信阳市臭氧污染天气的气象条件特征分析

王梦旖，冯 伟

(信阳市气象局，河南 信阳 464000)

引 言

臭氧(O3)污染是指对流层近地面的臭氧，是氮氧化物(NOx)和挥发性有机化合物(VOCs)，经过一系列复杂的光化学反应形成的一种二次污染物。近地面形成的臭氧污染不仅影响植物的生长，导致农作物的减产[1～3]，还会对人体健康造成威胁和伤害[4-5]。近年来，以臭氧污染为代表的大气光化学污染问题日益凸显[6～8]，国内部分学者针对不同城市的臭氧变化特征进行了研究[9～12]，指出我国大多数城市臭氧浓度超标的现象越来越严重。臭氧污染除了受本地污染源排放和区域传输的影响外，气象条件对近地面的臭氧污染也起着至关重要的作用[12～14]。

研究表明，气象条件对臭氧的形成、转化和扩散有着重要的影响[15-16]，通常认为臭氧污染事件出现在温度高、辐射强、相对湿度小的条件下[17～19]，但受多种因素影响，不同地区的光化学污染和气象条件有较大差异。因此针对气象条件对臭氧污染的影响，大量学者开展了一系列的研究工作。一部分学者认为O3浓度与温度、风速成正比，且区域传输比较明显；与湿度、气压及以能见度成反比[19～23]。王燕丽等[24]通过对京津冀地区夏季臭氧污染输送特征的研究发现，京津冀城市群的臭氧污染受区域传输贡献显著(>80%)，而本地源贡献相对较小。GENG等[25-26]研究表明，上海地面O3浓度的区域差异非常明显，呈中心城区低、郊区高的特点。香港地区臭氧极端重污染事件中，辐射相关因子、气温、偏西风的作用是主要影响因子[27-28]。王磊等[29]、严文莲等[30]研究发现江苏地区臭氧污染是多因子综合作用的结果，相对湿度负相关，气温高于25°C、相对湿度30%～50%区间、风速低于4 m/s以下易出现高浓度臭氧。刘建[31]、Yin et al[32]研究结果表明一定量的太阳辐射、气温、风速和相对湿度对臭氧浓度变化的贡献较大。综上所述，地区差异和气象条件不同均会影响臭氧污染的情况。近年来信阳市臭氧污染日数呈增加态势，直接影响全市大气污染防治的成效。因此本文利用气象资料和大气污染物监测资料来分析信阳市臭氧污染特征以及气象条件与信阳市臭氧污染的对应关系及规律，总结臭氧浓度事件出现的天气形势，为预防和治理我市的臭氧污染提供科学参考依据。

1 材料与方法

信阳位于河南省东南部，大别山北麓，信阳市臭氧监测始于2014年，信阳城区的4个国控监测站点分别位于酿酒公司、审计局、南湾水厂、平桥分局(图1)。本文所用的臭氧污染数据来源于信阳市生态环境局所提供的四个国控站点的臭氧监测结果，时间段为2014～2018年。根据我国《环境空气质量标准》(GB3095-2012)和《环境空气质量评价技术规范》(HJ663-2013)，任意连续8小时O3平均浓度值>160 μg/m3，则判定当日空气质量因臭氧超标而为污染天气。其中，任意连续8小时O3平均浓度值在161～215 μg/m3为轻度污染，任意连续8小时O3平均浓度值在216～265 μg/m3为中度污染，任意连续8小时O3平均浓度值在266～800 μg/m3为重度污染。

图1 信阳城区4个国控监测站点分布图Fig.1 Distribution map of the four state-controlled monitoring stations in Xinyang

为了保持资料的一致性，我们选取了2014～2018年的气象资料，收集整理了信阳国家气象站5年的降水、云、温、压、湿、风等基本气象观测资料，通过统计学方法对信阳臭氧污染的年月日特征进行统计，利用matlab对臭氧污染和气象因子进行Person相关性分析。针对臭氧污染天气过程，分析对应时间段的高空、地面实况资料并进行天气分型。

2 结果与讨论

2.1 信阳臭氧污染的年月分布特征

通过分析臭氧污染数据发现，2014～2018年信阳发生O3超标日数分别为40、20、21、25、58天，分别占各年O3污染集中发生时段的16%、8%、9%、10%、23%，信阳5年共发生臭氧污染164天，占臭氧污染发生时段总天数的13%。从图2可以看出信阳臭氧污染的年际变化呈波动变化特征，但总体呈上升态势，以2018年臭氧污染最为严重。通过对比2014～2018年的平均温度、降水量以及相对湿度发现，2015年气温较其他年份显著偏低，相对湿度增大，2016～2017年的降水和相对湿度均较大，而2014和2018年气温高、降水少、湿度小，气象条件为五年最差水平，导致臭氧污染较为严重。

