摘要：近地層臭氧（O3）是對(duì)人體健康和植被生長(zhǎng)有害的重要污染物，O3的形成受氣象條件（擴(kuò)散、稀釋等物理過(guò)程）、化學(xué)反應(yīng)生成/去除速率和源排放強(qiáng)度的共同影響。以山東省臨沂市為研究區(qū)，根據(jù)2019—2022年的O3歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及氣象資料，深入分析溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、降水量和風(fēng)向等氣象要素的不同區(qū)間下近地層O3的變化特征，明確氣象要素對(duì)O3前體物揮發(fā)性有機(jī)物（Volatile Organic Compounds，VOCs）濃度的影響。研究結(jié)果表明，O3濃度與溫度呈正相關(guān)，與相對(duì)濕度、降水和風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)。平均溫度介于25～30 ℃，日最大溫度大于35 ℃，溫差大于8 ℃時(shí)，O3濃度最容易超標(biāo)，平均溫度、日最大溫度和溫差均能指示O3超標(biāo)現(xiàn)象，但溫差與日最大溫度的影響比較明顯。當(dāng)溫度為25～35 ℃，相對(duì)濕度為40%～60%時(shí)，臨沂市O3濃度易出現(xiàn)高值。溫度和相對(duì)濕度對(duì)VOCs存在相反的影響。當(dāng)風(fēng)速小于2 m/s時(shí)，VOCs濃度最高。隨著風(fēng)速的逐漸增加，VOCs濃度逐漸減小。當(dāng)臨沂市盛行偏南風(fēng)且風(fēng)速為6～8 m/s時(shí)，要格外注意O3的污染動(dòng)向。研究成果有助于理解O3在大氣中的傳輸擴(kuò)散、化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，并可以用來(lái)初步判斷O3來(lái)源，為城市O3來(lái)源解析提供支撐。

關(guān)鍵詞：氣象要素；近地層；臭氧污染；揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）

中圖分類號(hào)：X51 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2024）07-0-05

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.07.056

Study on the Impact of Meteorological Elements on the Formation of Near Surface Ozone Pollution

ZHU Shuaishuai

（Shandong Academy of Environmental Sciences Co.， Ltd.， Jinan 250013， China）

Abstract： The near surface ozone （O3） is an important pollutant that is harmful to human health and vegetation growth， and the formation of O3 is influenced by meteorological conditions （diffusion， dilution， and other physical processes）， chemical reaction generation/removal rates， and source emission intensity. Taking Linyi city， Shandong province as the research area， based on historical monitoring data and meteorological data of O3 from 2019 to 2022， the variation characteristics of near surface O3 is deeply analyzed in different intervals of meteorological elements such as temperature， relative humidity， wind speed， precipitation， and wind direction， and the influence of meteorological elements is clarified on the concentration of Volatile Organic Compounds （VOCs） in O3 precursors. The research results indicate that O3 concentration is positively correlated with temperature and negatively correlated with relative humidity， precipitation， and wind speed. When the average temperature is 25～30 ℃， the daily maximum temperature is greater than 35 ℃， and the temperature difference is greater than 8 ℃， the O3 concentration is most likely to exceed the standard， and the average temperature， daily maximum temperature， and temperature difference can all indicate the phenomenon of O3 exceeding the standard， but the influence of temperature difference and daily maximum temperature is more obvious. When the temperature is 25～35 ℃ and the relative humidity is 40%～60%， the O3 concentration in Linyi city is prone to high values， and temperature and relative humidity have opposite effects on VOCs. When the wind speed is less than 2 m/s， the concentration of VOCs is highest. As the wind speed gradually increases， the concentration of VOCs gradually decreases. When southerly winds prevail in Linyi city with wind speeds of 6～8 m/s， special attention should be paid to the pollution trend of O3. The research results contribute to understanding the transport， diffusion， and chemical reaction processes of O3 in the atmosphere， and can be used to preliminarily determine the source of O3， providing support for the analysis of O3 sources in cities.

