李明華，甘泉，曹靜，張子凡，沈瑾，李文勝，陳超，李嬌嬌,3，黃潮,3，范紹佳

(1.惠州市氣象局/惠州市氣象臺(tái)，廣東惠州 516000；2.惠州市環(huán)境監(jiān)測(cè)站，廣東惠州 516000；3.惠州市突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布中心，廣東惠州 516000；4.中山大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，廣東廣州510275)

1 引 言

絕大部分臭氧集中在平流層，能夠吸收太陽(yáng)短波輻射，是地球生命的保護(hù)傘。而近地面臭氧是空氣中氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物[1-2]，近地面高濃度的臭氧會(huì)影響植物的生長(zhǎng)，并對(duì)人類健康造成危害。近年來(lái)我國(guó)京津冀、長(zhǎng)江三角洲、珠江三角洲等地區(qū)[3-8]和北京、上海、深圳等城市[9-13]臭氧污染日益嚴(yán)重，臭氧已超越PM2.5成為珠三角地區(qū)的首要污染物。

中國(guó)上空的臭氧量有明顯的年際、季節(jié)和日變化，表現(xiàn)為臭氧總量隨年際持續(xù)下降，季節(jié)變化呈正弦曲線特征，最大值和最小值分別出現(xiàn)在3月和10月；日變化表現(xiàn)為午后15時(shí)(北京時(shí)間，下同)左右出現(xiàn)最高值，清晨07時(shí)左右出現(xiàn)最低值[14]。研究表明臭氧污染具有明顯的季節(jié)變化特征且與氣象條件密切相關(guān)[15-28]。晴天少云、紫外輻射較強(qiáng)、溫度較高、相對(duì)濕度較低以及風(fēng)速較小的天氣，均有利于臭氧的生成[15]。降水對(duì)臭氧濃度的影響與氣溫相反，風(fēng)向?qū)Φ孛娉粞鯘舛纫泊嬖陲@著影響，Pu等[16]分析了2013年夏季長(zhǎng)三角(長(zhǎng)江三角洲)地區(qū)熱浪導(dǎo)致的臭氧濃度增加，Li等[17]對(duì)氣象條件的分析表明，高溫、低相對(duì)濕度、風(fēng)速以及偏東風(fēng)導(dǎo)致了杭州城區(qū)臭氧濃度的上升。蘭州城區(qū)臭氧濃度分布與總云量也有一定的關(guān)系[24]。不同的天氣形勢(shì)對(duì)臭氧濃度影響也很明顯，杭州地區(qū)大氣臭氧濃度超標(biāo)主要出現(xiàn)在高壓后部和高壓控制等天氣類型[25]。北京地區(qū)處于低壓前部(主要是蒙古氣旋)和高壓前部是造成臭氧濃度高值和低值的主要背景場(chǎng)，與天氣型有較好相關(guān)，關(guān)注天氣型結(jié)構(gòu)和演變對(duì)預(yù)報(bào)大氣光化學(xué)污染具有重要意義[29]。

惠州市是珠三角地區(qū)中心城市之一，位于廣東省東南部，珠三角城市群東側(cè)(珠三角東側(cè))，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，空氣質(zhì)量2015—2016年連續(xù)2年在全國(guó)74個(gè)重點(diǎn)城市中排名第3、在珠三角城市群排名第1，臭氧已成為首要污染物[30]。本文利用惠州市區(qū)2013—2016年逐日、逐時(shí)的環(huán)境和氣象資料，研究惠州市臭氧污染特征及其與氣象條件關(guān)系，以期為改善空氣質(zhì)量和臭氧防治提供參考依據(jù)。

2 資料和方法

使用的資料包括：惠州市區(qū)的國(guó)家基本氣象觀測(cè)站惠陽(yáng)站2013年1月1日—2016年12月31日逐日逐時(shí)的地面氣象觀測(cè)資料；惠州市區(qū)的惠城區(qū)江北云山西路子站、惠城區(qū)下埔橫江三路子站、惠城區(qū)河南岸金山湖子站、大亞灣區(qū)管委會(huì)子站、惠陽(yáng)區(qū)承修路船湖子站5個(gè)國(guó)控點(diǎn)2013年1月1日—2016年12月31日平均逐日O3-8 h濃度資料和逐時(shí)O3濃度資料。

