西昌市臭氧污染特征及其与气象要素的关系

刘佳

摘要 基于2016—2021年凉山州生态环境局监测中心逐日质量浓度监测资料与同期的西昌国家基本气象站常规气象观测资料，对西昌市臭氧污染特征及其与气象条件之间的关系进行了研究，结果表明：春夏季节，随着太阳辐射加强，臭氧已成为西昌轻度污染防治首要污染物，3—8月O3浓度高，超标时段主要出现在14：00～17：00；臭氧含量与温度、日照时数呈正相关；臭氧浓度与相对湿度呈明显的负相关性，高湿条件不利于臭氧的生成，相对湿度在30%～50%时较利于臭氧生成；臭氧浓度还与降雨时段有关系，降雨出现在白天，则O3浓度降低；降雨出现在夜间，则对降低O3的浓度无明显作用。

关键词 臭氧；气象因素；空气质量

中图分类号：TQ123.2 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2023）07–0189-03

近地臭氧污染（以下简称O3）主要是由人类活动通过复杂的大气化学过程形成的NOx和VOC二次污染造成的。O3污染不仅影响气象因素和天气系统，还因臭氧浓度高，对陆地生物，尤其是人类的健康造成巨大损害。

西昌地处川西南山地（海拔1 500～2 500 m，101°46′E～102°25′E、27°32′N～28°10′N），安宁河谷纵贯南北。西昌的低纬度海拔相对较高，印度洋西南季风和东南部旱季交替出现，中亚热带高原山区旱季和湿季气候特点独特。全年干湿季分明，夏秋多雨，冬春少雨；冬暖夏凉。夏半年5—10月的降雨占全年降雨总量的92.5%；冬半年11—翌年4月降雨极少。中国臭氧污染天气的客观差异化研究主要集中在中国东部地区。近年来，随着经济的发展，西昌工业和汽车废气排放量持续增长，夏季易受臭氧污染天气的影响。以西昌市为例，将西昌市的气象要素与O3数据结合分析，尋找与其的相关性。在业务工作中，基于天气要素气象预报，可推算出未来一段时间内的臭氧浓度，为臭氧污染预警和科学防治提供参考。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

气象要素资料来自西昌国家基本气象本站（102°16′E，27°54′N），观测场海拔高度1 590.9 m，资料年份为2016—2021年）。观测要素包括气温、相对湿度、气压、风向、风速、地温、降水等。

空气质量资料来自凉山州生态环境局提供的每日空气质量监测资料，采用24 h自动采样。西昌市环境空气质量功能区为二类区，执行国家《环境空气质量标准》（GB 3095－1996）二级标准（表1）。

1.2 研究方法

主要利用臭氧浓度逐日数据，分析西昌市臭氧污染时间分布特征。在计算西昌市臭氧污染数据与气象因素相关系数的基础上，比较其相关系数，选择具有代表性的气象要素，并重新分析选定的臭氧要素和臭氧浓度，得出了各要素对臭氧浓度的影响。

2 臭氧的变化特征

2.1 臭氧的日变化特征

2016—2021年，西昌市O3日浓度变化范围为1.00～248.00 μg/m3。平均值为63.5 μg/m3。O3日最大值为248.00 μg/m3，出现在2019年8月17日（图1）。O3超标时段主要出现在14：00～17：00，其中，4、6、8月出现次数较多，分别为5、3、11 d。O3日变化呈现单峰型分布的特征，平均日变化范围在35.00～100.00 μg/m3。变化模式与Fujita等的研究结果相似，可分为3个阶段：O3阶段和前体积累阶段、O3光化学形成阶段、O3消耗阶段。00：00～08：00臭氧浓度全天处于低水平。这种变化的原因可能是夜间光化学反应弱，导致地表附近持续消耗O3，导致O3浓度持续下降。温度、湿度和风速也会影响O3的浓度。低温、高湿条件不利于O3的产生，最低浓度出现在05：00～08：00。之后，光化学学生阶段开始了。随着大量O3前体的释放、温度的升高和太阳辐射的增强，光化学反应增强，导致O3浓度增加并逐渐积累，在17：00左右达到最大值。由于太阳辐射减弱，O3达到最大值后温度下降，使O3浓度又一次下降。

2.2 臭氧浓度的月变化特征

分析O3浓度月均值发现，西昌市O3浓度每月定期变化。一般来说，它的特点是中间浓度高、两侧浓度低。每年3—8月，O3浓度都很高，峰值集中在3—5月，9月明显下降，在10月达到最小值。3—5月O3浓度最高，平均为119 μg/m3 ；6—8月的O3含量略低，分别为99 μg/m3；9—11月最低，为71 μg/m3。3—5月随着温度的升高，冬季风转春季风，容易出现均压场，不利于O3扩散，从而诱发O3污染。6—8虽然温度高，但由于降雨日数的增多，不利于O3浓度的上升，以及丰富的降雨有利于O3及其前体物的清除，臭氧浓度也逐渐降低；而9—11月虽然降雨减少，但温度也开始下降，仍不利于臭氧浓度的升高[1-2]。

3 O3浓度与气象要素的相关分析

影响O3浓度的气象要素众多，现选取平均本站气压、平均气温、平均相对湿度、日照时数、20：00～翌日20：00降雨量进行相关分析。由表2可知，O3浓度与平均气温、日照时数等呈正相关，与平均相对湿度、降水量、本站气压等呈负相关。

