王敏,方欣,王毛翠,方海濤

(1安徽省氣象局安徽省大氣探測(cè)技術(shù)保障中心,安徽 合肥 230031;2中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院,安徽 合肥 230026)

0 引 言

臭氧(O3)是一種二次大氣污染物,對(duì)氣候、環(huán)境和人類健康有重要影響[1-3]。O3也是一種重要的溫室氣體,對(duì)流層O3的輻射強(qiáng)迫貢獻(xiàn)高達(dá)21%,僅次于CO2引起的輻射強(qiáng)迫[4,5]。對(duì)流層O3分布較少,但與人類生活密切相關(guān)。O3作為刺激性物質(zhì),易對(duì)人類呼吸系統(tǒng)造成影響,導(dǎo)致呼吸系統(tǒng)感染和缺陷。長(zhǎng)期暴露于高濃度的O3環(huán)境中,可能對(duì)肺造成永久性損害,特別是對(duì)幼兒、哮喘患者和老年人[6]。同時(shí),O3對(duì)生態(tài)系統(tǒng)尤其是植物葉片有明顯的破壞作用,高濃度地面O3對(duì)植物有高度毒性,能夠給植物帶來可見的葉片傷害,影響農(nóng)作物的收成[7]。

對(duì)流層O3具有強(qiáng)季節(jié)性、偶發(fā)性和晝夜波動(dòng)的特征。氣象條件對(duì)地表O3濃度有決定性的影響[8,9]。天氣尺度環(huán)流模式,如冷鋒、噴氣風(fēng)和高壓系統(tǒng),已被確定為影響地面臭氧變化的氣象驅(qū)動(dòng)因素[10]。近年來,隨著城市化、工業(yè)化進(jìn)程的快速發(fā)展,對(duì)流層O3濃度呈持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì),表現(xiàn)為重度污染天數(shù)增加明顯[11]。2013年,環(huán)境保護(hù)部(MEP)開始組織實(shí)施O3污染監(jiān)控,在全國(guó)建立O3實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。同年,國(guó)家實(shí)施GB 3095–2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》,將O3新增為每日例行監(jiān)測(cè)項(xiàng)目[12]。程麟鈞等[13]研究表明:2015 年,我國(guó) 338 個(gè)城市 O3年平均濃度范圍為 36.9～118.2 μg·m-3,平均為 (82.6±14.6)μg·m-3。338 個(gè)城市中,35個(gè)城市日最大連續(xù)8小時(shí)O3濃度平均值(O3-8h)超過100μg·m-3,54個(gè)城市90百分位濃度超過國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(160μg·m-3),超標(biāo)城市比例為16.0%。污染最嚴(yán)重的城市位于華北地區(qū),其次是華中和華東地區(qū)。安徽地處長(zhǎng)江三角洲,在對(duì)淀山湖O3來源分析研究表明,安徽對(duì)淀山湖日最大O3貢獻(xiàn)為11.6%[14]。合肥(31.9°N,117.2°E)地處東部沿海向中部、西部地區(qū)階梯轉(zhuǎn)移的過渡地帶,為華東地區(qū)中心城市之一,其O3污染問題也逐步引起重視。近二十年來,中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院持續(xù)開展了激光雷達(dá)O3垂直觀測(cè)研究,分析了合肥地區(qū)O3的垂直分布特征[15,16]。地表溫度與太陽輻射關(guān)系密切,O3是由氧原子和氧分子結(jié)合反應(yīng)形成的,太陽輻射在對(duì)流層的光化學(xué)中起著重要作用,其決定了臭氧的光解速率和OH的形成[8]。謝豐和李德萍[17]研究表明:逐日平均氣溫與總輻射、直接輻射、散射輻射顯著正相關(guān)。凈輻射與平均氣溫的相關(guān)系數(shù)最高,全國(guó)大部分地區(qū)都在0.7以上。對(duì)流層O3污染狀況已成為大氣環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題之一,本文利用O3監(jiān)測(cè)資料和同期氣象數(shù)據(jù),分析了合肥地表O3的日、月變化特征。以合肥地區(qū)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù),分析了氣象要素對(duì)O3濃度的影響,為區(qū)域O3污染防治和預(yù)警預(yù)報(bào)提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源

合肥地面O3濃度數(shù)據(jù)來自中國(guó)空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)(http://www.aqistudy.cn)。該平臺(tái)公布了2013年12月起至今全國(guó)PM2.5、CO、NO2及O3濃度觀測(cè)數(shù)據(jù)。選取合肥地區(qū)2014年1月1日至2020年6月30日O3-8h觀測(cè)數(shù)據(jù),研究O3濃度的變化特征。并將O3觀測(cè)數(shù)據(jù)與大氣溫度、濕度、風(fēng)速等氣象要素(安徽省氣象信息中心提供)進(jìn)行綜合分析,力求獲得影響O3濃度變化的原因。

