周齊英,袁 韜,劉 徽

(1.湖南省永興縣氣象局,湖南 永興 423300;2.氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410118;3.湖南省郴州市氣象局,湖南 郴州 423000)

0 引言

近年來(lái),隨著大氣顆粒物污染的改善,O3污染成為大氣污染整治工作的重點(diǎn),給環(huán)境和公眾生活帶來(lái)危害。研究表明,近地面O3主要是由人類(lèi)活動(dòng)排放的氮氧化物(NOx)和揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)等污染物在大氣中經(jīng)過(guò)光化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生[1-2],隨著城市化進(jìn)程加快,城市區(qū)域機(jī)動(dòng)車(chē)的增加和可揮發(fā)性有機(jī)物排放量顯著增加,O3問(wèn)題變得日益嚴(yán)峻,在人們生活健康、動(dòng)植物生長(zhǎng)、氣候系統(tǒng)變化等方面造成較大危害[3-5];O3濃度高低除了與相關(guān)前體物濃度有關(guān)外,還與氣象條件有著密切的聯(lián)系[6]。黃俊等[7]研究表明,廣州市城郊的O3濃度在晴天最高,其次是少云和多云天氣,最低是在雨天。氣溫高、日照長(zhǎng)、輻射強(qiáng)、氣壓低、濕度小及2～3級(jí)的風(fēng)力是廣州地區(qū)近地面產(chǎn)生高濃度O3的主要?dú)庀笠蛩?。呂長(zhǎng)春[8]研究表明,四川自貢市O3-8h濃度與溫度呈正相關(guān)關(guān)系,溫度越高,O3-8h平均濃度越高;與濕度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,當(dāng)相對(duì)濕度處于50%～60%區(qū)間時(shí),有利于O3生成。齊冰等[9]研究2012—2016年杭州市近地面O3連續(xù)觀測(cè)資料發(fā)現(xiàn),冬季O3濃度較低,其余季節(jié)均較高,O3濃度日變化呈單峰型分布,14時(shí)出現(xiàn)峰值,O3濃度變化與紫外輻射、溫度呈正相關(guān)關(guān)系,與相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。紫外輻射>0.02 MJ·m-2、氣溫>20 ℃、相對(duì)濕度<70%時(shí),O3濃度會(huì)出現(xiàn)超標(biāo)情況。

郴州市位于湖南省東南部,與廣東韶關(guān)接壤,地處南嶺山脈中段與羅霄山脈南段交匯地帶。境內(nèi)地貌復(fù)雜多樣,多山丘,山地丘陵約占近3/4。氣候四季分明,春早多變,夏熱期長(zhǎng),秋晴多旱,冬寒期短。不同地區(qū)的大氣環(huán)境、地理生活環(huán)境因素存在較大差異,研究郴州地區(qū)的O3濃度變化規(guī)律及其氣象影響因子,提高O3預(yù)報(bào)水平,可為郴州大氣環(huán)境治理提供幫助。

1 數(shù)據(jù)與方法

O3、NO2數(shù)據(jù)來(lái)自郴州市環(huán)境監(jiān)測(cè)站2017—2020年逐日、逐小時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),包括郴州興隆步行街、郴州市環(huán)保局、郴州市審計(jì)局、郴州市職中4個(gè)國(guó)控站(圖1),氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自郴州國(guó)家基本氣象觀測(cè)站。

圖1 2017—2020年4個(gè)環(huán)保監(jiān)測(cè)站(A、B、C、D)及氣象觀測(cè)站點(diǎn)(E)位置圖

對(duì)2017—2020年O3日最大8 h滑動(dòng)平均(O3-8h)不同濃度范圍,對(duì)應(yīng)的日平均溫度(T)、日平均相對(duì)濕度(RH)、日平均本站氣壓(P)、日降水量(R)、日照時(shí)數(shù)(S)進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)分析;并利用SPSS軟件進(jìn)行相關(guān)分析;選取O31 h平均(O3-1h)濃度超標(biāo)(>200 μg·m-3)及氣象要素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析超標(biāo)閾值。季節(jié)上采取氣象定義,春節(jié)為3—5月,夏季為6—8月,秋季為9—11月,冬季為12—次年2月。

