北戴河臭氧污染及氣象背景研究

張寶貴 張建東 楊宗記 李飏

摘要：基于北戴河、樂亭氣象觀測站太陽總輻射照度等氣象數據和北戴河環保監測站的臭氧監測數據，分析2014年-2020年北戴河區域臭氧1小時平均濃度超標狀況、引起超標狀況的氣象背景，結果表明：臭氧污染呈明顯上升趨勢，當太陽總輻射照度>700 W／m2維持時間在3小時以上，地面水平風速≤1.4m/s極容易造成臭氧污染。在顯著性水平a=0.05條件下，臭氧污染時數與氣溫、空氣相對濕度、污染前3小時總輻照度、能見度呈正相關，與氣壓、污染期間總輻照度、風速呈負相關，且臭氧污染時數與風速和污染期間總輻照度的相關性最顯著。

關鍵詞：臭氧；氣象背景；太陽總輻射照度；分析

中圖分類號：X515 文獻標志碼：A

前言

臭氧是自由大氣的成分之一，主要存在于地球12 km-35 km的平流層中，太陽紫外線照射作用下，氧氣被分解成氧原子，氧原子與氧氣結合形成臭氧，富集較多臭氧的空氣層構成臭氧層。平流層中的臭氧對屏蔽、吸收太陽紫外輻射，保護地球生態環境不受紫外線侵害起關鍵作用，但是對流層底部尤其是人類生活空間（大氣邊界層底部0 m-100 m高度）存在的臭氧卻是空氣污染物之一，而且它既是光化學產物，還參與、誘發其它光化學反應，造成鏈式光化學污染。

地面空氣中，臭氧污染產生需要一定的條件，首要條件是前體污染物，它是光化學反應的物質基礎，另一個條件是光化學反應的環境（氣象背景等）。目前，臭氧研究的范圍和深度都在不斷拓展，例如何濤認為“長三角區域的O3污染與本區域的人為源大氣污染物排放有著極為密切的關聯”；高文康研究京津冀地區的臭氧“在春、夏季呈單峰分布，白天15：00左右出現最大值”；還有學者認為O3質量濃度變化與氣象要素密切相關等；梁永賢：“VOCs人為源排放對深圳臭氧貢獻表現為正值，說明在深圳控制臭氧濃度的關鍵是控制人為VOCs排放源”；楊峰在研究臭氧污染治理方法的結論中特別強調“國家產業政策和污染治理體系在污染控制和環保方面是根本性的”；田云有“太陽輻射為大氣光化學反應生成O3提供驅動力”的論述等，不勝枚舉。

1數據與研究方法

1.1數據來源與數據處理

所用數據為環境質量監測數據以及氣象監測數據等，這些數據分別是臭氧1小時平均濃度、太陽總輻射照度、空氣能見度、氣溫、空氣相對濕度、氣壓。數據采樣地點（經緯度、海拔高度）分別是北戴河氣象觀測站（39°51′11.23″N、119°30′40.33″E，ALT 2.4 m）、北戴河區環保局觀測站（119°.43′62.49″E、39°.89′96.24″N，ALT 0.5m，）、樂亭縣氣象觀測站（39°25′11.47.22″N、118°53′40.31.52″E，ALT 9.7 m），以北戴河氣象觀測站為中心，北戴河環保局觀測站在其西南，距離北戴河氣象觀測站2.5 km，樂亭縣氣象觀測站在其西南，距離北戴河氣象觀測站38km。臭氧1小時濃度數據來自于北戴河區環保局，太陽總輻射照度數據來自于樂亭縣氣象觀測站，其余數據來自于北戴河氣象觀測站。

環境空氣質量標準（GB 3095-2012）規定“臭氧1小時平均（1-hour average）為任何1小時污染物濃度的算術平均值”，同樣日、月、季、年平均值均為“各個自然時間段的算術平均值”。臭氧1小時平均濃度超標（二類）的閾值是200 ug/m3，大于200ug／m3即為超過國家標準（二類）。在數據處理中，如果當日臭氧1小時平均濃度出現1次（1小時）或1次以上>200 ug/m3即為當日臭氧超標。數據采集時間節點自2014年1月1日00：00時始至2020年12月31日23：00時止。

