2016—2019年唐山市臭氧污染及其与气象条件的关系

张晓东 王冠 王秀玲 崔粉娥 郑艳萍

（1.唐山市气象局生态气候中心，河北 唐山063000；2.河北省气象与生态环境重点实验室，河北 石家庄050021；3.秦皇岛市气象局，河北 秦皇岛066000）

引言

唐山市是中国京津冀地区重要的工业城市，也是中国重要的交通节点城市，所辖区域内污染排放量较大，空气污染问题比较突出。近年来，许多学者围绕对环境有重大影响的细颗粒物（PM2.5）的产生来源、时空变化、化学组成等［1-5］方面展开研究，认为秋冬季燃煤取暖是京津冀冬季大气污染的主要来源，大气稳定度高、弱风、较低的边界层高度是大气污染维持的重要气象条件［6-10］。随着国家大气环境综合整治工作的深入开展，二氧化硫（SO2）和PM2.5浓度呈下降趋势，而臭氧（O3）成为继PM2.5污染后人们密切关注的重要污染物［11-12］。

近地面O3是由机动车排放的氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）和挥发性有机物（VOCs）等前体物，在紫外线照射下发生光化学反应生成的，它对人体健康、生态环境有不利影响［13-14］。O3生成过程比较复杂［15］，国内对O3的研究主要围绕两个方面展开，一是从研究前体物与O3污染变化规律着手，探索O3污染敏感性控制因素。研究发现，O3对VOCs敏感，VOCs不同组成成分对O3生成进程有影响［16-19］；O3浓度与前体物浓度呈非线性关系，简单地控制某种前体物排放量并不一定使得O3浓度降低，应采取区域前体物协同控制策略［20-22］。二是从分析不同区域O3污染与气象条件的关系着手，通过计算O3浓度与气象要素间的相关关系，探讨减小O3浓度的气象要素阈值。研究表明，北京市O3超标日主要集中在5—9月，O3浓度与风速、温度呈正相关，与气压、湿度呈负相关［23］；广东省O3浓度在4月和10月相对较高，降水对O3的去除效果随着降水量级的增大而增大［24-25］；杭州市、上海市O3浓度升高发生在副热带高压控制及台风外围影响下，由小风、下沉气流与外源输入共同导致［26-28］；成都市O3浓度在6月最高，8 月最低，O3浓度与湿度相关系数为-0.82，与PM2.5无显著相关性，当风速为2.5—3.0 m·s-1、风向为南风时，O3浓度相对较高［29］。陆倩等［30］研究表明，有利于承德市O3-8h出现高浓度的气象因子为日平均气温大于23℃、日最高气温大于28℃、日平均海平面气压995—1007 hPa、日平均水汽压18—28 hPa、相对湿度小于55%，偏南风大于1 m·s-1。因各地在气候条件、污染来源及产业分布上存在较大差异，以上研究成果体现了区域化特点。对唐山市而言，以往人们对唐山市的PM2.5污染关注较多，对O3污染的研究相对较少，开展O3污染特征的分析很有必要。本文使用2016—2019年污染物浓度数据对唐山市O3浓度变化特征加以分析，探讨了气象条件对O3浓度的影响，为O3污染潜势预报与综合防治提供参考。

1 资料与方法

1.1 唐山市概况

唐山市位于河北省东部（117°31′—119°19′E，38°55′—40°28′N），辖区面积为5478.9 km2，属于温带大陆性半湿润季风气候，四季分明。年平均气温为11.8℃，1月气温最低，7月气温最高；年平均相对湿度为61.4%，3月湿度最小，为49%，8月湿度最大，为78%；年平均降水量为598 mm，降水集中在7—8月。唐山市北部倚靠燕山，东部和南部与渤海相邻，年平均风速较小，仅为1.5—2.5 m·s-1，边界层内常年存在山谷风环流［31］，平原区有南北摆动的地面风辐合带，容易形成污染物的汇集与滞留。当存在持续的逆温、背风坡下沉气流等不利于扩散的大尺度天气背景时，由天气尺度偏南气流输入的污染物首先在山前堆积，进而使地区质量浓度升高［32］。