2 結(jié)果與討論

2.1 O3-8h濃度年變化分布特征

2017—2020年O3-8h濃度第90百分位數(shù)W值分別為150 μg·m-3、153 μg·m-3、137 μg·m-3、125 μg·m-3,均未達(dá)到《GB 3095—2012環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[10]二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值。近年來(lái),各級(jí)地方政府加強(qiáng)舉措,打好藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn),加大大氣污染防治工作力度,加之2020年新冠疫情影響,一定程度上有利于大氣環(huán)境向好[11-12]。從圖1可以看出,郴州市區(qū)4個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)站O3-8h年平均濃度差異不大,在76～80 μg·m-3之間。表1中郴州市區(qū)日O3-8h的質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)主要以優(yōu)為主,占全年總?cè)諗?shù)的62%～73%,其次是良,污染等級(jí)以輕度為主,2018—2020連續(xù)3 a未出現(xiàn)中度、重度污染特征;O3作為郴州常見(jiàn)污染物(PM2.5、PM10、O3)之一,出現(xiàn)O3污染的日數(shù)占總污染日數(shù)的比例有上升趨勢(shì),2017年52.9%(108/255),2018年38.1%(84/220),2019年59.3%(133/224),2020年59.2%(96/162)。

表1 2017—2020年郴州市區(qū)O3-8h質(zhì)量分指數(shù)(IAQI)等級(jí)分布及首要污染物占比

2.2 O3-8h濃度逐月變化特征

從圖2可以看出,出現(xiàn)O3輕度污染時(shí)段集中在4—11月,其余月份未出現(xiàn)輕度及以上污染。9月份發(fā)生輕度污染天數(shù)最高,2017—2020年累計(jì)天數(shù)達(dá)21 d;其次為10月的9 d。郴州市區(qū)O3-8h月均值(圖2a)濃度范圍為32～175 μg·m-3,月變化大致呈雙峰型,第1個(gè)顯著增長(zhǎng)時(shí)段在1—5月。隨著氣溫升高,日照輻射逐漸增強(qiáng),光化學(xué)反應(yīng)活動(dòng)增多,O3-8h濃度在5月達(dá)到第1個(gè)峰值(114 μg·m-3),6月有所降低,但總體保持在較高水平。6—7月是郴州暖區(qū)性熱對(duì)流強(qiáng)降水過(guò)程、臺(tái)風(fēng)影響集中期[13-14],降水過(guò)程抑制了太陽(yáng)輻射,并通過(guò)濕沉降促進(jìn)O3的消散;第2個(gè)顯著增長(zhǎng)時(shí)段在6—9月,在9月達(dá)到第2個(gè)峰值(175 μg·m-3)。10—12月O3-8h濃度逐漸降低。秋季大氣環(huán)流多受穩(wěn)定的高壓控制,太陽(yáng)輻射較強(qiáng),日照時(shí)數(shù)較多,有利于O3生成。

圖2 2017—2020年郴州市區(qū)O3-8h濃度月變化(a)、NO2濃度月變化(b)

從2017—2020年NO2濃度月變化(利用24 h平均值計(jì)算)來(lái)看(圖2b),NO2與O3-8h濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為-0.311,2020年上半年NO2濃度降低,但O3濃度并沒(méi)有較其他年份明顯偏低,可能和排放源增加有關(guān),2020年下半年NO2濃度接近常年,但O3-8h濃度較前幾年偏低,下半年溫度和日照條件穩(wěn)定較好,可能和NOx對(duì)臭氧的滴定作用有關(guān)。

