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(duì)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(huì)對(duì)人類、動(dòng)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(shí)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(shí)間的O3分析或者O3重大污染事件成因的研究。針對(duì)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(zhǎng)時(shí)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)。

1 數(shù)據(jù)來源

研究所用空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)來自廣東省環(huán)境監(jiān)測(cè)站，所用站點(diǎn)囊括佛山市8個(gè)環(huán)境國控站，在數(shù)據(jù)處理中，將8個(gè)站點(diǎn)的小時(shí)質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)作算術(shù)平均，并將得到的小時(shí)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(shí)，下同）的24 h小時(shí)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(jì)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(cè)數(shù)據(jù)的缺失率為5.8%。同期氣溫、風(fēng)速、氣壓、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度和降雨量等氣象數(shù)據(jù)由佛山市氣象局提供。

2 結(jié)果與討論

2.1 大氣污染物變化特征

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(shì)；顆粒物和NO2質(zhì)量濃度總體呈波動(dòng)式下降；O3總體呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。統(tǒng)計(jì)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(gè)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(jí)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(shì)；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(shì)。

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(gè)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(gè)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(shí)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

2.2 O3質(zhì)量濃度變化氣象成因

以往研究發(fā)現(xiàn)，氣象條件對(duì)O3的形成、擴(kuò)散和稀釋相當(dāng)重要［14-16］。因此統(tǒng)計(jì)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(duì)佛山市2014—2018年8個(gè)環(huán)保國控站的逐日O38 h質(zhì)量濃度和3個(gè)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(gè)（表略）。全年來看，平均氣溫、最高氣溫、日照時(shí)數(shù)和O3質(zhì)量濃度存在顯著正相關(guān)，而相對(duì)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(shí)數(shù)則表現(xiàn)為秋冬春季相關(guān)性更明顯。統(tǒng)計(jì)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(duì)濕度和氣壓均低于非超標(biāo)日；而氣溫、日照時(shí)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(shí)數(shù)和臭氧超標(biāo)天數(shù)表現(xiàn)大致一致，均呈波動(dòng)式增長(zhǎng)，日最高氣溫和日均氣溫呈波動(dòng)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(duì)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(shí)，不存在臭氧超標(biāo)的情況。

風(fēng)速對(duì)近地面臭氧濃度的影響比較復(fù)雜，不考慮外來源傳輸時(shí)，較大的風(fēng)速可令O3質(zhì)量濃度降低，但地面風(fēng)速大會(huì)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(shí)，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(shí)，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(shì)。

水汽能夠消耗近地面的O3［16］，從圖3c中可以看出，當(dāng)相對(duì)濕度低于70%時(shí)，O38 h質(zhì)量濃度和O3超標(biāo)率隨著相對(duì)濕度的增加而增大；當(dāng)相對(duì)濕度大于70%時(shí)，則隨之減少。這是因?yàn)楫?dāng)日均相對(duì)濕度超過70%時(shí)，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(shí)數(shù)的增加而增大，與日均氣溫對(duì)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(shí)數(shù)長(zhǎng)時(shí)，有利于O3的生成。

氣壓對(duì)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小（圖3e），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(duì)濕度40% ～70%、氣壓低于1 010 hPa、日均風(fēng)速低于2 m／s、日照時(shí)數(shù)大于6.5 h的氣象條件時(shí)，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)。

3 結(jié)論

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(shí)數(shù)和O3存在正相關(guān)，而相對(duì)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(duì)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(shí)數(shù)大于6.5 h時(shí)，易出現(xiàn)O3超標(biāo)情況。