2021年广州市臭氧污染特征及气象因子影响分析

陈漾，张金谱，邱晓暖，琚鸿，黄俊

1. 广东省广州生态环境监测中心站，广东 广州 510006；2. 广州市气候与农业气象中心，广东 广州 511430

近地面高浓度臭氧（O3）是大气中重要的污染物，具有强氧化性，会对人类健康和农作物生长造成一定危害（Anenberg et al.，2010；Yang et al.，2012；Ghude et al.，2014；Feng et al.，2015；Lelieveld et al.，2015；Chen et al.，2016；Kavassalis et al.，2017；万五星等，2021；周映彤等，2021）。O3可以远距离传输，是区域性大气污染的重要标志物（崔坤等，2021；邓慧颖等，2021）。

广州市是华南地区的经济文化中心，经济总量、人口密度、能源消费总量保持高位且持续增长，大气污染防治压力大。近年来，由于二氧化氮（NO2）和颗粒物污染得到有效治理与控制，广州市 O3污染问题越发突出，与国内多个地区与城市面临的问题相似（邓爱萍等，2017；沈劲等，2017；谢祖欣等，2020；洪莹莹等，2021；侯素霞等，2021；颜敏等，2021；李莉等，2022）。近年来广州市O3浓度波动变化，无明显下降趋势，自2015年起，O3代替细颗粒物（PM2.5）成为广州市最主要的大气污染物。O3是氮氧化物（NOx）和挥发性有机物（VOCs）在一定气象条件下通过复杂的光化学反应生成的二次污染物（高素莲等，2020）。O3污染的化学生成机制复杂，与前体物存在高度非线性关系（Pollack et al.，2015；唐孝炎等，2006；颜敏等，2021），治理难度较大（Shao et al.，2009；沈劲等，2018；符传博等，2022a）。

在排放源相对稳定的情况下，气象条件是产生O3污染的关键因素（陈婉莹等，2022）。董昊等（2021）通过研究 2016—2018年安徽省 68个国控环境空气质量自动监测站点的 O3监测数据与气象因子的相关性后发现，温度、相对湿度与O3浓度分别呈现显著正相关、负相关，但在不同季节存在一定差异，其中，春秋季温度与O3浓度的相关性高于夏冬季，夏季相对湿度与O3浓度的相关性最显著；O3浓度在平均风速为 2.1—2.2 m·s-1时更易出现超标。李婷苑等（2022）统计了2015—2020年广东省在不同天气型下 O3污染情况后，发现弱冷高压脊天气型是影响广东省 O3污染的主导天气型，且不同季节的主要影响天气型存在差异，干季、湿季广东省区域 O3污染的主导天气型分别为弱冷高压脊和台风外围。

利用 2021年广州市环境空气质量自动监测站点 O3实时监测数据和气象观测数据，系统性分析O3污染时空分布特征，O3浓度与气象因子的相关性及O3污染与地面天气形势的关系，并对4月30日—5月1日发生的O3连续中度污染过程进行分析研究，以期为广州市 O3污染预警预报和防控治理提供参考。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

广州市现有52个环境空气质量自动监测站点，包括21个国控点（含1个国控对照点，即帽峰山国控点）、31个非国控点，具体位置见图1。本文中O3、NO2、细颗粒物（PM10）、可吸入颗粒物（PM2.5）、二氧化硫（SO2）和一氧化碳（CO）等大气污染物浓度资料均来自广州市环境空气质量自动监测网络的实况数据，VOCs浓度来自广州市吉祥路95号大气超级站（113.2597°E，23.1331°N，海拔 51 m）的监测数据。气温、日照时数、风速、风向、降水量、相对湿度、气压等气象资料来自广州（黄埔）国家基本气象观测站（113.482°E，23.21°N，海拔71 m），该站为广州市气象数据代表站，也是广州市世界气象组织（WTO）提供的全球数据共享的唯一代表站（黄俊等，2018）。近地面天气形势图来源于香港天文台。

