張麗 梁碧玲 李磊

（1 深圳市氣象局，深圳 518040；2 深圳市國(guó)家氣候觀象臺(tái)，深圳 518040）

0 引言

隨著城市化和工業(yè)化的不斷發(fā)展，全國(guó)各大城市群大氣污染問(wèn)題日益凸顯，臭氧成為首要污染物的頻率越來(lái)越高，大量研究圍繞光化學(xué)煙霧和臭氧污染展開(kāi)。在短期內(nèi)排放源大致不變的情況下，眾多學(xué)者認(rèn)為氣象條件是影響臭氧污染最重要的因素[1-4]。北方地區(qū)如嚴(yán)茹莎[5]指出，北京地區(qū)O3分布與溫度、風(fēng)速及風(fēng)向3個(gè)氣象要素密切相關(guān)，同時(shí)穩(wěn)定邊界層對(duì)大氣擴(kuò)散的不利影響也是形成O3污染的重要原因；閆雨龍[6]指出影響太原市城區(qū)臭氧濃度變化的主要因素是臭氧前驅(qū)物和氣象條件（太陽(yáng)輻射、溫度等）的變化。長(zhǎng)三角地區(qū)也開(kāi)展了城市臭氧污染特征及成因分析[7-14]，如王磊[15]指出高濃度臭氧污染是多因子綜合作用的結(jié)果，典型氣象條件表現(xiàn)為:太陽(yáng)輻射強(qiáng)、低云量少、相對(duì)濕度適宜、地面小風(fēng)速及特定的風(fēng)向。由于臭氧與其前體物揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）和氮氧化物（NOx）呈顯著的非線性相關(guān)，且受氣象條件、排放源分布和土地利用類(lèi)型等影響[16-26]，臭氧污染也是珠三角地區(qū)大氣污染控制研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。全國(guó)多地區(qū)開(kāi)展了臭氧氣象條件成因分析，但是業(yè)務(wù)化運(yùn)用較少。本文在前期研究臭氧污染與氣象條件關(guān)系的基礎(chǔ)上[26]，從高影響的氣象因子著手，建立了本地化的臭氧污染氣象條件指數(shù)，經(jīng)檢驗(yàn)可實(shí)現(xiàn)對(duì)O3污染氣象條件監(jiān)測(cè)，為臭氧預(yù)報(bào)預(yù)警提供了科學(xué)的參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與方法

2015—2017年深圳市環(huán)保部門(mén)14個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的O3小時(shí)平均濃度逐小時(shí)數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)區(qū)域最近的自動(dòng)氣象站逐小時(shí)數(shù)據(jù)。氣象站選擇的原則是每區(qū)至少1個(gè)距離環(huán)保站最近站點(diǎn)，西部污染嚴(yán)重地區(qū)選1～2個(gè)氣象站點(diǎn)（圖1）。

圖1 全市14個(gè)空氣質(zhì)量站點(diǎn)（黑色三角形）及鄰近的14個(gè)氣象站（黑色圓點(diǎn)） Fig. 1 14 air quality sites (black triangle) and the 14 closest meteorological stations (black dots) in Shenzhen

臭氧超標(biāo)率（E）定義：根據(jù)環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）（2016年實(shí)施）臭氧二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為1小時(shí)平均濃度大于200 μg/m3。

式中，t1是某個(gè)時(shí)間段內(nèi)臭氧濃度超出200 μg/m3的時(shí)次，t是總時(shí)次，E為臭氧的超標(biāo)率。

選取溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速風(fēng)向、降雨量等氣象因子，分析氣象因子對(duì)臭氧污染的貢獻(xiàn)，同時(shí)考慮氣象因子之間相關(guān)性，對(duì)研究方法進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，分別將氣溫與其他氣象因子聯(lián)立，統(tǒng)計(jì)聯(lián)立后的臭氧超標(biāo)率。即以氣溫為參照，研究其他氣象因子對(duì)臭氧超標(biāo)率的影響，從而確定所有氣象因子的影響權(quán)重，最后得出指數(shù)總評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)果

2.1 深圳市大氣環(huán)境污染近況

深圳市隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和大氣環(huán)境治理的深入開(kāi)展，首要污染物的格局近幾年有了明顯改變，細(xì)顆粒物作為首要污染物出現(xiàn)的頻率呈逐年下降趨勢(shì)，臭氧作為首要污染物出現(xiàn)的天數(shù)卻逐年上升。根據(jù)深圳市環(huán)境監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年臭氧作為首要污染物的日數(shù)只有67 d，2016年上升至88 d，2017年更高達(dá)109 d（圖2）。

圖2 2015—2017年深圳市大氣首要污染物分布情況 Fig. 2 Distribution of atmospheric primary pollutants from 2015 to 2017 in Shenzhen