2 O3濃度變化特征

2.1 日變化特征

利用2017年1月1日–6月30日合肥地面O3每小時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù),分析合肥地區(qū)O3濃度的日變化規(guī)律。數(shù)據(jù)處理時(shí)將每天相同時(shí)刻的O3濃度求平均,得到O3逐時(shí)濃度均值變化曲線,如圖1所示。圖中顯示,O3濃度的日變化規(guī)律呈單峰型。O3濃度從零點(diǎn)開始逐漸下降,在07:00左右達(dá)到一天的最低值,最低濃度為42.45μg·m-3。從07:00開始,O3濃度快速上升,上升速率約為每小時(shí)10.74μg·m-3。在15:00左右到達(dá)峰值,最高濃度為116.52μg·m-3。一天之中,O3的最高濃度約為最低濃度的2.74倍。15:00以后,隨著太陽總輻射強(qiáng)度的減小,O3濃度逐漸下降。一天之中,14:00–16:00時(shí)間段內(nèi)O3濃度相對(duì)較高,在114.30μg·m-3以上。多天相同時(shí)刻O3逐時(shí)濃度的標(biāo)準(zhǔn)偏差在07:00左右變化相對(duì)較小,為24.79μg·m-3,在15:00左右變化相對(duì)較大,為 53.00 μg·m-3。

圖1 O3日逐時(shí)濃度變化曲線Fig.1 Diurnal variation curve of O3concentration

2.2 月變化特征

利用2014年1月1日至2020年6月30日O3-8h觀測(cè)數(shù)據(jù),將每月所包含的天數(shù)內(nèi)O3-8h求平均,得到O3-8h月均值,如圖2所示。O3-8h月均值變化呈現(xiàn)“M”型。春夏季O3濃度較高,特別在6月和8月,可達(dá)到一年中O3濃度峰值。冬季O3濃度逐漸回落至一年中的最低值,最低濃度一般出現(xiàn)在1月和12月。每年7月O3-8h月均值都有明顯下降。合肥O3濃度月變化特征與沈陽、北京等地區(qū)明顯不同[18,19]。研究期間,O3-8h月均最高值在2017年6月,為160.37μg·m-3;O3-8h月均最低值在2014年12月,為28.16μg·m-3。2014–2019年,每年O3-8h月均最高值是最低值的2.8～3.7倍,平均為3.1倍?？梢钥闯?合肥地區(qū)不同季節(jié)O3污染程度差別很大。同時(shí),2020年O3-8h月均值變化明顯異常,在6月出現(xiàn)大幅度降低。這可能與2020年安徽梅雨期天氣異常有關(guān)。安徽省在2020年6月2日入梅,8月1日出梅,梅雨期長(zhǎng)達(dá)60天,為出現(xiàn)氣象記錄以來最強(qiáng)梅雨。后面將詳細(xì)分析溫度、濕度等氣象要素對(duì)O3濃度產(chǎn)生的影響。

圖2 O3-8h月平均值變化曲線Fig.2 Change curve of O3-8h monthly mean value

3 氣象要素影響分析

3.1 風(fēng)速

由圖中O3濃度日逐時(shí)變化特征分析可知,合肥地表12:00–20:00這8小時(shí)內(nèi)O3濃度處于較高時(shí)間段。數(shù)據(jù)處理時(shí),將每日12:00–20:00風(fēng)速逐時(shí)數(shù)據(jù)求均值,作為風(fēng)速8 h均值數(shù)據(jù)。圖3為2017年1–6月O3-8h及風(fēng)速8 h均值變化曲線。結(jié)果表明:合肥地表日平均風(fēng)速在0.94～6.62 m·s-1之間,平均值為2.44 m·s-1;1–3月,風(fēng)速波動(dòng)明顯;5–6月,日平均風(fēng)速相對(duì)減小,風(fēng)速波動(dòng)也有所降低。利用相關(guān)分析方法,O3-8h與風(fēng)速8 h均值的Spearman相關(guān)系數(shù)為0.09。在研究期間,地面風(fēng)速對(duì)O3濃度的影響不顯著。考慮到O3濃度具有水平擴(kuò)散和垂直交換的特點(diǎn),因此僅依據(jù)地面水平風(fēng)速資料還不足以分析其對(duì)O3濃度產(chǎn)生的影響,可結(jié)合地理位置、污染源情況、高空風(fēng)場(chǎng)資料、氣象條件、城市規(guī)模等進(jìn)行綜合分析。

圖3 O3-8h與風(fēng)速8 h均值的變化圖Fig.3 Variation diagram of O3-8h and the mean value of 8 h wind speed

