许昌市夏季臭氧污染特征与气象因子影响分析*

徐媛倩 岳利波 曹 霞 付广宇 罗艺琳 孙 鹏 张志华

(郑州轻工业大学材料与化学工程学院,河南 郑州 450001)

臭氧(O3)作为一种高活性氧化气体,其在近地面浓度的升高会对人体健康、植被生长等产生不利影响[1-2]。严刚等[3]研究表明,自《大气污染防治行动计划》和《打赢蓝天保卫战三年行动计划》实施以来,6项大气常规污染物中只有O3污染呈逐年加重的趋势,O3已逐步成为影响我国环境空气质量的重要因素。

O3的生成不仅受其前体物氮氧化物(NOx)和挥发性有机化合物(VOCs)浓度水平的影响,气象因子的作用也不可忽视[4-5]。高温、低湿条件下易生成O3,静稳条件下易造成局部O3积累,风速风向会导致O3的区域传输[6]。钱悦等[7]发现,在气温高于30 ℃、相对湿度在20%～40%、风速在2～3 m/s时易出现高浓度O3污染。王旭东等[8]指出,郑州市夏季O3潜在源主要分布在河北、山东及安徽等地,杨健等[9]的研究表明,安阳市夏季O3潜在源主要分布在河北南部、湖北北部和辽宁北部,宋晓伟等[10]发现临汾市O3污染连片发生,O3潜在源主要分布在山西南部、河南东北部、陕西中部。上述研究表明,我国不同区域O3污染潜在源分布分散,可能与气象条件的差异有关。

许昌市位于河南中部,是中原城市群、中原经济区核心城市之一,交通条件便利,制造业发达,第二产业产值占比为河南平均水平的1.4倍[11]。近年来,许昌市面临严峻的O3污染形势,2022年许昌市共损失优良天117 d,其中因O3污染损失的优良天占比达39%,O3是环境空气质量的主要污染因子。

目前针对许昌市O3污染特征的研究主要集中在趋势分析及其与NO2、细颗粒物(PM2.5)等因子的关系上[12-15],缺少针对许昌市O3浓度与气象条件关系及潜在源的研究。为此,通过研究许昌市2019—2022年夏季O3污染趋势、气象因子影响及潜在源贡献,分析许昌市O3污染规律,识别气象因素与O3浓度超标的关系,探究夏季污染时段O3的主要来向,以期为许昌市O3污染精准研判和精细化防控提供科技支撑。

1 材料与方法

1.1 数据来源

以2019—2022年夏季(5—9月)为研究时段,从许昌市国控空气质量监测站获取逐小时O3浓度监测数据,许昌市气象站获取同期逐小时气象数据(包括气温、风向、风速、相对湿度)。根据生态环境部发布的数据,以O3日最大8 h滑动平均值(MDA8)大于160 μg/m3、小时O3大于200 μg/m3判定O3污染[16]。O3污染等级根据《环境空气质量指数(AQI)技术规定》[17]区分。文中O3月均值为一个日历月内O3的MDA8算数平均值,夏季O3季均值指5—9月O3的MDA8算数平均值。

1.2 分析方法

1.2.1 后向轨迹分析

采用HYSPLIT模型,通过诊断风场和边界层高度等要素,模拟气流的空间位移和拉格朗日轨迹,识别污染物的扩散与传输过程[18]。本研究以许昌市(34.03°N,113.85°E)为模拟点,使用美国国家海洋和大气管理局(NOAA)全球资料同化系统(GDAS)气象数据,计算2022年夏季每3 h(0:00、3:00、6:00、9:00、12:00、15:00、18:00、21:00)的气团48 h后向轨迹,模拟高度为100 m,并利用MeteoInfo软件进行聚类。

1.2.2 潜在源贡献因子分析(PSCF)

PSCF以条件概率函数为基本原理,利用气流轨迹识别潜在源区的空间分布[19]。潜在源的研究范围为25°～55°N,95°～125°E,网格分辨率为0.5°×0.5°,选取O3小时均值160 μg/m3为阈值区分清洁和污染轨迹。潜在源区PSCF值越大,表示该区域对许昌市污染贡献越大[20-21]。

1.2.3 浓度权重轨迹分析(CWT)

CWT法用于计算轨迹的权重浓度,反映其污染程度,弥补了PSCF不能反映污染物轨迹污染程度的不足[22-23]。

2 结果与讨论

2.1 O3浓度变化特征

图1展示了许昌市2019—2022年夏季O3与NO2季均值的变化。总体而言,2019—2021年夏季O3与其前体物NO2的季均值同步下降,但2022年出现了NO2微降而O3反弹的情况,O3季均值较2021年增加17 μg/m3,可能气象条件对O3浓度的提升产生显著影响。

