污染的潜在来源（PSCF）[34]，具体公式如下所示：

其中，nij是气流轨迹落在第（i，j）个网格点的总端点数，mij是浓度超过设置阈值的轨迹落在同一格点的总端点数。PSCF 方法假设后向轨迹经过区域的排放源会对分析区域的污染造成影响，当PSCF 值大时，代表该地排放源对分析区域污染的潜在贡献大，反之PSCF值小代表潜在贡献小。

3 结果与讨论

3.1 中山市臭氧污染总体特征

图1 为2015—2019 年中山市臭氧污染超标天数及臭氧浓度年评价值。2015 年超标天数仅22天，为近年来最少；从2016 年起超标天数开始上升，2017 年超标天数64 天，2018 年有所下降，但2019 年再次上升至66 天，是近年来臭氧超标最多的年份。从2016年起臭氧中度污染和重度污染天数所占比例也迅速增加，2015 年中度污染或以上天数占比9.1%，2017 和2019 年分别上升到32.0%和36.4%。2016 年之前从未出现过臭氧重度污染，但2017—2019 年每年均有臭氧重度污染日出现。从各年臭氧连续超标天数来看，2015—2016年连续超标天数均为5 天，2017—2019 年连续超标天数大幅增加，分别为12、10 和18 天。从臭氧浓度的年评价值来看，2015 年的年评价值为145 μg/m3，为近年来最低，2016—2019 年的年评价值除2018 年外均呈现出上升趋势，2019 年达到近年最高的197 μg/m3，相比2015 年上升36%，说明中山臭氧污染的出现频数、持续时长上升，污染程度加重。表1 为中山市2015—2019 年的气候特征，2016 年相比2015 年气温下降，降水增加，但北风风频大幅上升，超标天数增加；2017 年比2016 年降水明显减少，超标天数大幅上升；2018年比2017年降水增加，北风风频略有下降，超标天数也相应下降；2019 年的降水量和北风风频比2018 年下降，但平均气温上升幅度较大，因此超标天数再次上升。综上，各年间臭氧污染的程度是多个气象因素共同作用的结果。

图1 中山市2015—2019年臭氧超标天数及臭氧浓度年评价值

表1 中山市2015—2019年气候特征

中山市臭氧污染在各个月份分布不均匀，图2为2015—2019 年各月份臭氧污染超标天数变化，其中1—6月臭氧污染出现较少，污染程度以优、良和持续时间较短的短期污染为主。从7 月起超标天数开始增长，9 月达到全年最多，11—12 月臭氧污染减弱。总体上，中山市臭氧污染超标天数最少的是3 月，仅在2016 年出现1 天；最多的是9 月份，共出现52 天，年均超标10.4 天。各月份平均O3-8 h分布与超标天数类似，9月平均浓度133 μg/m3，为各月份最大，1 月平均浓度最小，为63 μg/m3，仅为9 月的47.4%。从7 月起平均O3-8 h 开始增长，到11月明显回落。从以上讨论可知，中山市的臭氧污染主要出现在8—11 月，其中9—10 月污染程度最为严重。

图2 中山市2015—2019年各月份臭氧超标天数及平均O3-8 h

3.2 不同气象因子对臭氧超标率的影响

过往研究指出，气象因子对臭氧污染的影响因季节而异[35-36]，从上文的分析可知中山市臭氧超标主要集中在夏、秋两季，因此本文主要对夏季和秋季气象因子对臭氧超标的影响进行分析。

