海口市臭氧污染特征

徐文帥，邢 巧,孟鑫鑫，謝東海，薛 英，杜修堯，林貽坤，陳 蕊

1.海南省環境監測中心站，海南 海口 571126 2.海南省環境科學研究院，海南 海口 571126

海口市臭氧污染特征

徐文帥1,2，邢 巧1,2,孟鑫鑫1,2，謝東海1,2，薛 英1,2，杜修堯1,2，林貽坤1,2，陳 蕊1,2

1.海南省環境監測中心站，海南 海口 571126 2.海南省環境科學研究院，海南 海口 571126

基于2013—2015年海口市4個空氣質量自動監測站點數據，結合氣象資料，分析了海口市O3的污染特征。結果表明: 海口市O3總體優良，優良天數比例為99.4%，污染天數均為輕度污染；在良和污染天數中，O3作為首要污染物的天數占40%，超過其他5項污染物占比。海口市10月O3濃度最高。O3月均濃度與溫度呈負相關關系，同時與風向有密切關系：5—8月氣溫較高，以南風為主，O3濃度較低；1月北風頻率較高，易受外來污染傳輸作用，O3濃度相對較高。O3超標日以東北風為主，日變化并未呈現單峰型特征，12：00—22：00時段O3濃度在10%范圍內小幅變化。臺風外圍型和北方冷高壓底部型是造成海口市O3超標的2類典型天氣形勢。

海口；臭氧；空氣質量；傳輸；天氣形勢

近地面的臭氧(O3)是一種典型的二次污染物，由來自天然源和人為源排放的氮氧化物(NOx)和揮發性有機物(VOCs)經陽光中紫外線照射后發生光化學反應生成[1]。近地面高濃度O3可以危害人體健康，導致農作物減產，對生態環境造成嚴重危害[2-3]，近年來我國北京、上海、廣州、香港等頻頻出現高濃度O3現象，O3污染問題已成為我國城市發展過程中迫切需要解決的重要環境問題；盡管研究學者針對我國O3問題也進行了大量研究[4-9]，但主要集中于重點城市，對于其他城市尤其是熱帶地區城市的O3問題研究較缺乏。海口市空氣質量總體優良，優良率達97%以上[10]，各項污染物濃度相對較低，但是海口市地處熱帶北緣，太陽輻射強烈，有利于發生光化學反應生成O3，O3污染已經成為海口市面臨的主要大氣環境問題之一。本文對海口市2013—2015年O3的污染狀況、時間變化特征和造成海口市O3空氣質量超標的天氣形勢進行系統性分析，以期為海口市大氣污染控制和深入了解我國O3形成機理、開展O3預報預警提供幫助。

1 數據資料和方法

1.1污染物濃度監測數據

海口市城區的海南大學、海南師范大學、秀英醫院、龍華區環保局辦公樓4個國控站點自2013年1月1日開始開展SO2、NO2、CO、O3、PM10、PM2.56項污染物自動監測。其中O3、SO2、NO2采用瑞典某公司的長光程儀器，PM10、PM2.5、CO分別采用美國某公司點式5030、FH62C14和48i型監測儀器。本文選取海口市4個城區國控站點的各項污染物逐小時數據進行分析，4個國控站點污染物濃度平均值代表海口市污染物濃度。

1.2氣象資料

選取氣象業務系統MICAPS中海口市觀象臺每3 h的主要地面風向、風速、溫度、降水數據，分析氣象要素與污染物濃度之間的關系；結合NCEP再分析資料繪制地面天氣實況分析圖，分析O3污染期間的天氣形勢。

2 海口市O3污染狀況

根據《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)和《環境空氣質量指數(AQI)技術規定(試行)》(HJ 633—2012)計算，海口市2013—2015年O3總體優良，其中O3的環境空氣質量指數(AQI)≤50(優級)的天數比例達88.7%，良級(50100)天數占0.6%，無中度、重度和嚴重污染天(圖1)。海口市O3的AQI為51～60、61～70、71～80、81～90的天數比例呈逐步下降趨勢，O3的AQI越低其天數占比越高；AQI為91～100的天數比例則略有增加(增至1.5%)。O3超標天數總共7 d，占0.6%。海口市O3日最大8 h滑動平均質量濃度(O3-8 h)為12～204 μg/m3(AQI為6～140)，O3的AQI最大值發生在2015年10月17日。2013—2015年，海口市O3小時濃度峰值發生在2015年10月17日21:00，質量濃度為233 μg/m3，2013—2015年質量濃度超過200 μg/m3的發生在2015年10月17日20:00、21：00、22:00。