1.2 仪器与质控

O3、NO2、颗粒物（PM10、PM2.5）、SO2和 CO等分别通过Thermo 49i臭氧分析仪、Thermo 42i氮氧化物分析仪、SHARP 5030颗粒物分析仪、Thermo 43i二氧化硫测定仪器和Thermo 48i一氧化碳分析仪等仪器在线测定，数据的质保质控（quality assurance and quality control，QA/QC）按照《环境空气质量自动监测技术规范（HJT 193—2005）》执行，2021年共获得6项大气污染物有效小时浓度数据2687390个，数据有效性为98.3%，其中O3小时浓度数据约44.7万个，数据有效性98.2%。VOCs使用GC866在线 VOCs分析仪（Chromatotec，法国）测定，测量物种包括57种臭氧前体物，每日执行1次内标检测，每周执行1次5×10-9标准气体核查，确保大于80%的物种浓度偏差小于20%，符合2021年国家生态环境监测方案的技术要求，2021年4月30日—5月2日共获得臭氧前体物有效小时浓度数据为4713个，数据有效性为87.7%。2021年共获得气温、风速、风向、降水量、相对湿度和气压等气象因子有效小时数据分别为 8753、8716、8716、8753、8753、8753个，日照时数有效数据362个，数据有效性均为99.0%以上。

1.3 研究方法

依据《环境空气质量标准》（GB 3095—2012）及其修改单、《环境空气质量评价技术规范（试行）》（HJ 663—2013）和《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》（HJ 633—2012），O3日最大 8小时滑动平均值（O3-8 h）为O3日评价浓度，O3-8 h的第90百分位数（O3-8 h-90%）为某时间段（年、月）O3评价浓度，当O3-8 h或O3-8 h-90%超过160 μg·m-3则分别视为当日或该时间段O3浓度超标。

选取 2021年广州市环境空气国控监测网络中20个国控点的污染物小时实况数据评价广州市环境空气质量指数（AQI）及各项污染物浓度。使用52个发布点（含20个国控点）的O3-8 h均值和O3-8 h-90%数据，并采用 Matlab“v4”插值函数绘制2021年广州市O3-8 h均值和O3-8 h-90%浓度的空间分布图。应用SPSS软件统计O3-8 h与气象因子的显著性水平（P）与相关系数（r）。

2 结果与讨论

2.1 广州市O3污染总体概况

2021年广州市环境空气质量超标天数（环境空气质量指数AQI＞100）为42 d，其中轻度污染38 d、中度污染4 d，未出现重度污染及以上污染。O3超标天数最多，达36 d，占总超标天数的85.7%；NO2超标6 d，占比14.3%；PM2.5和PM10各超标3 d，各占7.1%（全年共有3 d出现NO2、PM2.5和PM10同时超标现象），SO2和CO无超标。环境空气质量呈现O3污染为主，NO2和颗粒物污染为次的污染特征。2021年广州市O3中度污染4 d，轻度污染32 d。

2021年广州市2、4、7、9月O3-8 h-90%分别为 169、185、167、179 μg·m-3，超过国家二级标准限值（160 μg·m-3），且 O3超标天数较多，分别占全年O3超标天数的13.9%、19.4%、19.4%、25.0%。从近3年O3-8 h-90%和O3超标天数的月度变化看（图 2），2019年 O3污染主要集中在 8—11月，2020年O3污染主要发生在4月和7—10月，2021年O3污染出现时间则较为分散，分别发生在2、4、7、9月，2月是2021年广州市O3-8 h-90%首次超标的月份，且超标天数为近 3年同期最多，O3污染时间提前。

图2 2019—2021年广州市O3-8 h-90%浓度和O3超标天数月度变化Figure 2 Monthly variation of the concentrations of O3-8 h-90% and exceeded days of O3 in Guangzhou from 2019 to 2021

2021年广州市全年O3-8 h均值和O3-8 h-90%的空间分布特征相似，说明均值和高位值（第90分位数）的空间变化无明显差异，均呈现“南高北低”的特点，O3高值区主要分布在南部郊区，中部和东西两翼也相对较高（图3）。