2.2 氣象因子對(duì)臭氧污染的影響

通過(guò)分類(lèi)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、1 h累計(jì)雨量對(duì)臭氧濃度超標(biāo)率都有影響（圖3）。臭氧是二次污染物，由NOx、CO和NMHC在太陽(yáng)輻射的作用下進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生，所以溫度是光化學(xué)反應(yīng)生成臭氧的一個(gè)高敏感的氣象因子。臭氧超標(biāo)概率隨著氣溫升高而升高，小時(shí)平均氣溫超過(guò)35 ℃，臭氧超標(biāo)率可達(dá)33.8%（圖3a）。較干燥的環(huán)境（相對(duì)濕度30%～60%）有利于臭氧超標(biāo)，最大超標(biāo)率為5%，80%以上高濕度環(huán)境下臭氧超標(biāo)率很低，超標(biāo)率小于0.6%（圖3b）。風(fēng)速對(duì)臭氧污染的影響也存在最優(yōu)區(qū)間，1～4 m/s的風(fēng)速條件超標(biāo)概率略高，超標(biāo)率最高為1.46%；較大風(fēng)速或者靜風(fēng)條件下都不利于臭氧超標(biāo)，超標(biāo)率小于1%。偏西風(fēng)影響下臭氧超標(biāo)概率較高，最高為4.9%；偏東風(fēng)超標(biāo)概率較低，小于0.5%（圖3c）。1 h累計(jì)雨量對(duì)臭氧污染的影響不明顯，無(wú)雨時(shí)臭氧超標(biāo)概率略高，超標(biāo)率為1.2%（圖3d）。

2.3 氣象因子聯(lián)合對(duì)臭氧污染的影響

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，除氣溫以外單個(gè)氣象因子對(duì)臭氧超標(biāo)率的影響較小，主要是因?yàn)槌粞醭瑯?biāo)受氣溫影響最大，為了突出各氣象因子的影響程度，考慮在將氣溫和其他因子聯(lián)合一起分類(lèi)，同一溫度區(qū)間下各因子對(duì)臭氧污染的影響分析。如同等溫度條件下，不同的相對(duì)濕度對(duì)臭氧超標(biāo)概率有明顯差別（圖4a）。氣溫在30～35 ℃且相對(duì)濕度在35%～65%最適宜臭氧生成，超標(biāo)概率最高達(dá)31%。濕度越大超標(biāo)率越小，濕度大于75%，不利于臭氧的生成，超標(biāo)概率小于5%。通過(guò)氣溫和相對(duì)濕度組合分類(lèi)，可以分析出濕度和溫度對(duì)臭氧超標(biāo)率的影響。

風(fēng)速對(duì)于臭氧的影響，在不同的溫度等級(jí)下表現(xiàn)不一樣（圖4b）。在30 ℃以下，風(fēng)速的變化幾乎不會(huì)引起臭氧污染的形成，超標(biāo)率均小于5%；當(dāng)溫度大于32 ℃時(shí)，風(fēng)速增加會(huì)減少臭氧的超標(biāo)率。

圖3 不同氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、 1 h累計(jì)雨量條件下臭氧小時(shí)平均濃度超標(biāo)概率 Fig. 3 Exceeding probability of average hourly concentration of ozone under different temperature, relative humidity, wind and 1 h rainfall

圖4 不同氣溫和相對(duì)濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、1 h累計(jì)雨量聯(lián)合分類(lèi)下臭氧超標(biāo)率 Fig. 4 Ozone exceeding probability under different temperature classification with relative humidity, wind and 1 h rainfall

風(fēng)向?qū)τ诔粞醭瑯?biāo)率的影響也與溫度密切相關(guān)（圖4c）。溫度在30 ℃以下，風(fēng)向?qū)Τ粞醭瑯?biāo)率的影響很小，超標(biāo)率在5%以?xún)?nèi)；當(dāng)氣溫增加至32 ℃時(shí)，偏北風(fēng)、偏西風(fēng)有利于臭氧超標(biāo)率的增加，偏南風(fēng)可減少臭氧的超標(biāo)概率。

雨量對(duì)臭氧超標(biāo)概率的影響不明顯（圖4d）。1 h累計(jì)雨量在5 mm以上，臭氧超標(biāo)率很小，在6%以?xún)?nèi)；1 h雨量5 mm以下且溫度34 ℃以上，雨強(qiáng)越大超標(biāo)率越小。