圖1 O3的AQI占比Fig.1 Proportion in different range of AQI for ozone

2013—2015年，海口市首要污染物主要包括PM2.5、O3、PM10。2015年PM10和PM2.5作為首要污染物的比例與2013年相比有明顯下降(圖2)，分別下降15.8%和13.3%，PM10呈現逐年下降的趨勢。O3為首要污染物的占比則表現出逐年增加的趨勢，由2013年的10.8%增至40%，且增幅逐年增大，O3已成為海口市的首要污染物。海口市PM10和PM2.5年均濃度逐年下降，由47 μg/m3和27 μg/m3分別降至40 μg/m3和22 μg/m3，NO2年均質量濃度在15 μg/m3左右，處于較低濃度水平。與PM10、PM2.5、NO23項污染物不同， 2015年O3-8 h的年均值反而較2013年略有上升，由64 μg/m3升至70 μg/m3(圖3)。盡管海口市O3整體優良，但是從首要污染物占比和年均值變化上看，海口市O3污染問題逐漸凸顯。

從超標天數看，PM2.5的超標天數表現出逐年下降的趨勢，由2013年超標22 d降至5 d(圖4)，PM10僅在2013年出現2 d超標。與PM10和PM2.5明顯不同，2015年O3超標天數較2013年則略有增加，有4 d達到輕度污染水平，且O3的AQI比PM2.5的AQI更高，均以O3為首要污染物(圖5)，O3已成為造成海口市空氣質量超標的最主要污染物之一。超標天中PM2.5為首要污染物的日期僅發生在2015年2月8日(大年初一)，與除夕夜煙花爆竹燃放有關。

圖2 2013—2015年首要污染物占比Fig.2 Proportion of the primary pollutants from 2013 to 2015

圖3 2013—2015年主要污染物濃度變化Fig.3 Variation of the major pollutants concentration from 2013 to 2015

圖4 各項污染物超標天數統計圖Fig.4 The number of pollution days in different air pollutants

圖5 PM2.5和O3為首要污染物的超標天數統計圖Fig.5 The number of pollution days for ozone or PM2.5 which being the prime air pollutants

3 O3時間變化特征

3.1月變化特征

海口市10月O3質量濃度最高(圖6)，達81 μg/m3，其次為1月、12月和11月； 3—8月濃度相對較低，7月和8月O3濃度最低。O3主要來自于前體物的光化學反應生成，與溫度相關性較高，國內北京、上海、天津、廣州等城市夏季一般表現出O3濃度較高的特征[4-9]。與國內大多數城市明顯不同，海口市O3濃度與溫度甚至表現出負相關的特征，海口市5—8月平均氣溫均超過28 ℃，O3濃度卻處于全年低值區(圖6)；12月和1月溫度較低，濃度則相對較高。海口市O3濃度與風向有密切關系，5—8月偏南風頻率均超過50%、偏北風頻率不足25%(圖7)，在偏南風作用下，易受海洋干凈氣團稀釋作用，O3前體物濃度相對較低，難以通過光化學反應生成高濃度O3。冬季海口市以東北風為主，11月至次年1月北風頻率超過50%，南風頻率小于20%，極易受內陸污染輸送影響，而且12月和1月月均氣溫也在20 ℃左右，午后有足夠的太陽輻射促使O3通過光化學反應快速生成。海口市10月O3濃度最高，分析原因認為：一方面10月是海口市臺風高發期，在臺風外圍下沉氣流作用下，不利于污染物擴散；另一方面，10月也是珠三角區域廣州和香港等O3濃度峰值月份[5,11-12]，廣州市2013—2014年10月O3-8 h甚至超過120 μg/m3[5]，海口市10月北風頻率已達51.5%，易受上游高濃度O3及其前體物輸送影響。

圖6 O3與主要氣象要素月變化圖Fig.6 Monthly variation of ozone and meteorological factors

圖7 風向頻率月變化圖Fig.7 Monthly variation of wind direction frequency

3.2日變化特征

海口市O3日變化具有明顯的單峰值特征(圖8)，峰值出現在14:00—15:00，O3濃度與氣溫日變化相一致。O3谷值出現在08:00，NO2則在08:00出現峰值，這與上班早高峰機動車排放較多NO2和NO有關，NO可以與O3快速反應使O3減少，在消耗O3的同時又繼續生成NO2。O3小時峰值與谷值之比為1.94，明顯低于國內重點城市[11]，表明海口市前體物濃度明顯低于國內重點城市。

