2019年許昌市臭氧污染情況及其與氣象條件的關系

崔 坤， 趙 慧， 劉 鵬， 靳洪川， 袁致曉

(1.中科三清科技有限公司，北京 100029； 2.河南中標檢測服務有限公司，鄭州 450001)

引 言

對流層臭氧(O3)是大氣中重要污染物，是產生光化學煙霧的主要成分之一，是區域性大氣污染的重要標志物，具有傳輸距離遠的特點。衛星觀測顯示，盡管采取了嚴格管控規定，我國臭氧污染水平仍在不斷上升[1]。近地面的O3一般是揮發性有機物(VOCs)與氮氧化物(NOx)在光照條件下發生復雜化學反應生成，其質量濃度受VOCs與NOx排放情況、氣象條件和復雜化學反應等多個方面因素影響[2-3]。近年來，隨著“大氣污染防治行動計劃”和“打贏藍天保衛戰三年行動計劃”的發布和實施，我國大部分地區顆粒物濃度(PM10和PM2.5)已呈明顯下降趨勢，空氣質量逐年改善，但O3污染問題日益突出,尤其是近地面O3污染會導致區域大氣氧化性增強，進一步促進二次細顆粒物的生成，導致PM2.5濃度上升。

近地面的O3對生物是有害的。O3對于人體危害主要表現在對呼吸道粘膜和眼睛的刺激上，嚴重的可以影響到人的神經中樞系統。對植物的危害主要是影響植物的光合作用和新陳代謝，使農作物因營養不良而減產[4]。

國內外有關學者對O3質量濃度與氣象條件的關系進行了大量研究[5-20]。國外的Duenas等[5]研究了地中海區域O3污染與氣象條件的關系；Elminir[6]研究了開羅市O3污染與氣象條件的關系。國內一些學者研究發現，不同環境條件下，氣象因子對近地面O3質量濃度的影響不盡相同。朱毓秀等[7]研究發現，上海地區風速和太陽輻射同步增減時，O3質量濃度增大。劉建等[8]研究發現，珠三角地區氣溫高于27 ℃或相對濕度低于55%時，O3超標率和平均質量濃度相對較高。周學思等[9]研究發現，干季高溫低濕及特殊風向和風速有利于珠海地區O3形成。黃俊等[14]研究發現，廣州地區近地面O3污染的主要氣象特征：氣溫高、日照長、輻射強、氣壓低、濕度小、風力為2～3級。

本文以2019年許昌市O3質量濃度長時間序列為研究對象，選取許昌市環境空氣質量監測站點的空氣質量數據和常規氣象觀測資料，分析2019年O3污染情況，研究O3污染規律，探討發生O3污染時的主要氣象條件，為許昌市O3污染預報提供參考。

1 數據資料

1.1 數據來源

本文中2017-2019年O3質量濃度數據，2019年1-12月O3、PM2.5和NO2質量濃度數據，由許昌市生態環境監測中心提供。2019年許昌市地面常規氣象觀測數據由許昌市氣象局提供。

1.2 分析方法

通過環境空氣質量標準[21]、環境空氣質量評價技術規范(試行)[22]和環境空氣質量指數(AQI)技術規定(試行)[23]判定數據的評價方法，統計O3質量濃度和超標天數，分析許昌市O3污染情況，并運用Excel和Origin 9.0對影響O3污染的氣象因子進行分析。

2 結果與討論

2.1 O3污染總體概況

統計分析結果表明，2019年許昌市全年環境空氣質量超標天數為174天，其中O3濃度(指O3日最大8 h滑動平均質量濃度)超過二級標準限值總天數為78天，占超標總天數的44.83%。雖然整體上顆粒物濃度超標天數(PM2.5和PM10)最多，但O3濃度超標天數明顯高于CO、NO2和SO2濃度超標天數。2019年許昌市由于O3導致輕度污染77天，中度污染1天。