图3 2021年广州市全年O3-8 h均值及O3-8 h-90%浓度分布图Figure 3 Distribution of the mean concentration of O3-8 h and the concentration of O3-8 h-90% in Guangzhou in 2021

2.2 O3-8 h与气象因子的关系

2.2.1 O3-8 h与气象因子的相关性分析

统计分析 2021年广州市 O3-8 h与各气象因子相关性（表1），发现O3-8 h与气温、日照时数、风速、相对湿度、降水量和气压均通过双侧 0.01水平下的显著性检验，其中，O3-8 h与气温和日照时数均呈正相关，与风速、相对湿度、降水量和气压均表现为负相关。O3-8 h与日照时数的相关性明显比其他单项气象因子强且表现为高度正相关，表明气象因子中日照时数与O3-8 h的关系最密切，日照时数越长，在一定程度上反映出太阳辐射越强，O3光化学反应越有利，促进O3生成；风速与O3-8 h浓度的相关性仅次于日照时数且为中度负相关，一般风速越大，水平扩散条件越好，对O3有一定的清除作用。日照时数代表光照生成条件，风速代表扩散清除条件，因此将日照时数与风速的比值（日照时数/风速比值）作为一个组合变量，发现O3-8 h与日照时数/风速比值的相关性高于O3-8 h与任一单项气象因子的相关性（表1），相关系数r为0.75，呈现高度正相关关系。且O3-8 h与日照时数/风速比值的线性拟合方程的斜率随着上午 07:00 NO2浓度区间的升高呈现先增后减的变化（图4）。这是由于07:00 NO2浓度在一定程度上可代表光化学反应前体物的初始浓度（苏筱倩等，2019），因此在 07:00 NO2浓度较小（＜42 μg·m-3）时，斜率随着07:00 NO2浓度区间的升高而增大，当 07:00 NO2浓度较高（＞42 μg·m-3）时，斜率明显变小，原因可能为NO2浓度较高时产生了明显的“滴定”效应（吴瑞霞等，2005；奇奕轩等，2017；齐国伟等，2022），O3浓度迅速降低，因此斜率变小。

图4 O3-8 h浓度与日照时数（ds）/风速（vw）比值在上午7时NO2的不同浓度区间的线性拟合图Figure 4 Linear fitting diagrams of the concentrations of O3-8 h and the ratio of sunshine duration/wind speed at different range of the concentrations of NO2 at 7:00 a.m.

表1 2021年广州市O3-8 h与气象因子的相关性Table 1 The correlations between the concentration of O3-8 h and meteorological factors in Guangzhou in 2021

广州市地处南亚热带南缘，根据华南气候特征，并没有气候学意义上的冬季，通常将3—8月划分为湿季，1—2月、9—12月划分为干季（黄俊等，2018）。对比广州市干湿季O3-8 h与气象因子的相关性（表1）可知，O3-8 h与风速和相对湿度的相关性均呈现干湿季差异较大的特点，而O3-8 h与其他气象因子的相关性均表现为干湿季差异较小的特点。O3-8 h与风速在干季表现为高度负相关（相关系数为-0.514**），而在湿季则呈现低度负相关，原因可能为湿季边界层较高，垂直扩散较好，干扰了水平扩散，因此影响了两者的相关性。O3-8 h与相对湿度在湿季呈中度负相关（相关系数为-0.469**），但在干季则无相关性（相关系数为0.041）。