海口市在不同季節的日變化特征有所不同，峰值濃度表現出秋季(9—11月)、冬季(12月至次年2月)、夏季(6—8月)、春季(3—5月)依次減小特征(圖9)，秋、冬季各小時O3濃度均明顯高于春、夏季，O3秋、冬季污染特征明顯。O3峰值在春、夏、秋、冬季出現時間分別為14:00—15:00、14:00、14:00—15:00、16:00，夏季O3出現峰值時間最早，冬季O3濃度峰值出現時間偏晚。

圖8 O3日變化Fig.8 Diurnal variation of ozone

圖9 不同季節O3日變化曲線Fig.9 Diurnal variation of ozone concentration in four seasons

海口市優級天和良級天的日變化表現出單峰型變化特征(圖10)，優級天峰值出現在14:00—15:00，谷值出現在08：00時，峰值為谷值的1.9倍；良級天峰值出現在17:00，谷值出現時間為08:00，峰值為谷值的1.9倍。在超標天日變化中，海口市谷值出現時間與優、良天一致，均發生在08:00，峰值與谷值之比為2.4，略高于優、良天。海口市O3超標天的日變化并未表現出明顯單峰型特征，這與其他城市超標天的單峰型變化特征有明顯差異[11]，12:00—22:00海口市O3濃度在155～174 μg/m3之間小幅波動，變化幅度小于10%，21:00甚至出現次峰值，由于夜間太陽輻射已非常微弱，次峰值的出現可能與上游高濃度O3直接輸送有關，而且本地排放的NO相對較少，傍晚后無法快速消耗O3。

圖10 不同級別天日變化特征Fig.10 Diurnal variation of ozone in different air quality level

3.3周末變化特征

CLEVELAND等[13]于1974年首次提出O3“周末效應”的概念，即周末一些O3前體物(NOx、CO、VOCs)濃度水平降低，但O3濃度卻有明顯增加現象。海口市周末O3濃度與工作日O3濃度差異較小，主要表現為15:00—09:00的O3各小時濃度較工作日略高(圖11)，而在O3濃度快速上升的10:00—14:00，工作日與周末O3濃度相同。周末O3濃度僅在08：00明顯高于工作日O3濃度，與此同時，08：00工作日NO2濃度則高于周末NO2濃度，這可能與上班早高峰機動車排放較多NO2和NO有關。總體而言，海口市O3“周末效應”并不明顯，這也與國內外大城市有較大不同。

圖11 周末和非周末日變化Fig.11 Diurnal variation of ozone and nitrogen dioxide in weekdays and on weekends

4 海口市O3超標日主要天氣形勢分析

海口市2013—2015年共有7 d O3空氣質量超標(O3的AQI大于100)，均發生在10月(表1)，其中2015年出現連續4 d O3超標過程，其余超標過程均為1 d。O3超標天多以東北風為主，尤其是超標第一天風向均表現出持續東北風的特征；海口市O3超標時風速為1.5～3.6 m/s，風速大小與O3的AQI高低無明顯相關性，這可能與海口市O3高濃度部分來自東北向的污染傳輸有關。在O3超標天中，全天氣溫整體較高，最高氣溫均超過25 ℃，其中6 d最高氣溫為28.3～29.2 ℃，多數天最低氣溫在20 ℃以上。

表1 海口市O3超標天AQI與主要氣象因子

海口市超標日的天氣形勢主要表現為臺風外圍型和北方冷高壓底部型2種。2013年10月3日和2015年10月15—18日海口市分別處于臺風“菲特”及臺風“巨爵”外圍[圖12(a)(d)(e)(f)]，且整個華南區域都屬于臺風外圍區域，這些區域具有明顯下沉氣流[14]，下沉氣流不利于本地污染物擴散；隨著臺風北移影響，海口市以東北風為主，東北向的珠三角區域高濃度O3以及中高空O3均可能對海口市產生傳輸作用，臺風外圍下沉氣流造成的本地污染積聚、疊加東北向區域污染傳輸是導致海口市O3超標的主要原因。北方高壓底部型(如2013年10月26日、2014年10月15日)是另一類典型天氣形勢[(圖12(b)(c)]，與臺風外圍類似，北方高壓系統底部同樣具有較明顯下沉氣流[15-16]，污染物易于沉積；與臺風外圍型略有不同，這類天氣形勢等壓線較密，風速較大，日平均風速均在3 m/s以上，隨著北方冷空氣逐步南壓，上游區域高濃度的O3及其前體物易于傳輸至海口，在海口市較好的日照下，O3容易維持高濃度。