2.2 O3污染分析

2.2.1 O3污染時間變化規律

(1)近三年O3污染情況

2017-2019年許昌市環境空氣中O3為首要污染物在不同空氣質量等級下的分布情況見圖1。由圖可以看出，2017年有121天O3為首要污染物。其中，空氣質量為良的有58天，占O3首要污染物總天數的47.93%；空氣質量為輕度污染的有49天，占40.50%；空氣質量為中度污染的13天，占10.74%；空氣質量為重度污染的有1天，占0.83%。2018年有126天O3為首要污染物。其中，空氣質量為良的87天，占O3首要污染物總天數的69.05%；空氣質量為輕度污染的有37天，占29.37%；空氣質量為中度污染的有2天，占1.59%。2019年有150天O3為首要污染物。其中，72天空氣質量為良，占O3首要污染物總天數的48.00%；77天空氣質量為輕度污染，占51.33%；1天空氣質量為中度污染，占 0.67%。

相比2017年和2018年，2019年沒有出現O3重度污染，中度污染占比大幅下降，僅有1天。2019年整體上O3污染濃度呈減輕趨勢，污染級別有所下降。但O3成為首要污染物的總天數是明顯上升的，且輕度污染占比大幅增加。

圖1 2017-2019年許昌市O3為首要污染物在不同空氣質量等級占比分布

(2)O3質量濃度及污染月變化

2019年許昌市O3月平均質量濃度和污染超標天數月度分布見圖2。從全年看，O3月平均質量濃度和超標天數均呈“雙峰”分布特點。O3月平均質量濃度在5-9月期間偏高，且濃度值差距小。7月O3質量濃度最高，達到203 μg/m3。O3污染導致的超標天出現在4-10月，其中4月和10月超標天數略少，分別只有3天和2天。在6-9月超標天數比較集中，6月超標天數最多，達到24天，占6月總天數的80.0%。其次是9月，超標天數有16天，占9月總天數的53.3%。

(3)O3質量濃度日變化

2019年不同季節O3小時質量濃度日變化情況見圖3。在春、夏、秋、冬四個季節，O3小時質量濃度變化曲線均呈“單峰”特點。O3質量濃度：夏季的>春季的>秋季的>冬季的。O3小時質量濃度有明顯的日變化規律：春季、夏季和秋季從早上07時開始(冬季從早上08時開始)，O3小時質量濃度逐漸上升，于15時和16時達到全天濃度峰值，之后濃度開始逐漸下降。從全天看，07時(或08時)至15時(或16時)是O3質量濃度的上升階段，其余時間段呈下降趨勢。

在不同季節，O3小時質量濃度日變化趨勢基本一致。全天濃度最高值：春季、夏季和冬季的出現在16時，秋季的出現在15時。全天濃度最低值：春季、夏季和秋季的出現在07時，冬季的出現在08時。O3小時質量濃度無論是最高值還是最低值，出現時間段相差不大。

圖2 2019年許昌市O3月平均質量濃度和污染超標天數月度分布

圖3 2019年許昌市不同季節O3小時質量濃度日變化曲線

2.2.2 O3與其他污染物的關系

(1)O3與PM2.5的相關性

2019年O3與PM2.5濃度超標天數月際分布見圖4(a)。O3濃度超標天集中在4-10月，同期PM2.5濃度超標天數較少。PM2.5濃度超標天集中在1-3月、11月和12月，而同期O3濃度沒有出現超標情況，這與大氣污染的季節性特征有很大的關系。

O3小時質量濃度和PM2.5小時質量濃度呈顯著負相關關系(圖4b)。通過Origin 軟件計算相關系數，Pearson相關系數為-0.9377，P 值在0.01的水平下相關性顯著。通常情況下，當大氣中顆粒物濃度偏高時，一方面會使氣溶膠的光學厚度增加，削弱O3的光化學生成；另一方面，發生在顆粒物表面的非均相化學過程，也會對O3質量濃度產生影響，導致出現O3濃度下降現象[24-25]。

