深圳市臭氧污染氣象條件指數研究及業務應用

張麗 梁碧玲 李磊

（1 深圳市氣象局，深圳 518040；2 深圳市國家氣候觀象臺，深圳 518040）

0 引言

隨著城市化和工業化的不斷發展，全國各大城市群大氣污染問題日益凸顯，臭氧成為首要污染物的頻率越來越高，大量研究圍繞光化學煙霧和臭氧污染展開。在短期內排放源大致不變的情況下，眾多學者認為氣象條件是影響臭氧污染最重要的因素[1-4]。北方地區如嚴茹莎[5]指出，北京地區O3分布與溫度、風速及風向3個氣象要素密切相關，同時穩定邊界層對大氣擴散的不利影響也是形成O3污染的重要原因；閆雨龍[6]指出影響太原市城區臭氧濃度變化的主要因素是臭氧前驅物和氣象條件（太陽輻射、溫度等）的變化。長三角地區也開展了城市臭氧污染特征及成因分析[7-14]，如王磊[15]指出高濃度臭氧污染是多因子綜合作用的結果，典型氣象條件表現為:太陽輻射強、低云量少、相對濕度適宜、地面小風速及特定的風向。由于臭氧與其前體物揮發性有機物（VOCs）和氮氧化物（NOx）呈顯著的非線性相關，且受氣象條件、排放源分布和土地利用類型等影響[16-26]，臭氧污染也是珠三角地區大氣污染控制研究的重點和難點之一。全國多地區開展了臭氧氣象條件成因分析，但是業務化運用較少。本文在前期研究臭氧污染與氣象條件關系的基礎上[26]，從高影響的氣象因子著手，建立了本地化的臭氧污染氣象條件指數，經檢驗可實現對O3污染氣象條件監測，為臭氧預報預警提供了科學的參考依據。

1 數據來源與方法

2015—2017年深圳市環保部門14個監測點的O3小時平均濃度逐小時數據及對應區域最近的自動氣象站逐小時數據。氣象站選擇的原則是每區至少1個距離環保站最近站點，西部污染嚴重地區選1～2個氣象站點（圖1）。

圖1 全市14個空氣質量站點（黑色三角形）及鄰近的14個氣象站（黑色圓點） Fig. 1 14 air quality sites (black triangle) and the 14 closest meteorological stations (black dots) in Shenzhen

臭氧超標率（E）定義：根據環境空氣質量指數（AQI）技術規定（試行）（2016年實施）臭氧二級標準為1小時平均濃度大于200 μg/m3。

式中，t1是某個時間段內臭氧濃度超出200 μg/m3的時次，t是總時次，E為臭氧的超標率。

選取溫度、相對濕度、風速風向、降雨量等氣象因子，分析氣象因子對臭氧污染的貢獻，同時考慮氣象因子之間相關性，對研究方法進行了創新設計，分別將氣溫與其他氣象因子聯立，統計聯立后的臭氧超標率。即以氣溫為參照，研究其他氣象因子對臭氧超標率的影響，從而確定所有氣象因子的影響權重，最后得出指數總評分標準。

2 結果

2.1 深圳市大氣環境污染近況

深圳市隨著產業結構優化和大氣環境治理的深入開展，首要污染物的格局近幾年有了明顯改變，細顆粒物作為首要污染物出現的頻率呈逐年下降趨勢，臭氧作為首要污染物出現的天數卻逐年上升。根據深圳市環境監測站的數據統計，2015年臭氧作為首要污染物的日數只有67 d，2016年上升至88 d，2017年更高達109 d（圖2）。

圖2 2015—2017年深圳市大氣首要污染物分布情況 Fig. 2 Distribution of atmospheric primary pollutants from 2015 to 2017 in Shenzhen

2.2 氣象因子對臭氧污染的影響

通過分類統計發現，氣溫、相對濕度、風速、風向、1 h累計雨量對臭氧濃度超標率都有影響（圖3）。臭氧是二次污染物，由NOx、CO和NMHC在太陽輻射的作用下進行光化學反應產生，所以溫度是光化學反應生成臭氧的一個高敏感的氣象因子。臭氧超標概率隨著氣溫升高而升高，小時平均氣溫超過35 ℃，臭氧超標率可達33.8%（圖3a）。較干燥的環境（相對濕度30%～60%）有利于臭氧超標，最大超標率為5%，80%以上高濕度環境下臭氧超標率很低，超標率小于0.6%（圖3b）。風速對臭氧污染的影響也存在最優區間，1～4 m/s的風速條件超標概率略高，超標率最高為1.46%；較大風速或者靜風條件下都不利于臭氧超標，超標率小于1%。偏西風影響下臭氧超標概率較高，最高為4.9%；偏東風超標概率較低，小于0.5%（圖3c）。1 h累計雨量對臭氧污染的影響不明顯，無雨時臭氧超標概率略高，超標率為1.2%（圖3d）。

