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        永安市臭氧污染特征及其與氣象條件的關(guān)系研究

        2020-12-11 07:05:16涂新前
        海峽科學(xué) 2020年10期
        關(guān)鍵詞:日較差永安市云量

        王 玉 莊 亮 涂新前

        (1.永安市氣象局,福建 三明 366000; 2.三明市永安生態(tài)環(huán)境局,福建 三明 366000)

        0 引言

        臭氧是大氣中重要的微量組分,大部分集中在平流層中,平流層中臭氧能阻擋高能量的太陽紫外輻射,是地球生命的保護(hù)層。在城市地區(qū)近地面,臭氧主要是人類活動排放的氮氧化物(NOx)和揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)等前體物在光照下發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物,是造成城市光化學(xué)污染的主要因子,它對人體健康、農(nóng)作物和植物的生長均有嚴(yán)重危害[1]。我國于2012年2月頒布了《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095-2012),新增了O3監(jiān)測指標(biāo)和濃度限值[2]。

        相關(guān)研究表明,城市臭氧生成量和生成速率不僅與氮氧化物、可揮發(fā)性有機(jī)物等前體物的濃度有關(guān)[3-5],同時氣象因子對近地面O3質(zhì)量濃度有重要作用,但不同情況下,主導(dǎo)因子不盡相同。北京地區(qū)O3質(zhì)量濃度與太陽輻射、溫度和日照時間呈正相關(guān),春季最有利于O3質(zhì)量濃度增加的相對濕度區(qū)間在45%~50%,夏季和秋季最有利于O3生成的相對濕度區(qū)間在60%~65%,冬季相對濕度與O3質(zhì)量濃度呈明顯負(fù)相關(guān);平均風(fēng)速在2.0~2.5 m/s最有利于O3質(zhì)量濃度增加[6]。當(dāng)杭州市紫外輻射大于0.06MJ/m2、氣溫高于25 ℃、相對濕度低于60%時,O3質(zhì)量濃度較易出現(xiàn)超標(biāo)情況[7]。劉建等[8]發(fā)現(xiàn),珠三角地區(qū)氣溫高于27 ℃或相對濕度低于55%時,O3超標(biāo)率和平均濃度相對較高。

        由于永安市2016年才開始監(jiān)測臭氧質(zhì)量濃度,本文研究利用近4年(2016—2019年)永安市臭氧濃度觀測數(shù)據(jù),分析臭氧污染特征并探討永安發(fā)生臭氧污染時的氣象條件,以期為永安市臭氧污染預(yù)報(bào)與防治提供科學(xué)參考。

        1 資料

        所選用的資料為永安市生態(tài)環(huán)境局監(jiān)測的逐日臭氧最大8h平均質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)和永安國家基準(zhǔn)氣候站的地面氣象觀測資料,選取時段為2016年1月1日—2019年12月31日。臭氧污染等級的劃分參照《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ633-2012),O3-8h濃度與空氣質(zhì)量分指數(shù)(IAQI)的對應(yīng)關(guān)系見表1。

        2 永安市臭氧濃度變化特征

        2.1 O3-8h濃度的年變化

        由表2可見,2016—2019年永安市O3-8h濃度﹥120μg/m3(永安市環(huán)保部門關(guān)心的臨界值)主要出現(xiàn)在3~11月,O3-8h濃度﹥160μg/m3主要出現(xiàn)在5~10月。研究期內(nèi),O3-8h濃度在2016—2018年逐年增加,從2019年開始逐漸減小,這很可能與地方政府相關(guān)部門開展的環(huán)境整治有關(guān)。

        表1 O3-8h濃度及其對應(yīng)的空氣質(zhì)量分指數(shù)和空氣質(zhì)量指數(shù)類別

        表2 2016—2019年永安市各月O3-8h濃度﹥120μg /m3日數(shù)分布 單位:天

        2.2 O3-8h濃度的月變化

        圖1給出2016—2019年永安市各月O3-8h濃度平均值,其月變化呈現(xiàn)“M”型結(jié)構(gòu),這和李霄陽等[9]的研究結(jié)論一致,峰值出現(xiàn)在5月和9月,分別為82.0、90.5μg/m3,谷峰之間單調(diào)遞增。

        圖1 2016—2019年永安市各月O3-8h濃度平均值

        3 臭氧與輻射關(guān)系分析

        輻射是觸發(fā)光化學(xué)反應(yīng)進(jìn)而生成臭氧的重要條件之一。從2016年1月1日—2019年12月31日永安國家基準(zhǔn)氣候站日總輻射曝輻量與O3-8h濃度的擬合曲線(見圖2)可以看到,兩者具有明顯的線性關(guān)系,O3-8h濃度隨日總輻射曝輻量增大而增大。在O3-8h濃度>160μg/m3的樣本中,日總輻射曝輻量最小值為2032W/m2,在O3-8h濃度>120μg/m3的樣本中,日總輻射曝輻量最小值為1335W/m2;然而,在日總輻射曝輻量>1335W/m2的條件下,仍然有65%的O3-8h濃度<100μg/m3,表明較高的日總輻射曝輻量是臭氧污染形成的必要但非充分條件。