1.2研究方法

使用Excel軟件和數理統計方法，對環境和氣象要素的數據進行統計分析，繪制相關要素平均值的變化圖表，計算臭氧1小時平均濃度的超標時數與相關氣象要素平均值的相關系數，在顯著性水平a=0.05的前提下，對相關系數進行顯著性檢驗。

2分析與結果

2.1臭氧污染分布及基本特征

2.1.1臭氧污染年變化

2014年至2020年北戴河臭氧污染的年分布如圖1（折線圖部分）所示，2014年全年臭氧1小時平均濃度超標時數為2小時，2015年增加為57小時，2016年以后超標時數激增，除2018年90小時以外，其余年份，分別為2016年122小時、2017年241小時、2019年280小時、2020年160小時，7年合計超標952小時，且呈逐年快速增長趨勢。以超標天數計，臭氧1小時平均濃度2014年超標2天，2015年29天，2016年36天，2017年45天，2018年28天，2019年52天，2020年34天，合計共超標226天，其中2019年為最多年份。

臭氧1小時平均濃度的年均值變化，從2014年的年平均40 ug/m3，增加到2020年的年平均75ug/m3（2014年-2020年7年均值為62.1 ug/m3），其年均值呈逐年上升趨勢。圖中各年度臭氧1小時超標濃度均值，歷年相差不明顯，最小值是210.5ug/m3，最大值為243.8 ug/m3，最高年份比最低年份的平均值高33.3 ug/m3，超標濃度7年平均值為233.5 ug/m3。

臭氧1小時平均濃度超標有時連續出現（圖略），在7年總共952小時的超標過程中，統計≥2小時超標次數，則連續2小時超標41次、連續3小時超標27次、連續4小時超標25次，連續5小時超標14次，連續6小時超標10次，連續7小時超標15次，連續8小時超標8次，連續9小時超標4次，連續10小時超標11次，連續11小時超標7次，連續12小時超標4次，連續13小時超標2次，合計168次連續超標，單次連續超標時間最長為13小時。臭氧1小時平均濃度在連續超標3小時以下為161次（占比61.7%），合計為256小時（占比26.9%）。

2.1.2臭氧污染月平均分布

如圖2所示臭氧1小時1月-12月日常平均濃度和超標濃度月分布情況，日常臭氧1小時月平均濃度呈中間高兩邊低的單峰型，6月份最高為107.9ug/m3，12月份最低為15.4 ug/m3，日常月均值為61.9 ug/m3；圖中，超標臭氧濃度6月份最高為240.5ug／m3，1月份最低為205.5 ug/m3，12月份無超標發生，1-12月超標臭氧平均濃度為223.8 ug/m3。

統計各月出現的臭氧超標時數（圖略），分別為1月份2小時、2月份1小時、3月份2小時、4月份66小時、5月份189小時、6月份273小時、7月份216小時、8月份95小時、9月份100小時、10月份5小時、11月份3小時，12月份無超標狀況出現，合計952小時。超標時數較多月份為5-7月合計為678小時，占比為71.2%，8月-9月份超標時數合計為195小時占比為20.5%。

2.1.3臭氧污染24小時分布特點

臭氧污染一般從中午開始并持續到下午或午夜，如圖3所示24小時00：00-23：00時臭氧濃度、超標時數分布。各時刻“超標時數”見圖中黑色柱狀圖，凌晨00：00-04：00超標時數依次為14、6、6、3、2小時，其中05：00-09：00無超標，自10：00時超標時數逐漸增多，到下午16：00時達到峰值（127小時），17：00-23：00呈下降態勢。超標最多時段在15：00-18：00時，超標分別為109、127、115、110小時。

