武進區大氣臭氧濃度與氣象條件的關系

何偉 何濤

摘 要：利用后向軌跡聚類和數理統計方法，對2017年武進區的臭氧來源及氣象條件對臭氧濃度的影響做了分析。結果表明，該區域的臭氧濃度受氣團來向、溫度、濕度、風速和風向的影響十分顯著，高溫、低濕、小風有利于臭氧的生成。此外，東南和西南方向的氣團對該區域臭氧濃度影響較大。

關鍵詞：臭氧濃度;聚類分析;氣象因素

中圖分類號 X51 文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2018）24-0091-3

Abstract：Backward trajectory clustering and mathematical statistics were used to study the ozone sources in Wujing district in 2017 and its relations with meteorological factors. The results showed that the ozone concentration in this area was greatly affected by the direction of airflow， temperature， relative humidity and wind speed. High temperature， low humidity and light wind were favorable to the formation of ozone. In addition， the airflow in the southeast and southwestern would be a great impact on the ozone concentration in the area.

Key words：Ozone concentration;Cluster analysis;Meteorological factors

近地面臭氧（O3）是一種重要的大氣污染物，是城市大氣光化學煙霧污染的主要成分之一[1，2]，主要是在一定氣象條件下通過二氧化氮光解產生。臭氧作為一種強氧化劑，不但會對生態環境和人體健康產生嚴重影響[3，4]，而且還會加速PM2.5等污染物的轉化形成[5，6]，更進一步影響空氣質量。目前，特別是在夏季，臭氧已成為影響我國中東部地區環境空氣質量的主要污染物，并成為繼PM2.5后困擾城市空氣質量改善和達標管理的另一種重要污染物。

目前，國內外對近地面臭氧生成、傳輸和影響因素的研究較多，氣象因素對臭氧的影響存在區域性差異。安俊琳等[7]對北京的研究結果表明，臭氧濃度與溫度、風速成正相關，與相對濕度成負相關，北京盛行東南、偏南和偏西氣流時，易造成臭氧濃度高。臭氧濃度分布具有一定的區域性特征，并受到區域間的相互傳輸影響。趙陽等[8]對珠三角地區的研究發現，臭氧高值區主要分布在珠三角南部，其中53%的氣團輸送來自于NOx高值區。何濤等[9]的研究結果也表明常州市臭氧的區域輸送和潛在源區主要分布在其周邊200km以內的區域，且集中在從南京至上海的長江下游沿線區域和杭州灣區域。嚴茹莎等[10]通過數值模擬研究表明，遠距離輸送對上海平日臭氧貢獻較大，占50%以上。

臭氧的生成除受其前體物等相關污染源區域分布影響外，還受到氣象因素的影響，氣象因素是導致臭氧濃度日變化和季節性變化的重要原因[11]。筆者擬通過后向軌跡聚類和數理統計分析，來研究氣團來源和氣象條件對臭氧濃度的影響，以期為臭氧污染防治和臭氧污染預報提供科學依據。

1 資料與方法

常州市位于長三角中部區域，與上海和南京等距相望。選取江蘇省常州市武進區國家環境空氣評價點武進監測站（31°42′N、119°56′E）作為研究對象，選取該站點2017年全年的臭氧、溫度、風速風向和相對濕度等小時監測數據進行分析。

后向軌跡模式采用美國大氣海洋局（NOAA）開發的HYSPLIT4.9，并利用Ward's方差法進行聚類分析，該方法基于2條軌跡的平均角度距離進行分類[12]，有利于研究受體點的后向軌跡輸送在水平方向上的來向。以武進監測站為后向軌跡起始點，逐小時模擬后向軌跡，起始高度為100m，計算時長48h。氣象資料采用NCEP提供的全球資料同化系統GDAS數據，數據分辨率為1°×1°。