        圖2 2016年1月1日-2019年12月31日永安市

        4 臭氧與氣象條件關(guān)系分析

        由于3~11月是O3-8h濃度>120μg/m3的集中期,本文對O3-8h濃度與氣象要素關(guān)系的分析僅采用3~11月的數(shù)據(jù)。

        4.1 O3-8h濃度與氣溫關(guān)系分析

        由圖3可見,5~6月,O3-8h濃度出現(xiàn)一個明顯的回落,可能與這一期間頻繁的陰雨天氣導(dǎo)致日照不充足影響O3生成速率有關(guān),但這期間氣溫依然維持在全年較高水平,氣溫日較差dT更能反映O3-8h濃度的回落,這和杜云松等[10]的研究結(jié)論一致。

        圖3 2016—2019年永安市標(biāo)準(zhǔn)化后的氣溫

        由表3可見,在3~11月,日最低氣溫Tmin和O3-8h濃度相關(guān)程度不明顯,日平均氣溫Tmean、日最高氣溫Tmax、氣溫日較差dT與O3-8h濃度都呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)均通過α=0.001的顯著性檢驗(yàn)),以日最高氣溫Tmax和氣溫日較差dT的相關(guān)系數(shù)為最高,其中氣溫日較差dT與O3-8h濃度的相關(guān)系數(shù)最大,達(dá)到0.71,明顯高于其他氣溫指標(biāo)。本文重點(diǎn)討論日最高氣溫Tmax和氣溫日較差dT與O3-8h濃度的相互關(guān)系。

        表3 2016—2019年3~11月O3-8h濃度與

        從2016—2019年3~11月永安國家基準(zhǔn)氣候站日最高氣溫Tmax與O3-8h濃度的散點(diǎn)圖和擬合曲線(圖4)可以看到,兩者具有明顯的正相關(guān)關(guān)系,Tmax越高,O3-8h濃度越大。當(dāng)O3-8h濃度>160μg/m3時,Tmax的最小值為28.5℃;當(dāng)O3-8h濃度>120μg/m3時,Tmax的最小值為19.5℃,表明溫度越高越有利于O3的生成。當(dāng)日最高氣溫Tmax高于28℃時,就應(yīng)警惕臭氧污染的發(fā)生。

        從氣溫日較差dT與O3-8h濃度的散點(diǎn)圖和擬合曲線(圖5)來看,二者具有明顯的線性關(guān)系。當(dāng)O3-8h濃度>160μg/m3時,dT的最小值為13.2℃;當(dāng)O3-8h濃度>120μg/m3時,dT的最小值為9.7℃,表明氣溫日較差越大,越有利于O3的生成。當(dāng)氣溫日較差dT大于11℃時,就應(yīng)警惕臭氧污染的發(fā)生。

        圖4 2016—2019年3~11月永安市O3-8h

        圖5 2016—2019年3~11月永安市O3-8h

        4.2 O3-8h濃度與相對濕度關(guān)系分析

        考慮到臭氧污染主要出現(xiàn)在白天,而相對濕度的低值也主要出現(xiàn)在白天,因此,分析日最小相對濕度Umin與O3-8h濃度的關(guān)系。從2016—2019年3~11月永安國家基準(zhǔn)氣候站日最小相對濕度Umin與O3-8h濃度的散點(diǎn)圖和擬合曲線(見圖6)可以看到,兩者具有明顯的指數(shù)關(guān)系,O3-8h濃度隨日最小相對濕度Umin的減小而增大。3~11月,在O3-8h濃度>160μg/m3的樣本中,Umin最大值為44%;在O3-8h濃度>120μg/m3的樣本中,Umin最大值為51%;在日最小相對濕度<50%的條件下,有46%的O3-8h濃度>100μg/m3。當(dāng)Umin<45%時,需警惕臭氧污染的發(fā)生。

        圖6 2016—2019年3~11月永安市O3-8h

        4.3 O3-8h濃度與地面風(fēng)速、日降水量、總云量、日照時數(shù)關(guān)系分析

        從表4可以看出,永安市O3-8h濃度與地面風(fēng)速、能見度沒有明顯的相關(guān)關(guān)系,與日降水量和總云量有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,與日照時數(shù)有顯著的正相關(guān)關(guān)系,其相關(guān)系數(shù)均通過α=0.001的顯著性檢驗(yàn)。