1.2 资料来源及数据处理

污染物浓度数据来源于2016—2019年唐山市生态环境局6个国家空气自动监测站点（十二中、物资局、消防缸窑路中队、雷达站、路南电大、小山）的逐时监测数据平均值。O3污染水平按照《环境空气质量标准》（GB3095—2012）进行判定，若某日O3浓度的8 h滑动平均最大值（O3-8h）大于二级标准（160μg·m-3），定为超标日。气象要素日、小时数据来源于唐山市国家基本气象观测站。如果气象要素和O3浓度某日、小时数据缺失，则此时间下样本数据全部舍弃。O3浓度与各气象因子相关性采用SPSS 23.0软件中的Spearman相关性分析完成。

2 结果分析

2.1 O3污染状况

2016—2019年唐山市O3-8h第90百分位数的年际变化见图1。由图1可知，2016年O3浓度为179.3μg·m-3，超出标准限值12%；2017年增至205.4μg·m-3，超出限值28.4%；2018年、2019年分别为192.8μg·m-3、188μg·m-3，虽逐年回落，但仍呈超标状态。2016年O3浓度最大值达到281μg·m-3，2017—2019年分别达到313μg·m-3、289μg·m-3、298μg·m-3，2019年比2018年浓度最大值有所增大。从O3浓度超标日数来看，2016年超标天数为53 d，2017—2019年分别为71 d、75 d和73 d，近3 a超标天数均保持在70 d以上。4 a中O3浓度超标日数累计272 d，占二级以上空气质量总日数（625 d）的43.5%。综上，唐山市O3污染程度偏重，是大气污染防控治理的重点对象。

图1 2016—2019年唐山市O3-8h第90百分位数与超标天数的逐年变化Fig.1 Annual variations of O3-8h 90th percentile and the number of days exceeding the standard of O3-8h in Tangshan from 2016 to 2019

2.2 O3季节（月）变化

2016—2019年唐山市O3月均浓度值呈双峰型分布（图2），1—6月O3浓度呈近直线性增长，6月达到峰值，平均浓度为112.26μg·m-3，7—8月浓度下降，9月再次升高，浓度达到次峰值82.91μg·m-3，之后快速减小，11—12月浓度降到最低。2018年6月O3浓度值（122.33μg·m-3）是峰值中最大的，2017年9月浓度值（89.99μg·m-3）是次峰值中最大的。O3月均浓度与各月累计超标天数分布一致，O3浓度超标发生在3—10月期间，6月超标天数最多，9月、5月次之。2016—2019 年，夏 季 累 计 超 标 天 数 最 多（153 d），O3污染最重，春季次之（68 d），秋季为51 d。

图2 2016—2019年唐山市O3平均浓度与累积超标天数的月分布Fig.2 M onthly variations of average O3concentration and the number of cumulative days exceeding the standard in Tangshan from 2016 to 2019

2016—2019年唐山市气温等常规气象要素的月平均分布见图3。图2和图3表明，气温高、气压低的夏半年是O3浓度超标的发生时段，春季（3—5月）具有升温快、日照充足、降水少、湿度偏小等气候特点，对应O3浓度升高，与已知的研究结论一致［33］。夏季（6—8月）是唐山市降水增多、湿度增大的阶段，6月是春、夏季节过渡期，具有降水较少、日照强度大、湿度中等、气压低等特点，O3浓度达到峰值；7—8月不仅降水量多而且降水强度大，O3浓度下降。9月降水明显减少，相对湿度仍较大，日照时数增加，O3浓度又再次升高。在5—8月气温先逐月升高，7月达到最高值后而缓慢下降；日照时数在5月最多，之后逐月递减，7月降至该阶段低值，然后上升；O3浓度在6月达到峰值，然后下降，在8月达该阶段低值，然后回升，日照时数、O3浓度、气温三者有错峰分布的现象。综上，唐山市地面O3浓度具有明显的季节变化特征，O3浓度与气象要素间并非简单的线性关系，与多种要素相互作用有关，强降水对O3污染物有较强的清除和抑制作用。

