肖旖旎,張洪文

(四川省瀘州生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心站，四川 瀘州 646000)

前 言

臭氧(O3)是大氣中重要的微量組分，大部分集中在平流層。對流層臭氧多是氮氧化物(NOX)和揮發(fā)性有機物(VOCS)在大氣中通過一系列光化學(xué)反應(yīng)形成的二次污染物[1-2]。近地面人類活動增加了化石燃料燃燒，產(chǎn)生大量的NOX、VOCS以及二氧化硫，極易在高溫低濕強光照條件下發(fā)生二次反應(yīng)，進一步加重臭氧污染[3]，嚴重影響人體健康和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定[4]。目前，臭氧污染已成為成渝地區(qū)環(huán)境大氣亟待解決的問題之一。

瀘州市位于四川盆地南部，處于盆地邊緣，地形起伏大，常年處于靜風(fēng)地帶，污染物擴散條件差。瀘州市臭氧污染高發(fā)期為每年的4～8月， 2017～2019年，瀘州市臭氧年超標(biāo)天數(shù)分別為10天、13天、25天，全年第90分位的最大8小時濃度分別為134，139和147，臭氧超標(biāo)天數(shù)逐年上升，濃度逐年增加，臭氧已成為僅次于細顆粒物的第二大污染因子。隨著臭氧區(qū)域性污染的頻次不斷攀升以及治理措施的不成熟，臭氧作為首要污染物的比重正在不斷上升，甚至超過顆粒物成為第一大污染因子。相關(guān)研究表明[5-6]，利用PMF模型可以準(zhǔn)確分析臭氧前體物VOCS組成與來源，對預(yù)測臭氧污染有實際指導(dǎo)意義，但是模型需要的源清單數(shù)據(jù)量龐大。另外，也有方法表明[7～11]，氣溫、氣壓、風(fēng)速、光照強度和濕度等氣象因子均對臭氧濃度有不同程度的影響，氣象參數(shù)作為臭氧預(yù)測的因子，具有相關(guān)性高且計算簡便的優(yōu)點。本文根據(jù)瀘州地區(qū)夏季高溫高濕的氣象特征，選取溫度和濕度作為預(yù)測臭氧的因子，變量簡單，以此研究科學(xué)預(yù)測瀘州市城區(qū)臭氧濃度的方法。

1 材料與方法

本文收集整理了2019年瀘州市的臭氧監(jiān)測數(shù)據(jù)，并用臭氧8小時滑動平均日最大值(O3-8h)作為臭氧濃度的分析指標(biāo)；瀘州市地面氣溫和濕度數(shù)據(jù)為蘭田憲橋空氣站(經(jīng)緯度為：105.42°E，28.85°N，海拔高度為253m)2019年的觀測資料，本文運用日最高氣溫Tmax，日平均氣溫Tmean和日最低氣溫Tmin作為臭氧的氣象影響因子進行分析。

氣溫的時間序列記為Ti，定義日最高氣溫為Tmax，日平均氣溫Tmean和日最低氣溫Tmin的計算公式為(1)～(3)。

Tmax=max{Ti}(0≤i≤23)

(1)

Tmin=min{Ti}(0≤i≤23)

(2)

(3)

O3-8h濃度記為X(i)，O3-8h的第90百分位濃度計算方法為：

(1)將臭氧污染物濃度序列按數(shù)值從小到大排序，排序后的濃度序列為{X(i)，i=1，2，…，n}，

(2)計算第p百分位數(shù)mp的序數(shù)k，序數(shù)k按式(4)計算：

k=1+(n-1)×p%

(4)

式中：k為p%位置對應(yīng)的序數(shù)，n為污染物濃度序列中的濃度值數(shù)量。

(3)第p百分位數(shù)mp按式(5)計算：

mp=X(s)+(X(s+1)-X(s))×(k-s)

(5)

式中:s為k的整數(shù)部分，當(dāng)k為整數(shù)時s與k相等。

2 結(jié)果和分析

2.1 臭氧監(jiān)測分析

按照《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095-2012)評價[12]，2019年瀘州市全年臭氧超標(biāo)天數(shù)為24d，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，臭氧污染主要集中在4月、6月、8月和9月，其中8月超標(biāo)天數(shù)最多為13d，見圖1。各月臭氧月最大值與臭氧月第90百分位值濃度變化與月超標(biāo)天數(shù)一致，4月、6月、8月和9月的濃度值較高。2019年在川南4個地市州以及成都共5個城市中，瀘州市全年O3-8h年90百分位濃度為147μg/m3，在5個城市中排第3，見圖2。

圖1 瀘州市2019年各月臭氧濃度及超標(biāo)天數(shù)圖Fig.1 The monthly concentration of ozone and days exceeding standard in Luzhou in 2019

圖2 2019年川南地區(qū)及成都O3-8h 年90百分位濃度對比圖Fig.2 Comparison of O3-8h 90th percentile concentrations in southern Sichuan and Chengdu in 2019

2.2 氣溫與臭氧的關(guān)系

圖3為2019年瀘州市氣溫與臭氧濃度的時間關(guān)系圖。圖中可看出，日最高氣溫Tmax、日最低氣溫Tmin和日均氣溫Tmean與臭氧變化趨勢一致，說明3個溫度指標(biāo)均與臭氧濃度呈正相關(guān)。

圖3 2019年瀘州市氣溫與臭氧濃度時間變化圖Fig.3 The variation of concentration of ozone and temperature in Luzhou in 2019

表1為2019年瀘州市臭氧與各溫度指標(biāo)相關(guān)系數(shù)。表中可看出，臭氧與日最高氣溫Tmax的相關(guān)系數(shù)最高，為0.83，臭氧與日最低氣溫Tmin的相關(guān)系數(shù)最低，為0.60。