3.2.1 日最高气温对臭氧超标的影响

图3 为2015—2019 年夏季和秋季在不同日最高气温范围下的O3-8 h 均值及其超标率，两个季节O3-8 h 及其超标率随着日最高气温上升而上升的趋势非常明显。夏季最高温在30 ℃以下时超标率为0，随着最高温上升，超标率开始上升，但在34 ℃以下时超标率上升的幅度较小，这与夏季频密的日间降水及盛行南风有关；最高温在34～35 ℃时超标率为18%，而最高温达到35 ℃以上时超标率大幅度上升至43%。秋季当最高温在23 ℃以下时，臭氧超标率为0，随着最高温上升，超标率上升幅度相当明显，最高温在32 ℃以上时，超标率达到42%，而最高温达35 ℃以上时，超标率更是达到了75%。因此，当夏秋季节出现高温天气时（日最高温大于等于35 ℃），臭氧超标出现的可能性相当高。表2 是夏秋两季不同气象要素与O3-8 h 的相关系数，夏、秋季O3-8h 与最高温的相关系数分别为0.50 和0.46，相关性较高，日最高气温可作为臭氧污染的重要参考指标。

图3 夏季（a）和秋季（b）不同日最高气温范围下平均O3-8 h及超标率

表2 夏秋两季各气象要素与O3-8 h的相关系数

3.2.2 相对湿度对臭氧超标的影响

图4 为2015—2019 年夏季和秋季在不同日平均相对湿度范围下的O3-8 h 均值及其超标率。夏季O3-8 h 及其超标率随着相对湿度的增加而下降，其中当日均相对湿度在70%以下时平均O3-8 h达到175 μg/m3，超标率高达63%；当日均相对湿度在70%以上时超标率明显下降，日均相对湿度在75%以上时超标率下降到10%以下，相对湿度在90%以上时超标率仅为2%。秋季当相对湿度在50%～60%时O3-8 h 及超标率最高，超标率达到64%，在其他湿度范围下超标率下降明显，相对湿度在90%以上时超标率仅为2%。从表2 可知夏秋季相对湿度与O3-8 h 相关系数为-0.5 上下。由以上讨论可知，夏秋季臭氧超标率总体随相对湿度的上升而下降（秋季湿度50%以下除外，但这一范围样本仅18天），且相对湿度与O3-8 h的相关性与最高气温接近，在预报臭氧污染时应重点考虑。

图4 夏季（a）和秋季（b）不同日均相对湿度范围下平均O3-8 h及超标率

3.2.3 太阳辐射对臭氧超标的影响

图5 为2015—2019 年夏季和秋季在不同太阳辐射范围下的O3-8 h 均值及其超标率，其中太阳辐射取臭氧浓度较高的11—16 时(北京时间，下同)的平均值。太阳辐射影响着生成臭氧的光化学反应的强弱，因此O3-8 h 及超标率随着辐射强度的增加而增加。夏季太阳辐射在400 W/m2以下时超标率极低，辐射强度在400 W/m2以上时超标率上升明显，当辐射强度达到600 W/m2以上时超标率为24%。秋季太阳辐射增强时超标率迅速上升，辐射强度在400～600 W/m2范围时超标率为37%，超过600 W/m2超标率高达60%，因此在秋季太阳辐射对臭氧超标的影响相当明显。从表2 太阳辐射与O3-8 h 的相关系数可以看出日照时数和O3-8 h 呈正相关，夏季相关系数比秋季低，原因是夏季盛行南风，气流主要来自于海洋方向，受陆地污染物传输影响较小；另外夏季平均风速比秋季大（夏季为2.0 m/s，秋季为1.7 m/s），也不利于污染物在本地的积累，因此即使在较为有利的辐射条件下，臭氧污染出现的机率也比秋季低；臭氧污染最严重的秋季相关系数达0.6，结合太阳辐射对超标率的影响，当秋季出现晴朗无云天气时应特别关注臭氧超标的可能性。