空氣質(zhì)量功能區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)參照《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095—2012)[31]，臭氧日最大8 h平均質(zhì)量濃度 0～100 μg/m3為一級(jí)，100～160 μg/m3為二級(jí)，超過(guò)160μg/m3時(shí)為超標(biāo)。參照《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ 633—2012)[32]，當(dāng)AQI大于100時(shí)定義為污染日，當(dāng)AQI為100～150時(shí)定義為輕度污染日，當(dāng)AQI為151～200時(shí)定義為中度污染日，當(dāng)AQI為201～300時(shí)定義為重度污染日，當(dāng)AQI大于300時(shí)定義為嚴(yán)重污染日，當(dāng)污染日首要污染物為臭氧時(shí)定義為臭氧污染日。根據(jù)華南氣候特征[33-34]，定義雨季(汛期，4—9 月)，旱季(非汛期，10 月—次年 3 月)；雨季又分為前汛期和后汛期，其中前汛期為4—6月，后汛期為7—9月。本文資料的統(tǒng)計(jì)分析利用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS23.0[35-36]。

3 臭氧污染特征研究

3.1 臭氧的年變化特征

圖1給出了2013—2016年惠州市臭氧各要素的逐年變化，惠州市臭氧年平均濃度、超標(biāo)年出現(xiàn)日數(shù)和臭氧污染日等均呈明顯下降趨勢(shì)，這說(shuō)明惠州市臭氧污染呈減弱趨勢(shì)?；葜菔蠴3-8 h濃度四年平均為92.0μg/m3，中位數(shù)為88.0μg/m3，最大值為263.0μg/m3，O3-8 h濃度平均值呈逐年降低趨勢(shì)，2016年的平均值與2013年相比下降了12.7%。O3濃度四年平均為61.5μg/m3，中位數(shù)為53.6 μg/m3，最大值為 329.4 μg/m3，O3濃度平均值呈逐年降低的趨勢(shì)，2016年的平均值與2013年相比下降了16.4%?；葜菔蠴3-8 h濃度等級(jí)年出現(xiàn)日數(shù)呈一級(jí)明顯增加、超標(biāo)明顯減少的趨勢(shì)，超標(biāo)年出現(xiàn)日數(shù) (超標(biāo)日)2015年和2016年的平均與2013年和2014年的平均相比減少了18.0 d?；葜菔谐粞跷廴救粘拭黠@減少趨勢(shì)，2015年和2016年的平均與2013年和2014年的平均相比減少了15.0 d；臭氧污染日中輕度污染日約占污染日的86.8%，中度污染日每年都有出現(xiàn)，未出現(xiàn)過(guò)重度及以上的臭氧污染日。

3.2 臭氧的月和季節(jié)變化特征

圖2給出了2013—2016年惠州市臭氧各要素的逐月和季節(jié)等變化特征。從月變化(圖2a)來(lái)看，O3-8 h濃度最高出現(xiàn)在10月，最低出現(xiàn)在5月，雨季和旱季基本一致、后汛期明顯高于前汛期。O3月最高濃度與O3-8 h一致，均出現(xiàn)在10月，而最低出現(xiàn)在6月，最低月的濃度僅為最高月的60.1%，O3濃度呈旱季高于雨季、后汛期高于前汛期的季節(jié)變化特征。通過(guò)對(duì)比臭氧污染日和臭氧超標(biāo)出現(xiàn)日數(shù)的逐年和逐月變化發(fā)現(xiàn)兩者變化趨勢(shì)基本一致，都是呈雨季高于旱季、后汛期高于前汛期的季節(jié)變化特征；一年中除2月和12月外其余月都曾出現(xiàn)臭氧污染日，其中7月、8月和10月累計(jì)均超過(guò)10 d。臭氧中度污染日在3月和4月都有出現(xiàn)，主要出現(xiàn)在7月和8月，10月雖然臭氧污染日最多，但未出現(xiàn)中度污染日。

