2019, Vol. 35
2. 惠州市环境监测站, 广东 惠州 516000;
3. 惠州市突发事件预警信息发布中心, 广东 惠州 516000;
4. 中山大学大气科学学院, 广东 广州 510275
2. Huizhou Environmental Monitoring Station, Huizhou 516000, China;
3. Huizhou Emergency Early Warning Release Center, Huizhou 516000, China;
4. Sun Yat-sen University School of Atmospheric Sciences, Guangzhou 510275, China
绝大部分臭氧集中在平流层, 能够吸收太阳短波辐射, 是地球生命的保护伞。而近地面臭氧是空气中氮氧化物和挥发性有机物发生光化学反应的产物[1-2], 近地面高浓度的臭氧会影响植物的生长, 并对人类健康造成危害。近年来我国京津冀、长江三角洲、珠江三角洲等地区[3-8]和北京、上海、深圳等城市[9-13]臭氧污染日益严重, 臭氧已超越PM2.5成为珠三角地区的首要污染物。
中国上空的臭氧量有明显的年际、季节和日变化, 表现为臭氧总量随年际持续下降, 季节变化呈正弦曲线特征, 最大值和最小值分别出现在3月和10月; 日变化表现为午后15时(北京时间, 下同)左右出现最高值, 清晨07时左右出现最低值[14]。研究表明臭氧污染具有明显的季节变化特征且与气象条件密切相关[15-28]。晴天少云、紫外辐射较强、温度较高、相对湿度较低以及风速较小的天气, 均有利于臭氧的生成[15]。降水对臭氧浓度的影响与气温相反, 风向对地面臭氧浓度也存在显著影响, Pu等[16]分析了2013年夏季长三角(长江三角洲)地区热浪导致的臭氧浓度增加, Li等[17]对气象条件的分析表明, 高温、低相对湿度、风速以及偏东风导致了杭州城区臭氧浓度的上升。兰州城区臭氧浓度分布与总云量也有一定的关系[24]。不同的天气形势对臭氧浓度影响也很明显, 杭州地区大气臭氧浓度超标主要出现在高压后部和高压控制等天气类型[25]。北京地区处于低压前部(主要是蒙古气旋)和高压前部是造成臭氧浓度高值和低值的主要背景场, 与天气型有较好相关, 关注天气型结构和演变对预报大气光化学污染具有重要意义[29]。
惠州市是珠三角地区中心城市之一, 位于广东省东南部, 珠三角城市群东侧(珠三角东侧), 属亚热带季风气候, 空气质量2015—2016年连续2年在全国74个重点城市中排名第3、在珠三角城市群排名第1, 臭氧已成为首要污染物[30]。本文利用惠州市区2013—2016年逐日、逐时的环境和气象资料, 研究惠州市臭氧污染特征及其与气象条件关系, 以期为改善空气质量和臭氧防治提供参考依据。
2 资料和方法使用的资料包括:惠州市区的国家基本气象观测站惠阳站2013年1月1日—2016年12月31日逐日逐时的地面气象观测资料; 惠州市区的惠城区江北云山西路子站、惠城区下埔横江三路子站、惠城区河南岸金山湖子站、大亚湾区管委会子站、惠阳区承修路船湖子站5个国控点2013年1月1日—2016年12月31日平均逐日O3-8 h浓度资料和逐时O3浓度资料。
空气质量功能区的标准参照《环境空气质量标准》(GB3095—2012)[31], 臭氧日最大8 h平均质量浓度0~100 μg/m3为一级, 100~160 μg/m3为二级, 超过160 μg/m3时为超标。参照《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》(HJ 633—2012)[32], 当AQI大于100时定义为污染日, 当AQI为100~150时定义为轻度污染日, 当AQI为151~200时定义为中度污染日, 当AQI为201~300时定义为重度污染日, 当AQI大于300时定义为严重污染日, 当污染日首要污染物为臭氧时定义为臭氧污染日。根据华南气候特征[33-34], 定义雨季(汛期, 4—9月), 旱季(非汛期, 10月—次年3月); 雨季又分为前汛期和后汛期, 其中前汛期为4—6月, 后汛期为7—9月。本文资料的统计分析利用统计分析软件SPSS23.0[35-36]。