图2 2014～2018年信阳市O3平均超标日数及超标日数占比变化趋势图Fig.2 Variation trend of the average number of days with O3 exceeding the standard and the proportion of days exceeding the standard in Xinyang from 2014 to 2018

分析2014～2018年信阳臭氧污染月数据发现(图3)，O3污染的时段集中在3～10月，其他月份污染天数为0。其月变化呈现“双峰”分布的特征。臭氧污染最严重的月份为6月，累计污染天数是32天，3月、7～8月、10月累计污染天数相对较少，均在20天以下；其它月份没有臭氧污染发生。此外，信阳发生的臭氧污染绝大多数为轻度污染，5年中出现了150次臭氧轻度污染，14次臭氧重度污染，分别占臭氧污染总次数的91.5%、8.5%。中度污染多数发生在6月份，共10次(2014年7次、2017年1次、2018年2次)，7月出现了1次(2017年)，9月出现了1次(2018年)，10月出现了2次(2018年)，未出现重度污染。4～6月和9月为臭氧污染的高发期，月累计污染天数均在25天以上，这与太阳辐射强度强、温度高、边界层高度较高有关。其中7、8月份超标日数偏少是由于副热带高压一般在7月份北抬至江淮附近，信阳多位于副高西北侧，阴雨天气较多。

图3 2014～2018年信阳市O3月超标累计日数变化图Fig.3 Changes of the cumulative days of O3 exceeding the standard in Xinyang from 2014 to 2018

2.2 信阳臭氧污染的日变化特征

O3浓度日变化与近地面的光化学反应过程密切相关[32]，从图4可以看出，2014～2018年信阳O3质量浓度日变化均呈现“单峰”分布的特征，早晨日出前后(6～8时之间)处在最低值，约在30～40 μg/m3。8时之后随着光照强度增强，O3生成速率加快，质量浓度迅速增加，下午15时左右达到峰值，浓度在100 μg/m3左右，随后逐步下降，其中17～21时O3质量浓度下降速率较快，21时～第二日06时之间下降速率较为平缓且维持在一个较低水平。从年份上来看，2017、2018年平均每小时的臭氧浓度均比2014～2016年高，大于五年平均值。

图4 2014～2018信阳O3质量浓度日变化趋势图Fig.4 The daily trend of O3 mass concentration in Xinyang from 2014 to 2018

O3的日变化可以分为四个阶段[34-35]：O3及其前体物的前夜累积阶段，清晨NOX的大量排放抑制阶段，O3光化学生成阶段以及O3消耗阶段。夜间太阳辐射弱导致O3生成的光化学反应较弱，且近地面的NO不断消耗O3使得臭氧浓度持续降低，并在日出前后降到最低值。之后早高峰时段前体物浓度迅速攀升，加上太阳辐射增强，O3光化学反应生成阶段逐渐增强，在午后15时左右达到峰值，随后太阳辐射减弱，晚高峰排放的NO消耗臭氧以及夜间近地面的沉积作用使得O3的浓度逐渐下降至谷值。

2.3 信阳市臭氧污染与气象条件的关系

臭氧浓度与污染源的排放及分布状况，产生光化学反应的气象条件以及大气对臭氧等污染物的扩散能力有关。污染源在一定的时间范围、地理环境和经济条件下是相对稳定的。而产生光化学反应的气象条件和大气对臭氧等污染物的扩散能力则变化很大。气象条件如降水、气温、湿度、云量、风速、大气湍流、大气层结和混合层高度等气象要素对臭氧的产生和扩散、稀释、迁移、转化产生重要影响。因此研究城市环境气象条件对臭氧的影响，充分利用气象条件来指导人们的生产、生活和工作，对改善城市空气质量条件有重要意义。王磊[30]等人通过研究发现臭氧日连续8小时平均浓度最大值与当日14时的气象条件相关性最大，因此本文均选取14时的气象要素作为研究对象。

降水不仅对空气污染物具有稀释和湿沉降作用，而且白天持续阴雨或明显的降水不利于臭氧产生。统计分析2014～2018年出现轻度以上臭氧污染的个例发现，164个臭氧污染个例只有2个个例在白天时段(08～20时)出现了弱降水，2个个例分别出现了3.9 mm、0.1 mm的降水。由此可以初步确定降水对臭氧污染的预报指标，当白天时段(08～20时)出现≥5 mm的降水时，一般不会发生臭氧污染。

2.3.1 臭氧污染与气温

气温是臭氧生成的重要因素之一，气温升高会对臭氧的产生速率有显著作用[36-37]。图5为2014～2018年信阳市不同温度区间臭氧质量浓度和超标率的变化图，从图中可以看出当温度低于20 ℃时，臭氧超标率为0；当温度高于20 ℃时开始出现臭氧超标情况，温度高于25 ℃时，臭氧超标率大幅上升，温度在30～35 ℃之间时O3的超标率最大达到28%。O3平均质量浓度和超标率基本呈同步变化的趋势，O3平均质量浓度和温度的Person相关系数为0.52，在0.01水平上显著相关。这主要是由于高温作用下太阳辐射增强，光化学反应强度增强，导致二次生成的O3浓度增加。