2.2.2 不同范围气象因子与O3的关系分析

表2所示为各气象因子在不同范围下的O3-8 h均值和O3-8 h超标率的统计。O3-8 h均值和超标率大体上均随日照时数和气温的增大而升高，这是因为日照时数和气温在一定程度上能反映太阳辐射的强度，日照时数越长，气温越高，光化学反应越剧烈（Lee et al.，2014；Fu et al.，2015；符传博等，2022b），越有利于O3生成。O3-8 h均值和超标率基本上随风速、降水量和气压的增大而降低，这是由于风速越大，越有利于O3扩散，O3浓度越低。雨天一般伴随着云量多、辐射弱、风速增强等天气现象，且降雨对O3有一定的湿清除作用（陈漾等，2017；齐艳杰等，2020），当降水量为0时，O3-8 h均值和超标率最高；当降水量大于10.0 mm时，超标率为0。低气压时，广州地区大气通常是由热带气旋外围下沉气流所控制，伴随高温、晴空和高日照时数天气，利于O3生成；而当出现高气压时，主要是由于北方冷空气南下，气温有所下降，风速较大，因此O3浓度较低（黄俊等，2018）。O3-8 h均值和超标率随相对湿度的增大呈现先升后降的变化，这与长三角、江西省、武夷山市等（易睿等，2015；邹旭东等，2020；邓慧颖等，2021；钱悦等，2021）地区和城市的变化规律相似。当相对湿度大于80%时，O3-8 h均值和超标率明显下降，这是因为相对湿度反映了大气中水汽的含量，大气中的水汽与O3的气相反应与非均相反应都是对流层O3重要的汇，一方面水汽通过影响太阳辐射从而影响空气中的光化学反应，一方面水相中的O3可将二氧化硫和二氧化氮氧化成硫酸根和硝酸根离子，因此高相对湿度不利于O3累积（唐孝炎等，2006；王开燕等，2015；易睿等，2015；钱悦等，2021）。

表2 不同气象因子范围与O3-8 h均值和O3-8 h超标率的关系Table 2 The relationship between different meteorological factor ranges and the mean concentration of O3-8 h and over-limit ratio of the concentration of O3-8 h

风向对O3浓度也有重要影响。图5所示为不同的风向、风速下O3-8 h均值。由图5可知，2021年广州市吹西南风且风速较小（＜2.0 m·s-1）时，O3-8 h均值最高，说明广州偏西部可能存在 O3前体物源区，在西南气流作用下，对广州市 O3污染产生影响，与黄俊等（2018）的结论基本一致。

图5 不同风向、风速下的O3-8 h均值Figure 5 The mean concentrations of O3-8 h at different wind directions and wind speeds

2.3 O3污染天气分型

分析2021年广州市O3超标日的地面和高空天气形势（表3）发现，O3超标日500 hPa高空形势多为副高、偏西气流、西风槽、西北气流等控制，地面则均处于弱气压梯度场。本研究将广州市O3超标日的地面天气形势归纳为均压场、弱低压槽和弱高压脊3种类型，其中受均压场控制的 O3超标日有16 d，占2021年O3总超标天数的44.4%，受弱低压槽控制的有13 d，占比36.1%，受弱高压脊控制的有7 d，占比19.4%，这与2014年北京市O3超标日高压类、低压类和均压类这3种地面天气形势的占比接近（各占16%、36%、48%）（程念亮等，2016）。2021年广州市一共发生3 d O3中度污染，其地面天气形势均为均压场主导。

表3 2021年广州市O3超标日天气形势及O3-8 h均值Table 3 Weather situations and the mean concentrations of O3-8 h on the exceeded days of O3-8 h in Guangzhou in 2021

表4统计了2021年广州市O3超标日在不同地面天气形势下的气象条件和O3浓度。可知，广州市近地面处于均压场控制时，O3浓度明显高于其他两个天气型，这是由于在均压场控制下，区域内气压分布均匀，变化极小，气压梯度不明显，风力微弱，在3种地面天气形势下的风速最低，污染物难以扩散，易在区域内滞留形成二次污染，造成O3超标。弱低压槽和弱高压脊控制时，低压弱槽线和高压弱脊线的移动往往都会出现风向转换过程，导致O3在区域内往返传输，不利扩散，也易造成O3累积超标；但弱低压槽控制时，平均气温和平均日照时数虽都明显高于弱高压脊，光化学反应条件较强，但相对湿度较大，消弱了一部分光化学反应，因此O3-8 h均值和O3高位值（O3-8 h-90%）与弱高压脊的接近，但O3高位值比弱高压脊的略高。

表4 2021年广州市O3-8 h超标日在不同地面天气形势的气象因子和O3质量浓度Table 4 Meteorological factors and the concentrations of O3 in different ground weather conditions on exceeded days of O3-8 h in Guangzhou in 2021

