衢州市區臭氧濃度變化特征及影響因素*

張 超 唐家翔 張金祥 徐宏輝 陸沅泉

(1.浙江省衢州市氣象局,浙江 衢州 324000;2.海南省氣象臺,海南 海口 570203;3.浙江省氣象科學研究所,浙江 杭州 310008;4.浙江省衢州市生態環境監測中心,浙江 衢州 324000)

臭氧(O3)在對流層中雖然占比很小[1],但隨著人類不斷排放氮氧化物(NOx)等前體物[2-3],經光化學反應轉化成的O3越來越多,導致對流層中O3濃度不斷升高,成為對流層大氣中的污染物。對流層大氣中的O3超過一定濃度不僅會導致植物死亡和農作物減產,還會危害人類呼吸系統[4-7]。近年,O3污染問題日益突出,已經成為繼細顆粒物(PM2.5)后影響空氣質量的重要污染物[8]。

O3濃度與氣象要素息息相關。焦姣等[9]發現,O3小時濃度與溫度、風速呈正相關,與相對濕度呈負相關。楊溟鋆等[10]研究表明,重慶市O3中重度污染期間,其空間分布受山谷風環流與城市熱島效應影響。劉強軍等[11]研究發現,太行山南麓O3濃度與溫度具有明顯正相關,與太陽總輻射也呈正相關。符傳博等[12]研究三亞市的O3濃度變化特征時發現,穩定的東北風風場、高溫低濕的天氣是造成O3污染發生的主要原因。而任萬輝[13]認為,造成沈陽市O3污染的主要天氣類型有暖脊型、均壓場型、高空槽型和副熱帶高壓型4種。

長三角是我國工業較為發達的地區,由于NOx等前體物排放較多,O3污染較為嚴重。很多學者對長三角的O3污染研究發現:麗水市的O3年際變化呈上升趨勢[14];杭州市O3污染指數日均值春季最大[15],O3除本地生成外,還受到外地污染傳輸影響[16];南京市O3濃度比北京市、上海市、廣州市、成都市、蘭州市和武漢市都高[17];臺州市[18]本地排放源是O3的主要來源,而且春季貢獻率最高。

衢州市位于長三角西南部,有“四省通衢”之稱,交通發達,人類活動頻繁,正處在建設“活力新衢州,美麗大花園”的關鍵期,空氣質量倍受關注。衢州市及其周邊地區氟化工企業較多,又地處金衢盆地,污染物容易積累,然而衢州市的O3污染還是鮮有關注。本研究統計了2018—2020年人口聚集的衢州市區O3逐小時濃度,分析其變化特征,并與氣象要素和前體物進行相關分析,為掌握衢州市區O3濃度變化規律和影響因素提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 資 料

衢州市區有3個環保國控站,分別為衢州學院、環保大樓和實驗學校,本研究利用該3個環保國控站2018—2020年的逐小時O3和NO2濃度數據進行分析。

氣象要素數據(溫度、降水量、相對濕度、日照時數和風向、風速)來自衢州市區的3個氣象觀測站,其中有1個國家基本氣象站,2個區域氣象站(衢州學院氣象站和黃家街道氣象站),也為2018—2020年逐小時數據,3個站點的數據取平均值。

衢州市區環保國控站和氣象觀測站的位置如圖1所示。

圖1 資料選取站點位置Fig.1 Location of data selection sites

1.2 方 法

根據《環境空氣質量指數(AQI)技術規定》(HJ 633—2012),將O3年均值和日最大8 h滑動平均值(O3-8 h)分成3個級別:一級(0～100 μg/m3)、二級(>100～160 μg/m3)、三級(>160～215 μg/m3),分別對應優、良、輕度污染。O3年、季、月、日平均值均用逐小時的數據平均得到。

