閆利霞，周 鵬，郭立平，張 麗，白盛會，范凱彬

(1.河北省霸州市氣象局，河北 廊坊 065700；2.河北省廊坊市氣象局，河北 廊坊 065000；3. 廊坊智慧環(huán)境生態(tài)產(chǎn)業(yè)研究院有限公司，河北 廊坊 065000)

引 言

近年來，隨著工業(yè)化的發(fā)展和城市進(jìn)程的加速，臭氧已經(jīng)變成我國多地夏季空氣質(zhì)量超標(biāo)日的首要污染物[1]。O3濃度增加輕者傷害人體健康、破壞森林、造成農(nóng)作物減產(chǎn)，重者將造成空氣污染急性作用事件危及人畜生命[2]。因此臭氧治理已成為大氣污染治理的重要內(nèi)容之一。對于臭氧的研究，國內(nèi)外一些專家學(xué)者從不同角度，開展了多方面的研究并取得了一些成果。如周賀玲[3]、孫丹丹[4]、關(guān)玉春[5]等對臭氧的分布特征及影響因子開展了一系列的研究。另外王占山[6]等研究發(fā)現(xiàn)，北京市O3濃度在5～8月維持相對較高濃度，日變化呈單峰型分布，具有明顯的“周末效應(yīng)”；潘本鋒等[7]對京津冀地區(qū)的O3污染特征進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)已成為全國O3污染最嚴(yán)重的地區(qū)之一，且夏季O3濃度高，冬季濃度低，和氣溫呈顯著的正相關(guān)關(guān)系；楊關(guān)盈等[8]也得出臨安本底站夏季臭氧光化學(xué)反應(yīng)比較強(qiáng)烈；黃俊等[9]研究發(fā)現(xiàn)，氣溫高、日照長、輻射強(qiáng)、氣壓低、濕度小及2～3級風(fēng)力是廣州地區(qū)近地面產(chǎn)生高O3濃度的主要?dú)庀笠蛩亍?/p>

以上研究成果表明，O3濃度增高主要出現(xiàn)在夏季，和氣溫呈明顯的正相關(guān)，但是對于高溫天氣下不同級別溫濕度和小時O3濃度的相關(guān)研究沒有進(jìn)行深入細(xì)致的分析。霸州地處華北平原中部，位于京、津兩大直轄市和雄安新區(qū)之間，地理位置優(yōu)越，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，環(huán)境治理問題也變得十分重要。而霸州市高溫天氣演變的特征表明[10]， 60年來高溫出現(xiàn)次數(shù)和強(qiáng)度都有明顯增加，這就意味著夏季O3濃度可能有增加的風(fēng)險，因此對霸州市高溫天氣下小時O3濃度進(jìn)行深入研究，并給出O3濃度超標(biāo)時的溫濕度指標(biāo)，對于提高高溫及O3的預(yù)報預(yù)警服務(wù)能力、公眾防范O3污染以及相關(guān)部門科學(xué)治理臭氧污染，均具有十分重要的意義。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

河北省霸州市區(qū)共有3個空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站，分別為霸州港益酒店(116.3660030°E，39.1610860°N)、霸州市第三小學(xué)(116.4166000°E，39.1238000°N)、霸州開發(fā)區(qū)便民服務(wù)中心(116.3833330°E，緯度：39.1258330°N)。其中霸州港益酒店建站較早，從2014年1月1日開始采集有效數(shù)據(jù)；其他兩個站點(diǎn)建站較晚，均為2017年12月1日開始采集有效數(shù)據(jù)。

故本文選取的O3資料以霸州港益酒店2014年1月1日～2019年12月31日的逐時監(jiān)測數(shù)據(jù)為主，以其他兩個站點(diǎn)2018年1月1日～2019年12月31日的逐時監(jiān)測數(shù)據(jù)為輔。氣溫和相對濕度資料選取自霸州國家基本氣象站(116.39277°E，39.16861°N)同期逐時監(jiān)測數(shù)據(jù)。

1.2 評價標(biāo)準(zhǔn)