3 臭氧污染特征研究 3.1 臭氧的年变化特征图 1给出了2013—2016年惠州市臭氧各要素的逐年变化, 惠州市臭氧年平均浓度、超标年出现日数和臭氧污染日等均呈明显下降趋势, 这说明惠州市臭氧污染呈减弱趋势。惠州市O3-8 h浓度四年平均为92.0 μg/m3, 中位数为88.0 μg/m3, 最大值为263.0 μg/m3, O3-8 h浓度平均值呈逐年降低趋势, 2016年的平均值与2013年相比下降了12.7%。O3浓度四年平均为61.5 μg/m3, 中位数为53.6 μg/m3, 最大值为329.4 μg/m3, O3浓度平均值呈逐年降低的趋势, 2016年的平均值与2013年相比下降了16.4%。惠州市O3-8 h浓度等级年出现日数呈一级明显增加、超标明显减少的趋势, 超标年出现日数(超标日)2015年和2016年的平均与2013年和2014年的平均相比减少了18.0 d。惠州市臭氧污染日呈明显减少趋势, 2015年和2016年的平均与2013年和2014年的平均相比减少了15.0 d; 臭氧污染日中轻度污染日约占污染日的86.8%, 中度污染日每年都有出现, 未出现过重度及以上的臭氧污染日。
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图 1 2013—2016年惠州市臭氧要素的逐年变化 a. O3-8 h浓度; b. O3浓度; c. O3-8 h不同等级出现日数; d.臭氧污染日出现日数。 |
图 2给出了2013—2016年惠州市臭氧各要素的逐月和季节等变化特征。从月变化(图 2a)来看, O3-8 h浓度最高出现在10月, 最低出现在5月, 雨季和旱季基本一致、后汛期明显高于前汛期。O3月最高浓度与O3-8 h一致, 均出现在10月, 而最低出现在6月, 最低月的浓度仅为最高月的60.1%, O3浓度呈旱季高于雨季、后汛期高于前汛期的季节变化特征。通过对比臭氧污染日和臭氧超标出现日数的逐年和逐月变化发现两者变化趋势基本一致, 都是呈雨季高于旱季、后汛期高于前汛期的季节变化特征; 一年中除2月和12月外其余月都曾出现臭氧污染日, 其中7月、8月和10月累计均超过10 d。臭氧中度污染日在3月和4月都有出现, 主要出现在7月和8月, 10月虽然臭氧污染日最多, 但未出现中度污染日。
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图 2 2013—2016年惠州市臭氧各要素变化特征 a.逐月; b.雨季和旱季; c. O3-8 h浓度不同等级出现日数和臭氧污染日出现日数。 |
图 3给出了惠州市全市平均O3浓度全年、雨季、旱季、前汛期和后汛期逐时变化, 惠州市臭氧浓度的日变化规律大致相同, 均呈单峰变化。夜间臭氧浓度较低, 06—08时浓度最低, 随后臭氧浓度开始大幅上升, 最大值出现在午后14—15时, 之后浓度又逐渐降低。这种变化特征与太阳辐射的日变化规律相似, 白天较强, 夜间减弱。其中雨季、前汛期和后汛期最小值和最大值分别出现在07时和14时。与之不同的是, 旱季最大值出现在15时, 推迟1 h。
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图 3 2013—2016年惠州市全市平均O3浓度逐时变化 |