3.3 臭氧的日變化特征

圖3給出了惠州市全市平均O3濃度全年、雨季、旱季、前汛期和后汛期逐時(shí)變化，惠州市臭氧濃度的日變化規(guī)律大致相同，均呈單峰變化。夜間臭氧濃度較低，06—08時(shí)濃度最低，隨后臭氧濃度開(kāi)始大幅上升，最大值出現(xiàn)在午后14—15時(shí)，之后濃度又逐漸降低。這種變化特征與太陽(yáng)輻射的日變化規(guī)律相似，白天較強(qiáng)，夜間減弱。其中雨季、前汛期和后汛期最小值和最大值分別出現(xiàn)在07時(shí)和14時(shí)。與之不同的是，旱季最大值出現(xiàn)在15時(shí)，推遲1 h。

圖1 2013—2016年惠州市臭氧要素的逐年變化 a.O3-8 h濃度；b.O3濃度；c.O3-8 h不同等級(jí)出現(xiàn)日數(shù)；d.臭氧污染日出現(xiàn)日數(shù)。

圖2 2013—2016年惠州市臭氧各要素變化特征

圖3 2013—2016年惠州市全市平均O3濃度逐時(shí)變化

4 臭氧污染與氣象條件

4.1 臭氧污染與逐日氣象條件特征分析

表1給出了惠州市全年、雨季和旱季不同級(jí)別臭氧污染與氣象條件統(tǒng)計(jì)值?；葜菔蠴3-8 h一級(jí)大多出現(xiàn)在氣溫較低、相對(duì)濕度較大、風(fēng)速較大、云量較多伴有降水且日照時(shí)數(shù)較小的天氣，全年而言O(shè)3-8 h平均濃度為68.6μg/m3，平均氣溫為21.8℃，風(fēng)速為2.3 m/s，降水量為8.5 mm，降雨概率為55.1%，總云量和低云量分別為8.2成和7.0成，日照時(shí)數(shù)平均為3.0 h，相對(duì)濕度平均為81.7%。超標(biāo)則出現(xiàn)在氣溫較高、相對(duì)濕度較小、風(fēng)速偏小、云量較少一般無(wú)降水且日照充足的天氣，全年而言O(shè)3-8 h平均濃度為187.0μg/m3，平均氣溫為26.0℃，風(fēng)速為1.9 m/s，降水量為1.9 mm，降雨概率為9.5%，總云量和低云量分別為3.4成和2.4成，日照時(shí)數(shù)平均為8.1 h，相對(duì)濕度平均為69.3%。超標(biāo)與一級(jí)相比，平均濃度高了100.4 μg/m3，氣溫高了 4.2℃，風(fēng)速小了 0.4 m/s，降水量少了6.6 mm，降雨概率低了45.6%，總云量和低云量分別少了4.8成和4.6成，日照時(shí)數(shù)多了5.1 h，相對(duì)濕度低了12.4%。二級(jí)出現(xiàn)時(shí)的氣象條件與超標(biāo)類似，也大多出現(xiàn)在晴朗干燥、日照充足的天氣下，但值大多處于一級(jí)和超標(biāo)之間。

表1 惠州市全年、雨季和旱季不同級(jí)別臭氧污染與氣象條件分析

圖4給出了不同氣溫和相對(duì)濕度下的O3平均濃度變化，箱體表示中位數(shù)、平均值、上四分位數(shù)和下四分位數(shù)，引線表示10%和90%最大值。O3平均濃度隨著溫度的升高而增加，當(dāng)平均溫度達(dá)到 36～37 ℃時(shí) O3平均濃度為 191.0 μg/m3，是30～31℃時(shí)的 2.36倍(81.0μg/m3)，是 25～26℃時(shí)的3.82倍(50.0μg/m3)。O3平均濃度基本上隨著濕度的增加而減小，當(dāng)相對(duì)濕度為35%～40%時(shí)O3平均濃度為103μg/m3，是70%～75%時(shí)的1.5倍(66.0μg/m3時(shí))，是 85%～100%時(shí)的 2.5倍(41.0 μg/m3時(shí))。這與黃俊等[37]對(duì)廣州近地面臭氧濃度特征分析得出的結(jié)論一致，高溫低濕有利于O3濃度的增加。