图3 2016—2019年唐山市气温与海平面气压（a）、相对湿度、降水量和日照时数（b）的月平均分布Fig.3 M onthly average variations of tem perature and sea level pressure（a），relative hum idity，precipitation and sunshine hours（b）in Tangshan from 2016 to 2019

2.3 O3日变化

2016—2019年唐山市O3小时平均浓度日变化表明（图4），白天随着太阳辐射的增强，温度升高，光化学反应增强，O3浓度逐渐升高，在15：00达到峰值，为111.28μg·m-3。此后，随着太阳辐射减弱及温度降低，O3浓度逐渐下降，次日07：00左右达到最低值，为22.05μg·m-3，这与其他城市的变化规律一致［23］。NO2作为O3生成的前体物之一，NO2浓度日变化曲线与O3接近反位相变化，白天随着温度升高，边界层湍流垂直混合作用增强，NO2在光化学反应过程中被消耗，O3生成并累积；夜晚光化学反应及湍流活动减弱，地面风速减小，机动车产生的氮氧化物（含NO2）、VOCs等O3前体物在地面附近累积，并继续消耗O3。上午08：00左右上班高峰时间，机动车排放量大，同时地面湍流活动较弱，此时NO2浓度达到最大值（38.16μg·m-3）。

图4 2016—2019年唐山市O3与NO2小时平均浓度日变化Fig.4 Daily variation of hourly average concentration of O3and NO2in Tangshan from 2016 to 2019

2.4 O3与气象因子的相关性

通过Spearman相关性分析本地O3浓度与气象因子数量的关系。2016—2019年唐山市O3浓度与气象因子的相关系数见表1，逐时数据计算表明，O3浓度与温度、风速呈正相关，相关系数R分别为0.642和0.492；与相对湿度呈负相关，R为-0.402。从季节看，春季、夏季、秋季O3浓度与温度的相关性较高，相关系数均在0.600以上，冬季相关性较弱，说明气温升高是导致O3浓度超标的重要环境条件，这与2.2节所述相一致。冬季O3浓度与相对湿度的相关性最高，R为-0.739，夏季次之。夏季降水多、湿度大，对O3有清除和抑制作用；冬季空气相对湿度大会使细颗粒物吸湿增长，消光系数增大，能见度降低［9］，光化学反应条件变差，不利于地面O3生成。平均风速与O3浓度正相关，冬季相关性更高。冬季气温低，光照弱，地面O3浓度处于较低水平，偶然性的O3浓度升高需考虑外源的水平输送作用。

表1 2016—2019年唐山市O3浓度与气象因子的相关系数Table 1 Correlation coefficient（R）between O3concentration and meteorological factors in Tangshan from 2016 to 2019

2.4.1 温度

温度的变化能反映太阳辐射强度的变化，2016—2019年唐山市不同温度区间O3-8h浓度平均值、超标率以及温度与浓度间的秩相关系数见表2。由表2可知，随着气温升高，O3-8h浓度均值和O3超标率明显上升。日最高气温（T）在20—25℃区间时，O3-8h开始有超标现象，25—30℃区间时超标率增长了27.1%。日最高气温超过30℃时，超标率在50%以上，O3-8h浓度均值已超标，其与温度的秩相关系数也明显增大。特别当日最高气温超过35℃时，超标率高达93.8%。温度高可以促进VOCs等挥发性有机物浓度增加，强太阳辐射会加快光化学反应速率，增加O3浓度超标概率。当日最高气温T≥25℃时，要考虑O3超标问题，采取必要的防控措施。

表2 2016—2019年唐山市不同气温区间下的O3-8h均值、秩相关系数和超标率Table 2 M ean value，rank correlation coefficient and over standard rate of O3-8h under different temperature ranges in Tangshan from 2016 to 2019