按照《環(huán)境空氣質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范(試行)》(HJ 663-2013)[11]規(guī)定，O3的小時評價為1h平均濃度值；日評價為日最大8h平均濃度值；月、季、年評價為日最大8h滑動平均值的第90百分位數(shù)濃度值。根據(jù)國家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ 633-2012)[12]的規(guī)定，對O3濃度進(jìn)行分級，當(dāng)O31h平均濃度>200μg/m3或O38h滑動平均濃度>160μg/m3時超過環(huán)境空氣質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)，即超標(biāo)，反之則達(dá)標(biāo)。根據(jù)中國氣象局規(guī)定，日最高氣溫≥35℃的天氣稱為高溫天氣，高溫日數(shù)指達(dá)到高溫天氣標(biāo)準(zhǔn)的日數(shù)[13]。

2 結(jié)果與討論

2.1 霸州高溫與O3分布的關(guān)系

2.1.1 高溫日數(shù)與O3濃度年分布的關(guān)系

圖1為霸州市2014～2019年高溫日數(shù)與O38h(90%)濃度年變化及超標(biāo)日數(shù)的關(guān)系。結(jié)果表明，6年內(nèi)O38h(90%)濃度值均超標(biāo)。其中2019年O38h(90%)濃度值達(dá)到最高為219μg/m3，超標(biāo)日數(shù)99d，高溫日數(shù)為24d；2014年和2017年次之為207μg/m3，超標(biāo)日數(shù)分別為108 d和84 d，高溫日數(shù)分別為15d和27d；2018年最低為189μg/m3，78d超標(biāo)，高溫日數(shù)25d；其次為2016年192μg/m3，71d超標(biāo)，高溫日數(shù)為9d。其中2018年高溫日數(shù)最多，但臭氧濃度并不是最高，而2015年高溫日數(shù)最少，臭氧濃度和超標(biāo)日數(shù)均居第三位。表明O3濃度年值和年高溫日數(shù)分布不完全一致，且6年內(nèi)O38h(90%)濃度年值有波動，但O3年超標(biāo)日數(shù)基本呈波動下降的趨勢，值得關(guān)注的是O38h(90%)濃度年值和O3年超標(biāo)日數(shù)在2019年均呈現(xiàn)出較為明顯的上升趨勢，這表明臭氧治理迫在眉睫。

圖1 2014～2019年霸州市高溫日數(shù)與O38h(90%)濃度年變化及超標(biāo)日數(shù)的關(guān)系Fig.1 Relationship between high temperature days and the annual change of O3 8h (90%) concentration and over standard days in Bazhou city during 2014～2019

從空間上來看，2018年和2019年3個站點(diǎn)的O38h(90%)濃度年值變化相差不大，幅度僅在2～19μg/m3之間。2018年港益酒店最大為189μg/m3，開發(fā)區(qū)便民服務(wù)中心最小為170μg/m3；2019年開發(fā)區(qū)便民服務(wù)中心上升為最大222μg/m3，第三小學(xué)最小217μg/m3。

2.1.2 高溫日數(shù)與O3濃度季節(jié)變化的關(guān)系

按照氣象學(xué)上的標(biāo)準(zhǔn)可進(jìn)行如下四季劃分：3～5月為春季、6～8月為夏季、9～11月為秋季、12月～次年2月為冬季。2014～2019年6年內(nèi)霸州共出現(xiàn)高溫天氣106d，其中93d出現(xiàn)在夏季，12d出現(xiàn)在春季，秋季只出現(xiàn)了1d。圖2為霸州市2014～2019年O3濃度季節(jié)變化特點(diǎn)，其中開發(fā)區(qū)便民服務(wù)中心和第三小學(xué)是2018～2019年兩年的季平均值，可知，霸州市O3濃度分布同樣具有明顯的季節(jié)變化特征，夏季最高，其次為春季，再次為秋季，冬季最低，與氣溫變化趨勢一致，也與高溫日數(shù)的變化一致。其中夏季3個站點(diǎn)的O3濃度值約為冬季的3倍，均已達(dá)到了環(huán)境空氣質(zhì)量四級標(biāo)準(zhǔn)(O38h滑動平均濃度>215μg/m3)，為中度污染；春季港益酒店達(dá)到三級(O38h滑動平均濃度>160μg/m3)，為輕度污染，其他兩個站點(diǎn)未超過二級標(biāo)準(zhǔn)，為達(dá)標(biāo)；秋季和冬季3個站均達(dá)標(biāo)。

