安溪縣環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì) 林盤園

根據(jù)山東省生態(tài)環(huán)境部門的相關(guān)研究，環(huán)境大氣中臭氧濃度除與前體污染物VOCs、NOx大氣濃度相關(guān)之外，與發(fā)生臭氧污染天氣時(shí)的氣象條件關(guān)系也很大，臭氧的逐日濃度與同期氣溫、日照呈顯著正相關(guān),與同期的總云量、低云量、濕度、風(fēng)速呈顯著負(fù)相關(guān)。鑒于大氣臭氧整體反應(yīng)機(jī)制尚不完全明確，影響大氣臭氧濃度的氣象因素較多，受研究時(shí)間及條件限制，本研究依托福建省生態(tài)云平臺(tái)大氣環(huán)境綜合分析系統(tǒng)，不考慮降雨、風(fēng)向、風(fēng)速、日照、云量等因子，也不考慮臭氧前體污染物VOCs、NOx等的環(huán)境大氣濃度水平逐日逐時(shí)差異，僅考慮溫度、濕度因素，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)篩選處理，再進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后，利用數(shù)據(jù)擬合軟件Origin 2018進(jìn)行擬合分析。

一、研究目的

通過(guò)數(shù)據(jù)處理、分析，建立安溪縣城臭氧濃度與溫度、濕度關(guān)系方程，通過(guò)氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，預(yù)警臭氧污染天氣，對(duì)行政主管部門采取相應(yīng)管控措施提供技術(shù)支持。

二、分析方法和技術(shù)路線

（一）數(shù)據(jù)來(lái)源

通過(guò)福建省生態(tài)云平臺(tái)大氣環(huán)境綜合分析系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱系統(tǒng)），查詢福建省環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)安溪縣地面大氣環(huán)境質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站歷史數(shù)據(jù)。目前安溪縣城共有3個(gè)大氣環(huán)境質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，分別是磚文站、上山站、參山站，其中參山站為背景數(shù)據(jù)站點(diǎn)。根據(jù)調(diào)閱氣象數(shù)據(jù)，磚文站、上山站的每日逐時(shí)風(fēng)向較為復(fù)雜，參山站每日逐時(shí)風(fēng)向較為單一。

根據(jù)泉州市臭氧成因分析和污染控制對(duì)策研究課題組的研究，本地區(qū)大氣臭氧濃度受外來(lái)輸入影響較大，為減少風(fēng)向帶來(lái)的外源性臭氧等干擾，本研究直接調(diào)取參山站臭氧小時(shí)濃度、逐時(shí)氣溫、濕度數(shù)據(jù)。

（二）數(shù)據(jù)處理

（1）現(xiàn)有福建省生態(tài)云平臺(tái)大氣環(huán)境綜合分析系統(tǒng)從2017年2月10日開(kāi)始保存每日逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)，因系統(tǒng)改造等原因，2017年有多個(gè)時(shí)段存在較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)缺失，且因本地區(qū)2019年起采取城區(qū)增加霧炮車噴淋、預(yù)警天氣當(dāng)日相關(guān)工業(yè)企業(yè)采取限產(chǎn)錯(cuò)峰管控措施，2019年后數(shù)據(jù)受到管控措施影響較大，本研究用于擬合分析的數(shù)據(jù)采集范圍確定為2018全年。（2）考慮研究目的，調(diào)取2017年至2018年出現(xiàn)臭氧濃度8小時(shí)平均值最高超過(guò)140μg/m3（臭氧環(huán)境空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為160μg/m3）的自然日逐時(shí)數(shù)據(jù)（前一日17時(shí)至當(dāng)日23時(shí)及連續(xù)出現(xiàn)日期的前一日17時(shí)至最后一日23時(shí)）進(jìn)行初步模型分析。

（三）數(shù)據(jù)擬合

利用2017年至2018年臭氧濃度8小時(shí)平均值超140μg/m3自然日逐時(shí)數(shù)據(jù)（前一日17時(shí)至當(dāng)日23時(shí)），對(duì)比每一個(gè)溫度制作濕度-臭氧濃度變化斜率圖，發(fā)現(xiàn)斜率突變的溫度值，并按照該溫度對(duì)參山站2018年全年數(shù)據(jù)分段，制作不同溫度區(qū)間的溫度-濕度-臭氧濃度的數(shù)據(jù)圖，再利用數(shù)據(jù)擬合軟件Origin 2018，對(duì)不同溫度區(qū)間進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到溫度-濕度-臭氧濃度經(jīng)驗(yàn)方程。

三、分析結(jié)果

（一）初步模型分析

2017年至2018年，參山站共計(jì)得出現(xiàn)臭氧濃度最高超140μg/m3的日期 94日，調(diào)取2662個(gè)逐時(shí)溫度-濕度-臭氧濃度數(shù)據(jù)，分溫度、濕度繪制臭氧濃度分布圖如圖1、圖2。

