步巧利,甘泉,黃先香
(1.佛山市氣象局,廣東佛山 528000;2.惠州市氣象局,廣東惠州 516003)
目前城市空氣污染問題越來越受到人們的關(guān)注,對此很多專家學(xué)者也開展了大量研究[1-10]。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷加速,以O(shè)3為代表的光化學(xué)煙霧污染逐漸成為城市和區(qū)域面臨的主要大氣環(huán)境問題[6-10],而近地面O3質(zhì)量濃度過高會對人類、動植物和生態(tài)環(huán)境造成極大危害甚至導(dǎo)致各種疾病。
為解決O3污染問題,近年來,很多學(xué)者從O3質(zhì)量濃度的時空變化特征[5-6]、O3與氣象要素的關(guān)系[7-10]方面開展了許多研究,而現(xiàn)階段主要集中于某地短時間的O3分析或者O3重大污染事件成因的研究。針對佛山地區(qū)近地面O3急速增加的形成機(jī)制卻鮮有研究,基于長時間尺度的研究更是比較缺乏。佛山近幾年O3污染頻發(fā),而以往研究主要側(cè)重于灰霾的氣候特征[11-12]及能見度變化方面[13]。因此研究佛山近地面O3污染變化特征及其影響因素非常有必要,并可為大氣污染防治提供決策依據(jù)。
研究所用空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)來自廣東省環(huán)境監(jiān)測站,所用站點(diǎn)囊括佛山市8個環(huán)境國控站,在數(shù)據(jù)處理中,將8個站點(diǎn)的小時質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)作算術(shù)平均,并將得到的小時數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),日數(shù)據(jù)是求取每天00:00—23:00(北京時,下同)的24 h小時數(shù)據(jù)的算術(shù)均值(O3質(zhì)量濃度日均值取O3日最大8 h算術(shù)平均質(zhì)量濃度),再根據(jù)日均值計算得出月均值、季節(jié)均值和年均值,季節(jié)劃分按照12月—次年2月為冬季、3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季。監(jiān)測數(shù)據(jù)的缺失率為5.8%。同期氣溫、風(fēng)速、氣壓、日照時數(shù)、相對濕度和降雨量等氣象數(shù)據(jù)由佛山市氣象局提供。
從6種大氣污染物質(zhì)量濃度年變化特征(表1)可以看出,近5年來,SO2、CO呈現(xiàn)逐年減少的趨勢;顆粒物和NO2質(zhì)量濃度總體呈波動式下降;O3總體呈現(xiàn)增加的趨勢。統(tǒng)計超標(biāo)天數(shù)(依據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù) (AQI)技術(shù)規(guī)定》(HJ633-2012)達(dá)到輕度污染及以上即算1個超標(biāo)日)發(fā)現(xiàn),2014、2015、2016、2017、2018年P(guān)M2.5超標(biāo)天數(shù)分別為36、29、21、27、14 d,O3超標(biāo)天數(shù)分別為34、23、37、58、48 d,說明近5年來,PM2.5超標(biāo)天數(shù)在減少,而O3超標(biāo)天數(shù)在增加。根據(jù)O38 h質(zhì)量濃度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)(HJ633-2012),近5年來,O3輕度污染天數(shù)分別為31、20、26、45、42 d,中度污染天數(shù)分別為3、3、7、10、5 d,重度污染天數(shù)分別為0、0、2、3、1 d,2017和2018年輕度污染天數(shù)呈現(xiàn)劇增態(tài)勢;2016年至2018年中度污染和重度污染天數(shù)也有所增加。綜合以上分析可以得出,近5年來,佛山臭氧污染趨于嚴(yán)重態(tài)勢。
表1 六種大氣污染物質(zhì)量濃度(±s)逐年變化
表1 六種大氣污染物質(zhì)量濃度(±s)逐年變化