图5 夏季（a）和秋季（b）不同太阳辐射范围下平均O3-8 h及超标率

3.2.4 日间降水对臭氧超标的影响

图6 为2015—2019 年夏季和秋季在日间（08—20 时）不同降水量级下的O3-8 h 均值及其超标率，可以看出不同季节臭氧与降水的关系呈现出不同的特点。夏季无降水时O3-8 h 最大，其次是出现暴雨以上降水时，而且日间出现暴雨以上降水时臭氧超标率为9%，比除无雨外其他降水量级的超标率都要大，但该类型样本仅有32 天，其中3天为超标，且这3 天的降水均出现在傍晚后，对日间臭氧超标影响不大；其余量级降水日臭氧超标率明显下降，为5%上下。秋季的O3-8 h 及超标率随降水的增加下降明显，其中无雨时超标率可达35%，出现降水时超标率迅速下降到12%或以下，其中日间出现暴雨时超标率为0。表2 为夏秋季节日间降水与O3-8 h 的相关系数，可以看出降水与O3-8 h 均呈负相关，但相关性并不高，原因在于讨论降水对臭氧的影响除了要关注降水的量级外，降水出现的时间也应重点考虑。图7为夏秋两季日间降水量、最大降水出现时间与O3-8 h 的关系，降雨时太阳辐射弱，且湿沉降会使臭氧浓度下降，因此如果在上午10 时到下午14 时臭氧浓度上升阶段出现降水，即使降水量很小，臭氧也不会出现超标；如降水出现在15—17 时，且降水量在10 mm 以下时，由于降雨前臭氧已达到较高浓度，弱降水并不能使臭氧浓度迅速下降，因此臭氧仍可能出现超标，降水超过10 mm则臭氧不超标；17时后出现的降水，由于臭氧污染已经达到峰值并开始减弱，因此降水量级与臭氧是否超标没有必然关系，日间出现臭氧超标后，傍晚再出现大量级降水的情况时有发生。

图6 夏季（a）和秋季（b）日间不同降水量级下平均O3-8 h及超标率

图7 夏秋两季日间降雨量、最大降水出现时间与臭氧污染等级的关系

3.2.5 风对臭氧超标的影响

风对空气污染物的浓度影响很大，图8 是夏、秋季日间有、无臭氧污染时的风向频率图。夏季有、无臭氧污染时风向频率差异明显，无污染时以偏南风到西南风为主，其中南西南风占比最大，为18.2%，北风占比仅为1%～3%。当出现臭氧污染时南风频率明显减小，同时北风频率增大至10%上下，对中山夏季出现西北风时的环流形势进行分析，此时多受热带气旋外围下沉气流影响，扩散条件极端不利而造成臭氧超标。秋季盛行风向由南风向北风转变，当无臭氧污染时以偏北风到东北风为主，其中北东北风占比最大，为16.7%。臭氧污染出现时偏北风到东北风的总占比进一步加大至56.7%，东风和南风的占比明显减小。计算夏季、秋季风速与臭氧浓度的相关系数分别为-0.23和-0.21，总体上臭氧浓度随风速的增大而减小，但相关性并不太大，讨论风对臭氧浓度的影响也应重点关注风向的变化。中山地处珠三角北风背景的下风向位置，北边的广州、佛山，东北边的东莞、东边的深圳NOX和VOCs的排放量大[37]，为臭氧的生成提供了充足的前体物，而南边的江门和珠海前体物排放较少。对2019年中山臭氧污染进行潜在源区分析（PSCF）（图9），其后向24 小时潜在源区主要集中在中山西部、西北部和北部城市（PSCF 值0.2～0.5），东北部也有一定贡献（PSCF 值0.1～0.2），南部贡献最小（PSCF 值0.1 以下），污染源以短距离输送为主。综上，北风背景下有利于上游污染物向下游输送，造成中山臭氧超标，而南风为清洁气流，一般不会造成臭氧污染，同时台风外围气流控制背景下较易出现臭氧超标[38]，应重点关注。

