摘 要：基于空氣質量和氣象數(shù)據(jù)，運用相關性分析和概率統(tǒng)計方法，分析2015—2020年自貢市臭氧氣象條件特征，綜合氣象因子對臭氧的影響，構建了逐時臭氧污染氣象條件指數(shù)模型與等級劃分標準，并進行檢驗評估。結果表明：高溫低濕環(huán)境下易發(fā)生高濃度臭氧事件；偏北和偏西風對臭氧影響略高于其他風向；在一定范圍內(nèi)，臭氧濃度及超標率隨風速增加略有上升；逐時臭氧污染氣象條件指數(shù)模型由氣溫、相對濕度、風向、風速評分組成，對指數(shù)和分級標準進行檢驗評估，隨指數(shù)等級升高，臭氧濃度和超標率也增加；使用歐洲中心數(shù)值預報產(chǎn)品對2種不同天氣類型的臭氧污染氣象條件指數(shù)預報進行對比驗證，預報效果較好。

關鍵詞：臭氧污染；氣象條件指數(shù)；自貢；等級標準

中圖分類號：X515 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）07–0-04

近年來，大氣污染防治取得顯著效果，但臭氧體積分數(shù)卻呈上升趨勢。臭氧生成與人為排放量增加有關外，還與太陽輻射、溫度、相對濕度等氣象因素密切相關。國內(nèi)外學者對臭氧模擬預測開展了大量研究，其方法包括統(tǒng)計回歸、人工神經(jīng)網(wǎng)絡、數(shù)值模式等[1-2]。

自貢市地處四川盆地南部，受特殊的地形影響，具有靜風頻率高、大氣濕度高和逆溫現(xiàn)象頻發(fā)等不利氣象條件，加之城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的深入推進導致自貢市大氣污染嚴重[3-4]。2018年起，各省市需按照中國氣象局要求在5—9月開展臭氧污染氣象條件等級的預報業(yè)務工作，但自貢市的臭氧污染預報主要依賴經(jīng)驗判斷，缺乏客觀性，且精細化程度不足，預報服務效果不夠可靠。

針對自貢市臭氧污染現(xiàn)狀，基于2015—2020年環(huán)境和氣象數(shù)據(jù)，以臭氧高污染影響氣象因子為切入點，基于概率統(tǒng)計和相關性分析方法，結合各氣象因子對臭氧污染的影響程度，構建適用于自貢市的逐時臭氧污染氣象條件指數(shù)模型，并劃分出等級標準，為今后臭氧污染預報預警提供科學參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

環(huán)境空氣質量數(shù)據(jù)為2015—2020年自貢市國控站6種污染物逐小時濃度資料，6種污染物包括細顆粒物（PM2.5）、可吸入顆粒物（PM10）、二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、一氧化碳（CO）、臭氧（O3）[5]。數(shù)據(jù)來源全國空氣質量實時發(fā)布平臺、四川省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站提供的空氣質量日報資料和中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)。

根據(jù)《環(huán)境空氣質量指數(shù)（AQI）技術規(guī)定（試行）》（HJ 633—2012），臭氧每小時平均濃度超過二級標準（200 μg/m3）為超標，臭氧超標率（E）計算方法見式（1）。

E=T1/T×100%（1）

式（1）中，E為臭氧超標率，T為總次數(shù)，T1為超標次數(shù)。

選取2015—2020年自貢市氣溫、相對濕度、風速、風向和降水量等氣象要素，探討氣象要素對臭氧的影響，然后將氣溫與其他氣象因子聯(lián)立，計算統(tǒng)計聯(lián)立后的臭氧濃度和超標率。再根據(jù)氣象因子對臭氧的影響程度構建逐時臭氧污染氣象條件指數(shù)預報模型，并劃分等級標準。最后，評估和檢驗應用其臭氧污染氣象條件指數(shù)模型結果。

2 結果與分析

2.1 自貢市環(huán)境空氣質量污染概況

如圖1所示，2015—2020年自貢市空氣質量為優(yōu)的有514 d，占總天數(shù)的23%；空氣質量為良的有1 094 d，占總天數(shù)的50%。同時，自貢市空氣質量為良、輕度污染、中度污染天數(shù)基本呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。2020年空氣質量為優(yōu)的天數(shù)達到100 d，重度污染基本消除。