年份 ρ(SO2)/(μg·m-3)ρ(NO2)/(μg·m-3)ρ(PM10)/(μg·m-3)ρ(PM2.5)/(μg·m-3)ρ(CO)/(mg·m-3)ρ(O3 8 h)/(μg·m-3 2014 25.83±10.72 48.70±21.77 67.30±34.98 45.59±25.40 1.07±0.32 90.15±52.03 2015 16.88±7.04 39.61±17.76 53.87±29.49 38.76±22.12 0.92±0.27 81.42±46.85 2016 13.53±5.42 40.48±17.93 51.84±29.61 37.25±21.02 0.82±0.22 90.22±52.07 2017 12.87±5.64 44.42±20.19 64.43±33.58 39.67±24.46 0.83±0.19 101.55±55.22 2018 10.42±4.21 39.71±19.05 59.55±30.91 33.77±19.20 0.76±0.19 100.33±51.71)
從O38 h月均質(zhì)量濃度和超標(biāo)天數(shù)(圖1)來看,2014—2015年O3質(zhì)量濃度高值及超標(biāo)天數(shù)大值區(qū)主要集中在6—10月,2016年集中在5—10月,2017年集中在4—10月,2018年集中在3—10月;2017和2018年這2年首個O3超標(biāo)日分別發(fā)生在2017年1月3日和2018年1月18日,2016年首個O3超標(biāo)日發(fā)生在3月2日,2015年則是在4月15日,2014年最早出現(xiàn)在5月3日。
圖1 2014—2018年近地面O3 8 h質(zhì)量濃度及超標(biāo)天數(shù)的逐月變化
O3是二次污染物,其形成原因是氮氧化物(NOx)與揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)在高溫和強(qiáng)光條件下,發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)。而氮氧化物主要來源于汽車尾氣排放,和人類生活息息相關(guān),因此,本研究主要探討不同季節(jié)O3質(zhì)量濃度周變化特征。
從不同季節(jié)O38 h質(zhì)量濃度的周變化(表略)來看,冬、春季節(jié)和全年均表現(xiàn)為周五、周六質(zhì)量濃度低于其它時段,夏季則表現(xiàn)為周末質(zhì)量濃度高于工作日。整體來看,除夏季外,秋、冬、春季和全年大致表現(xiàn)為周末質(zhì)量濃度低于工作日;這和廣州的周變化特征表現(xiàn)較為一致[8],廣州中心城區(qū)也表現(xiàn)為O38 h非周末質(zhì)量濃度值高于周末。
從近地面6種污染物質(zhì)量濃度的日變化(圖2)來看,O3質(zhì)量濃度呈單峰變化,且在15:00前后出現(xiàn)峰值;其前體物CO、NO2質(zhì)量濃度則在15:00前后出現(xiàn)谷值,這和其他城市的O3日變化特征表現(xiàn)一致[3-9];顆粒物質(zhì)量濃度表現(xiàn)為早晚高、中午低的日變化特征。
圖2 近地面6種污染物質(zhì)量濃度日變化
以往研究發(fā)現(xiàn),氣象條件對O3的形成、擴(kuò)散和稀釋相當(dāng)重要[14-16]。因此統(tǒng)計不同季節(jié)近地面O3質(zhì)量濃度與各氣象要素的關(guān)系至關(guān)重要。對佛山市2014—2018年8個環(huán)保國控站的逐日O38 h質(zhì)量濃度和3個國家氣象基準(zhǔn)站的氣象要素日均值進(jìn)行相關(guān)性分析,有效樣本數(shù)為1 720個(表略)。全年來看,平均氣溫、最高氣溫、日照時數(shù)和O3質(zhì)量濃度存在顯著正相關(guān),而相對濕度、平均風(fēng)速、日雨量、氣壓和O3質(zhì)量濃度存在顯著負(fù)相關(guān)。從季節(jié)變化來看,冬春季節(jié)氣壓和O3質(zhì)量濃度沒有相關(guān)性,夏秋季節(jié)平均氣溫、最高氣溫與O3質(zhì)量濃度的相關(guān)性更明顯,日照時數(shù)則表現(xiàn)為秋冬春季相關(guān)性更明顯。統(tǒng)計超標(biāo)日和非超標(biāo)日氣象參數(shù)的情況,可得出超標(biāo)日氣象參數(shù)的閾值。由表2可以看出,超標(biāo)日風(fēng)速、相對濕度和氣壓均低于非超標(biāo)日;而氣溫、日照時數(shù)則高于非超標(biāo)日,且各氣象參數(shù)呈現(xiàn)明顯的年際變化,日照時數(shù)和臭氧超標(biāo)天數(shù)表現(xiàn)大致一致,均呈波動式增長,日最高氣溫和日均氣溫呈波動式下降。