图8 夏季和秋季日间有、无臭氧污染时的风向频率

图9 2019年中山市臭氧污染潜在源区分析

3.3 多气象因子影响下臭氧超标率分析

上文分析了单个气象因子作用下臭氧的超标率，但臭氧超标往往是多个气象因子共同作用的结果。表3 为多个气象因子共同作用下臭氧的超标率，其中每一列各个气象因子间为递进关系，即同一列中位于下方的气象条件包含了其上方的各个气象条件。对气象因子进行筛选后，发现夏秋两季臭氧超标率均对日间主要风向（即日间风频出现最多的风向）最为敏感。夏季当日间最大风频为北风时，臭氧超标率达到了69.2%，如果这种风向下日最高气温达到33 ℃以上，超标率高达89.1%，当日最高气温达到35 ℃以上时，超标率更是达到了96.0%。当日间风向为北风外的其他风向时，臭氧超标率为3.8%，此时若日最高气温达到35 ℃以上，超标率提高到13.3%；当日间平均风速在2 m/s以下，超标率提升至28.6%，提升的幅度较为可观。

表3 多气象条件共同作用下臭氧超标率（Wd：日间主要风向；Tmax：日最高气温；RH：日均相对湿度；Ws：日间平均风速；Ra：太阳辐射）

秋季日间主导风向为北风的日数比夏季增多，但北风背景下臭氧的超标率比夏季明显下降，为39.2%；此时若日最高气温在33 ℃以上，超标率大幅提升至78.6%；若最高气温达到34 ℃以上，臭氧超标率高达91.7%。当日间最大风频为北风外的其他风向时，超标率仅有14.6%，此时气温的提升和湿度的减少对臭氧超标的影响较大，当日最高气温在33 ℃以上、日均相对湿度在80%以下时，超标率分别提升至28.2%和40%；当风速小于2 m/s时，超标率提升至58.3%；此时若平均辐射大于500 W/m2，超标率进一步提高至70%。

综上，在各个气象因子中风向和日最高气温对中山市的臭氧超标率影响最大，可以作为臭氧超标预报最重要的参考因子。当夏秋季日间主导风向为北风，且日最高气温达到33 ℃或以上，应重点考虑臭氧超标的可能性。

3.4 相似气象条件下臭氧超标率变化趋势

上文讨论了中山市近年各气象要素对臭氧浓度及超标率的影响，但不同年份相似气象条件下臭氧超标率也存在明显差异。中山市2015—2019年的总体气候概况中（表1），总降水量的差异最为明显，为尽可能消除降水差异的影响，挑选降水量较为接近的2015、2017 和2019 三年，对相似气象条件下臭氧超标率的变化进行分析。

图10为2015、2017和2019年在相同的日最高气温、日均相对湿度、太阳辐射、日间降水量级和日平均风速范围下各年的臭氧超标率，可以看出在相似气象条件下，各年的臭氧超标率差异相当明显。在最高温20～25 ℃范围内，只有2017 年出现了臭氧超标；当最高温在25～30 ℃和30～35 ℃时，2019 年的臭氧超标率比2017 年稍高或持平，均远高于2015 年；当最高温在35 ℃以上时，2017年的超标率高达69.2%，2019 年为50%，而2015 年仅为29.4%。在相对湿度方面，各年的超标率均随湿度的增加而下降，且2015年的超标率均为最低；当相对湿度在70%以下时，2019年的超标率最高，达到49.3%；其余湿度范围下均为2017 年最高。对太阳辐射而言，当11—16 时的平均辐射在400 W/m2以下和600 W/m2以上时，2017年的超标率最高；当辐射为400～600 W/m2时，2019 年的超标率最高，其次是2017 年；在各太阳辐射强度范围下，2015 年的超标率均最低。在日间降水方面，无雨日中2019 年的超标率为23.7%，为三年中最大，其次是2017 年的21.7%，2015 年的超标率仅为2017年的一半；当日间出现降水时，2015年的超标率降为0，此时2017 年的超标率最高，2019 年的超标率为2017 年的一半左右。在风速方面，当日平均风速在1 m/s以下时，三个年份的臭氧超标率基本持平，但当风速增加至1～2 m/s 时，2015 年的超标率明显下降，而2017和2019年则有所上升；当风速继续增加到2～3 m/s 时，臭氧超标率均出现下降，此时2017 年的超标率最高。以上讨论了5 种气象要素共17 种相似气象条件下不同年份的臭氧超标率，2017年超标率最高的占12种，2019年最高的占5 种，在绝大多数条件下，2017 和2019 年的臭氧超标率均远高于2015年的超标率，因此，在气候状况变化不大的背景下，从2015 年到2019 年间的臭氧污染渐趋严重，需要从前体物排放方面寻找原因。