图1 2019—2022年夏季O3、NO2季均值变化

图2为许昌市2019—2022年夏季O3月均值及日超标率的变化特征。观测期间,O3月均值最高的月份均为6月,平均高达162 μg/m3,平均日超标率为61%,5月、7月、8月和9月的平均日超标率分别为27%、20%、11%和28%。

图2 2019—2022年夏季O3月均值及日超标率变化

由图3可见,许昌市O3浓度日变化呈单峰状,最小值出现在7:00左右,最大值出现在16:00左右,O3浓度与NO2浓度的日变化呈负相关。由于NO2浓度在夜间不断积累[24],加上早高峰影响,导致NO2在7:00左右达到第1个峰值。随着白天光照的增强,光化学反应加剧,NO2浓度出现下降,在14:00左右达到最低值;而O3浓度在7:00左右出现上升,在16:00达到峰值,比NO2最低值滞后2 h左右。随着晚高峰与光照的减弱,NO2浓度从17:00开始出现上升趋势,O3生成速率下降,加上机动车排放NO对O3的滴定效应(NO+O3→NO2+O2)[25-26],NO2浓度在22:00左右达到第2次峰值,O3浓度则在17:00后快速下降。

图3 2019—2022年夏季O3与NO2的日变化

2.2 气象因子与O3浓度的相关性

为探讨气象因子与O3浓度的相关性,分别分析了小时气温、相对湿度和风速与O3浓度的相关性。

2.2.1 气 温

图4(a)为不同气温区间O3浓度的变化情况。可以看出,在研究时段内,O3浓度与气温呈正相关,R2为0.619。O3浓度和小时超标率均随气温升高而升高,气温<25 ℃时,无O3超标;气温≥30 ℃时,O3小时超标率开始明显增大;气温≥35 ℃时,O3均值和小时超标率最高,分别为170 μg/m3和21%。

图4 不同气温区间下O3均值与小时超标率的分布

为进一步探讨气温的影响,考察30～<33、33～<35、≥35 ℃的气温区间O3均值的年际变化。由图4(b)可见,不同气温区间的O3均值均呈逐年下降趋势,表明许昌市近年来的O3管控措施对O3浓度的削减起到积极作用。

2.2.2 相对湿度

图5为不同相对湿度区间的O3均值及小时超标率。O3浓度与相对湿度呈显著负相关,R2为-0.710。在一定条件下,大气中的水汽通过影响光化学反应而分解O3[27]。当相对湿度为20%～<30%时,O3均值和小时超标率最高,分别为162 μg/m3、19%;相对湿度为30%～<40%时,O3均值和小时超标率分别为155 μg/m3、13%;相对湿度≥40%时,O3的小时超标率降至10%以下。

图5 不同相对湿度区间O3均值与小时超标率分布

2.2.3 风 速

图6为不同风速区间O3均值及小时超标率变化。随风速的增加,O3均值逐渐升高,O3小时超标率则先升高后略有下降。风速在2～<3、3～<4 m/s时,O3小时超标率较高,分别为3.23%、3.22%。风速主要通过影响O3及前体物的混合与扩散来影响O3浓度。当风速<4 m/s时,随着风速的增大,O3前体物混合更加充分,更易于生成O3,此时风速对O3污染的混合作用大于扩散作用。当风速≥4 m/s时,风速对O3污染的扩散和稀释作用占主导地位,不利于O3浓度的局地累积[28-30]。

图6 不同风速区间O3均值与小时超标率分布

2.3 典型时段气象因子的综合影响分析

为进一步探讨气象因子对O3浓度的影响,选取O3超标时段和O3月均值最高的月份(2022年6月)为研究对象,识别气象因子对O3浓度的综合影响。

2.3.1 超标时段分析

图7展示了2022年夏季不同气温与相对湿度、气温与风速区间的O3小时超标率分布。由图7(a)可见,当气温≥35 ℃,相对湿度在20%～<40%时,O3小时超标率最高,该区间平均值为42%。与单因素影响(温度≥35 ℃或相对湿度在20%～<40%)相比,气温与相对湿度联合作用下O3小时超标率增加明显。

图7 气温与相对湿度、风速对O3小时超标率的协同影响

由图7(b)可见,当气温在38～39 ℃,风速在2～<3 m/s时,O3小时超标率明显增大,此时出现高浓度O3主要是由于该风速范围有利于O3前体物充分混合并发生光化学反应。当气温在40 ℃左右,风速在1～<2 m/s时O3小时超标率也较高,表明在高温、静稳条件下,本地O3较易生成与积累,导致O3浓度较高。需要说明的是,在气温为38 ℃、风速大于7 m/s的区间也出现了分散的高值区,这是因为风速大于7 m/s的数据量极少,在气温≥35 ℃的情况下出现的个别超标时段造成相对较高的小时超标率。