超標臭氧濃度24小時各時刻分布（參考主要縱坐標軸、空心柱狀圖）呈起伏狀態，00：00-04：00濃度緩慢降低（05：00-09：00時無超標），自10：00-11：00濃度上升達到峰值，12：00-23：00呈起伏狀態，超標濃度均值為234 ug/m3。圖3中，日常臭氧濃度24小時各時刻分布（參考次要縱坐標軸、折線圖）呈波動狀態，在00：00-07：00時濃度呈下降趨勢且波谷在07：00時最低值46.7ug/m3，08：00-16：00濃度逐漸上升，16：00時波峰值為106.1 ug/m3，17：00-23：00時濃度又開始下降。

2.2臭氧污染與環境空氣氣象要素之間的關系

2.2.1臭氧與太陽總輻射照度

太陽總輻射照度是表征太陽照射的指標之一，樂亭縣氣象觀測站各年份總輻射照度年均值2014年312.8 W/m2、2015年313.3 W／m2、2016年343.3W/m2、2017年329.8 W/m2、2018年327.1 W/m2、2019年336.3 W/m2、2020年335.8 W/m2，7年均值為328.3 W/m2，年均值最低是2014年，最高是2016年。整體呈起伏波動性（圖略）。

太陽總輻射照度月分布如圖4所示，太陽輻射最強是4月份為430.0 W/m2，5月份次之為409.3W/m2，11月份最弱為225.1 W/m2，12個月平均值為328.3 W/m2。比較圖4與圖2，太陽輻射最強月份（4月）與臭氧均值最高月份（6月）不重疊，這種狀況是因為2014年-2020年4月份平均水平風速為2.1 m/s日平均最大水平風速為4.9 m/s，而6月份平均水平風速為1.5 m/s日平均最大水平風速為3.5 m/s，因而6月份更不利于空氣流動、交換，較容易造成臭氧累積超標。

輻照度00：00-23：00時（圖略）24小時均值為249.1 W/m2，14：00時輻照度581.1 W/m2為當日各時刻最高均值，早晨04：00時日出輻照度均值為1.3 W/m2，20：00時日落輻照度均值為0.2W/m2。

形成臭氧污染之前，要有長時間、較強的太陽輻射過程，統計分析表明，超標形成前連續3小時較高太陽輻照度值，極容易引起臭氧超標。2014年-2020年共226天超標，其超標前3小時的平均輻射照度為777.9 W/m2。因此以700 W/m2為參數計算超標發生率。計算公式為：P=d1／d2（p：超標發生率，d1：超標前連續n小時輻照度> 700 W/m2的超標日數，d2：超標前連續n小時輻照度>700 W/m2的總日數）。計算結果顯示連續3小時輻照度均值>700W/m2，臭氧超標發生率為67.3% （191/284）；連續2小時輻照度均值>700 ug／m3臭氧超標發生率為42.5% （191/449）。

當臭氧污染發生后，隨著臭氧濃度的增加，含有臭氧的光化學煙霧會消減太陽輻射。表1中，臭氧超標期間有453小時其太陽輻照度在0-199 W/m2之間、85小時在200-299 W/m2之間、76小時在300-399 W/m之間、60小時在400-499 W/m2之間，臭氧超標期間的輻照度在0-399 W/m2之間合計有614小時，占比為64.5%。

2.2.2臭氧與風速

如表1所示，臭氧污染主要發生在靜風（0.0 m/s-0.2 m/s，蒲福風力等級國標GB/T 28591-2012）或軟風（0.3 m/s-1.5 m/s）期間。其中，風速小于0.3 m/s時，發生221小時污染，0.3 m/s-0.6m/s之間有191小時、0.7m/s-1.0 m/s之間有133小時，1.1 m/s-1.4 m/s有146小時，合計風速在0.0 m/s-1.4 m/s之間發生691小時，占全部污染的72.6%，表明環境空氣的風速越小，越容易發生臭氧污染。在風力等級輕風（1.6 m/s-3.3m/s）范圍內出現252小時臭氧污染占比為26.5%，風力為微風（3.4 m/s-5.4 m/s，）以上僅僅出現9小時，微風以上空氣的流通性較強，不利于污染氣體的堆積。