3.1 温度、日照时数对O3的影响

西昌市每年3—5月气温逐渐升高回暖、日照时间明显长于其他月份，且风速较大，有利于平流层或对流层上部的高浓度臭氧向下输送；6—8月虽然日照时数因雨日增多的原因，月平均日照时数低于3—5月，但因为中国的夏季，太阳直射在赤道、北回归线区域，高温炎热和太阳光更强烈，紫外线强度增加，氮氧化物和挥发性有机物在紫外线的作用下生成臭氧更多，因此，在6—8月也易发生臭氧污染[3]；秋季，气温逐渐下降，阳光经常缩短，太阳辐射减弱，不利于光化学反应（图2）。

此外，在秋季，大气分层相对稳定，大气颗粒物浓度增加，导致气溶胶光学厚度增加，抑制光化学反应，导致臭氧浓度下降[4]。2016—2021年轻度以上臭氧污染日数21 d均出现在4—8月温度较高的时刻，最高气温均高于24 ℃，

平均氣温也高于该月平均温度。这发生在日前最高温度突然升高5～7 ℃的当天，或日最高温度达到最近的极端值后2～3 d，由此可见，臭氧含量与温度、日照时数之间呈正相关。

3.2 相对湿度对O3的影响

将臭氧月平均值与相对湿度的月平均值相比较，相对湿度较低的3—5月臭氧含量最高，当相对湿度小于60%时，臭氧平均浓度随相对湿度的增加呈现升高趋势，相对湿度在50%左右，臭氧含量平均值达到最高；当相对湿度大于60%时，臭氧浓度随湿度增加呈显著降低，说明高湿条件不利于臭氧的生成，这主要是因为水蒸气会影响太阳紫外线辐射的强度（图3）。

在高相对湿度的条件下，空气中水蒸气中的自由基，如OH和HO2，迅速将O3分解为O2，从而降低O3浓度。虽然水蒸气不吸收太阳的紫外线，但其消光机制会导致紫外线辐射减少，从而影响O3浓度。由此可以得出结论，相对湿度高是形成污染物湿处理条件的重要指标，不利于O3浓度的积累[5-7]。相对湿度在30%～50%时较利于臭氧生成，臭氧与相对湿度两者具有明显的负相关性。

3.3 降雨对O3浓度的影响

降水偏多有利于O3浓度的下降和O3及其前体物的清除。用2016—2021年轻度及以上首要污染物为臭氧污染的日数与各年的年总降水日数相比较，降水日数最少的为2019年，臭氧污染日数最多，而降水日数较多的2016年和2020年则无臭氧超标日数。

臭氧浓度还与降雨时段有关系，图4将2016—2020年各级雨量对应的臭氧平均浓度和超标率进行对比，结果显示：暴雨量级小时臭氧平均浓度最高，降雨出现在夜间，白天停止，温度升高，太阳辐射增强，一样有利于臭氧浓度的升高，相反降雨出现在白天，则有利于O3浓度的下降。总体来看，O3是经复杂的光化学反应产生的二次污染物，其成因复杂，气温、日照和降水都是影响O3浓度变化的主要气象因子。O3浓度的月变化趋势受多种气象因子的影响，无法用单一的气象因子进行预报分析。

4 结论

（1）西昌市空气质量轻度污染的首要污染物为臭氧，4—8月为O3浓度大值区，超标时段主要出现在14：00～17：00。

（2）臭氧含量与温度、日照时数呈正相关。

（3）高湿条件不利于臭氧生成，相对湿度在30%～50%时较利于臭氧生成，两者具有明显的负相关性。

（4）臭氧浓度与降雨日数、降雨时段有关系，雨日偏多且出现在白天，则有利于O3浓度的下降和O3及其前体物的清除。

（5）O3是经复杂的光化学反应产生的二次污染物，其成因复杂，O3浓度的变化趋势受多种气象因子的影响，无法用单一的气象因子进行预报分析。

参考文献

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Characteristics of Ozone Pollution in Xichang City and Its Relationship with Meteorological Elements

Liu Jia （Liangshan Meteorological Bureau， Liangshan， Sichuan 615000）

Abstract Based on the daily quality concentration monitoring data from the Monitoring Center of Liangshan Prefecture Ecological Environment Bureau from 2016 to 2021 and the conventional meteorological observation data from the Xichang National Basic Meteorological Station during the same period， studied the characteristics of ozone pollution in Xichang City and its relationship with meteorological conditions. The results showed that during the spring and summer seasons， with the strengthening of solar radiation， ozone has become the primary pollutant for the prevention and control of light pollution in Xichang. The O3 concentration was high from March to August， The exceeding standard period occurred occured from 14：00 to 17：00; The ozone content was positively correlated with temperature and sunshine hours; There was a significant negative correlation between ozone concentration and relative humidity. High humidity conditions were not conducive to ozone generation， while relative humidity around 30%～50% was more conducive to ozone generation; The concentration of ozone was also related to the duration of rainfall. Rainfall occurred during the day， and O3 concentration decreases. Rainfall occurred at night， but it has no significant effect on reducing O3 concentration.

Key words Ozone; Meteorological factors; Air quality