圖4 2019年許昌市O3和PM2.5濃度超標天數月際分布(a)和小時質量濃度日變化(b)

(2)O3與NO2的相關性

2019年O3與NO2月均質量濃度變化情況見圖5(a)，2019年O3與NO2小時質量濃度變化情況見圖5(b)。從圖中可以看出，無論是月平均質量濃度，還是小時質量濃度，均呈顯著負相關性。通過Origin 軟件計算相關系數，其中小時質量濃度：Pearson相關系數為-0.9279，P值在0.01的水平下相關性顯著；月平均質量濃度：Pearson相關系數為-0.8422，P值在0.01的水平下相關性顯著。

分析O3與NO2月平均質量濃度變化發現，O3月平均質量濃度呈先上升、后下降的特點，7月質量濃度為峰值，12月質量濃度為谷值；NO2月平均質量濃度呈現先下降、后上升的特點，8月質量濃度為谷值，1月質量濃度為峰值。

分析O3和NO2小時質量濃度日變化發現，NO2小時質量濃度日變化呈“雙峰”特點，分別在07時和23時出現峰值，15時出現谷值。O3小時質量濃度日變化呈“單峰”特點，16時出現峰值，07時出現谷值。

夜間無太陽輻射，O3質量濃度逐漸降低，在07時降至全天最低值。夜間NO2緩慢累積，06-08時早高峰機動車排放出大量尾氣，NO2質量濃度在07時出現峰值。隨著上午太陽輻射逐漸增強，光化學反應氧化性升高，O3質量濃度逐漸上升，16時達峰值，而NO2被大量消耗，在15時出現谷值。下午太陽輻射強度逐漸轉弱，光化學反應速率減慢，NO2質量濃度在16時開始上升，而O3逐漸消耗，質量濃度開始下降[26-27]。

圖5 2019年許昌市O3和NO2月平均質量濃度變化(a)和小時質量濃度日變化(b)

2.3 O3濃度和氣象條件的關系

統計分析2019年許昌市O3日均質量濃度與各氣象因子相關性(表1)，結果顯示，溫度、日照、風速和相對濕度與O3日均質量濃度的P值在0.05水平下相關性顯著。溫度、日照與O3日均質量濃度呈正相關性，風速、相對濕度與O3日均質量濃度呈負相關性。溫度升高，日照時間長，非常有利于增強O3光化學反應，促進O3質量濃度升高。

對許昌市各季O3日均質量濃度與各氣象因子相關性分析(表2)發現，秋季溫度、日照、風速和O3日均質量濃度相關性最高；夏季相對濕度與O3日均質量濃度相關性最高。溫度與O3日均質量濃度的相關系數為秋季的>春季的>夏季的>冬季的。日照與O3日均質量濃度的相關系數為秋季的>夏季的>春季的>冬季的。風速與O3日均質量濃度的相關系數為秋季的>春季的>冬季的>夏季的。相對濕度與O3日均質量濃度的相關系數為夏季的>冬季的>春季的>秋季的。

表1 2019年許昌市O3日均質量濃度與各氣象因子的相關系數

表2 2019年許昌市各季O3日均質量濃度與各氣象因子的相關系數

2.3.1 O3濃度和溫度的關系

2019年溫度與O3小時質量濃度統計數據見圖6(a)。將溫度分為-10--5 ℃、-4-0 ℃、1-5 ℃、6-10 ℃、11-15 ℃、16-20 ℃、21-25 ℃、26-30 ℃、31-35 ℃、36-40 ℃十個區間，研究各個區間的O3質量濃度均值和溫度的關系。結果表明，O3小時質量濃度隨著溫度的上升而升高，趨勢相關性高，R2=0.9141。當溫度區間從26-30 ℃ 上升到31-35 ℃時，O3質量濃度增長速率最高，迅速由107 μg/m3上升至162 μg/m3，上升55 μg/m3，升幅達51.4%。