图5 2014～2018信阳不同温度区间O3质量浓度和超标率变化图Fig.5 O3 Mass Concentration and Exceeding Rate in Different Temperature Ranges in Xinyang from 2014 to 2018

2.3.2 臭氧污染与相对湿度从图6可以看出，臭氧的平均质量浓度和超标率随着相对湿度的增加呈现先增加后减小的趋势，当相对湿度小于40%时，未出现臭氧超标现象，这是由于缺乏激发态O[38]当50%～60%时，臭氧的平均质量量浓度最大，超标率也最高达到35.8%，说明该湿度范围较有利于臭氧污染的产生，当相对湿度大于60%时，随着相对湿度的增加，臭氧平均浓度和超标率均呈现急剧减小的趋势，这是由于激发态O的消耗速度大于生成速度[17]；相对湿度>80%时，不再出现臭氧超标的情况，这是由于大气中的水汽通过消光机制而使紫外辐射发生衰减[39]，影响臭氧生成的光化学反应；其次高相对湿度有利于臭氧干沉降作用的发生[38]，不利于臭氧浓度的积累。计算臭氧平均质量浓度和相对湿度的Person相关系数为-0.59，并且在0.01水平向显著相关，说明臭氧质量浓度和相对湿度存在一定的负相关性。

图6 2014～2018信阳不同湿度区间O3质量浓度和超标率变化图Fig.6 Changes of O3 mass concentration and exceeding rate in different humidity ranges in Xinyang from 2014 to 2018

2.3.3 臭氧污染与风向风速

风场对污染物的传输和扩散有重要影响，风向决定了污染物的来向。信阳春、夏季主导风向为南风、西南风，秋冬季的主导风向为偏北风(图7)。由图3可知，春季(3～5月)、夏季(6～8月)是信阳臭氧污染的频发期，由数据统计可知，当春季风为WSW时臭氧污染的发生概率最高为30.8%，夏季风为SW时臭氧污染的发生概率最高为25%，而秋季风为ESE时，臭氧的发生概率最大为60%。说明信阳地区在偏南风的作用下，易发生臭氧污染，这与[23，30]等人的研究结果一致。风速的大小决定了空气污染物的输送与清除效率[30]，统计分析2014～2018年出现轻度以上臭氧污染的个例发现，89.6%的臭氧污染个例14时风速在4 m/s以下。以2018年为例(图8)，在臭氧污染超标的情况下，风速均在7 m/s以内，大多数个例的风速主要集中在4 m/s以下，当风速超过4 m/s之后，发生臭氧污染的个例急速减少。这主要是由于风速较低时，对于O3的扩散作用小于高空O3的向下传输作用，当风速较大时，对O3的扩散稀释作用大于其集聚作用。由此可见，信阳地区在偏南风，风速在不超过4 m/s的天气情况下容易产生臭氧污染。这可能与南风作用下温度升高以及上游污染物传输有关，此外风速小有利于污染物的集聚，从而导致臭氧发生的概率增加。

图7 2014～2018年信阳市四季风向频率分布图Fig.7 Wind direction Frequency distribution of four seasons in Xinyang from 2014 to 2018

图8 2018年不同风速和月份对应的臭氧质量浓度图Fig.8 The ozone mass concentration map corresponding to different wind speeds and months in 2018

2.3.4 臭氧污染与边界层高度、云量

统计分析2014～2018年出现轻度以上臭氧污染个例的边界层高度情况发现，绝大多数臭氧污染发生时，08时边界层高度在500 m以下，占比为97%。而当出现臭氧污染时，14时的边界层高度普遍较高，分析其原因可能主要是由于晴空少云、太阳辐射强度强、气温快速上升，使得边界层高度大幅度抬升。同时，臭氧产生的速率也在迅速加快，臭氧浓度并没有随着边界层高度的抬升而降低。因此，08时较低的边界层高度与臭氧污染具有较好的相关性[40]。

白天时段云量的多少决定了太阳辐射的强弱和气温上升的幅度，而太阳辐射强度及气温高低又是影响光化学反应生成臭氧的重要因素。统计分析2014～2018年出现轻度以上臭氧污染的个例发现，大多数个例出现时，白天多数时段为晴天或少云。在春秋时段(3～5月、9～10月)有73.3%臭氧污染个例14时总云量6成以下；在夏季(6～8月)有66.1%的个例14时总云量6成以下。由上述分析可知，由于太阳光线照射角度的变化，夏季光线辐射强度强于春秋季，在云量较多的情况也可产生臭氧，造成空气污染。