Keywords： meteorological elements; near surface; ozone pollution; Volatile Organic Compounds （VOCs）

臭氧（O3）是氧氣（O2）的同素異形體，在大氣層中可以抵抗紫外線，但是若近地面的O3濃度過(guò)高，則會(huì)使得人們出現(xiàn)頭疼、咳嗽等不良反應(yīng)，產(chǎn)生呼吸道疾病，危害人體健康。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年全球有三十多萬(wàn)人的死亡與O3的暴露有關(guān)[1]。2019—2022年，我國(guó)大氣中可吸入顆粒物（PM10）、細(xì)顆粒物（PM2.5）、二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）和一氧化碳（CO）濃度已呈現(xiàn)逐年下降的趨勢(shì)[2]，但是O3污染呈現(xiàn)逐年惡化的趨勢(shì)，并且污染持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，擴(kuò)散影響范圍大，城市、郊區(qū)等區(qū)域無(wú)明顯差異，相比細(xì)顆粒物，O3污染更難以控制。從國(guó)內(nèi)外多年的O3污染控制經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，在長(zhǎng)期的空氣污染治理中，O3污染治理最具挑戰(zhàn)性[3]。大氣污染防治是一個(gè)長(zhǎng)期挑戰(zhàn)，O3與其前體物揮發(fā)性有機(jī)物（Volatile Organic Compounds，VOCs）的基礎(chǔ)研究是科學(xué)防控大氣污染亟待開展的工作。因此，選擇山東省臨沂市作為研究區(qū)，根據(jù)2019—2022年的O3歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及氣象資料，深入分析溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、降水量和風(fēng)向等氣象要素的不同區(qū)間下近地層O3變化特征。VOCs是O3生成的關(guān)鍵前體物，具有活性大、種類多和來(lái)源復(fù)雜的特點(diǎn)[4]，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生各種揮發(fā)組分，各組分又相互反應(yīng)，化學(xué)生成機(jī)制復(fù)雜多變，直接影響近地面的O3濃度[5]。深入分析氣象要素對(duì)VOCs濃度的影響，有助于理解O3在大氣中的傳輸擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，并可以用來(lái)初步判斷O3來(lái)源，為城市O3來(lái)源解析提供支撐。

1 氣象要素對(duì)臭氧污染形成的影響

1.1 溫度

2019—2022年，不同環(huán)境溫度區(qū)間下，臨沂市O3濃度的分布如圖1所示。數(shù)據(jù)顯示，溫度介于25～35 ℃時(shí)，O3小時(shí)濃度均值較溫度低于25 ℃時(shí)有明顯升高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，臨沂市月均溫度最高值出現(xiàn)在7—8月，為27.5 ℃，但O3月均濃度高值多出現(xiàn)在6月，為130 μg/m3，說(shuō)明溫度并非影響臨沂市O3生成的唯一要素。

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，臨沂市O3超標(biāo)天的平均小時(shí)溫度均在19 ℃以上，O3濃度高值時(shí)段是13：00—17：00，溫度均在25 ℃以上；在O3非超標(biāo)天的相同時(shí)段，溫度均在17 ℃以下。為進(jìn)一步探索溫度和O3濃度的關(guān)聯(lián)，分別將日平均溫度（Tave）、日最大溫度（Tmax）和溫差（?T，最高溫度與最低溫度之差）作為溫度指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)O3超標(biāo)天數(shù)、O3超標(biāo)率和O3濃度，結(jié)果如表1所示（均剔除降雨日）。數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)平均溫度低于20 ℃時(shí)，O3濃度僅有33 d超標(biāo)，超標(biāo)率為16%，而平均溫度介于25～30 ℃時(shí)，超標(biāo)天數(shù)最多，有127 d超標(biāo)，超標(biāo)率高達(dá)57%。當(dāng)平均溫度大于30 ℃時(shí)，超標(biāo)率為58%，說(shuō)明更高的溫度并沒(méi)有導(dǎo)致O3超標(biāo)更明顯。經(jīng)分析，溫度升高會(huì)加快O3光化學(xué)反應(yīng)，但是更高的溫度也會(huì)影響大氣湍流，大氣不穩(wěn)定加劇，反而不利于O3分子穩(wěn)定。