注：“★”表示海口市位置；“G”表示高壓中心；“D”表示低壓中心，在本文表示臺風中心。圖12 O3超標天天氣形勢圖(單位hPa)Fig.12 The weather situation during the ozone pollution period

5 結論

1)海口市O3總體優良，2013—2015年O3優級天的比例為88.7%，良級天的比例為10.7%，輕度污染天的比例為0.6%。海口市日最大8 h滑動平均質量濃度為12～204 μg/m3；小時質量濃度最大值為233 μg/m3。2013—2015年，在其他污染物濃度有所降低的情況下，O3日最大8 h滑動平均質量濃度的年均值略有升高，作為首要污染物占比已升至40%，且增幅逐年增大，O3已成為海口市的首要污染物，也是造成海口市空氣質量超標的主要污染物之一。

2)海口市O3濃度最高的月份發生在10月。海口市O3月均濃度與溫度有明顯反向變化特征，海口市5—8月平均氣溫超過28 ℃，O3濃度卻處于全年低值區，冬季的12月和1月氣溫較低，濃度卻相對較高；海口市O3濃度與風向變化有密切關系，春、夏季偏南風頻率較高，O3及其前體物以本地排放作用為主，秋、冬季偏北風頻率較高，易受外來污染傳輸影響。

3)海口市O3具有單峰值日變化特征，峰值出現在14:00—15:00，O3谷值出現在08:00，峰值與谷值之比為1.94，相較于國內重點城市明顯偏低，這與海口市O3前體物濃度較低有關；超標日中O3濃度在12：00—22：00變化幅度較小，并未表現出明顯單峰型日變化特征，夜間21:00甚至出現次峰值，可能與上游高濃度O3傳輸影響有關。

4)海口市超標日的天氣形勢主要表現為臺風外圍型和北方冷高壓底部型2種，O3超標的第一天以持續東北風為主，下沉氣流造成的本地污染積聚疊加東北向區域污染傳輸是導致海口市O3超標的一個主要原因。

[1] 唐孝炎,李金龍,票欣,等.大氣環境化學[M].北京:高等教育出版社,1990.

TANG Xiaoyan，LI Jinlong，PIAO Xin，et al. Atmospheric chemistry[M]. Beijing:Higher Education Press, 1990.

[2] 孔琴心,劉廣仁,李桂忱.近地面O3濃度變化及其對人體健康的可能影響[J].氣候與環境研究,1999,4(1):61-66.

KONG Qinxin,LIU Guangren, LI Guishen, et al. Surface ozone concentration variation and possible influences on human health[J].Climati and Environmental Research, 1999,4(1):61-66.

[3] BURNETT R T, BROOK J R, YUNG W T, et al. Association between ozone and hospitalization for respiratory diseases in 16 Canadian cities[J]. Environ Res,1997,72(1):24-31.

[4] 王占山,李云婷,陳添,等.北京市O3的時空分布特征[J].環境科學，2014,35(12):4 446-4 453.

WANG Zhanshan, LI Yunting, CHEN Tian, et al.Temporal and spatial distribution characteristics of ozone in Beijing[J]. Environmental Science, 2014,35(12):4 446-4 453.

[5] 王宇駿,黃新雨,裴成磊,等.廣州市近地面O3時空變化及其生成對前體物的敏感性初步分析[J].安全與環境工程,2016,23(3): 83-88.

WANG Yujun,HUANG Xinyu,PEI Chenglei,et al. Spatial-temporal variations of ground-level ozone and preliminary analysis on the sensitivity of ozone formation to precursors in Guangzhou city[J]. Safety and Environmental Engineering, 2016,23(3): 83-88.

[6] 陳宜然,陳長虹,王紅麗,等.上海O3及前體物變化特征與相關性研究[J].中國環境監測,2011, 27(5):44-49.

CHEN Yiran, CHEN Changhong,WANG Hongli,et al.Analysis on Concentration Variety Characteristics of Ozone and Correlations with its Precursors in Shanghai[J]. Environmental Monitoring in China, 2011,27(5):44-49.

[7] 程麟鈞,王帥,宮正宇,等.京津冀區域O3污染趨勢及時空分布特征[J].中國環境監測,2017.33(1):14-21.

CHENG Lingjun, WANG Shuai, GONG Zhengyu, et al. Pollution trends of ozone and its characteristics of temporal and spatial distribution in Beijing-Tianjin-Hebei Region[J]. Environmental Monitoring in China, 2017.33(1):14-21.

[8] 王闖,王帥,楊碧波,等.氣象條件對沈陽市環境空氣O3濃度影響研究[J]. 中國環境監測, 2015,31(3):32-37.