表 1给出了惠州市全年、雨季和旱季不同级别臭氧污染与气象条件统计值。惠州市O3-8 h一级大多出现在气温较低、相对湿度较大、风速较大、云量较多伴有降水且日照时数较小的天气, 全年而言O3-8 h平均浓度为68.6 μg/m3, 平均气温为21.8 ℃, 风速为2.3 m/s, 降水量为8.5 mm, 降雨概率为55.1%, 总云量和低云量分别为8.2成和7.0成, 日照时数平均为3.0 h, 相对湿度平均为81.7%。超标则出现在气温较高、相对湿度较小、风速偏小、云量较少一般无降水且日照充足的天气, 全年而言O3-8 h平均浓度为187.0 μg/m3, 平均气温为26.0 ℃, 风速为1.9 m/s, 降水量为1.9 mm, 降雨概率为9.5%, 总云量和低云量分别为3.4成和2.4成, 日照时数平均为8.1 h, 相对湿度平均为69.3%。超标与一级相比, 平均浓度高了100.4 μg/m3, 气温高了4.2 ℃, 风速小了0.4 m/s, 降水量少了6.6 mm, 降雨概率低了45.6%, 总云量和低云量分别少了4.8成和4.6成, 日照时数多了5.1 h, 相对湿度低了12.4%。二级出现时的气象条件与超标类似, 也大多出现在晴朗干燥、日照充足的天气下, 但值大多处于一级和超标之间。
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表 1 惠州市全年、雨季和旱季不同级别臭氧污染与气象条件分析 |
图 4给出了不同气温和相对湿度下的O3平均浓度变化, 箱体表示中位数、平均值、上四分位数和下四分位数, 引线表示10%和90%最大值。O3平均浓度随着温度的升高而增加, 当平均温度达到36~37 ℃时O3平均浓度为191.0 μg/m3, 是30~31 ℃时的2.36倍(81.0 μg/m3), 是25~26 ℃时的3.82倍(50.0 μg/m3)。O3平均浓度基本上随着湿度的增加而减小, 当相对湿度为35%~40%时O3平均浓度为103 μg/m3, 是70%~75%时的1.5倍(66.0 μg/m3时), 是85%~100%时的2.5倍(41.0 μg/m3时)。这与黄俊等[37]对广州近地面臭氧浓度特征分析得出的结论一致, 高温低湿有利于O3浓度的增加。
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图 4 不同气温(a)和相对湿度(b)下的O3平均浓度变化 箱体表示中位数、平均值、上四分位数和下四分位数, 引线表示10%和90%最大值。 |
为了更进一步了解惠州市臭氧一级、二级和超标功能区气象条件的差异、变化特征, 分析了全年(图 5)、雨季和旱季(图略)一级、二级和超标时降雨概率、气温、日照时数和相对湿度的逐时变化特征。具体到全年而言, 降雨概率一级时出现最高, 每个时刻出现的概率均在10%以上; 二级次之, 每个时刻出现的概率均在4%以下; 值得提出的是超标00—12时降雨概率均为0.0%, 13时起有时降雨概率升高甚至高于二级, 这主要是雨季超标时易出现午后热对流产生的雷阵雨所致。旱季一级时降雨概率均在9%以上, 二级时仍偶有降雨, 超标时则各时刻降雨概率均为0.0%。对气温而言, 全年、雨季和旱季的变化趋势基本一致, 都是超标时气温具有明显的日变化, 以全年为例, 气温日较差为8.7 ℃; 而一级时气温的日变化较小, 以全年为例, 气温日较差为4.3 ℃。对日照时数而言, 全年、雨季和旱季的变化趋势基本一致, 都是超标时日照最充足, 以全年为例, 09—16时平均日照时数都在0.8 h以上; 而一级时日照时数偏少, 以全年为例, 09—16时平均日照时数都在0.4 h以下。对相对湿度而言, 全年、雨季和旱季的变化趋势基本一致, 都是超标时相对湿度具有最大的日变化, 以全年为例, 日较差为35.2%;而一级时相对湿度的日变化较小, 以全年为例, 日较差为17.2%。
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图 5 惠州市全年O3-8 h不同级别时降雨概率(a)、气温(b)、日照时数(c)和相对湿度(d)的逐时变化 |