2.4 O3污染的连续性和区域性

2021年广州市O3污染总共发生了8次连续污染过程（本文将连续两天及以上天数 O3超标定义为O3连续污染过程），共计23 d，占全年O3污染天数的63.9%，且广州发生的8次持续O3污染时，省内有23.8%—81.0%的城市发生O3污染（表5），说明广州市O3污染具有持续性、区域性特征。

表5 2021年广州市O3连续污染过程情况Table 5 Continuous O3 pollution processes in Guangzhou in 2021

2.5 案例分析

以4月30日—5月1日为例，广州市连续两天出现O3中度污染，省内多个城市O3超标，全省O3超标城市（含广州市）分别为10个和15个，多个城市出现中度污染，个别城市出现重度污染，该时间段内出现了1次区域性O3污染过程。

4月28日广州市受冷空气影响，气温较低，风速较大，扩散条件良好，O3浓度较低，至29日冷空气减弱，气温回升，O3浓度开始上升。4月30日—5月1日广州市转受均压场控制（图6），扩散转差，平均风速低至1.6 m·s-1，风级为软风以下（小时风速小于1.6m·s-1）时数为13 h·d-1，即超过一半的时间处于软风以下微弱风力的控制，且 30日中午开始风向不断转变，容易导致O3滞留不散，加上平均日照时数10.1 h·d-1，O3生成条件良好；且在广州塔地面与 118 m 的监测点（113.3178°E，23.1087°N）观测到4月30日00:00—08:00出现了逆温现象（图7），不利于污染物扩散，使得地面O3前体物——NO2和总挥发性有机物（TVOCs）迅速聚集且浓度上升（图8），08:00后，地面逆温现象解除，前体物在白天日照增强的情况下快速反应生成O3，前体物浓度均快速下降，广州市O3浓度迅速上升，造成污染。

图6 4月30日—5月1日O3污染过程地面天气形势Figure 6 Ground weather situations during O3 pollution from April 30 to May 1

图7 4月29日16:00—5月1日15时广州塔地面、118 m气温及温差时序图Figure 7 The sequence diagram of the temperature at ground and 118 m of Guangzhou Tower and their temperature differences from 16:00 on April 29 to 15:00 on May 1

图8 4月28日—5月2日广州市O3、NO2、TVOC、气温和风向风速时序图Figure 8 Time sequence diagram of O3, NO2, TVOC, temperature, wind direction and speed from April 28 to May 2 in Guangzhou

5月2日，受较强偏南气流和降水影响，气温下降，当天日照时数骤减至1.1 h，O3浓度下降，污染过程结束。

3 结论

（1）2021年广州市环境空气质量超标天数42 d，其中O3超标36 d，为广州市最主要的大气污染物；O3污染时间早发；O3高值区主要分布在南部郊区、中部和东西两翼区域。

（2）O3-8h浓度与日照时数和气温均呈显著正相关，与风速、降水量、气压和相对湿度均呈显著负相关，其中O3-8h与日照时数相关性最高，风速次之；O3-8h与日照时数/风速比值的相关性高于O3-8h与任一单项气象因子的相关性，其线性拟合方程的斜率随着07:00 NO2浓度区间的升高呈现先增后减的变化；O3-8h与风速和相对湿度的相关性均呈现干湿季差异较大的特点；O3-8h浓度随相对湿度的增大呈现先升后降的变化，当相对湿度大于80%时，O3-8h浓度和超标率明显下降；均压场、弱低压槽和弱高压脊为 O3超标日的主要地面天气形势类型，受均压场控制的O3超标天数最多，O3-8h均值最高。

（3）广州市O3污染特征具有持续性、区域性特征，2021年广州市O3污染总共发生了8次连续污染过程，期间省内有23.8%—81.0%的城市发生O3污染。4月30日—5月1日广州市连续两天出现的O3中度污染为地面低风速、日照时间长、风向持续转变等因素造成 O3聚集，再加上夜间逆温造成前体物累积与白天辐射增强加速 O3生成综合作用的结果。