图10 2015、2017和2019年相同气象条件下的臭氧超标率

3.5 起始浓度对臭氧超标的影响

定义臭氧浓度在上午连续增长前所达到的最低浓度为当天臭氧的起始浓度，并把2015—2019年夏秋两季共191 个臭氧超标日的起始浓度划分为10 μg/m3或 以 下（Group-A）、11～30 μg/m3（Group-B）及30 μg/m3以上（Group-C）3 组。图11为3 组样本中臭氧从起始浓度到首次达到超标（O3-1 h大于200 μg/m3）所需要的时长及该时段内气温的变化。可以看出随着起始浓度的增大，臭氧从起始浓度达到超标所需时间及该段时间内气温的变化逐渐减小。表4为夏、秋两季从起始浓度到首次超标的用时和气温变化，夏、秋季节呈现出相同的特点，即起始浓度增大时，臭氧从起始浓度到超标的用时和气温变化减小。其中夏季在Group-A、Group-B 和Group-C 下平均用时7.1、6.2和5.8 小时，气温变化7.2、5.8 和4.7 ℃；秋季平均用 时6.9、6.2 和5.9 小 时，气 温 变 化7.1、5.8 和5.1 ℃。比较相同分组下夏季和秋季的用时和气温变化，除了Group-C 夏季的气温变化比秋季稍低外，其他两组两个季节的指标较为接近，说明起始浓度确定时，从起始浓度到超标的用时和气温变化特征随季节的变化不明显。从以上讨论可知，臭氧从起始浓度达到超标所需时间随着起始浓度的增加大体上呈减小趋势，且较小的气温变化即可使臭氧达到超标，即臭氧超标对气温变化的依赖性减小。

图11 Group-A（a）、Group-B（b）和Group-C（c）从起始浓度到首次超标的用时及气温变化

表4 夏、秋季起始浓度到首次超标用时及气温变化

4 结 论

（1）中山市2015—2019 年臭氧污染加重，超标天数从2015 年的22 天增长至2019 年的66 天，中度污染以上天数占超标天数比例从9.1%增长至36.4%，臭氧年评价值增长36%。臭氧污染主要集中在8—11月，其中3月最少，9月最多。

（2）中山市夏秋季节臭氧超标主要发生在气温高、湿度低、太阳辐射强、日间10—14 时无明显降水、吹北风的气象条件下，臭氧的污染潜在源区主要位于中山西方到北方的城市。风向和气温是臭氧超标最重要的指标，夏、秋季日间吹北风时超标率分别为69.2% 和39.2%，当日最高气温在33 ℃以上时超标率大幅增长至89.1%和78.6%；当日间主要风向为非北风时，夏、秋季超标率仅为3.8%和14.6%。

（3）不同年份在相似气象条件下臭氧超标率存在明显差异，在相同的日最高气温、相对湿度、太阳辐射强度、降水量级和平均风速范围下，2017年和2019 年的臭氧超标率均远高于2015 年，近年间的臭氧污染趋于严重需要从前体物排放方面寻找原因。

（4）臭氧超标日中把臭氧起始浓度划分为10 μg/m3以下、11～30 μg/m3及30 μg/m3以上3 个等级，夏季臭氧从起始浓度达到超标平均用时分别为7.1、6.2 和5.8 h，相应气温平均上升7.2、5.8 和4.7 ℃，秋季平均用时6.9、6.2 和5.9 h，气温变化7.1、5.8 和5.1 ℃。起始浓度增大时，超标耗时和气温变化均呈减小趋势，较高的起始浓度使臭氧超标对气温变化的依赖性减小。

致 谢：本文所采用的臭氧浓度数据由广东省中山生态环境监测站提供，在此表示感谢。