统计分析了惠州市全年、雨季和旱季不同级别臭氧功能区的风向频率值(表 2)。具体到全年而言, 惠州市一级大多出现在东北风和东南风之下, 东北风NNE、NE、ENE均在10%以上, 最高为NE的19.8%, 东南风ESE、SE和SSE合计出现频率为27.7%, 最高为SE的14.8%;超标有3个主要的风向均在5%以上, 东北风NNE、NE和ENE合计出现频率为21.8%, 东南风ESE、SE和SSE合计出现频率为20.8%, 最高为SE的12.2%, 偏西风WSW、W、WNW和NW合计出现频率为35.8%, 最高为NW的12.3%。雨季一级主要出现在偏东的风向下, NNE、NE、ENE、E、ESE、SE、SSE出现频率均在6%以上, 合计出现频率为76.7%, 最高为SE的20.6%;雨季超标主要出现在偏西风下, WSW、W、WNW、NW出现频率均在10%以上, 合计出现频率为53.4%, 最高为NW的17.6%, 另值得提出的是SE的出现频率也高达11.7%。旱季一级主要出现在东北风下, NNE、NE、ENE的出现频率均在13%以上, 合计出现频率为63.1%, 最高为NE的30.2%;旱季超标主要出现在东北风和东南风下, N、NNE、NE、ENE、E、ESE、SE出现频率均在6%以上, 合计出现频率为77.4%, 最高为NE的17.7%, NNE、SE也高达15.2%、13.1%。
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表 2 惠州市不同季节不同级别臭氧功能区风向频率值(%) |
为了更进一步分析臭氧不同功能区与风向的关系, 统计分析了惠州市不同风向下一级、二级和超标臭氧功能区的出现概率(表 3)。惠州市当出现WSW、W、WNW和NW这几个风向时出现臭氧超标概率较高, 从全年平均来看出现概率均在15%以上; 雨季和旱季的出现规律与全年基本一致, 其中雨季超标出现概率在20%以上, 最高为WNW的22.0%。
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表 3 惠州市全年、雨季和旱季不同风向时不同级别臭氧功能区的出现概率(%) |
(1) 2013—2016年珠三角东侧惠州市臭氧年平均浓度、超标年出现日数和臭氧污染日等均呈明显下降趋势, 这说明近年来惠州市空气质量在持续改善, 臭氧污染呈减弱趋势。臭氧污染具有明显的月和季节变化特征, 臭氧平均浓度最高出现在10月, 臭氧超标日和污染日主要出现在7—10月。臭氧浓度的日变化呈单峰变化, 夜间臭氧浓度较低, 06—08时浓度最低, 随后臭氧浓度开始大幅上升, 最大值出现在午后14—15时, 之后浓度又逐渐降低; 臭氧浓度一级时日变化幅度较小, 二级时日变化幅度较大, 超标时日变化幅度最大。
(2) 惠州市臭氧一级、二级和超标出现时的气象条件有较大差异, 一级大多出现在气温较低、相对湿度较大、风速较大、云量较多伴有降水且日照时数较小的天气, 超标则出现在气温较高、相对湿度较小、风速偏小、云量较少一般无降水且日照充足的天气, 也即晴朗干燥天气。超标时气温、日照时数和相对湿度具有更明显的日变化特征。
(3) 惠州市全年臭氧一级大多出现在东北风和东南风之下, 臭氧超标有3个主要的风向东北风、东南风和偏西风合计出现频率分别为21.8%、20.8%和35.8%, 最高为NW的12.3%。汛期臭氧超标时WSW、W、WNW、NW出现频率均在10%以上, 合计出现频率为53.4%, 最高为NW的17.6%, 这说明臭氧污染易出现在偏西风下。惠州市位于珠三角城市群东侧, 当天气晴朗干燥时有利于臭氧生成, 地面和低空吹偏西风则惠州市处于珠三角城市群的下风向存在区域污染输送的可能。
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