如圖2所示，2015—2020年自貢市空氣質量不斷提高。NO2、PM2.5、PM10作為首要污染物的天數(shù)在逐年下降，而臭氧天數(shù)逐年增加，成為2020年占比最高的首要污染物。

2.2 氣象因子與臭氧濃度的關聯(lián)性分析

臭氧污染主要集中在夏季，基于此，選取自貢市4—9月逐時臭氧濃度和氣象要素進行相關性分析。結果見表1：逐時臭氧濃度與氣溫存在顯著的正相關性（相關系數(shù)為0.59），與相對濕度存在顯著的負相關性（相關系數(shù)為-0.68），與風速存在正相關性，與風向的相關性不明顯，與降水量的相關性不明顯。

2.3 氣象因子與臭氧濃度的影響

氣溫、相對濕度、風向、風速、降水對臭氧均有影響（圖3）。從氣溫來看，隨著氣溫升高，臭氧濃度和超標率也呈上升趨勢。當氣溫＞30 ℃時，臭氧濃度及超標率上升變化更為明顯；從相對濕度來看，隨著相對濕度的增大，臭氧濃度和超標率呈下降趨勢。當在較干燥環(huán)境（0%≤相對濕度＜40%）下，臭氧濃度和超標率較高；從降水量來看，降水量對臭氧污染的影響不明顯，無雨時臭氧超標率略高；從風向來看，偏北和偏西風的臭氧污染較高；從風速來看，當風速＞2 m/s時，臭氧超標率最大，為1.81%，這表明一定風速條件更利于臭氧及前體物在區(qū)域內(nèi)相互輸送，促進臭氧濃度增加。

2.4 氣象因子聯(lián)合對臭氧污染的影響

統(tǒng)計氣溫與其他氣象因子聯(lián)立下的臭氧超標率，研究氣象因子聯(lián)合對臭氧污染的影響。同一溫度區(qū)間內(nèi)，不同相對濕度對臭氧污染存在明顯差別。當氣溫≥35 ℃且0%≤相對濕度＜40%時，臭氧超標率高達39.71%，說明高溫低濕有利于臭氧增加。

不同溫度區(qū)間內(nèi)，風速、風向對臭氧影響不同。當氣溫＜30 ℃時，風速對臭氧污染的形成基本無影響。當氣溫≥35 ℃且1 m/s≤風速＜2 m/s時，臭氧超標率上升至最高，為30.61%。當氣溫≥33 ℃時，不同風向下的臭氧超標率均較大。

降水量對臭氧的影響不明顯。

2.5 臭氧污染氣象條件評分體系建立

臭氧污染氣象條件評分體系由氣溫、相對濕度、風速、風向構成。將氣溫作為臭氧污染的主要影響氣象因子，氣溫基礎分根據(jù)臭氧超標率（E）評定，評分規(guī)則：E＜1%時，評分為0分；1%≤E＜5%時，評分為1分；當E＞5%時，E每增加5%時評分增加1分。如表2所示，不同氣溫等級評分差異大，表明氣溫對臭氧超標具有較大影響，可作為基礎評分因子。

根據(jù)氣溫與風速聯(lián)立統(tǒng)計下的臭氧超標率計算出氣溫與風速的聯(lián)合評分（表3）。當氣溫≥35 ℃且1 m/s≤風速＜2 m/s時，評分最高，這表明該風速有利于臭氧區(qū)域輸送促進臭氧生成。

其他氣象因子的單獨評分為其他氣象因子與氣溫的聯(lián)合評分減去氣溫基礎分（表4）。相對濕度評分：當氣溫≥35 ℃且相對濕度＜40%時，最利于臭氧增加。

風速評分：當氣溫≥35 ℃時且1 m/s≤風速＜2 m/s時，有利于臭氧濃度升高。風向評分：當30 ℃≤氣溫＜33 ℃時，除西南偏南風外，其他風向均利于臭氧濃度升高；當氣溫≥33 ℃時，各風向均利于臭氧濃度升高，且當氣溫≥35 ℃時影響更大。

臭氧污染氣象條件指數(shù)（OPMCI）由氣溫、相對濕度、風向、風速評分組成，計算公式如式（2）。

OPMCI=TS+RHS+WDS+WSS（2）

式（2）中，TS為氣溫基礎評分，RHS為相對濕度評分，WDS為風向評分，WSS為風速評分。

2.6 臭氧污染氣象條件指數(shù)檢驗及等級標準確定

用2015—2020年歷史數(shù)據(jù)計算自貢臭氧污染氣象條件指數(shù)（OPMCI），檢驗結果顯示：臭氧濃度和超標率（E）隨著OPMCI升高逐漸增加（圖4）。當OPMCI≥12時，E為27.18%，臭氧平均濃度為173.43 μg/m3，可判定臭氧污染風險最高。