2 結果與討論

2.1 衢州市區O3濃度年變化

衢州市區2018—2020年O3濃度年均值和O3-8 h各級別天數見表1。總體來看,O3各年均值都處于一級水平(優),且呈連續下降趨勢,說明衢州市“藍天保衛戰”有一定成效。

統計O3-8 h各級別的天數發現,衢州市區2018—2020年O3-8 h一級天數占絕大多數,達到60.04%,三級天數僅占4.20%。從變化趨勢來看,一級天數逐年上升,從最低的2018年215 d(占比59.90%)上升到2020年的223 d(占比60.93%);相反,三級天數逐年下降。

表1 2018—2020年O3質量濃度年均值和O3-8 h各級別天數Table 1 O3 annual mass concentration and days of O3-8 h at various levels from 2018 to 2020

2.2 衢州市區O3濃度月、季變化

衢州市區各季度O3質量濃度春季最高,為64.49 μg/m3,其次秋季62.75 μg/m3,夏季61.20 μg/m3,冬季最低,僅為33.89 μg/m3。

從圖2來看,衢州市區O3月濃度變化呈現“M”雙峰型,其中峰值出現在5、9月。一般而言,夏季O3濃度高于其他季節,因為O3濃度與前體物發生光化學反應效率有關,太陽輻射強、溫度高的夏季有利于前體物轉化生成O3[19-21]。然而衢州市區卻是春季與秋季較高,夏季反而略低,可見衢州市區O3濃度時間變化規律與其他大多城市具有差異性。

進一步分析衢州市區O3濃度夏季偏低原因,發現衢州市區的氣候特點是6—7月為梅雨季節,降水量比其他月份多,從而導致該時段太陽輻射較少,不利于前體物轉化生成O3。統計2018—2020年衢州市區每月降水量可以看到,6—7月的降水量明顯大于其他月份。由此可見,O3濃度受太陽輻射影響較大,而降水對太陽輻射影響也較大。但仍需要指出的是,衢州市區春季降水量比秋季略多,但O3濃度卻比秋季略高,因此斷定O3濃度除了受氣象因素影響外,還存在其他因素影響,比如春季排放源增多、閃電活動增多、大氣湍流運動增多等等,其中具體機理有待于進一步研究。

圖2 2018—2020年O3和降水量月變化Fig.2 Monthly variation of O3 and precipitation from 2018 to 2020

2.3 衢州市區O3濃度日變化

2018—2020年衢州市區3個環保國控站的平均O3濃度日變化見圖3。可以看出,衢州市區O3濃度日變化呈現單峰型變化,表現為白天高,夜間低,最低值出現在6:00前后,之后迅速上升,直到15:00前后達到最高值,隨即逐漸下降。衢州市區O3濃度日變化規律與溫度和NO2濃度有關。上午隨著溫度迅速升高,O3濃度隨之迅速升高,而此時前體物NO2濃度卻迅速降低,說明溫度升高有利于前體物NO2轉化生成O3。溫度在15:00前后達到最高值,O3濃度也在同時達到最高值,而NO2濃度提前降到最低值,說明當溫度達到最高值時,前體物NO2轉化生成O3的效率最高。夜間,溫度、O3濃度、NO2濃度的變化幅度都比較平緩,說明在夜間由于沒有太陽輻射,且溫度較低,前體物無法轉化生成O3,導致O3濃度較低,NO2濃度較高,且波動幅度較小。

圖3 2018—2020年O3、NO2和溫度的日變化Fig.3 Daily variation of O3,NO2 and temperature

2.4 O3濃度與氣象要素的關系

分別統計O3-8 h一級、二級、三級天的氣象要素平均值(見表2)發現,O3-8 h一級的溫度為16.3 ℃,O3-8 h三級溫度升高到了25.9 ℃,可見溫度升高會提高前體物轉化生成O3的效率。O3-8 h一級、二級、三級日照時數依次為5.1、7.6、9.6 h,日照是光化學反應的基本條件,日照時數越長,越有利于前體物轉化成O3。O3-8 h一級的相對濕度為82.4%,O3-8 h三級降為60.7%,說明空氣干燥有利于O3生成。O3-8 h一級的降水量12.0 mm下降到O3-8 h三級的1.1 mm,進一步驗證了降水量增多造成太陽輻射減少,從而影響前體物轉化生成O3。O3-8 h一級、二級、三級的風速分別為2.3、2.1、2.2 m/s,基本沒有差別。