表1 臭氧與各溫度相關(guān)性系數(shù)Tab.1 The correlation of ozone and temperatures

2.3Tmax與臭氧的關(guān)系

由于Tmax與臭氧的相關(guān)系數(shù)最大，按照春(3、4、5月)、夏(6、7、8月)、秋(9、10、11月)和冬(12、1、2月)進行分類，繪制Tmax與臭氧關(guān)系圖如圖4和表2。分析可知，各季節(jié)內(nèi)Tmax與臭氧濃度相關(guān)系數(shù)r在0.70～0.87，均有較明顯正線性相關(guān)關(guān)系，但不同季節(jié)也存在較大差異。通過線性擬合(表2)，春、秋、冬季內(nèi)，線性趨勢較為接近，Tmax每升高1℃，而臭氧濃度升高5.05～6.08μg/m3，但夏季為10.0μg/m3，約為其他季節(jié)的1.6～2.0倍，這也與夏季高溫天氣易出現(xiàn)臭氧超標(biāo)天氣相符。

圖4 2019年瀘州市日最高氣溫與臭氧濃度季節(jié)關(guān)系圖Fig.4 Seasonal relationship between ozone concentration and the daily maximum temperature in Luzhou in 2019

表2 臭氧與四季日最高氣溫相關(guān)性系數(shù)Tab.2 Correlation coefficient between ozone and daily maximum temperature in different seasons

《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095-2012)中，臭氧的日濃度限值為160μg/m3。由圖4中可發(fā)現(xiàn)，夏季臭氧超標(biāo)次數(shù)較多，可將Tmax=30℃作為瀘州市城區(qū)是否發(fā)生臭氧超標(biāo)污染的日最高氣溫判斷閾值。當(dāng)日最高氣溫超過30℃后，隨著氣溫升高，臭氧污染的幾率明顯上升。夏季是臭氧污染的高發(fā)季節(jié)，運用線性擬合關(guān)系式，求得夏季判定臭氧超標(biāo)的日最高氣溫閾值為30℃。當(dāng)日預(yù)測最高氣溫超過夏季的日最高氣溫判定閾值，臭氧超標(biāo)的可能性較大。

2.4 濕度對臭氧的影響

按照春(3、4、5月)、夏(6、7、8月)、秋(9、10、11月)和冬(12、1、2月)進行分類，繪制濕度與臭氧關(guān)系圖如圖5?？梢钥闯鰸穸扰c臭氧濃度呈負相關(guān)，即濕度越高，越不利于臭氧生成。表3中可看出，夏季濕度與臭氧的相關(guān)系數(shù)最大，為-0.91，高于全年的平均濕度與臭氧的相關(guān)系數(shù)，其次是春季、秋季和冬季，與夏季低濕天氣易出現(xiàn)臭氧超標(biāo)天氣相符。

圖5 2019年瀘州市日均濕度與臭氧濃度季節(jié)關(guān)系圖Fig.5 Seasonal relationship between ozone concentration and the daily humidity in Luzhou in 2019

表3 臭氧與四季日均濕度相關(guān)性系數(shù)Tab.3 Correlation coefficient between ozone and daily humidity in different seasons

2.5 運用氣溫與濕度對臭氧濃度預(yù)測的方法

運用日最高氣溫和日均濕度，根據(jù)不同季節(jié)的線性擬合關(guān)系，構(gòu)建Tmax與濕度預(yù)測臭氧濃度的方法，詳見表4。方法1為運用Tmax預(yù)測臭氧的濃度，方法2為運用日均濕度預(yù)測臭氧的濃度，方法3為綜合Tmax和日均濕度預(yù)測臭氧的濃度。方法1和方法2的臭氧預(yù)測濃度與實測濃度相關(guān)系數(shù)均為0.89，方法3的臭氧預(yù)測濃度與實測濃度相關(guān)系數(shù)為0.93。方法1、2、3的預(yù)測值與實測值平均偏差分別為35.1、34.2、33.1μg/m3。綜合來看方法3為預(yù)測方案中最優(yōu)選擇。

表4 Tmax與濕度預(yù)測臭氧濃度的方法Tab.4 Method of ozone concentration prediction by temperature and humidity

3 結(jié) 論

3.1 瀘州市臭氧污染主要集中在4月、6月、8月和9月， 臭氧的月最大值、臭氧月第90百分位值濃度和月超標(biāo)天數(shù)變化較為一致。2019年，瀘州市全年O3-8h年90百分位濃度為147μg/m3，在川南4個地市州以及成都共5個城市中排名第三位，僅次于成都和自貢，在全省21個地市州中排名第14位，污染較為嚴重。

3.2 臭氧濃度與氣溫呈正相關(guān)性，即氣溫越高越有利于臭氧生成。臭氧濃度與日最高氣溫相關(guān)性高于日均氣溫；夏季臭氧濃度與氣溫的相關(guān)性高于其他季節(jié)。臭氧濃度與濕度呈負相關(guān)性，即濕度越高越不利于臭氧生成。夏季臭氧濃度與日均濕度的相關(guān)性高于其他季節(jié)。

3.3 瀘州氣候特點為高溫高濕，運用日最高氣溫和日均濕度雙因子法預(yù)測瀘州地區(qū)臭氧濃度，相關(guān)系數(shù)為0.93，預(yù)測趨勢良好。此預(yù)測方法可在氣候特征相似的地區(qū)運用，對于預(yù)測臭氧濃度，提前做好管控措施，預(yù)防臭氧超標(biāo)具有指導(dǎo)意義。