圖2 霸州市O3季節(jié)性變化Fig.2 Seasonal variation of o3 in Bazhou city

2.1.3 高溫日數(shù)與O3濃度月變化的關(guān)系

圖3為霸州市2014～2019年高溫日數(shù)與O38h(90%)濃度值的月變化特征。得知，6年內(nèi)高溫日數(shù)在5～9月均可出現(xiàn)，主要集中在6月和7月；三個站點(diǎn)O38h(90%)濃度值相比，上半年港益酒店稍高于其他兩站，下半年三個站點(diǎn)基本吻合，5～9月O38h(90%)濃度值均超過160μg/m3，達(dá)到國家環(huán)境空氣質(zhì)量三級標(biāo)準(zhǔn)，為輕度污染；最高濃度值都出現(xiàn)在6月，7月次之，且這兩個月三個站點(diǎn)的O38h(90%)濃度值均超過215μg/m3，達(dá)到國家環(huán)境空氣質(zhì)量四級標(biāo)準(zhǔn)，為中度污染；未出現(xiàn)高溫日數(shù)的月份(1～4月、9～12月)O38h(90%)濃度值逐漸降低，最低出現(xiàn)在12月。這進(jìn)一步說明，高溫是造成臭氧濃度嚴(yán)重超標(biāo)的主要因素。

圖3 2014～2019年霸州市不同月份高溫日數(shù)與臭氧濃度的關(guān)系Fig.3 Relationship between the number of high temperature days and O3 concentration monthly distribution in Bazhou City in 2014～2019

2.1.4 高溫日小時平均氣溫與小時O3濃度日分布的相關(guān)性

圖4為高溫日小時平均氣溫與港益酒店監(jiān)測站小時O3濃度的日分布對照曲線，可以看出，O3濃度日變化與氣溫日變化趨勢基本一致，呈明顯的“單峰型”，這與羅進(jìn)奇[16]等研究成都市城區(qū)大氣污染特征得到的O3日變化分布的結(jié)論是一致的。早6時O3濃度達(dá)到一天中的最低值，較氣溫日最低值滯后一小時；9時O3濃度還在100μg/m3以內(nèi)；10時隨著溫度的升高，O3濃度值迅速升高至136μg/m3；16時達(dá)到濃度極大值225μg/m3，較氣溫日最高值推遲一小時，且12～18時連續(xù)7小時O3濃度值維持在200μg/m3以上，嚴(yán)重超標(biāo)，超標(biāo)期間的溫度值維持在35.0℃左右，這說明高溫天氣極易造成O3濃度值超標(biāo)。

圖4 2014～2019年霸州市高溫日不同時次平均氣溫與O3濃度的關(guān)系Fig.4 Daily distribution comparison curve of hourly average temperature and hourly O3 concentration in high temperature days of Bazhou City in 2014～2019

2.2 高溫天氣下不同溫濕度級別與O3分布的關(guān)系

從前面的分析可知，O3濃度超標(biāo)主要出現(xiàn)在白天時段，因此選取了夏季高溫日白天時段內(nèi)(8～20時)的小時溫度和小時相對濕度，并對其進(jìn)行分級，統(tǒng)計了不同級別的溫度和濕度下O3濃度的分布情況(圖5)。

圖5 2014～2019年霸州市高溫天氣下不同溫度(a)和濕度(b)的O3濃度Fig.5 O3 concentration at different temperature (a) and humidity (b) levels under high temperature weather in Bazhou City during 2014～2019