2.4 臭氧污染氣象條件評(píng)分體系建立

氣溫基礎(chǔ)分（Ts）：按照臭氧超標(biāo)率大小進(jìn)行評(píng)分，超標(biāo)率越高，評(píng)分愈大。超標(biāo)率小于1%為0分，每增加5%增加1分，根據(jù)各等級(jí)氣溫下臭氧的超標(biāo)率大小，給出氣溫基礎(chǔ)分（表1）。氣溫在30℃以下，臭氧超標(biāo)率E小于1%，都為0分；當(dāng)30 ℃≤T＜33 ℃時(shí)，臭氧超標(biāo)率E=2.9%，評(píng)分為1分；當(dāng)T≥35℃時(shí)，E=33.8%，評(píng)分為7分。從表1可見(jiàn)，氣溫對(duì)臭氧超標(biāo)率的影響很大，各等級(jí)下評(píng)分在0～7分，差異大，可作為基礎(chǔ)評(píng)分因子。其他氣象因子和氣溫聯(lián)立時(shí)的評(píng)分減去基礎(chǔ)分，就得到各氣象因子單獨(dú)的評(píng)分。

表1 氣溫基礎(chǔ)分（Ts） Table 1 Grading standard score for the temperature (Ts)

風(fēng)速、氣溫聯(lián)合評(píng)分：計(jì)算風(fēng)速與氣溫聯(lián)合等級(jí)下的臭氧超標(biāo)率可得出風(fēng)速、氣溫聯(lián)合評(píng)分表（表2）。表2表明了在同樣的氣溫條件下，不同風(fēng)速對(duì)臭氧形成貢獻(xiàn)不一樣。例如溫度在33～35 ℃時(shí)，風(fēng)速≥4 m/s，評(píng)分為2分，小于氣溫基礎(chǔ)分3分，說(shuō)明該等級(jí)下風(fēng)速≥4 m/s對(duì)臭氧超標(biāo)有削弱的作用。同理，溫度≥35 ℃時(shí)，風(fēng)速≥5 m/s，對(duì)臭氧超標(biāo)也有削弱的作用。

風(fēng)速、風(fēng)向評(píng)分: 將風(fēng)速、氣溫聯(lián)合等級(jí)下的評(píng)分減去氣溫基礎(chǔ)分（Ts），得到風(fēng)速單獨(dú)的評(píng)分（表3）。從風(fēng)速評(píng)分表3可以明顯看出風(fēng)速對(duì)臭氧超標(biāo)情況的作用，正值表示對(duì)臭氧生成有促進(jìn)作用，負(fù)值表示對(duì)臭氧的生成有減弱作用。氣溫在25～30 ℃時(shí)，風(fēng)速在1～3 m/s有利于臭氧的生成；當(dāng)溫度升高至30 ℃以上時(shí)，風(fēng)速在4 m/s以上不利于對(duì)臭氧的生成。

表2 氣溫與風(fēng)速聯(lián)合評(píng)分表 Table 2 Grading standard for the temperature and wind speed

從風(fēng)向評(píng)分可以看出來(lái)，溫度T≤20 ℃時(shí)，臭氧超標(biāo)與風(fēng)向無(wú)關(guān)；當(dāng)30 ℃≤T＜33 ℃時(shí)，偏西風(fēng)有利于臭氧生成；當(dāng)33 ℃≤T＜35 ℃，評(píng)分為負(fù)值，偏東、偏南風(fēng)均不利于臭氧的生成，偏西和偏北風(fēng)，評(píng)分為正值，有利于臭氧的生成。深圳市夏季一般以偏東和偏南風(fēng)為主，夏季大氣邊界層高，對(duì)流旺盛，加上偏南風(fēng)來(lái)自海上，空氣潔凈，對(duì)污染物有明顯的稀釋作用；冬季以偏西和偏北風(fēng)影響為主，一方面大氣邊界層高度低，污染物容納能力小，一方面有外來(lái)污染源的影響，有利于臭氧的生成。

相對(duì)濕度評(píng)分：濕度對(duì)臭氧的影響也受氣溫的影響，在不同等級(jí)氣溫下，濕度的作用大小不一，當(dāng)溫度25 ℃≤T＜30 ℃較低時(shí)，濕度＜70%，有利于臭氧的生成，濕度增大不利于臭氧的生成。當(dāng)溫度33 ℃≤T＜35 ℃較高時(shí)，相對(duì)濕度為30%～50%時(shí)有利于臭氧生成，濕度增大不利于臭氧的生成。

雨量評(píng)分：各等級(jí)雨量對(duì)臭氧超標(biāo)的評(píng)分均為0分，因?yàn)榻涤陼r(shí)溫度較低，云量多，太陽(yáng)輻射少，無(wú)法獲得充足的輻射能量，臭氧超標(biāo)率都很小。所以雨量不計(jì)入總評(píng)分。