2.3 氣象因子聯合對臭氧污染的影響

統計發現，除氣溫以外單個氣象因子對臭氧超標率的影響較小，主要是因為臭氧超標受氣溫影響最大，為了突出各氣象因子的影響程度，考慮在將氣溫和其他因子聯合一起分類，同一溫度區間下各因子對臭氧污染的影響分析。如同等溫度條件下，不同的相對濕度對臭氧超標概率有明顯差別（圖4a）。氣溫在30～35 ℃且相對濕度在35%～65%最適宜臭氧生成，超標概率最高達31%。濕度越大超標率越小，濕度大于75%，不利于臭氧的生成，超標概率小于5%。通過氣溫和相對濕度組合分類，可以分析出濕度和溫度對臭氧超標率的影響。

風速對于臭氧的影響，在不同的溫度等級下表現不一樣（圖4b）。在30 ℃以下，風速的變化幾乎不會引起臭氧污染的形成，超標率均小于5%；當溫度大于32 ℃時，風速增加會減少臭氧的超標率。

圖3 不同氣溫、相對濕度、風速、風向、 1 h累計雨量條件下臭氧小時平均濃度超標概率 Fig. 3 Exceeding probability of average hourly concentration of ozone under different temperature, relative humidity, wind and 1 h rainfall

圖4 不同氣溫和相對濕度、風速、風向、1 h累計雨量聯合分類下臭氧超標率 Fig. 4 Ozone exceeding probability under different temperature classification with relative humidity, wind and 1 h rainfall

風向對于臭氧超標率的影響也與溫度密切相關（圖4c）。溫度在30 ℃以下，風向對臭氧超標率的影響很小，超標率在5%以內；當氣溫增加至32 ℃時，偏北風、偏西風有利于臭氧超標率的增加，偏南風可減少臭氧的超標概率。

雨量對臭氧超標概率的影響不明顯（圖4d）。1 h累計雨量在5 mm以上，臭氧超標率很小，在6%以內；1 h雨量5 mm以下且溫度34 ℃以上，雨強越大超標率越小。

2.4 臭氧污染氣象條件評分體系建立

氣溫基礎分（Ts）：按照臭氧超標率大小進行評分，超標率越高，評分愈大。超標率小于1%為0分，每增加5%增加1分，根據各等級氣溫下臭氧的超標率大小，給出氣溫基礎分（表1）。氣溫在30℃以下，臭氧超標率E小于1%，都為0分；當30 ℃≤T＜33 ℃時，臭氧超標率E=2.9%，評分為1分；當T≥35℃時，E=33.8%，評分為7分。從表1可見，氣溫對臭氧超標率的影響很大，各等級下評分在0～7分，差異大，可作為基礎評分因子。其他氣象因子和氣溫聯立時的評分減去基礎分，就得到各氣象因子單獨的評分。

表1 氣溫基礎分（Ts） Table 1 Grading standard score for the temperature (Ts)

風速、氣溫聯合評分：計算風速與氣溫聯合等級下的臭氧超標率可得出風速、氣溫聯合評分表（表2）。表2表明了在同樣的氣溫條件下，不同風速對臭氧形成貢獻不一樣。例如溫度在33～35 ℃時，風速≥4 m/s，評分為2分，小于氣溫基礎分3分，說明該等級下風速≥4 m/s對臭氧超標有削弱的作用。同理，溫度≥35 ℃時，風速≥5 m/s，對臭氧超標也有削弱的作用。

風速、風向評分: 將風速、氣溫聯合等級下的評分減去氣溫基礎分（Ts），得到風速單獨的評分（表3）。從風速評分表3可以明顯看出風速對臭氧超標情況的作用，正值表示對臭氧生成有促進作用，負值表示對臭氧的生成有減弱作用。氣溫在25～30 ℃時，風速在1～3 m/s有利于臭氧的生成；當溫度升高至30 ℃以上時，風速在4 m/s以上不利于對臭氧的生成。