2.4.2 相对湿度

2016—2019年3—10月唐山市不同相对湿度区间下O3-8h浓度平均值、超标率以及湿度与浓度间的秩相关系数见表3。由表3可知，随着地面湿度增大，O3-8h浓度呈双峰型变化。当相对湿度（RH）在50%以下时，O3-8h浓度均值及超标率随湿度增加而升高，RH为50%—60%时O3-8h浓度均值及超标率反而减小，即RH在50%左右出现次峰值。RH为60%—70% 时 O3-8h 浓 度 均 值 达 到 峰 值，为129.8μg·m-3，超标率峰值（37.5%）出现在70%—80%的湿度范围内，这与安俊琳等［34］的相对湿度在60%左右存在光化学反应强度临界值，O3及其前体物在60%之后随相对湿度的增加而减小的研究结果稍有不同。当RH ＞80%时超标率骤减21.9%，RH＞90%时未出现超标现象。

表3 2016—2019年3—10月唐山市不同相对湿度下O3-8h浓度均值、秩相关系数和超标率Table 3 M ean value，rank correlation coefficient and over standard rate of O3-8h under different relative hum idity in Tangshan from March to October from 2016 to 2019

唐山市邻近渤海，既受到季风影响，也受局地海陆小气候影响，地面湿度与O3浓度的关系比较复杂。比如，RH为50%—60%时，O3-8h浓度超标情形主要发生在5月和6月，占该区间超标天数的29.5%、36.4%。统计表明，唐山市6月主导风向为偏东风（风频率60%），偏东风携带的是干净而湿润的海洋空气，能在一定程度上降低O3浓度。又如，RH为70%—80%时，O3浓度超标率达到峰值，但O3浓度下降，这种情形主要发生在7月和9月，占该区间超标天数的33.3%、29.3%，这或许与副热带高压（台风）系统外围的暖湿气流辐合有关。秩相关系数表明，只有当RH＞80%时，地面湿度与O3浓度负相关关系才得以明确显现，这时水汽所含的自由基H、OH等迅速将O3分解为氧分子，从而降低O3浓度［23］。另一方面，地面温度上升后，水汽抬升形成云，能降低太阳辐射强度，不利于光化学反应及O3生成。

2.4.3 风速

2016—2019年3—10月唐山市O3浓度与地面日平均风速的关系见表4。由表4可知，随着平均风速（V）的增大，O3-8h浓度均值和超标率先升后降，当2＜V≤3 m·s-1时，O3-8h均值和超标率达到最大，分别为129.1μg·m-3、29.6%；当V＞3 m·s-1时，O3-8h均值和超标率随风速增加而逐渐减小。2016—2019年3—10月唐山市平均风速日变化见图5，与O3浓度日变化相似（图4），风速最小值一般出现在后半夜到清晨。有研究表明［35］，随着早晨紫外线辐射逐渐加强，稳定边界层上方与边界层顶间的残余层中的O3在夹卷作用下，向下混合到地表，在风速较小的状态下，地面O3浓度增加；上午到午后光化学反应增强，O3浓度增大，此时风速也增大并在超过一定限值时，水平扩散作用占主导地位，风速增大使地面O3浓度反而降低。对唐山市而言，日平均风速为1＜V≤4 m·s-1时，O3浓度超标可能性较大。

表4 2016—2019年3—10月唐山市不同风速下的O3-8h浓度均值和超标率Table 4 M ean value and overstandard rate of O3-8h concentration under different wind speeds in Tangshan from M arch to October from 2016 to 2019

图5 2016—2019年3—10月唐山市平均风速日变化Fig.5 Daily variation of average wind speed in Tangshan from M arch to October from 2016 to 2019

2.4.4 混合层高度

混合层高度表征了污染物在垂直方向被热力湍流、对流与动力湍流输送所能达到的高度，混合层高度增大，有利于污染物垂直扩散。采用罗氏法［36］计算2016—2019年3—10月唐山市区08：00—20：00每隔3 h的平均混合层高度表明（图6），唐山市区3—5月平均混合层高度为1500 m以上，5月最高为1852.5 m；6—8 月 平 均 混 合 层 高 度 分 别 为1442.8 m、1035.6 m和992.6 m，依次递减，8月降至最低；9—10月平均混合层高度又抬升至1000 m以上。这表明唐山市夏季地面O3污染偏重与不利的垂直扩散条件有关。通过计算3—10月白天各时段的混合层高度与地面日平均风速的Spearman相关系数表明，Spearman相关系数＞0.5（均通过置信度0.01水平的显著性检验），即地面风速大，混合层高度也较高。08：00风速与混合层高度的相关系数达到0.716，因此，可用前后两天08：00风速的变化预估混合层高度的变化趋势。

