漳州市臭氧污染特征及其与气象因子关系的分析

李育慧 ,夏丽娜 ,李育乔

1.漳州市龙文区气象局，福建漳州 363007；2.福建省气象服务中心，福建福州 350001

臭氧(O3)是一种危害较大的大气环境污染物，对大气辐射、生态环境的影响较大。O3是NOx、CO和VOCs等前体物在一定的气象条件下发生一系列化学反应产生的，具有较强的破坏性。O3的氧化还原反应是一个复杂过程，它通过氧自由基(HO2、RO2)氧化NO，再经过光解反应，最终形成O3[1-2]。

随着城市现代化进程的加快，漳州经济快速发展，机动车数量攀升，能源消耗增加，大气污染问题备受瞩目。许多学者认为，O3的含量和气象条件之间存在着紧密联系。张浩月等[3]在珠江三角洲研究发现，该地区臭氧含量具有显著区域性变化；易睿等[4]对长三角地区的O3污染调查发现，O3浓度与温度、日照呈正比。有研究表明，高温会促使光化学反应加剧[5]，从而增加O3。空气中的水分、风速、风向也会影响臭氧浓度。臭氧污染受到多种因素的联合影响[6]。主要探讨了漳州市O3污染特征及其与气象条件的关系。

1 资料来源与分析方法

1.1 数据来源

选取漳州市生态环境局2016年1月1日—2018年12月31日 的O3和 其他污染物监测数据，气象数据为漳州市气象局同期监测的日平均气温、风向、风速，以及相对湿度等地面气象观测数据。

1.2 分析方法

通过Origin软件中的polar contour函数绘制风玫瑰图，利用统计分析法详细分析漳州市臭氧污染特征，并探讨它们与气象条件之间的关联性。

2 结果与分析

2.1 O3浓度的总体变化特征

由图1可知，2016年1月1日—2018年12月31日，O3日最大8 h平均浓度范围为8～216 μg/m3，平均值为89.3 μg/m3，集中在50～150 μg/m3之间的约占总量的76.1%。有49 d O3日最大8 h的平均浓度超过160 μg/m3，主要集中在4—10月，以4月和10月最多，分别为12、9 d。O3污染日数不断上升，逐年增加趋势明显，尤其是在2017年和2018年，分别出现22 d和26 d。

图1 2016—2018年漳州市O3日最大8 h平均浓度变化

根据《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)，O3小时均值二级标准浓度的最高阈值为200 μg/m3，分析实际监测数据发现，O3小时浓度超过这一阈值的累积时长达84 h。其中，最大值为270 μg/m3，是国家二级标准浓度的1.4倍，超标时段大多在13:00～17:00。

2.2 O3浓度的月变化特征

由图2可知，2017年和2018年O3浓度比2016年明显增高，主要原因是2017年和2018年气温异常偏高，降水偏少，呈高温日数偏多、日照时数偏多的特点，非常利于O3生成。O3的月浓度变化呈现2个高峰，有明显季节变化，春季(5月)出现首次高峰，夏季或秋季(8—10月)出现第二次高峰，这与太阳辐射强度、气温高低、光照强度等气象因素相关。

图2 2016—2018年漳州市O3月均浓度变化

O3浓度在春季出现最大值，可能与“对流层顶折叠”现象、对流层上部高浓度O3通过沉降和平流作用向下输送，以及冬季O3前体物大量积聚有关[7]。而夏季和秋季(8—10月)，漳州市太阳辐射强烈，日照时间较长，有利于NOx、VOCs 等前体物质发生光化学反应，进而导致O3浓度大幅增加。

2.3 O3浓度日变化特征

依据春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)和冬季(12月至翌年2月)季节划分，统计漳州市2016年1月至2018年12月不同季节和时段的O3小时浓度变化。可以看出，O3浓度与近地面大气的光化学反应之间存在着密切联系，表现为明显的单峰型分布特征。NO2浓度变化则呈双峰型分布，在09:00左右出现首个峰值，这主要是城市交通早高峰所致；18:00后,由于太阳辐射衰减，NO2的光解反应受到抑制，再加上NO与O3的反应也导致了NO2产生，从而使夜间NO2浓度升高。此外，CO的存在也会影响夜间NO2浓度，但由于其惰性较强，对O3的影响相对较小[8]。

根据唐文苑[9]研究，臭氧的日循环可划分为4个过程：夜间NOx的释放、清晨的臭氧抑制、臭氧光化学反应以及臭氧消耗。夜间NO持续消耗导致O3浓度大幅下降，并保持在较低水平。一般来说，O3浓度在06:00～08:00达到最低值。而08:00～16:00是O3光化学反应的关键时段，这一时段空气污染程度较为严重。