2.2.3臭氧與能見度

空氣水平能見度是衡量空氣透明度的指標，對到達地面的太陽輻射有一定影響。能見度越高表示在空氣介質中氣溶膠（0.01-10 um固態、液態顆粒）含量越少，太陽輻射穿透大氣到達地面的能力越強。表1中能見度≥16 km時，臭氧1小時平均濃度超標341小時，能見度為15 km時，有125小時超標，14 km時有105小時超標。能見度在14 km-16 km以上時，合計超標占比為60%。能見度10km-13 km時超標290小時，占比為30.5%。其中能見度≤7 km時，僅有3小時臭氧超標。

2.2.4臭氧與溫度

臭氧污染絕大多數出現在4月-10月份，5月-7月份出現頻率最高。如表1所示，地面氣溫<12℃時，臭氧1小時平均濃度超標有12小時，氣溫在24℃-26.9℃（平均氣溫25.3℃）發生235小時（次）占比24.7%，在27℃-29.9℃（平均氣溫28.3℃）之間占比為22.9%，二者合計占比47.6%。夏至前30天的平均氣溫是25.6℃，夏至后30天的平均氣溫28.4℃，期間太陽直射北半球，北半球與太陽的距離最短，地面接收的包括紫外輻射的太陽總輻射最強，此期間無明顯冷空氣過境，小風頻率高不利于光化學煙霧擴散，臭氧污染時數最多。

2.2.5臭氧與相對濕度

2014年-2020年平均相對濕度為67.4%，其中春季平均相對濕度為61.5%，夏季81.6%、秋季68.2%、冬季為58.4%，相對濕度按冬－春－秋－夏遞增，濕度最高季節夏季比最低季節冬季高39.7%。表1中相對濕度區段50%-59.9%超標149小時占比15.7%，60%-69.9%區段267小時占比28%，70%-79.9%區段229小時占比24.1%，80%-89.9%區段125小時占比13.1%，在相對濕度50%-89.9%區段，臭氧超標占總發生時數的80.9%。

2.2.6臭氧與氣壓

臭氧污染期間的氣壓變化，表1中污染時數較多的區段在1000-1007.4 hPa之間，其中有142小時發生在氣壓1 000-1 002.4 hPa區段，有256小時在1002.5-1004.9 hPa區段，有210小時氣壓值在1 005-1 007.4 hPa區段，合計608小時，占總超標時數的63.9%，其它區段發生的頻率合計占36.1%。7年氣壓總平均值是1016.7 hPa，超標期間的氣壓均值為1 005.2 hPa，污染期間的氣壓均值比總平均氣壓低11.5 hPa，可見臭氧污染期間的氣壓場相對較弱。

2.3臭氧污染時數與氣象要素的相關性

計算氣象要素與臭氧污染時數的相關性（顯著性水平a=0.05）如表2所示，其中氣溫、相對濕度、污染前3小時總輻照度、能見度與其正相關；而氣壓、污染期間總輻照度、風速與其負相關。對其相關關系做顯著性檢驗，表2中p值既有顯著也有不顯著，p值小于0.05的分別為氣溫、氣壓、污染期間總輻照度、風速、能見度，其中與污染時數相關性最好的是風速、污染期間總輻照度。

3結論

2014年-2020年臭氧1小時平均濃度年均值為62.1 ug／m3，月均值為61.9 ug／m3，且呈逐年增長的趨勢；總超標時數952小時合計226天，最長連續超標時數13小時，最長連續超標日數7日，超標高發月份為5-7月份；臭氧1小時平均濃度在07：00時最小為46.7 ug/m3，16：00時最大為106.1 ug/m3。太陽總輻射照度年均值為328.3W/m2，4月份太陽輻射最強11月份最弱。臭氧污染發生前，連續3小時輻照度均值>700 W/m2，臭氧超標發生率為67.3%。臭氧污染主要發生在水平風速0.0 m/s-1.4 m/s之間，占全部污染的72.6%。在顯著性水平a=0.05條件下，臭氧污染時數與氣溫、相對濕度、污染前3小時總輻照度、能見度正相關，與氣壓、污染期間總輻照度、風速負相關，其中風速和污染期間總輻照度跟臭氧污染時數相關性最顯著。