2.3 O3-1h濃度日變化特征

郴州市區(qū)2017—2020年O3-1h全年數(shù)據(jù)日變化呈單峰型(圖3a),白天濃度明顯高于夜間,全年NO2小時(shí)數(shù)據(jù)日變化呈雙峰型(圖3b),二者呈顯著負(fù)相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)為-0.601。08時(shí)之前,O3濃度一直處于較低狀態(tài)且呈緩慢下降趨勢(shì),主要由于夜間無(wú)光化學(xué)反應(yīng),O3消耗導(dǎo)致濃度下降,在08時(shí)左右出現(xiàn)谷值。NO2在夜間積累,07時(shí)開(kāi)始,機(jī)動(dòng)車(chē)出行增加,排放尾氣造成NO2濃度在09時(shí)出現(xiàn)峰值。09時(shí)后隨著氣溫逐漸上升以及太陽(yáng)輻射不斷增強(qiáng),在光化學(xué)反應(yīng)的作用下,O3濃度在14—16時(shí)左右達(dá)到峰值,NO2被大量消耗。隨著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的減弱,光化學(xué)反應(yīng)減弱,NO等還原物質(zhì)的消耗,O3又逐漸降低[15-16],NO2濃度不斷增加,在23時(shí)出現(xiàn)峰值。

圖3 2017—2020年郴州市區(qū)O3-1h濃度日變化(a)、NO2濃度日變化(b)

2.4 O3濃度與氣象因子的關(guān)系

2.4.1 不同氣象要素對(duì)O3-8h濃度的影響分析 總結(jié)黃俊等[7]、崔坤等[17]研究方法,對(duì)2017—2020年日平均溫度(T)、日平均濕度(RH)、日平均本站氣壓(P)、日降水量(R)和日照時(shí)數(shù)(S)進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)分析。

表2給出了不同氣象要素范圍下的O3-8h濃度。O3-8h濃度隨著氣溫升高而增加,當(dāng)T>10 ℃時(shí)O3-8h平均濃度值最低僅41 μg·m-3,T>30 ℃時(shí)O3-8h濃度為118 μg·m-3,T≤10 ℃時(shí)O3-8h濃度僅為41 μg·m-3;O3-8h濃度隨著相對(duì)濕度(RH)升高而逐漸降低,當(dāng)RH>90%時(shí),O3-8h濃度明顯降低,為50 μg·m-3,50%10 h時(shí)O3-8h濃度為127 μg·m-3,5 h

表2 不同范圍氣象要素的O3-8h濃度

2.4.2 O3濃度與氣象要素的相關(guān)性分析 對(duì)郴州市區(qū)2017—2020年的逐日O3-8h濃度和氣象要素平均值進(jìn)行相關(guān)性分析。從表3可以看出,O3-8h濃度與日平均溫度(T)和日照時(shí)數(shù)(S)成正相關(guān),其中與風(fēng)速的相關(guān)性不明顯為0.022。

表3 O3-8h濃度和氣象要素的相關(guān)性(n=1461)

O3-8h濃度與氣壓(P)、濕度(RH)、降雨量(R)成負(fù)相關(guān)。與日照時(shí)數(shù)相關(guān)性最好,相關(guān)系數(shù)為0.661;其次是濕度,相關(guān)系數(shù)為-0.65,與降水的相關(guān)性為-0.200。

2.4.3 O3-1h濃度超標(biāo)的關(guān)鍵氣象因子閾值 選取2017—2020年的O3-1h濃度超標(biāo)值(>200 μg·m-3)及對(duì)應(yīng)的小時(shí)平均溫度(T)、平均本站氣壓(P)、平均相對(duì)濕度(RH)、平均風(fēng)速(V)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果如圖4所示。當(dāng)郴州市區(qū)O3-1h濃度超標(biāo)時(shí),T的范圍為22～34 ℃,25℃以上時(shí)O3易超標(biāo)(圖4a);P的范圍為960～973 hPa,在967 hPa以上高壓控制的穩(wěn)定晴好天氣下,有利于O3生成積累(圖4b);RH的范圍為26%～58%,極端值72%出現(xiàn)在2017年7月29日14時(shí),偏北風(fēng)加大,可能是上游長(zhǎng)株潭地區(qū)污染物輸送造成O3-1h超標(biāo),當(dāng)相對(duì)濕度低于40%的情況下O3易超標(biāo),占比達(dá)73.6%(圖4c);當(dāng)V的范圍為1～4 m·s-1,4～10 m·s-1,O3-1h濃度超標(biāo)率分別為56.0%、44.0%(圖4d)。