4.2 臭氧不同功能區(qū)氣象條件日特征差異性分析為了更進(jìn)一步了解惠州市臭氧一級(jí)、二級(jí)和

超標(biāo)功能區(qū)氣象條件的差異、變化特征，分析了全年(圖5)、雨季和旱季(圖略)一級(jí)、二級(jí)和超標(biāo)時(shí)降雨概率、氣溫、日照時(shí)數(shù)和相對(duì)濕度的逐時(shí)變化特征。具體到全年而言，降雨概率一級(jí)時(shí)出現(xiàn)最高，每個(gè)時(shí)刻出現(xiàn)的概率均在10%以上；二級(jí)次之，每個(gè)時(shí)刻出現(xiàn)的概率均在4%以下；值得提出的是超標(biāo)00—12時(shí)降雨概率均為0.0%，13時(shí)起有時(shí)降雨概率升高甚至高于二級(jí)，這主要是雨季超標(biāo)時(shí)易出現(xiàn)午后熱對(duì)流產(chǎn)生的雷陣雨所致。旱季一級(jí)時(shí)降雨概率均在9%以上，二級(jí)時(shí)仍偶有降雨，超標(biāo)時(shí)則各時(shí)刻降雨概率均為0.0%。對(duì)氣溫而言，全年、雨季和旱季的變化趨勢(shì)基本一致，都是超標(biāo)時(shí)氣溫具有明顯的日變化，以全年為例，氣溫日較差為8.7℃；而一級(jí)時(shí)氣溫的日變化較小，以全年為例，氣溫日較差為4.3℃。對(duì)日照時(shí)數(shù)而言，全年、雨季和旱季的變化趨勢(shì)基本一致，都是超標(biāo)時(shí)日照最充足，以全年為例，09—16時(shí)平均日照時(shí)數(shù)都在0.8 h以上；而一級(jí)時(shí)日照時(shí)數(shù)偏少，以全年為例，09—16時(shí)平均日照時(shí)數(shù)都在0.4 h以下。對(duì)相對(duì)濕度而言，全年、雨季和旱季的變化趨勢(shì)基本一致，都是超標(biāo)時(shí)相對(duì)濕度具有最大的日變化，以全年為例，日較差為35.2%；而一級(jí)時(shí)相對(duì)濕度的日變化較小，以全年為例，日較差為17.2%。

圖4 不同氣溫(a)和相對(duì)濕度(b)下的O3平均濃度變化 箱體表示中位數(shù)、平均值、上四分位數(shù)和下四分位數(shù)，引線表示10%和90%最大值。

圖5 惠州市全年O3-8 h不同級(jí)別時(shí)降雨概率(a)、氣溫(b)、日照時(shí)數(shù)(c)和相對(duì)濕度(d)的逐時(shí)變化

4.3 臭氧不同功能區(qū)風(fēng)向頻率差異性分析

統(tǒng)計(jì)分析了惠州市全年、雨季和旱季不同級(jí)別臭氧功能區(qū)的風(fēng)向頻率值(表2)。具體到全年而言，惠州市一級(jí)大多出現(xiàn)在東北風(fēng)和東南風(fēng)之下，東北風(fēng)NNE、NE、ENE均在10%以上，最高為NE的19.8%，東南風(fēng)ESE、SE和SSE合計(jì)出現(xiàn)頻率為27.7%，最高為SE的14.8%；超標(biāo)有3個(gè)主要的風(fēng)向均在5%以上，東北風(fēng)NNE、NE和ENE合計(jì)出現(xiàn)頻率為21.8%，東南風(fēng)ESE、SE和SSE合計(jì)出現(xiàn)頻率為20.8%，最高為SE的12.2%，偏西風(fēng) WSW、W、WNW 和 NW 合計(jì)出現(xiàn)頻率為35.8%，最高為NW的12.3%。雨季一級(jí)主要出現(xiàn)在偏東的風(fēng)向下，NNE、NE、ENE、E、ESE、SE、SSE出現(xiàn)頻率均在6%以上，合計(jì)出現(xiàn)頻率為76.7%，最高為SE的20.6%；雨季超標(biāo)主要出現(xiàn)在偏西風(fēng)下，WSW、W、WNW、NW 出現(xiàn)頻率均在 10%以上，合計(jì)出現(xiàn)頻率為53.4%，最高為NW的17.6%，另值得提出的是SE的出現(xiàn)頻率也高達(dá)11.7%。旱季一級(jí)主要出現(xiàn)在東北風(fēng)下，NNE、NE、ENE的出現(xiàn)頻率均在13%以上，合計(jì)出現(xiàn)頻率為63.1%，最高為NE的30.2%；旱季超標(biāo)主要出現(xiàn)在東北風(fēng)和東南風(fēng)下，N、NNE、NE、ENE、E、ESE、SE 出現(xiàn)頻率均在6%以上，合計(jì)出現(xiàn)頻率為77.4%，最高為NE的17.7%，NNE、SE也高達(dá)15.2%、13.1%。