        表4 2016—2019年3~11月O3-8h濃度與定時

        在2016—2019年3~11月,當(dāng)日降水量達(dá)到中雨(10mm以上)級別的日數(shù)中,僅有1天臭氧濃度達(dá)到120μg/m3以上,但未形成臭氧污染;在小雨(0.1~10mm)的日數(shù)中,有1天臭氧濃度達(dá)到160μg/m3以上,有7天臭氧濃度達(dá)到120μg/m3以上;在無雨的時段,有4天臭氧濃度達(dá)到160μg/m3以上,有84天臭氧濃度達(dá)到120μg/m3以上。

        分析O3-8h濃度與日照時數(shù)的關(guān)系發(fā)現(xiàn),當(dāng)O3-8h濃度>160μg/m3時,日照時數(shù)的平均值為9.2h,最少日照時數(shù)達(dá)7.6h,云量平均為3.5成,80%的日數(shù)云量在5成以下;當(dāng)O3-8h濃度>120μg/m3時,日照時數(shù)的平均值為9.2h,最少日照時數(shù)達(dá)4.0h,云量平均為3.6成,69%的日數(shù)云量在5成以下;而O3-8h濃度<100μg/m3的日數(shù)中,日照時數(shù)的平均值為4.0h,云量平均為8.1成,60%的日數(shù)日照時數(shù)小于5h,87%的日數(shù)云量在5成以上。由此,較少的云量、較長的日照更有利于臭氧的生成。當(dāng)日照時間>7h時,需要警惕臭氧污染的發(fā)生。

        綜上分析,和O3-8h濃度呈顯著相關(guān)的氣象要素為日最高氣溫、氣溫日較差、日最小相對濕度、日降水量、總云量和日照時數(shù),而能見度、風(fēng)速和O3-8h濃度的關(guān)系不明顯。氣溫高、氣溫日較差大、濕度低、日照長有利于臭氧生成。夏季高溫?zé)崂似陂g,海上更少的水汽輸送使得相對濕度減少,導(dǎo)致云量減少,造成達(dá)到地面的短波輻射通量增加,輻射是觸發(fā)光化學(xué)反應(yīng)進(jìn)而生成臭氧的重要條件之一,從而促進(jìn)臭氧生成。

        5 臭氧污染日的主要?dú)庀筇卣骷?020年高濃度臭氧日氣象條件檢驗(yàn)

        5.1 臭氧污染日的主要?dú)庀筇卣?/h3>

        高濃度臭氧污染事件的產(chǎn)生與一定的氣象條件有關(guān),2016年1月1日~2019年12月31日O3-8h濃度>160μg/m3的日期及其相應(yīng)的氣象條件詳見表5。

        表5 高濃度臭氧出現(xiàn)日期及其相應(yīng)的氣象條件

        5.2 2020年高濃度臭氧日氣象條件檢驗(yàn)

        2020年3月1日~2020年8月31日,滿足表6高濃度臭氧潛勢氣象條件判定標(biāo)準(zhǔn)的共有39天,其中O3-8h濃度>120μg/m3有9天,全都含在這39天內(nèi);O3-8h濃度>100μg/m3有28天,有18天含在這39天內(nèi)。由此可見,表6所列高濃度臭氧潛勢氣象條件判定標(biāo)準(zhǔn)是高濃度臭氧日出現(xiàn)的充分非必要條件,對臭氧污染的預(yù)報(bào)具有一定的指導(dǎo)意義。

        表6 高濃度臭氧潛勢氣象條件判定標(biāo)準(zhǔn)

        6 結(jié)論

        ①永安市O3-8h濃度在2016—2018年逐年增加,2019年開始逐漸減少。月變化呈現(xiàn)“M”型結(jié)構(gòu),峰值出現(xiàn)在5月和9月,濃度大于120μg/m3主要出現(xiàn)在3~11月。

        ②O3-8h濃度與日總輻射曝輻量、日最高氣溫、氣溫日較差、日照時數(shù)呈顯著正相關(guān),與相對濕度、日降水量和總云量呈顯著負(fù)相關(guān)。能見度、地面風(fēng)速和O3-8h濃度的關(guān)系不明顯。

        ③當(dāng)日最高氣溫大于28℃,氣溫日較差大于11℃,日最小相對濕度小于45%,日降雨量小于10mm,日照時長大于7h時,需要警惕臭氧污染的發(fā)生。

        ④臭氧濃度受污染物的排放和氣象條件等多方因素的影響,高濃度臭氧潛勢氣象條件的判定標(biāo)準(zhǔn)還需進(jìn)一步研究。

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