日最大溫度區(qū)間升高會(huì)導(dǎo)致O3超標(biāo)天數(shù)和超標(biāo)率均顯著提高，說(shuō)明O3超標(biāo)和日最大溫度區(qū)間存在正相關(guān)[6]。Tmax小于25 ℃時(shí)，O3濃度僅有19 d超標(biāo)，且O3超標(biāo)率（9%）和濃度（114 μg/m3）相對(duì)偏低；當(dāng)Tmax介于30～35 ℃時(shí)，超標(biāo)天數(shù)最多；當(dāng)Tmax大于35 ℃時(shí)，O3超標(biāo)率最高，達(dá)82%，同時(shí)O3濃度也最高，達(dá)199 μg/m3。同時(shí)，溫差與O3超標(biāo)率呈顯著的正相關(guān)。溫差介于8～12 ℃時(shí)，超標(biāo)率為48%，O3濃度均值達(dá)160 μg/m3；溫差大于12 ℃時(shí)，超標(biāo)率（55%）和O3濃度（161 μg/m3）均達(dá)到最大；溫差小于8 ℃時(shí)，O3超標(biāo)率顯著降低。綜上，平均溫度、日最大溫度和溫差均能指示O3超標(biāo)現(xiàn)象，但溫差與日最大溫度影響較明顯。

1.2 相對(duì)濕度

2019—2022年，臨沂市相對(duì)濕度為0%～50%時(shí)，O3濃度隨著相對(duì)濕度的增大而升高；相對(duì)濕度為50%～90%時(shí)，相對(duì)濕度與O3濃度呈現(xiàn)較好的負(fù)相關(guān)。臨沂市O3超標(biāo)天和非超標(biāo)天相對(duì)濕度日變化相差不大，非超標(biāo)天濕度一般均在50%以上，比超標(biāo)天略高，說(shuō)明相對(duì)濕度與O3濃度呈微弱的負(fù)相關(guān)，濕度對(duì)臨沂市O3濃度的影響不明顯。

不同日均相對(duì)濕度（Have）、日最低相對(duì)濕度（Hmin）的條件下，O3超標(biāo)率及O3濃度如表2所示。數(shù)據(jù)顯示，相對(duì)濕度與O3濃度呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)。當(dāng)日均相對(duì)濕度大于80%時(shí)，O3濃度并未發(fā)生超標(biāo)；當(dāng)日均相對(duì)濕度不超過(guò)70%時(shí)，超標(biāo)率有顯著提升；當(dāng)日均相對(duì)濕度不超過(guò)60%時(shí)，超標(biāo)率最高，為47%。當(dāng)日最低相對(duì)濕度不超過(guò)40%時(shí)，O3超標(biāo)率最高；當(dāng)日最低相對(duì)濕度為40%～50%時(shí)，O3超標(biāo)率次之；當(dāng)日最低相對(duì)濕度大于60%時(shí)，O3超標(biāo)率顯著降低。

1.3 溫度及相對(duì)濕度的綜合影響

溫度與相對(duì)濕度對(duì)O3濃度的綜合影響如圖2所示。數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)溫度為25～35 ℃，相對(duì)濕度為40%～60%時(shí)，臨沂市O3濃度易出現(xiàn)高值。

1.4 降水量

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，臨沂市降水主要集中在氣溫較高的7—8月，2個(gè)月份的降水量顯著高于其他月份。4—6月，臨沂市O3濃度逐步升高，而在7—8月，O3濃度并沒(méi)有隨著溫度的升高而升高，反而呈降低趨勢(shì)，這可能受到高降水量的影響。

1.5 風(fēng)速與風(fēng)向

臨沂市O3污染嚴(yán)重的月份為5月、6月和9月，5月主導(dǎo)風(fēng)為西南風(fēng)，6月主導(dǎo)風(fēng)為東南風(fēng)，9月則轉(zhuǎn)為東北風(fēng)。隨著風(fēng)速的增大，臨沂市O3濃度逐漸升高，當(dāng)風(fēng)速為6～8 m/s時(shí)，O3濃度最高，為125 μg/m3。當(dāng)主導(dǎo)風(fēng)為偏南風(fēng)時(shí)，O3濃度較高，其中主導(dǎo)風(fēng)為南風(fēng)時(shí)，O3濃度最高，為127 μg/m3。因此，當(dāng)臨沂市盛行偏南風(fēng)且風(fēng)速在6～8 m/s時(shí)，要格外注意O3污染的動(dòng)向。00：00—13：00，O3非超標(biāo)天的風(fēng)速略高于超標(biāo)天，但到13：00后，O3超標(biāo)天的風(fēng)速逐漸上升并超過(guò)非超標(biāo)天，超標(biāo)天和非超標(biāo)天風(fēng)速最大值分別出現(xiàn)在16：00和15：00，超標(biāo)天為4.0 m/s，非超標(biāo)天為