图6 2016—2019年3—10月唐山市混合层高度与地面风速的逐月变化Fig.6 M onthly variation ofm ixed layer height and surface wind speed in Tangshan from M arch to October from 2016 to 2019

由图5可知，每天风速最大值出现在15：00—17：00，与日最高气温出现在14：00相比要滞后一些。春季各时次的风速最大，8—9月风速最小，6—7月位列其中。前文提到在高湿条件下O3浓度减小而超标率升高的现象，或许可以用夏季混合层高度偏低、地面风速偏小来解释。此外，当副热带高压控制本地时，下沉气流也会抑制O3污染物垂直扩散，加剧地面O3污染物积累。

2.4.5 天气形势

气象要素的变化与天气形势密切相关。对2016—2019年唐山市O3-8h浓度大于三级标准（215μg·m-3，中度污染）的超标个例进行了天气分析，此时500 hPa多为高压脊前西北气流或高压脊（含副热带高压）控制，850 hPa暖性高压脊后或切变前部的西南或偏南气流经过本地，地面大多处于高压后部、低压前部（高后低前）或低压辐合区内，以晴到多云天气为主。由2016—2019年唐山市达到中度污染时的天气分型及要素值可知（表5），此时气温均值均在30℃以上，平均风速为1 m·s-1和4 m·s-1之间。高后低前型发生次数最多，O3-8h浓度均值也最高，达到258μg·m-3。低压（槽）型次之，两者大多发生在5—6月，占到总次数的56%，此时日照时数与光照强度最强，湿度较小，有利于O3生成。低压（槽）型使风场辐合加强，高后低前型的SW 风将河北中南部高浓度O3向唐山平流输送，使O3污染加重。副热带高压外围型发生在7—9月，污染程度最轻，与湿度偏大有关。鞍形场内O3随气流汇合而累积，暖平流一侧升温快，O3污染重。变性高压控制下日照充足、风速小是O3生成与积累的主导因素。北低南高型时地面为SW 风，北高南低型时地面为SE风，因气流辐合与平流输送的叠加而造成O3中度污染。

表5 2016—2019年唐山市O3-8h浓度达到中度污染以上时的地面天气形势统计Table 5 Surface weather situation when O3-8h concentration reaching abovemoderate pollution in Tangshan from 2016 to 2019

3 结论

（1）2016—2019年唐山市O3浓度日最大8 h平均值超过《环境空气质量标准》（GB3095—2012）二级标准的天数每年均在50 d以上，近3 a内每年达70 d以上，O3污染程度偏重。O3月平均浓度值呈双峰型分布，6月O3平均浓度值最大，达到112.26μg·m-3，9月次之。O3月均浓度值与各月累计超标天数分布一致，超标日分布在3—10月，夏季（6—8月）累计超标天数最多，污染最重，春季次之。O3浓度日变化呈单峰型分布，15：00左右达到峰值。

（2）通常情况下，唐山市当日最高温度超过25℃时就要考虑O3浓度出现超标现象，超过30℃时温度越高，超标率越高。相对湿度对O3浓度超标有一定影响，相对湿度在50%左右及60%—80%时，O3浓度超标率均大于30%；在60%—70%时O3-8h浓度值达到最大；在70%—80%时超标率最大，这与地面小风、较低的混合层高度有关。当日均风速为1＜V≤4 m·s-1时，O3浓度超标率较高。在有利的天气形势下，风场辐合加强及风场平流输送是O3浓度超标的原因之一。

（3）O3是光化学反应的产物，不仅考虑日照时间长短，还要考虑日照强度的大小。夏季云量多，造成日照时数减少，但日照强度大，同样会增加O3浓度超标率。唐山位于海洋、平原与山脉的过渡区，局地热力环流造成上午到中午日照较多，对流性天气多发于午后，而且日平均风速最大值也出现在15：00—17：00，最终导致O3浓度最大值多出现在15：00。