2.3.5 臭氧污染与天气形势

统计分析2014～2018年出现轻度以上臭氧污染个例时的高空天气形势发现(上表)，在春秋时段(3～5月、9～10月)出现的105天臭氧污染，71.5%的个例发生在500 hPa高空低槽后部的北到西西北气流控制下，17.1%的个例发生在500 hPa宽广低槽前部的西到西南气流影响下，11.4%个例发生在500 hPa高压脊控制下。在夏季(6～8月)出现的59次臭氧污染个例，59.3%发生在500 hPa高空低槽后部的北到西西北气流控制下，发生在500 hPa西太平洋副热带高压和宽广低槽前部的西到西南气流控制下的个例分别占18.6%和13.6%，8.4%的个例发生在500 hPa高压脊控制下。由此可见，在高空形式中，高空低槽后部的西北气流控制或高压脊控制是发生臭氧污染的主要天气形势，宽广低槽前部的西到西南气流影响下也会出现臭氧污染，夏季西太平洋副热带高压控制下发生的臭氧污染较少。

分析2014～2018年出现轻度以上臭氧污染个例时的地面天气形势发现，在春秋时段(3～5月、9～10月)出现的105次臭氧污染个例，发生在地面变性高压带控制下的个例占46.7%，35.2%的个例发生在地面入海高压后部，14.3%的个例出现在地面华北干槽前部或弱低压带中，仅有4个个例发生在地面鞍型场影响下。在夏季(6～8月)出现的59次臭氧污染个例，有47.5%的个例出现在地面弱低压带或华北干槽前部影响下，有15个个例发生在地面变性高压带控制下，占25.4%；有11个个例发生在地面入海高压后部，占18.6%；仅有5个个例发生在地面鞍型场影响下。由上述分析可知，在春秋时段，地面变性高压控制或入海高压后部影响下是发生臭氧污染的主要天气形势，部分个例发生在地面弱低压带或鞍型场影响下；在夏季，地面弱低压带和变性高压控制或入海高压后部影响下是发生臭氧污染的主要天气形势，个别个例发生在鞍型场影响下。发生臭氧污染时，地面天气形势的一个共同特点是气压场较弱、等压线较为稀疏，特别是弱低压带、鞍型场影响时尤为明显。

通过对2014～2018年出现的164个轻度以上臭氧污染个例的气象条件研究分析，可以总结概括出发生臭氧污染的气象条件概念模型，在500 hPa高空低槽后部的西北气流或高压脊(西太平洋副热带高压)控制下，或宽广低槽前部的西南气流影响下，地面处于变性高压、入海高压后部或弱低压带(鞍型场)影响，同时，白天(08～20时)时段无5 mm以上的降雨，14时晴空少云(总云量6成以下)，14时相对湿度≤60%，14时风速≤4 m/s，14时气温>20.0 ℃，08时边界层高度<500 m，在满足上述条件的情况下，发生臭氧污染的可能性较大。

3 结 论

(1)本文分析了信阳市臭氧污染的发生时段及影响。2014～2018年信阳臭氧污染的年际变化呈波动变化特征，但总体呈上升态势。O3污染的时段集中在3～10月，其月变化呈现“双峰”分布的特征，4～6月和9月为臭氧污染的高发期。O3污染日变化均呈现“单峰”分布的特征，早晨日出前后(6～8时之间)处在最低值，8时之后随着光照强度增强，O3生成速率加快，质量浓度迅速增加，下午15时左右达到峰值。

(2)研究分析了信阳市臭氧污染与14时气象条件的关系，与气温、呈正相关关系，与相对湿度存在一定的负相关性，臭氧的平均质量浓度和超标率随着相对湿度的增加呈现先增加后减小的趋势。风场对污染物的传输和扩散有重要影响，信阳地区在偏南风，风速在不超过4m/s的天气情况下容易产生臭氧污染。此外，研究发现08时较低的边界层高度、6成以下的云量和臭氧污染的发生具有较好的对应关系。

(3)本文通过对164个轻度以上的臭氧个例进行分析，总结概括出了信阳市臭氧污染的气象条件概念模型，500 hPa为高空低槽后部的西北气流或高压脊(西太平洋副热带高压)控制下，或宽广低槽前部的西南气流，地面处于变性高压、入海高压后部或弱低压带(鞍型场)影响下，发生臭氧污染的可能性较大。

以上研究表明，气象条件对臭氧污染天气产生重要影响，总结的信阳市气象条件与臭氧污染的对应关系，以及臭氧浓度事件出现的天气形势，可以为预防和治理我市的臭氧污染提供科学参考依据。而臭氧污染除了气象条件的因素之外，还取决于前体污染物的排放、聚集和区域传输等诸多条件，因此我们将针对臭氧污染的前体物做进一步研究。