圖5(a)為不同溫度下O3的分布特征。可以看到，O3平均濃度隨著溫度的升高而增加，溫度<32℃時，O3平均濃度<160μg/m3，達(dá)標(biāo)；溫度升高到32℃時，O3濃度達(dá)159μg/m3，接近超標(biāo)值；當(dāng)溫度升高至34℃時，O3濃度超過200μg/m3，已經(jīng)達(dá)到超標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)溫度在37～38℃時，O3濃度達(dá)最大值222μg/m3。

圖5(b)為不同濕度范圍下O3的分布特征。可以看出，O3平均濃度隨著濕度的增加而降低，濕度≥60%時，O3平均濃度<160μg/m3，達(dá)標(biāo)；當(dāng)濕度<60%時，O3濃度超過160μg/m3，達(dá)超標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)；濕度在20%～40%之間時，O3濃度均超過200μg/m3，濕度在30%～35%之間O3濃度達(dá)最大值214μg/m3。

由此可知，在夏季高溫天氣里，當(dāng)氣溫升高至32℃，相對濕度低于60%時，O3濃度接近160μg/m3，處于超標(biāo)臨界值；當(dāng)氣溫升高到34℃，相對濕度20%～40%時，O3濃度值在200μg/m3左右，已經(jīng)造成嚴(yán)重污染；當(dāng)氣溫達(dá)到37℃或以上，濕度在30%～35%之間時，O3濃度均達(dá)峰值，遠(yuǎn)超200μg/m3。

3 結(jié) 論

3.1 2014～2019年霸州市O38h(90%)濃度值均超標(biāo)，以港益酒店為例，2019濃度值最高為219μg/m3，O3年超標(biāo)日數(shù)2014年最多為108d，高溫日數(shù)2017年最多為27d。從空間上來看，開發(fā)區(qū)便民服務(wù)中心2019年O3濃度值最高為222μg/m3。

3.2 霸州市O3濃度分布具有明顯的季節(jié)變化特征，夏季>春季>秋季>冬季。其中夏季三個站點(diǎn)的O3濃度值均達(dá)到了環(huán)境空氣質(zhì)量四級標(biāo)準(zhǔn)，為中度污染；春季港益酒店達(dá)到三級，為輕度污染，其他兩個站點(diǎn)未超過二級標(biāo)準(zhǔn)，為達(dá)標(biāo)；秋季和冬季均三個站均達(dá)標(biāo)。

3.3 全年各月O38h(90%)濃度變化呈反“U”型分布，月均最高濃度在6月，最低在12月。5～9月均達(dá)到國家環(huán)境空氣質(zhì)量三級標(biāo)準(zhǔn)，為輕度污染； 其中6～7月均超過215μg/m3，達(dá)到國家環(huán)境空氣質(zhì)量四級標(biāo)準(zhǔn)，為中度污染。

3.4 高溫日，O3濃度有明顯的日變化特征，和氣溫日變化曲線一致，呈明顯的“單峰型”，谷值出現(xiàn)在6時，峰值出現(xiàn)在16時，較氣溫極值的出現(xiàn)時間均延遲1h，且12～18時連續(xù)7小時O3濃度值維持在200μg/m3以上，嚴(yán)重超標(biāo)。表明高溫天氣下O3濃度超標(biāo)值維持時間較長，不易擴(kuò)散，污染嚴(yán)重，對健康極為不利。

3.5 通過分析高溫天氣里不同溫濕度級別對應(yīng)的O3濃度，得到O3濃度超標(biāo)時的溫濕度指標(biāo)，即：氣溫≥32℃，相對濕度≤60%時，O3濃度接近160μg/m3，處于超標(biāo)臨界值；當(dāng)氣溫≥34℃，相對濕度在20%～40%時，O3濃度值在200μg/m3左右，嚴(yán)重超標(biāo)；氣溫≥37℃，濕度在30%～35%之間時，O3濃度均達(dá)峰值，遠(yuǎn)超200μg/m3，且維持時間較長，不易擴(kuò)散。因此在夏季高溫天氣里，當(dāng)溫濕度達(dá)到以上標(biāo)準(zhǔn)時，要特別注意O3濃度的變化，相關(guān)部門需及時采取管控措施。