3.7 m/s。風(fēng)速越大，O3濃度越高，除本地生成外，臨沂市O3濃度還可能受區(qū)域傳輸影響。2019—2022年，O3超標(biāo)日條件下，臨沂市O3濃度的風(fēng)向玫瑰圖如圖3所示。數(shù)據(jù)顯示，O3超標(biāo)日小時(shí)濃度高值基本分布的風(fēng)速區(qū)間在0～6 m/s，主要集中在4 m/s以內(nèi)。臨沂市主導(dǎo)風(fēng)為偏南風(fēng)時(shí)，O3小時(shí)濃度容易出現(xiàn)高值，表明它有很大可能會(huì)受到偏南風(fēng)的污染傳輸影響。

2 氣象要素對(duì)VOCs濃度的影響

2.1 溫度與濕度

VOCs是O3生成的關(guān)鍵前體物，具有活性大、種類多和來(lái)源復(fù)雜的特點(diǎn)。工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生各種揮發(fā)組分，各組分又相互反應(yīng)，光化學(xué)反應(yīng)生成機(jī)制復(fù)雜多變，直接影響近地面的O3轉(zhuǎn)化。光照是光化學(xué)反應(yīng)的必要條件，光照時(shí)間長(zhǎng)，溫度會(huì)相應(yīng)升高，加劇光化學(xué)反應(yīng)且延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，而較高的相對(duì)濕度也會(huì)影響光化學(xué)反應(yīng)[7]。

VOCs體積濃度、溫度和相對(duì)濕度的日變化曲線如圖4所示。從日變化來(lái)看，白天溫度升高，VOCs濃度降低，相對(duì)濕度降低。經(jīng)分析，日出后，隨著光照強(qiáng)度的增加，溫度不斷升高，空氣中水汽逐漸減少，相對(duì)濕度逐漸降低，光化學(xué)反應(yīng)加強(qiáng)，VOCs不斷被消耗，同時(shí)白天混合層高度抬升，也稀釋VOCs濃度[8]。

2.2 風(fēng)速與風(fēng)向

為判斷臨沂市VOCs體積濃度與風(fēng)速的關(guān)系，統(tǒng)計(jì)不同風(fēng)速下的VOCs濃度，如圖5所示。

當(dāng)風(fēng)速小于2 m/s時(shí)，VOCs濃度最高，為37.95×10-9。

隨著風(fēng)速的逐漸增加，VOCs濃度逐漸減小。風(fēng)速小于3 m/s時(shí)，VOCs濃度高值集中。主導(dǎo)風(fēng)為東北風(fēng)，風(fēng)速為6 m/s時(shí)，VOCs濃度會(huì)出現(xiàn)高值，其他大風(fēng)速對(duì)應(yīng)的VOCs濃度較低，表明臨沂市大氣VOCs以本地排放為主。主導(dǎo)風(fēng)為北風(fēng)時(shí)，VOCs濃度易出現(xiàn)高值。

3 結(jié)論

臨沂市O3濃度與溫度呈正相關(guān)，與相對(duì)濕度、降水和風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)。平均溫度介于25～30 ℃，日最大溫度大于35 ℃，溫差大于8 ℃時(shí)，O3濃度最易超標(biāo)，平均溫度、日最大溫度和溫差均能表征O3超標(biāo)現(xiàn)象，但其中溫差與日最大溫度影響較明顯。當(dāng)溫度為25～35 ℃，相對(duì)濕度為40%～60%時(shí)，臨沂市O3濃度易出現(xiàn)高值。溫度和相對(duì)濕度對(duì)VOCs存在相反的影響。當(dāng)風(fēng)速小于2 m/s時(shí)，VOCs濃度最高；隨著風(fēng)速的逐漸增加，VOCs濃度逐漸減小。當(dāng)臨沂市盛行偏南風(fēng)且風(fēng)速為6～8 m/s時(shí)，要格外注意O3污染的動(dòng)向。

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