總評(píng)分：綜合以上各要素評(píng)分，給出臭氧污染氣象條件指數(shù)（OPMCI）為

OPMCI＝Ts＋WDs＋WSs＋Rs， （2）

式中，Ts為氣溫基礎(chǔ)評(píng)分，WDs為風(fēng)向評(píng)分，WSs為風(fēng)速評(píng)分，Rs為相對(duì)濕度評(píng)分。

從表4可見(jiàn)，OPMCI從小到大分為六級(jí)，從不易臭氧污染到極易臭氧污染，從而實(shí)現(xiàn)了定量化的臭氧污染氣象條件監(jiān)測(cè)。

3 臭氧污染氣象條件指數(shù)總評(píng)分檢驗(yàn)

用2015—2017年歷史數(shù)據(jù)計(jì)算的臭氧污染氣象條件等級(jí)范圍1～5級(jí)，歷史數(shù)據(jù)未出現(xiàn)六級(jí)極易污染的情況，為最嚴(yán)重的臭氧污染預(yù)留一個(gè)等級(jí)（表5）。檢驗(yàn)結(jié)果表明，各等級(jí)下臭氧超標(biāo)有明顯差異，級(jí)別越高，臭氧超標(biāo)率和平均濃度都明顯增大?？梢?jiàn)該評(píng)分是可行的。

4 業(yè)務(wù)運(yùn)用

基于產(chǎn)品特征和用戶需求，臭氧污染氣象條件指數(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目采用基于GIS組件的二次開(kāi)發(fā)模式，地理信息系統(tǒng)平臺(tái)采用通用地理信息系統(tǒng)平臺(tái)，項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)擬采用OEacle10G以上，WEB系統(tǒng)平臺(tái)擬采用ASP.NET或HTML5技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用B/S和C/S混合體系結(jié)構(gòu)，C/S結(jié)構(gòu)程序（后臺(tái)程序）運(yùn)行于服務(wù)端，以多線程并發(fā)的方式執(zhí)行，用于數(shù)據(jù)的解析計(jì)算以及各類(lèi)產(chǎn)品的生成、入庫(kù)等（圖6）?？蛻舳俗鳛锽/S結(jié)構(gòu)程序（前臺(tái)程序），為用戶的操作平臺(tái)，用于信息的綜合展示以及人機(jī)交互操作等。將臭氧污染氣象條件指數(shù)的產(chǎn)品運(yùn)用于實(shí)際業(yè)務(wù)中，對(duì)深圳市各區(qū)的臭氧污染條件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為污染防治提供科學(xué)參考，產(chǎn)品在市相關(guān)部門(mén)共享，應(yīng)用效果良好。

表3 風(fēng)速、風(fēng)向、相對(duì)濕度單獨(dú)評(píng)分（聯(lián)合評(píng)分-氣溫基礎(chǔ)分） Table 3 Grading standard score for wind speed, wind direction and relatively humidity

表4 臭氧污染氣象條件指數(shù)（OPMCI） Table 4 Grading standard score for ozone pollution meteorological condition index

表5 2015—2017年的臭氧污染氣象條件指數(shù)的檢驗(yàn)結(jié)果 Table 5 The test result of OPMCI from 2015 to 2017

5 結(jié)論

利用2015—2017年氣象要素和臭氧濃度數(shù)據(jù)研究臭氧污染指數(shù)，基于概率統(tǒng)計(jì)提出了一種新的評(píng)分方法。

1）按照臭氧超標(biāo)概率大小進(jìn)行評(píng)分，臭氧超標(biāo)率每增加5%則增加1分。

2）氣溫作為影響臭氧生成最大的因子，作為基礎(chǔ)評(píng)分因子。根據(jù)不同氣溫等級(jí)下臭氧的超標(biāo)率大小，給出氣溫基礎(chǔ)分。

3）在此基礎(chǔ)上，考慮各氣象要素對(duì)臭氧超標(biāo)的影響，得到各氣象因子在不同氣溫區(qū)間內(nèi)的評(píng)分。

4）綜合以上各要素評(píng)分，得出臭氧污染氣象條件指數(shù)總評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)?？傇u(píng)分從小到大分為六級(jí)，從不易臭氧污染到極易臭氧污染，從而實(shí)現(xiàn)了定量化的臭氧污染氣象條件監(jiān)測(cè)。

5）歷史數(shù)據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果表明，各指數(shù)等級(jí)下臭氧超標(biāo)率有明顯差異，指數(shù)級(jí)別越高，臭氧超標(biāo)率和平均濃度都明顯增大，可見(jiàn)該評(píng)分是符合實(shí)際情況的，同時(shí)該指數(shù)已經(jīng)進(jìn)入業(yè)務(wù)運(yùn)行。

圖6 臭氧污染氣象條件業(yè)務(wù)產(chǎn)品開(kāi)發(fā) Fig. 6 Operational product of OPMCI