2 結果與分析

2.1 氣團來源對臭氧的影響 為研究武進區低層大氣氣團的主要來源路徑對臭氧的影響，分析了2017年武進區逐小時氣流后向軌跡的聚類分析結果（見圖1）。表1為每類軌跡區域特征及對應的污染物小時平均質量濃度。氣團軌跡被分為6類，從軌跡的空間分布看，東南、東北以及偏東方向上軌跡分布相對集中，而西南方向的軌跡占比相對較少，這與該區域的主導風向東南偏東風較為一致。從軌跡及其污染特征可見，經東海、浙江東部、杭州灣、江蘇等地影響武進區的聚類D和西南方向上的聚類E對臭氧的影響相對較大，其中聚類D對應的臭氧平均濃度最高，為87μg/m3，且聚類D和E對應的平均氣溫最高、平均濕度相對較低，說明東南和西南方向上影響臭氧濃度的前體物較多，且溫濕度等氣象條件適合光化學反應生成臭氧。其次是偏東方向上的聚類C對應的臭氧平均濃度相對較高，為65μg/m3。聚類A對應的臭氧和NO2濃度最低，其次是東北方向上的聚類B對應的臭氧濃度較低，說明北方氣團對臭氧的影響相對較小。

武進區東南方向和偏東方向為長三角區域經濟和交通最為發達的區域，人口密度也較大。根據黃成等[13]的研究結果表明，該區域的能源消耗量以及人為污染物的排放量均相對較大，導致該方向上的氣團對臭氧濃度的影響較大。而西南方向主要以山區丘陵地帶為主，植被覆蓋率較高，植物等排放的VOCs等天然源較多，導致該方向氣團對應的臭氧濃度相對較低。

2.2 相對濕度對臭氧的影響 光化學反應生成臭氧需要在一定的太陽輻射條件下，一般認為太陽輻射越強，臭氧濃度越高，而氣溫很好的代表了太陽輻射的強弱，其與太陽輻射的變化趨勢基本一致。但實際上太陽輻射與臭氧的生成并非簡單的正相關關系。圖2為臭氧濃度隨溫度和濕度的變化趨勢分布圖。為排除降水的影響，圖2選取該站點2017年全年無降雨情況下8：00～20：00時段的臭氧、溫度、風速風向和相對濕度等小時監測數據進行分析。

從圖2可見，左上角區域的臭氧濃度最高，且超過160μg/m3，該區域的臭氧數據對應著高溫，低濕的氣象條件;非降雨日，臭氧濃度隨著溫度的升高總體呈上升趨勢，氣溫在20℃以下時，臭氧濃度超過160μg/m3的概率較小，說明氣溫高于20℃后，大氣光化學反應明顯加劇。相對濕度大于60%以上時，臭氧濃度超過160μg/m3的概率較小，說明高濕度可能導致到達近地面的太陽輻射減弱，并使臭氧前體物發生其他反應，從而不利于大氣光化學反應生成臭氧。

2.3 風速和風向對臭氧的影響 圖3選取臭氧濃度大于160μg/m3的數據進行分析，給出了高濃度臭氧在不同風速和方向下的分布情況。從圖3可見，武進區臭氧濃度超標具有明顯的風速風向特征，高濃度臭氧主要分布在風速小于3m/s的情況下，且以東南、西南風向以及東、西方向上為主，與上述氣團來源分析的結論較為一致，東南和西南方向對該區域的臭氧影響較大。而北風、西北風、東北風以及南風情況下臭氧高濃度數據分布較少。

3 結論

（1）武進區O3濃度受氣團來源影響較顯著，其中東南方向氣團對應的O3濃度最高，其次是西南方向和偏東方向氣團，而北方氣團和西北方向的氣團對武進區的O3影響相對較小。

（2）O3的生成受光化學反應的影響，其中氣象條件對于光化學反應起著較為重要的作用。武進區的O3濃度受溫度、相對濕度和風場的影響具有較明顯的特征，其中溫度大于20℃、相對濕度小于60%和風速小于3m/s對O3的生成較為有利。

參考文獻

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[13]黃成，陳長虹，李莉，等.長江三角洲地區人為源大氣污染物排放特征研究[J].環境科學學報，2011，31（09）：1858-1871.

（責編：徐世紅）