圖1 不同溫度下的臭氧濃度分布圖

圖2 不同濕度下的臭氧濃度分布圖

從兩種類型的臭氧濃度分布圖看，分溫度的臭氧濃度圖在30℃附近存在一個(gè)較為明顯的界限，進(jìn)一步按各個(gè)溫度制作了（100-濕度）-臭氧濃度分布斜率圖，如圖3。上述斜率說(shuō)明，在同一個(gè)溫度下，臭氧濃度隨著濕度的增加而減少，呈負(fù)相關(guān)，如圖4。進(jìn)一步對(duì)各個(gè)溫度的分布斜率進(jìn)行制圖，發(fā)現(xiàn)在氣溫8℃、30℃附近發(fā)生了一個(gè)斜率的較大突變，說(shuō)明在氣溫8℃之前以及30℃之后，隨著溫度的上升，濕度對(duì)臭氧濃度的負(fù)相關(guān)影響急劇下降。而在8℃至30℃之間，（100-濕度）與臭氧濃度的斜率相對(duì)較為穩(wěn)定，在0.8083至3.2026之間，平均值為2.0，說(shuō)明在此溫度區(qū)間，濕度對(duì)臭氧濃度的負(fù)相關(guān)貢獻(xiàn)較為穩(wěn)定，呈現(xiàn)一定的線性特征。因本地區(qū)低氣溫情況下臭氧濃度一般均較低，8℃之前的溫度區(qū)間臭氧濃度變化特征與本文的主要研究目的并不一致，在此不做進(jìn)一步研究。

圖3 示例：（100-濕度）-臭氧濃度分布斜率圖（12度）

圖4 不同溫度下（100-濕度）-臭氧濃度分布斜率變化圖

（二）數(shù)據(jù)分析及擬合

1.數(shù)據(jù)分析

在前一步模型分析的基礎(chǔ)上，調(diào)取參山站2018年全年逐時(shí)氣溫-相對(duì)濕度-臭氧濃度數(shù)據(jù)，共獲得8762組數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)分布圖，如圖5。

圖5 2018年參山站全年逐時(shí)氣溫-相對(duì)濕度-臭氧濃度分布圖

按照初步模型分析結(jié)果，對(duì)數(shù)據(jù)組進(jìn)行篩選，分為氣溫30℃以下（不包含30℃）、氣溫30℃以上（包含30℃）分別制作濃度分布圖，如圖6、圖7。

圖6 2018年參山站全年逐時(shí)氣溫-相對(duì)濕度-臭氧濃度分布圖（30℃以下（不包含））

圖7 2018年參山站全年逐時(shí)氣溫-相對(duì)濕度-臭氧濃度分布圖（30℃以上（包含30℃））

從分布圖看，氣溫30℃以下時(shí)逐時(shí)氣溫-相對(duì)濕度-臭氧濃度分布圖接近斜切面，呈線性特征。氣溫超過(guò)30℃時(shí)，該分布圖接近拋物面，在氣溫大于35℃、相對(duì)濕度大于70%的高溫高濕和氣溫30℃左右、相對(duì)濕度低于40%的低濕度情況下，呈現(xiàn)較高的臭氧濃度。

2.擬合結(jié)果

（1）氣溫30℃以下（不包含）（如圖8）

圖8 2018年參山站全年逐時(shí)氣溫-相對(duì)濕度-臭氧濃度擬合圖（30℃以下（不包含））

經(jīng)擬合，在氣溫30℃以下時(shí)，臭氧濃度與氣溫呈線性正相關(guān)，與濕度呈線性負(fù)相關(guān)，數(shù)據(jù)擬合公式如下：

（t：℃，H：%）

（2）氣溫30℃以上（包含30℃）（如圖9）

圖9 2018年參山站全年逐時(shí)氣溫-相對(duì)濕度-臭氧濃度擬合圖（30℃以上（包含30℃））

經(jīng)擬合，在氣溫30℃以上時(shí)，臭氧濃度與氣溫-濕度呈近似雙曲拋物面關(guān)系，臭氧濃度均較高，數(shù)據(jù)擬合公式如下：

（t：℃，H：%）

分別對(duì)t、H求導(dǎo)，得

當(dāng)氣溫在30℃以上時(shí)，在31.3℃、相對(duì)濕度58.3%附近有相對(duì)較低的臭氧濃度，當(dāng)氣溫超過(guò)35℃時(shí)，簡(jiǎn)單增加相對(duì)濕度難以降低臭氧濃度。

四、結(jié)果分析及管控建議

根據(jù)擬合結(jié)果，在次日最高氣溫30度以下，保持相對(duì)濕度在50%以上，基本能控制臭氧濃度低于140μg/m3；次日最高氣溫超過(guò)35度時(shí)，不能簡(jiǎn)單采取增加相對(duì)濕度的方式（如霧炮噴淋等）進(jìn)行臭氧污染天氣的管控，應(yīng)該對(duì)產(chǎn)生臭氧的大氣前體污染物NOx、VOCs的污染源進(jìn)行管控。