3.2 溫濕度

2014年1月–2018年6月,O3-8h和日平均溫度變化曲線如圖4所示。從圖4(b)可以看出,受東亞季風(fēng)影響,合肥地表溫度具有明顯的單峰值年變化特征。在研究時(shí)間段,合肥日平均溫度在每年7–8月達(dá)到峰值。日均最高溫度出現(xiàn)在2017年7月27日,為35.6°C;日平均溫度在每年1、2月降至全年最低。日均最低溫度出現(xiàn)在2016年1月24日,為-5.9°C。圖5(a)-(c)分別為研究時(shí)間段O3-8h、日平均濕度及平滑處理后日平均濕度的變化曲線圖。圖5(b)顯示,合肥日平均濕度變化相對(duì)較大,數(shù)據(jù)波動(dòng)劇烈。為了清楚展示濕度的年變化特征,對(duì)濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行5點(diǎn)平滑處理,結(jié)果如圖5(c)所示。可以看出,相對(duì)于地表溫度,日平均濕度極值出現(xiàn)時(shí)間無固定規(guī)律,但夏季(6–8月)通常濕度較大。受氣象要素影響,O3也呈現(xiàn)較強(qiáng)的年季變化特征,其變化規(guī)律與溫度基本一致,與濕度的變化趨勢(shì)關(guān)系不明顯。利用相關(guān)性分析方法進(jìn)行分析,結(jié)果顯示O3-8h與日平均溫度、日平均濕度的Spearman相關(guān)系數(shù)分別為0.54和-0.26。

圖4 合肥地區(qū)O3-8h(a)和日平均溫度(b)的年際變化特征Fig.4 Interannual variation of O3-8h(a)and daily mean temperature(b)in Hefei

圖5 合肥地區(qū)O3-8h(a)、日平均濕度(b)和平滑后濕度(c)的年際變化特征Fig.5 Interannual variation characteristics of O3-8h(a),daily mean humidity(b)and smoothed humidity(c)in Hefei area

為進(jìn)一步分析O3與溫度、濕度的相互關(guān)系,利用統(tǒng)計(jì)方法分別將2014年1月–2018年6月相同日期的O3-8h、日平均溫度、日平均濕度求均值,得到O3-8h、溫度、濕度日均值數(shù)據(jù)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),O3-8h日均值范圍為 24～143 μg·m-3,平均值為 78.90 μg·m-3;溫度日均值變化范圍為 1.92～32.08°C,平均為 16.85°C;相對(duì)濕度日均值在50%～92%之間,平均為75.57%。O3-8h、溫度、濕度日均值變化曲線如圖6所示。圖6(a)顯示,O3濃度在6月份左右達(dá)到峰值,溫度在7月底達(dá)到峰值。在時(shí)間序列上,O3和溫度的峰值出現(xiàn)時(shí)間有所偏移,這可以結(jié)合濕度日均值變化曲線予以解釋。如圖6(b)所示,6月底至7月份中旬,濕度日均值處于相對(duì)較高時(shí)段。6月20日–7月20日期間,相對(duì)濕度日均值基本在72.75%～92.00%之間,均值達(dá)到了83.39%,超濕度日均值(75.57%)7.82%。此期間合肥正處于梅雨季節(jié)(安徽省入梅時(shí)間主要集中在6月第2候和第4候,出梅時(shí)間主要集中在7月第2候[20])。梅雨季節(jié)高濕多雨、太陽總輻射較低,不利于O3的生成。因此,一年之中O3濃度峰值多出現(xiàn)在6月和8月份,在7月O3濃度明顯降低。

圖6 2014–2018年間合肥O3-8h、溫度(a)和濕度(b)多年日平均變化曲線Fig.6 Daily mean variation curves of O3-8h,temperature(a)and humidity(b)in Hefei from 2014 to 2018

4 結(jié) 論

1)合肥地表O3濃度的日變化規(guī)律明顯,呈單峰型。O3濃度在07:00左右達(dá)到最低值,最低濃度均值為42.45 μg·m-3;在 15:00 左右到達(dá)峰值,最高濃度均值為 116.52 μg·m-3。O3月濃度變化呈“M”型,臭氧濃度一般在6月和8月最高,1月和12月臭氧濃度逐漸回落至一年中的最低值。通常每年7月O3濃度都有明顯下降趨勢(shì)。2020年O3濃度月變化特征明顯異常,6月份O3濃度不增反降,這與2020年安徽省梅雨期天氣異常有關(guān)。

2)O3-8h與風(fēng)速8 h均值的Spearman相關(guān)系數(shù)為0.09,兩者相關(guān)性不顯著。O3濃度與溫度和濕度關(guān)系密切。O3-8h與日平均溫度、日平均濕度的Spearman相關(guān)系數(shù)分別為0.54和-0.26。O3濃度在6月份左右達(dá)到全年的峰值,7月份明顯降低,8月份到達(dá)次峰值。這可能是因?yàn)樵?月底至7月中旬期間,合肥處于梅雨季節(jié),相對(duì)濕度日均值基本在80%以上。梅雨季節(jié)高濕多雨、太陽總輻射較低,不利于O3的生成。