表2 2018—2020年O3-8 h分級的氣象要素統計Table 2 Statistics of meteorological elements under different O3-8 h levels from 2018 to 2020

5種氣象要素除了風速以外,其余4種均通過0.01的顯著性檢驗,與O3濃度相關系數最大的是日照時數。

綜合分析氣象要素與O3濃度的關系可知,在干燥、陽光充足、高溫少雨的氣象條件下,O3濃度高;相反,在潮濕、日照較少、低溫多雨的氣象條件下,O3濃度低。

2.5 O3濃度與前體物NO2濃度的關系

分別統計O3-8 h一級、二級、三級天的NO2平均濃度(見表3)發現,O3-8 h一級、二級、三級的NO2質量濃度呈下降趨勢,由30.75 μg/m3下降到23.17 μg/m3,這是因為NO2轉化生成O3后,其濃度下降,因此NO2濃度和O3濃度呈顯著負相關關系,通過0.01的顯著性檢驗,相關系數為-0.424,反映出衢州市區O3濃度主要由本地生成。

表3 2018—2020年O3-8 h分級的NO2統計Table 3 Statistics of NO2 under different O3-8 h levels from 2018 to 2020

2.6 典型O3污染過程分析

2019年9月下旬衢州市區持續多日處于副熱帶高壓控制下,長時間為高溫、干燥、無降水天氣,太陽輻射強,非常有利于前體物轉化生成O3,所以O3濃度一直處于較高水平。直至10月1日,臺風“米娜”靠近浙江中北部沿海區,盡管衢州市區沒有受臺風環流影響,但也轉為陰有降水天氣,溫度降低,使得O3前體物轉化減弱,O3濃度降低。此次污染過程中28日、29日、30日最大O3-8 h分別達到了189.00、194.01、185.03 μg/m3,均為三級水平(輕度污染)。

圖4分析了9月28日6:00至10月1日23:00的逐時O3濃度與氣象要素。從9月底的每日變化可以看出,7:00溫度開始上升,相對濕度下降,O3濃度隨之快速增長;到了午后,以上變化相反。然而10月1日不再出現前面3天的日變化規律,表現為隨著溫度升高,O3濃度不是顯著上升,反而下降。對比9月底與10月1日的氣象要素發現,9月底日照時數每天有7～9 h,而10月1日降到了0 h,并且相對濕度一直都較高,說明日照時數對O3濃度具有重要影響,表2日照時數相關系數絕對值最大也說明了這一點。

圖4 衢州市區典型O3污染過程O3與氣象要素逐時變化Fig.4 O3 and meteorological elements hourly variation during a typical O3 pollution in Quzhou urban

3 結 論

(1) 2018—2020年衢州市區O3質量濃度年均值為55.01～55.89 μg/m3,呈逐年下降趨勢,只有4.20%的時間處于三級水平(輕度污染),其他均達到優良。

(2) 衢州市區O3季節變化為:春季(64.49 μg/m3)>秋季(62.75 μg/m3)>夏季(61.20 μg/m3)>冬季(33.89 μg/m3),夏季O3濃度偏低主要是因為衢州市區6—7月為梅雨季節。

(3) 衢州市區O3濃度日變化呈現單峰型分布,有白天高,夜間低的明顯特征,最低值出現在6:00前后,最高值出現在15:00前后。

(4) 日照時數對O3濃度的影響最大,溫度、相對濕度和降水量也有顯著影響。前體物NO2與O3呈現明顯的此消彼長關系。