2.3.2 O3濃度和日照的關系

2019年日照時長與O3日均質量濃度數據見圖6(b)。將日照時長分成0-2.0 h、2.1-4.0 h、4.1-6.0 h、6.1-8.0 h、8.1-10.0 h、10.1-12.0 h、12.1-14.0 h七個區間，研究各個區間的O3質量濃度均值和日照時長的關系。結果表明，O3質量濃度隨著光照時長的增加而升高，趨勢相關性高，R2=0.9144。當日照時長區間從8.1-10.0 h上升到10.1-12.0 h時，O3質量濃度增長速率最高，由128 μg/m3迅速上升至163 μg/m3，上升35 μg/m3，升幅達27.3%。

圖6 2019年許昌市O3質量濃度與溫度(a)、日照時長(b)、風速(c)和相對溫度(d)的相關性

2.3.3 O3濃度和風速的關系

2019年日均風速與O3日均質量濃度數據見圖6(c)。將風速分為0-1.0 m/s、1.1-2.0 m/s、2.1-3.0 m/s、3.1-4.0 m/s、4.1-5.0 m/s、5.1-6.0 m/s、6.1-7.0 m/s七個區間，分析各個區間的O3質量濃度均值和平均風速的關系。結果表明，隨著風速上升，O3質量濃度呈先上升后下降的變化特點，趨勢相關性差，R2=0.2845。當風速為1.1-2.0 m/s和2.1-3.0 m/s時，O3質量濃度偏高。

2.3.4 O3和相對濕度的關系

2019年相對濕度與O3日均質量濃度數據見圖6(d)。將春、夏、秋、冬四個季節的日均相對濕度分為0-10%、11%-20%、21%-30%、31%-40%、41%-50%、51%-60%、61%-70%、71%-80%、81%-90%、91%-100% 10個區間，研究各個區間的O3質量濃度均值和相對濕度的關系。結果表明，O3質量濃度隨著相對濕度的上升而下降，趨勢相關性高，R2=0.9451。當相對濕度小于40%時，O3質量濃度偏高。

3 結 論

通過分析2019年許昌市O3污染情況，O3、PM2.5和NO2三項污染因子時間變化規律及O3質量濃度與氣象因子(溫度、日照、風速和相對濕度)的相關性發現：

(1)2019年許昌市O3污染以輕度污染為主，污染日集中在4-10月，其中6月、7月、8月和9月最為突出，沒有出現重度污染，中度污染有1天。相比2017年和2018年，2019年O3污染濃度呈減輕趨勢，污染級別有所下降，但O3成為首要污染物的總天數明顯上升。

(2)O3與PM2.5的質量濃度呈顯著負相關性。O3濃度超標天數集中在4-10月，PM2.5超標天數主要在1-3月，這與大氣污染的季節性特征有很大的關系。

(3)無論是O3與NO2月均質量濃度，還是O3與NO2小時質量濃度，均呈顯著負相關性。O3月平均質量濃度在7月出現峰值，12月出現谷值；NO2月平均質量濃度在8月出現谷值，1月出現峰值。NO2小時質量濃度日變化呈“雙峰”特點，分別在07時和23時出現峰值，15時出現谷值。O3小時質量濃度日變化呈“單峰”特點，16時出現峰值，07時出現谷值。

(4)O3與各氣象因子關系：一是溫度、日照、風速和相對濕度與O3日均質量濃度的P值在0.050水平下相關性顯著。溫度、日照和O3日均質量濃度呈正相關性，風速、相對濕度和O3日均質量濃度呈負相關性。二是秋季溫度、日照、風速和O3日均質量濃度相關性最高，夏季相對濕度與O3日均質量濃度相關性最高。三是在溫度為26-35 ℃，或日光照時長達8-12 h時，O3質量濃度增長率最高；在不同季節，O3質量濃度峰值對應相對濕度區間不同。四是O3質量濃度隨著風速增加呈先上升后下降的變化特點，趨勢相關性差，R2=0.2845。當風速為1.1-2.0 m/s和2.1-3.0 m/s時，O3質量濃度偏高。