圖4 O3-1h濃度超標(biāo)時(shí)氣象要素值T(a)、P(b)、RH(c)、V(d)統(tǒng)計(jì)箱線圖

2.4.4 O3-8h濃度與風(fēng)的關(guān)系 除了風(fēng)速擴(kuò)散作用對(duì)污染物的影響之外,上游污染物輸送和風(fēng)向?qū)3-8h濃度也有重要的影響[18-19]。郴州市區(qū)夏半年以偏南風(fēng)向?yàn)橹?冬半年以偏北風(fēng)向?yàn)橹鳌3-8h濃度也主要體現(xiàn)在偏南風(fēng)和偏北風(fēng)的影響上(圖5),O3-8h濃度出現(xiàn)極值時(shí),大部分都是在偏北風(fēng)的背景下,郴州偏北方向有衡耒重工業(yè)地區(qū),再往北是長(zhǎng)株潭工業(yè)生產(chǎn)區(qū),市區(qū)南部6 km是郴州工業(yè)園區(qū)、40 km左右是宜章縣城和宜章化工業(yè)園區(qū),這可能是在南北風(fēng)向背景下方向,O3-8h濃度較高的原因。

3 臭氧污染過(guò)程氣象條件分析

3.1 污染過(guò)程概述

2020年4月27—30日,郴州市區(qū)發(fā)生了1次O3污染過(guò)程,其中28日、29日為輕度污染,首要污染物均為O3。27日開(kāi)始,天氣形勢(shì)逐漸穩(wěn)定,近地面風(fēng)速小,污染擴(kuò)散條件較差,空氣質(zhì)量指數(shù)為82,良,O3-8h濃度為138 μg·m-3。

從表4中可以看到,28日開(kāi)始,受氣溫升高、光照增強(qiáng)、風(fēng)速加大等不利氣象條件影響,O3濃度開(kāi)始上升,28日空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)為102;29日氣溫進(jìn)一步升高,AQI指數(shù)值為142,O3-8h濃度為206 μg·m-3,從29日12時(shí)開(kāi)始,O3-1h濃度持續(xù)超標(biāo)8 h,小時(shí)峰值達(dá)242 μg·m-3(13時(shí));30日受低空急流加強(qiáng)影響,近地面風(fēng)速加大,污染物濃度逐漸降低。此次污染過(guò)程,一方面郴州地區(qū)受地面高壓控制,高空以西南氣流為主的穩(wěn)定環(huán)流形勢(shì)控制,連續(xù)4 d的日平均最高氣溫較歷史平均偏高2 ℃,持續(xù)日照時(shí)間長(zhǎng),以上氣象要素條件有利于臭氧生成;另一方面,在近地面南風(fēng)風(fēng)力大的條件下,南部區(qū)域的臨武縣、宜章縣有污染物不斷輸送,共同造成此次O3污染。

表4 2020年4月27—30日逐日空氣質(zhì)量實(shí)況與氣象要素

3.2 天氣形勢(shì)分析

根據(jù)4月28日08時(shí)500 hPa和29日08時(shí)925 hPa探空實(shí)況資料(圖略),28日高空槽逐漸東移入海,郴州地區(qū)轉(zhuǎn)為受高空平直西風(fēng)氣流影響,850 hPa上郴州地區(qū)處于高壓底部,以晴好穩(wěn)定天氣為主,08—20時(shí)市區(qū)近地面以下沉運(yùn)動(dòng)為主(圖6黑色虛線框),有利于O3在地面累積;29日低層925 hPa西南氣流逐漸加強(qiáng),中低層轉(zhuǎn)為上下一致的西南氣流控制,地面氣溫升高,西南風(fēng)風(fēng)力加大,日照時(shí)間較長(zhǎng),近地面層以下沉氣流為主等氣象因素均有利于本地O3生成及外源輸送。29日15時(shí)850 hPa附近垂直速度有輻合,有可能導(dǎo)致14—15時(shí)地面臭氧濃度發(fā)生變化。