对2022年6月O3小时浓度超标时段的风速风向进行分析,结果如图8所示。整体而言,许昌市夏季主要在风速<7 m/s时存在O3小时浓度超标情况,风向多为南风(风向频率3%)、东南风(风向频率22%)。风向为东北方向,风速在3～<5 m/s时,O3浓度最高,此时应更多考虑许昌市东北方向周边县区排放与区域传输的共同作用。

图8 2022年6月O3小时质量浓度随风向、风速的分布

2.3.2 高浓度月份分析

鉴于2019—2022年均是6月的O3月均值最高,对2019—2022年6月O3浓度与气象因子关系做进一步分析。整体而言,2019—2022年6月的O3小时质量浓度最大值从222 μg/m3增加到241 μg/m3。O3浓度高值主要集中在气温≥30 ℃,相对湿度为20%～<40%的时段内,相比2021年6月,2022年6月气温≥30 ℃的小时数从216 h增加到316 h,且出现40 ℃以上高温6 h,相对湿度为20%～<40%的小时数从125 h增加到147 h,O3月均值则从158 μg/m3增加到175 μg/m3。长时间处于高温(≥30 ℃)和低湿(20%～<40%)的气象条件是导致2022年6月O3浓度较高的重要因素。

2.4 潜在源分析

通过对许昌市风速风向的分析,发现高浓度O3不仅来自本地生成,还可能受到区域传输的影响。为深入探索区域传输对许昌市O3浓度的影响,本研究进行气团轨迹模拟及潜在源分析。

许昌市2022年夏季气团主要来自东北、西南、东南方向,共5条轨迹(如表1所示)。轨迹1(占比24.67%)主要来自河南西南部,距离较短;轨迹2(占比7.11%)来自内蒙古方向,途径陕西北部和山西,传输距离长;轨迹3(占比40.93%)来自山东西部和河南东北部,轨迹数量占比最大;轨迹4(占比15.44%)来自安徽西南部和河南东南部;轨迹5(占比11.85%)来自湖北、湖南和河南南部。许昌市O3平均质量浓度及O3>160 μg/m3轨迹出现频率均较高的气团主要来自西南与东南方向的轨迹1和轨迹4,O3>160 μg/m3轨迹条数较多的气团主要来自西南和东北方向的轨迹1和轨迹3,以上轨迹传输距离均较短,O3污染传输主要来自山东、安徽和河南其他城市。

表1 许昌市夏季后向轨迹分析结果

图9为2022年许昌市夏季PSCF及CWT的分析结果。PSCF高值区主要分布在安徽中部、湖北北部、陕西中部和河南西南部与北部。与PSCF高值区相比,CWT高值区呈片状,CWT值大于100 μg/m3的区域主要分布在河南及周边省份(山东西南部、安徽西北部、湖北中部、陕西东南部、山西南部及河北南部)。以上区域排放的O3前体物及生成的O3均会随气流传输到许昌市,加剧许昌市O3污染。因此,O3污染的防控不仅应结合气象特征合理减少本地生成,还应加强与周边城市和省份的联防联控。

图9 2022年夏季O3的PSCF及CWT分布

3 结 论

(1) 许昌市2019—2021年夏季O3与其前体物NO2的季均值同步下降,但2022年出现了NO2微降而O3反弹的情况;观测期间O3月均值均为6月最高,平均值达162 μg/m3,平均日超标率达61%;O3浓度日变化呈单峰状,峰值出现在16:00左右。

(2) 许昌市O3浓度与气温、风速呈正相关,与相对湿度呈负相关。气温≥35 ℃时的O3均值(170 μg/m3)和小时超标率(21%)均最高;相对湿度在20%～<30%时的O3均值(162 μg/m3)和小时超标率(19%)最高;风速在2～<3 m/s时的O3小时超标率最高(3.23%)。

(3) 许昌市在气温≥35 ℃、相对湿度为20%～<40%、风速为2～<3 m/s、主导风向为南风时易发生O3小时浓度超标;2022年6月较多时段处于高温(气温≥30 ℃)和低湿(相对湿度在20%～<40%),是导致O3浓度反弹的重要原因。

(4) 从许昌市后向轨迹和潜在源分布来看,夏季气团主要来自东北、西南和东南方向;许昌市O3污染是在本地源生成的基础上,叠加河南省内其他城市以及山东、安徽、湖北等区域传输的O3及其前体物共同污染的结果。O3污染的防治不仅需要结合气象条件合理减少本地生成,还应加强与周边区域的联防联控。