結合《全國臭氧氣象預報業(yè)務規(guī)范》和各指數(shù)下的臭氧濃度和超標情況，對OPMCI進行分區(qū)間統(tǒng)計，將OPMCI從不易污染到極易污染分為1～6級，建立OPMCI預報模型和等級標準（表5）。各等級下臭氧超標有明顯差異，級別越高，臭氧濃度和超標率明顯增大[6-7]。

2.7 臭氧污染氣象條件指數(shù)的業(yè)務應用

將歐洲中心數(shù)值預報模式結果（起報時間為20：00）臨近插值到自貢代表站（29.35°N，104.77°E）得到未來96 h氣象預報產(chǎn)品。選取兩種不同天氣類型（a.降水天氣，先污染后改善（2022年6月29—7月3日）；b.晴熱天氣，持續(xù)污染（2022年8月15—8月19日））進行預報指數(shù)對比驗證（表6）。

7月1日的降水天氣將未來OPMCI預報結果最大值從7降至0～2之間，1—2日實際臭氧8 h濃度在100 μg/m3左右，為優(yōu)良天氣；8月15—19日受晴熱高溫影響，預報日最大OPMCI≥16，實際臭氧8 h濃度接近或高于160 μg/m3，其中19日的實際臭氧8 h濃度為204.50 μg/m3，易出現(xiàn)輕度及以上臭氧污染。這說明逐時臭氧污染氣象條件指數(shù)對預報臭氧日超標情況有指示性，其預報結果符合臭氧污染實際情況[8]。

3 結論

（1）2015—2020年自貢市空氣質量不斷提高，但臭氧污染加劇，在2020年成為占比最高的首要污染物。

（2）高溫低濕環(huán)境下易發(fā)生高濃度臭氧事件。偏北和偏西風下的臭氧濃度和超標率較其他風向略高；在一定范圍內(nèi)，臭氧濃度和超標率隨風速的增加略微上升。

（3）采用概率統(tǒng)計和相關性分析方法，選取氣溫、相對濕度、風速、風向氣象因子構建了適合于自貢地區(qū)逐時臭氧污染氣象條件指數(shù)模型和等級分級標準，通過驗證分析表明了該指數(shù)模型具有可行性。

（4）檢驗評估結果表明，臭氧超標風險隨臭氧污染氣象條件指數(shù)的增加而增加。通過對2種天氣類型進行OPMCI指數(shù)和等級預報的檢驗對比，證實了指數(shù)預報模型及等級分級標準對自貢臭氧污預報有指導意義。

參考文獻

[1] 黃小剛，邵天杰，趙景波，等.氣象因素和前體物對中國東部O3濃度分布的影響[J].中國環(huán)境科學，2019，39（6）：2273 -2282.

[2] 李穎若，韓婷婷，汪君霞，等.ARIMA時間序列分析模型在臭氧濃度中長期預報中的應用[J].環(huán)境科學，2021，42（7）： 3118-3126.

[3] 雷雨，張小玲，康平，等.川南自貢市大氣顆粒物污染特征及傳輸路徑與潛在源分析[J].環(huán)境科學，2020，41（7）：3021-3030.

[4] 呂長春.自貢市臭氧濃度變化特征及其與氣象因素的相關性研究[J].氣象與環(huán)境科學，2021，44（3）：47-53

[5] 張麗，梁碧玲，李磊.深圳市臭氧污染氣象條件指數(shù)研究及業(yè)務應用[J].氣象科技進展，2019，9（3）：160-165.

[6] 黃俊，廖碧婷，王春林，等.廣州逐時臭氧污染氣象條件指數(shù)研究及應用[J].環(huán)境科學學報，2023，43（1）：63-75.

[7] 孫津.基于半監(jiān)督小樣本學習的北京市臭氧空間分布模式分類研究[J].地球信息科學學報，2024，26（3）：725-735.

[8] 李秋華，石紅麗，孟飛，等.新鄉(xiāng)市夏季臭氧污染特征及一次典型污染過程分析[J].皮革制作與環(huán)?？萍?，2023，4（22）： 176-178，181.