表2 氣溫與風速聯合評分表 Table 2 Grading standard for the temperature and wind speed

從風向評分可以看出來，溫度T≤20 ℃時，臭氧超標與風向無關；當30 ℃≤T＜33 ℃時，偏西風有利于臭氧生成；當33 ℃≤T＜35 ℃，評分為負值，偏東、偏南風均不利于臭氧的生成，偏西和偏北風，評分為正值，有利于臭氧的生成。深圳市夏季一般以偏東和偏南風為主，夏季大氣邊界層高，對流旺盛，加上偏南風來自海上，空氣潔凈，對污染物有明顯的稀釋作用；冬季以偏西和偏北風影響為主，一方面大氣邊界層高度低，污染物容納能力小，一方面有外來污染源的影響，有利于臭氧的生成。

相對濕度評分：濕度對臭氧的影響也受氣溫的影響，在不同等級氣溫下，濕度的作用大小不一，當溫度25 ℃≤T＜30 ℃較低時，濕度＜70%，有利于臭氧的生成，濕度增大不利于臭氧的生成。當溫度33 ℃≤T＜35 ℃較高時，相對濕度為30%～50%時有利于臭氧生成，濕度增大不利于臭氧的生成。

雨量評分：各等級雨量對臭氧超標的評分均為0分，因為降雨時溫度較低，云量多，太陽輻射少，無法獲得充足的輻射能量，臭氧超標率都很小。所以雨量不計入總評分。

總評分：綜合以上各要素評分，給出臭氧污染氣象條件指數（OPMCI）為

OPMCI＝Ts＋WDs＋WSs＋Rs， （2）

式中，Ts為氣溫基礎評分，WDs為風向評分，WSs為風速評分，Rs為相對濕度評分。

從表4可見，OPMCI從小到大分為六級，從不易臭氧污染到極易臭氧污染，從而實現了定量化的臭氧污染氣象條件監測。

3 臭氧污染氣象條件指數總評分檢驗

用2015—2017年歷史數據計算的臭氧污染氣象條件等級范圍1～5級，歷史數據未出現六級極易污染的情況，為最嚴重的臭氧污染預留一個等級（表5）。檢驗結果表明，各等級下臭氧超標有明顯差異，級別越高，臭氧超標率和平均濃度都明顯增大。可見該評分是可行的。

4 業務運用

基于產品特征和用戶需求，臭氧污染氣象條件指數開發項目采用基于GIS組件的二次開發模式，地理信息系統平臺采用通用地理信息系統平臺，項目數據庫平臺擬采用OEacle10G以上，WEB系統平臺擬采用ASP.NET或HTML5技術。網絡架構采用B/S和C/S混合體系結構，C/S結構程序（后臺程序）運行于服務端，以多線程并發的方式執行，用于數據的解析計算以及各類產品的生成、入庫等（圖6）。客戶端作為B/S結構程序（前臺程序），為用戶的操作平臺，用于信息的綜合展示以及人機交互操作等。將臭氧污染氣象條件指數的產品運用于實際業務中，對深圳市各區的臭氧污染條件進行實時監測，為污染防治提供科學參考，產品在市相關部門共享，應用效果良好。

表3 風速、風向、相對濕度單獨評分（聯合評分-氣溫基礎分） Table 3 Grading standard score for wind speed, wind direction and relatively humidity

表4 臭氧污染氣象條件指數（OPMCI） Table 4 Grading standard score for ozone pollution meteorological condition index

表5 2015—2017年的臭氧污染氣象條件指數的檢驗結果 Table 5 The test result of OPMCI from 2015 to 2017

5 結論

利用2015—2017年氣象要素和臭氧濃度數據研究臭氧污染指數，基于概率統計提出了一種新的評分方法。

1）按照臭氧超標概率大小進行評分，臭氧超標率每增加5%則增加1分。

2）氣溫作為影響臭氧生成最大的因子，作為基礎評分因子。根據不同氣溫等級下臭氧的超標率大小，給出氣溫基礎分。

3）在此基礎上，考慮各氣象要素對臭氧超標的影響，得到各氣象因子在不同氣溫區間內的評分。

4）綜合以上各要素評分，得出臭氧污染氣象條件指數總評分標準。總評分從小到大分為六級，從不易臭氧污染到極易臭氧污染，從而實現了定量化的臭氧污染氣象條件監測。

5）歷史數據檢驗結果表明，各指數等級下臭氧超標率有明顯差異，指數級別越高，臭氧超標率和平均濃度都明顯增大，可見該評分是符合實際情況的，同時該指數已經進入業務運行。

圖6 臭氧污染氣象條件業務產品開發 Fig. 6 Operational product of OPMCI