圖6 2020年4月28—29日ERA5再分析資料風(fēng)場(chǎng)(單位:m·s-1)和垂直速度圖(單位:-0.1 Pa·s-1)

3.3 地面氣象條件分析

4月28日午后最高氣溫達(dá)29.6 ℃,濕度低,天空狀況好,日照時(shí)間達(dá)11 h,晴空輻射強(qiáng),且近地面存在風(fēng)向輻合,有利于污染物匯聚。29日最高氣溫達(dá)30 ℃,日照時(shí)間10 h,03時(shí)開(kāi)始偏南風(fēng)平均風(fēng)速加大到6.8 m·s-1,日極大風(fēng)速達(dá)8 m·s-1,可能造成偏南方向區(qū)域污染輸送,導(dǎo)致白天O3污染繼續(xù)加劇,在13時(shí)達(dá)到第1個(gè)峰值242 μg·m-3,14—15時(shí)2個(gè)時(shí)次濃度持續(xù)降低至180 μg·m-3,16時(shí)后又出現(xiàn)峰值。根據(jù)郴州市區(qū)南風(fēng)風(fēng)向上游2個(gè)縣城宜章(南方)、臨武(西南方)O3監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看,宜章、臨武的O3濃度同樣在13—15時(shí)具有相同的變化趨勢(shì),因此強(qiáng)盛南風(fēng)輸送的上游地區(qū)污染物,也是造成此次市區(qū)O3污染過(guò)程的重要因素。29日20時(shí)后,進(jìn)入夜間無(wú)日照,O3無(wú)法繼續(xù)生成,且南風(fēng)影響區(qū)域進(jìn)一步北推擴(kuò)大,對(duì)污染物有較好的清除作用。

4 結(jié)論與討論

(1)郴州市區(qū)O3空氣質(zhì)量分指數(shù)(IAQI)等級(jí)主要以優(yōu)良為主,占全年的63.5%～93.9%,污染等級(jí)以輕度為主。O3作為首要污染物出現(xiàn)占比增加,2019年、2020年分別達(dá)到59.3%、59.2%。

(2)郴州市2017—2020年O3-8h月均值濃度范圍為32～175 μg·m-3,月變化大致呈雙峰型,出現(xiàn)在5月和10月,均與氣溫升高、日照輻射逐漸增強(qiáng)、大氣條件穩(wěn)定等有關(guān)。O3-1h日變化呈單峰型,白天濃度明顯高于夜間。在08時(shí)左右降至一天中最低,在14—16時(shí)達(dá)到峰值。O3-8h濃度與NO2呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為-0.311;O3-1h日變化與NO2相關(guān)性顯著,相關(guān)系數(shù)為-0.601。

(3)對(duì)郴州市區(qū)4 a的逐日O3濃度和氣象要素進(jìn)行相關(guān)性分析,O3濃度與溫度和日照時(shí)數(shù)成正相關(guān),與氣壓、濕度、降水成負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為-0.422、-0.653、-0.200,與日照時(shí)數(shù)相關(guān)性最強(qiáng)為0.661;風(fēng)向的影響主要在偏南和偏北方向。

(4)2020年4月27—30日郴州市區(qū)1次O3輕度污染過(guò)程,發(fā)生在高層為平直西風(fēng)環(huán)流,低層受高壓底部控制的天氣形勢(shì)下。28日、29日最高氣溫分別達(dá)到29 ℃、30 ℃,濕度在55%左右,日照時(shí)間平均達(dá)11 h,近地面有風(fēng)向輻合,偏南風(fēng)風(fēng)速大,有利于本地生成的O3和南方外源輸送O3在本地積蓄。這是造成本次O3污染的重要原因。

(5)本文僅對(duì)郴州2017—2020年O3變化特征及其氣象因子的關(guān)系進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,并選取在典型高壓系統(tǒng)下穩(wěn)定環(huán)流形勢(shì)中的1個(gè)典型污染過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)單理論分析,未做深入研究。O3是在NOx和VOCs等前提物進(jìn)行的復(fù)雜光化學(xué)反應(yīng)中生成的,其影響因素及變化特征還需進(jìn)一步深入探索。