WANG Chuang,WANG Shuai,YANG Bibo,et al.Study of the effect of meteorological conditions on the ambient air ozone concentrations in Shenyang[J]. Environmental Monitoring in China, 2015,31(3):32-37.

[9] 劉彩霞,馮銀廠,孫韌.天津市O3污染現狀與污染特征分析[J]. 中國環境監測,2008,24(3):52-56.

LIU Caixia, FENG Yinchang, SUN Ren, et al. The analysis of ozone distributions in Tianjin and its characteristics[J]. Environmental Monitoring in China[J]. Environmental Monitoring in China, 2008,24(3):52-56.

[10] 海口市生態環境保護局.海口市2014年環境狀況公報[M/OL].[2015-06-05]. http://www.hkhbj.gov.cn/hjjc/jcywgg/24337885_822c_4076_9648_1700c2de8319.aspx.

[11] 段玉森,張懿華,王東方,等.我國部分城市O3污染時空分布特征分析[J]. 環境監測管理與技術,2011, 23(增刊1)：34-39.

DUAN Yusen, ZHANG yihua, WANG dongfang, et al. Spatial-temporal patterns analysis of ozone pollution in several cities of China[J]. The Administration and Technique of Environmental Monitoring, 2011, 23(supplement 1)：34-39.

[12] WANG T, WU Y Y, CHENUG T F, et al. A study of surface ozone and the relation to complex wind flow in Hong Kong [J].Atmospheric Environment, 2001, 35(18):3 203-3 215.

[13] CLEVELAND W S, GRAEDEL T E, KLEINER B, et al. Sunday and workday variations in photochemical air pollutants in New Jersey and NewYork[J]. Science, 1974, 186: 1 037-1 038.

[14] 楊柳,王體健,吳蔚.熱帶氣旋對香港地區O3污染影響的初步研究[J].熱帶氣象學報,2011,27(1): 109-117.

YANG Liu, WANG Tijian, WU Wei. The preliminary Study on the effect of tropical cyclones on ozone pollution in Hong Kong[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2011,27(1): 109-117.

[15] 范紹佳,王安宇,樊琦,等.珠江三角洲大氣邊界層特征及其概念模型[J].中國環境科學,2006,26(增刊1):4-6.

FAN Shaojia, WANG Anyu, FAN Qi, et al. Atmospheric boundary layer features of Pearl River Delta and its conception model[J]. China Environmental Science,2006,26(Supplement 1):4-6.

[16] 肖嫻,范紹佳，蘇冉．2011年10月珠江三角洲一次區域性空氣污染過程特征分析[J].環境科學學報，2014，34(2):290-296.

XIAO Xian, FAN Shaojia, SU Ran. Characteristics of a regional air pollution process over the Pearl River Delta during October 2011[J]．Acta Scientiae Circumstantiae,2014,34(3): 290-296.

CharacteristicsofOzonePollutioninHaikou

XU Wenshuai1,2, XING Qiao1,2, MENG Xinxin1,2, XIE Donghai1,2, XUE Ying1,2, DU Xiuyao1,2, LIN Yikun1,2, CHEN Rui1,2

1.Hainan Environmental Monitoring Centre, Haikou 571126, China 2.Hainan Research Academy of Environmental Sciences, Haikou 571126, China

Based on the data from four air quality automatic monitoring stations in Haikou from 2013 to 2015, combined with the meteorological data, the characteristics of ozone pollution in Haikou were analyzed. The results showed that the overall air quality of ozone was good in Haikou. The proportion of good and moderate days was 99.4%, and slightly pollution days accounts for 0.6%. The proportion of ozone as the primary pollutant was 40%, which was the highest among the major pollutants. The highest monthly concentration of ozone appeared in October. Monthly mean concentration of Ozone was negatively associated with temperature, and was closely related to the wind direction. Ozone concentration in Haikou was relatively low from May to August with predominant south wind and high temperature. On the contrary, monthly concentration of ozone was relatively high from October to January with predominant north wind, which was affected easily by the external pollution transporting. During the pollutant days, the predominant wind direction was northeast, and the diurnal variation didn’t show a single peak distribution, concentration of ozone slightly changed in the range of 10% from 12:00 to 20:00. Typhoon periphery and the northern cold high pressure bottom type were two typical weather situations which leaded to ozone pollutant in Haikou.

Haikou; ozone; air quality; transport; weather situation

X823

：A

：1002-6002(2017)04- 0186- 08

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.04.23

2017-03-07;

：2017-04-19

徐文帥(1980-)，男，海南澄邁人，碩士，高級工程師。