表2 O3 8 h超標(biāo)和非超標(biāo)條件下的氣象參數(shù)(ˉx±s)
為了進(jìn)一步探討近5年來氣象要素對佛山臭氧的影響,本研究嘗試從造成O3超標(biāo)的各氣象要素閾值進(jìn)行分析。
圖3為2014—2018年佛山不同氣象要素范圍下O38 h質(zhì)量濃度及超標(biāo)率。
圖3 2014—2018年佛山不同氣象要素范圍下O3 8 h質(zhì)量濃度及超標(biāo)率
氣溫是反映太陽輻射強(qiáng)弱的重要指標(biāo)[14],而近地層O3主要是由人為排放的氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物等在高溫、強(qiáng)光照條件下經(jīng)過一系列復(fù)雜的光化學(xué)反應(yīng)二次轉(zhuǎn)化生成的。從圖3a可以看出,O38 h質(zhì)量濃度和O3超標(biāo)率隨著日均氣溫的增加而快速升高,且增速也越來越顯著;當(dāng)日均氣溫不超過15℃時,不存在臭氧超標(biāo)的情況。
風(fēng)速對近地面臭氧濃度的影響比較復(fù)雜,不考慮外來源傳輸時,較大的風(fēng)速可令O3質(zhì)量濃度降低,但地面風(fēng)速大會使得垂直方向的輸送增加,有利于高空臭氧的向下輸送[15]。從圖3b可以看出,當(dāng)日均風(fēng)速低于2 m/s時,O38 h質(zhì)量濃度和O3超標(biāo)率隨著風(fēng)速的增加而增大;當(dāng)風(fēng)速超過2 m/s時,O38 h質(zhì)量濃度和O3超標(biāo)率隨著風(fēng)速的增加而減小,總體呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。
水汽能夠消耗近地面的O3[16],從圖3c中可以看出,當(dāng)相對濕度低于70%時,O38 h質(zhì)量濃度和O3超標(biāo)率隨著相對濕度的增加而增大;當(dāng)相對濕度大于70%時,則隨之減少。這是因?yàn)楫?dāng)日均相對濕度超過70%時,往往伴隨著降水或是云量增加,不利于近地面O3質(zhì)量濃度的增加。
從圖3d中可以看出,O38 h質(zhì)量濃度和O3超標(biāo)率隨著日照時數(shù)的增加而增大,與日均氣溫對O3的影響表現(xiàn)較為一致,這是因?yàn)榻孛鍻3是在強(qiáng)日照條件下產(chǎn)生的二次污染物,當(dāng)日照時數(shù)長時,有利于O3的生成。
氣壓對O3質(zhì)量濃度的影響表現(xiàn)為,O38 h質(zhì)量濃度和O3超標(biāo)率隨著氣壓的增大而減?。▓D3e),這是因?yàn)闅鈮旱陀欣诠饣瘜W(xué)反應(yīng)。
結(jié)合表2和圖3,當(dāng)出現(xiàn)日均氣溫高于26℃、相對濕度40% ~70%、氣壓低于1 010 hPa、日均風(fēng)速低于2 m/s、日照時數(shù)大于6.5 h的氣象條件時,有利于大氣中的O3前體物快速發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)生成O3,從而造成O3超標(biāo)。
1)近5年來,佛山市臭氧污染加劇。
2)O3質(zhì)量濃度日變化表現(xiàn)為單峰分布,峰值出現(xiàn)在15:00前后,其前體物CO、NO2則在15:00前后出現(xiàn)谷值;
3)O3前體物質(zhì)量濃度周末高于工作日,O3質(zhì)量濃度周末低于工作日,和廣州表現(xiàn)較為一致;
4)平均氣溫、最高氣溫、日照時數(shù)和O3存在正相關(guān),而相對濕度、平均風(fēng)速、降雨量、氣壓和O3呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)日均氣溫高于26℃、相對濕度介于40%到70%、氣壓低于1 010 hPa、日均風(fēng)速低于2 m/s、日照時數(shù)大于6.5 h時,易出現(xiàn)O3超標(biāo)情況。