随着汽车早高峰出现，尤其是在汽车拥堵的情况下，NOx、CO等有害化学物质含量急剧攀升，11:00后，受太阳辐射和温度的影响，光化学反应更加活跃，O3的含量在15:00～16:00达到最大，之后随着太阳辐射减弱和气温降低，O3含量逐渐减少。16:00至午夜开始了O3的消耗和沉淀过程，加上下班高峰期到来，新的污染物排放量大幅增加，而夜间近地面沉淀作用又加剧了这一过程，从而使O3污染水平从一天的最高值降至最低值。在齐冰[10]的研究中，O3浓度日变化趋势也显示了相似规律。

2.4 气象因子对O3的影响

2.4.1 气温对O3的影响根据最新的研究结果[11]，O3污染情况与气温高低关系紧密。对逐时气温与O3浓度的拟合分析发现，当气温上升时，O3浓度也会升高，而且增长率随着温度越高越明显。

当气温较低(＜15 ℃)时，O3平均浓度＜80 μg/m3；但随着气温升高，O3浓度显著增加。当气温升至15～20 ℃时，O3浓度开始出现超标现象，超标率达到1.2%。当气温分别升高至20～25 ℃和25～30 ℃时，O3超标率分别达到7.6%和5.2%。当气温处于30～35 ℃变化时，O3超标率达到最高，为8%。此外，从O3平均浓度变化看，当气温低于15 ℃时，O3的平均浓度变化不大，但当气温超过15 ℃时，其增长趋势会变得更加明显，尤其是当气温超过30 ℃时，O3平均浓度会超过100 μg/m3。

O3的超标频率也随着气温升高而增加。Spearman的分析结果显示，气温与O3浓度均值之间的相关系数达到0.285，且经过双侧0.01的显著性检验，两者之间密切关联，呈显著正相关。

2.4.2 相对湿度对O3的影响当空气相对湿度＜70%时，O3平均浓度会显著增加，超过100 μg/m3；当空气相对湿度处于50%～55%时，O3平均浓度将迅速攀升，最高可达120.7 μg/m3，此时O3浓度超标率也将达到20%。空气相对湿度在55%～80%时，O3平均浓度和超标率均明显下降，尤其是当相对湿度＞75%时，无O3超标情况。有3个方面的因素对此产生重要影响：首先，水汽会减弱紫外辐射[12]，导致光化学反应减弱；其次，湿度增加也会加速O3干沉降；最后，O3的消耗也可通过大气中的水汽反应进行[13]。

2.4.3 风速和风向对O3的影响据严茹莎等[14]研究，O3污染的主要原因是O3富集层的向下输送和边界层的稳定性，阻碍大气扩散。同时，风速变化也可以反映出污染物传播情况，更好地评估空气污染程度，而风向变化可以更准确地反映污染物传播方向。

在风速≤2.0 m/s的条件下，O3浓度均值会随着风速增加而增大，其超标频率也会相应上升(在风速＜1.0 m/s的条件下，无O3超标情况)。当风速达到2.0 m/s以上时，O3超标频率明显减少，甚至无超标。这是由于随着风速增加，O3浓度也会发生相应改变：一是抬高了大气边界层高度，从而加强垂直动量输送，使O3从对流层顶输送至地面；二是提升了O3的水平扩散能力，从而减少了O3浓度。因此，在风速较低的情况下，O3以向下输送作用为主，其超标频率随着风速增加而增大；但当风速超过一定阈值，O3将以水平扩散作用为主，其超标频率会明显减少[2]。

分析风向频率的季节性变化对O3浓度影响可看出(图3)，春季、秋季和冬季以东南风为主，而夏季以偏南风和西北风为主。一年四季中，在SW-SE方位，O3浓度相对较高。尤其是在S-SE方位，当风速在1.0～2.0 m/s时，O3浓度最高。

图3 2016—2018年漳州市O3浓度变化与风向频率季节性变化关系

此外，夏季的NW方位，当风速在1.0～2.0 m/s时，也会出现O3浓度最高值。冬季漳州O3浓度显著下降，这表明漳州O3浓度升高主要受到东南部、南部和西北部污染源的影响，而北部地区污染物排放量却相对较少。

3 结论

(1)2016—2018年漳州市的O3浓度呈明显上升趋势，光化学污染问题愈演愈烈。研究发现，O3浓度日变化表现为单峰型分布特征。O3浓度在15:00～16:00达到峰值，06:00～08:00出现最低值。

(2)2016—2018年漳州市O3浓度呈明显季节性变化，春末、夏季以及初秋(5—10月)的浓度最高，冬季浓度最低。

(3)漳州市高温低湿的气象条件对O3污染有着重要影响。当气温＞15 ℃、相对湿度为50%～75%、风速≤2.0 m/s时，O3浓度显著增加，甚至超标。可见O3浓度与气温呈正相关，与相对湿度、风速呈负相关。因此，气象条件可以作为预测O3污染的重要参考指标，以便更好地控制和减少污染物排放。

(4)漳州O3浓度在不同风向下有所变化。北风情况下，O3浓度较低。但在东南风或西北风(夏季)情况下，O3浓度显著增加。表明漳州O3污染源主要分布在东南部、南部和西北部，而北部地区污染程度相对较低、污染源相对较少。