表2 惠州市不同季節(jié)不同級(jí)別臭氧功能區(qū)風(fēng)向頻率值(%)

為了更進(jìn)一步分析臭氧不同功能區(qū)與風(fēng)向的關(guān)系，統(tǒng)計(jì)分析了惠州市不同風(fēng)向下一級(jí)、二級(jí)和超標(biāo)臭氧功能區(qū)的出現(xiàn)概率(表3)?；葜菔挟?dāng)出現(xiàn)WSW、W、WNW和NW這幾個(gè)風(fēng)向時(shí)出現(xiàn)臭氧超標(biāo)概率較高，從全年平均來(lái)看出現(xiàn)概率均在15%以上；雨季和旱季的出現(xiàn)規(guī)律與全年基本一致，其中雨季超標(biāo)出現(xiàn)概率在20%以上，最高為WNW的22.0%。

表3 惠州市全年、雨季和旱季不同風(fēng)向時(shí)不同級(jí)別臭氧功能區(qū)的出現(xiàn)概率(%)

5 小結(jié)與討論

(1)2013—2016年珠三角東側(cè)惠州市臭氧年平均濃度、超標(biāo)年出現(xiàn)日數(shù)和臭氧污染日等均呈明顯下降趨勢(shì)，這說(shuō)明近年來(lái)惠州市空氣質(zhì)量在持續(xù)改善，臭氧污染呈減弱趨勢(shì)。臭氧污染具有明顯的月和季節(jié)變化特征，臭氧平均濃度最高出現(xiàn)在10月，臭氧超標(biāo)日和污染日主要出現(xiàn)在7—10月。臭氧濃度的日變化呈單峰變化，夜間臭氧濃度較低，06—08時(shí)濃度最低，隨后臭氧濃度開(kāi)始大幅上升，最大值出現(xiàn)在午后14—15時(shí)，之后濃度又逐漸降低；臭氧濃度一級(jí)時(shí)日變化幅度較小，二級(jí)時(shí)日變化幅度較大，超標(biāo)時(shí)日變化幅度最大。

(2)惠州市臭氧一級(jí)、二級(jí)和超標(biāo)出現(xiàn)時(shí)的氣象條件有較大差異，一級(jí)大多出現(xiàn)在氣溫較低、相對(duì)濕度較大、風(fēng)速較大、云量較多伴有降水且日照時(shí)數(shù)較小的天氣，超標(biāo)則出現(xiàn)在氣溫較高、相對(duì)濕度較小、風(fēng)速偏小、云量較少一般無(wú)降水且日照充足的天氣，也即晴朗干燥天氣。超標(biāo)時(shí)氣溫、日照時(shí)數(shù)和相對(duì)濕度具有更明顯的日變化特征。

(3)惠州市全年臭氧一級(jí)大多出現(xiàn)在東北風(fēng)和東南風(fēng)之下，臭氧超標(biāo)有3個(gè)主要的風(fēng)向東北風(fēng)、東南風(fēng)和偏西風(fēng)合計(jì)出現(xiàn)頻率分別為21.8%、20.8%和35.8%，最高為NW的12.3%。汛期臭氧超標(biāo)時(shí)WSW、W、WNW、NW出現(xiàn)頻率均在10%以上，合計(jì)出現(xiàn)頻率為53.4%，最高為NW的17.6%，這說(shuō)明臭氧污染易出現(xiàn)在偏西風(fēng)下。惠州市位于珠三角城市群東側(cè)，當(dāng)天氣晴朗干燥時(shí)有利于臭氧生成，地面和低空吹偏西風(fēng)則惠州市處于珠三角城市群的下風(fēng)向存在區(qū)域污染輸送的可能。