临汾城区近地面臭氧浓度及相关气象因子分析

临汾城区近地面臭氧浓度及相关气象因子分析

李旸 1 李晖 1 李晨光 1 孔雪 2 贾翔宇 3 郝靖 1

1.山西省气象服务中心，山西太原 030002； 2.娄烦县气象局，山西太原 030300； 3.临汾市气象局，山西临汾 041000

摘 要：利用2016年1月-2018年5月临汾市国家基本气象站的观测资料和城区6个环境监测点的臭氧（O₃）监测数据，探究临汾城区近地面O₃浓度特征及其与气象条件的关系。结果表明:臭氧平均浓度最大，超标率最高；降水对臭氧浓度的影响则无明显变化特征，但量级为小雨的降水对臭氧的清除作用最强。

关键词：臭氧浓度;时空分布;气象因子;超标率

引言

臭氧（O3）是大气中重要的微量气体，其主要存在于平流层，对流层中的含量仅占到大气臭氧总量的10%[1]。平流层中的O3对太阳强紫外辐射具有良好的吸收效果，对人类健康和生态环境起到保护作用。在近地面O3作为一种强氧化剂，适量的O3在一定程度上可以清洁大气[2-4]，但是O3过量不但会对人体呼吸系统、神经系统、心血管以及皮肤等造成伤害[5]，而且会加速空气中PM2.5的形成转化，从而对空气质量造成影响[6]。近年来随着城镇化、工业化进程的加快以及机动车保有量的快速增长，光化学烟雾污染日趋严重，臭氧作为光化学烟雾的首要污染物，其生成速率和浓度不仅受到NO_X、CO和VOC_S等前体物浓度的影响[7]，而且与气象条件有着紧密的联系。

1 资料与和方法

本文选取临汾市城区2016年1月1日-2018年5月31日6个环境监测站点近地面臭氧监测资料和气温、相对湿度、降水和日照时数等气象资料。其中，气象资料来源于临汾市国家基本气象观测站，主要包括平均气温、最高气温、相对湿度、降水、日照时数等要素。6个监测站点为：南机场、工商学校、市委、唐尧大酒店、临钢医院、技工学校，全市平均指6个环境监测点的平均值，各指标的含义、日评价和计算方法见《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)和《环境空气质量指数(AQI)技术规定》(HJ 633—2012)。

2 临汾城区O₃的变化特征

2. 1 总体变化特征

根据国家环境保护标准《HJ633—2012 环境空气质量指数( AQI) 技术规定( 试行)》规定，当臭氧日最大8 h滑动平均浓度>160μg/m³时超标，反之则达标。从图1可以看出，临汾市城区2016年1月1日到2018年5月31日监测出O₃浓度超标日数为151天，占到总监测天数的17.14%，且O₃浓度整体呈上升趋势。其中2016年全年超标日数为13天，占超标总日数的8.61%，均为轻度污染；2017年O₃浓度超标较为严重，达到111天，占超标总日数的73.51%，同时存在36天中度及以上污染天气；2018年1月到5月O₃浓度超标为27天，主要为轻度污染。

图1：2016年1月1日到2018年5月31日临汾市城区逐日O₃-8h浓度

2. 2 月变化特征

由图2可知，临汾城区O₃浓度5-9月为高值区，其他月份偏低，且在6月臭氧浓度达到最大值。此外O₃月超标日数与月均浓度变化特征一致，最高超标日数为6月的27天。

值得注意的是，2018年首个臭氧超标日较2016年和2017年出现时间明显提前，出现在3月13日，臭氧浓度为O₃-8h为161μg/m³；2017年出现在4月6日，O₃-8h为177μg/m³；2016年出现在5月10日，O₃-8h为170μg/m³。

图2：2016年1月-2018年5月临汾市城区O3月均浓度和月超标日数

2. 3 日变化特征

5-9月为高浓度臭氧出现的频发期，通过图3可以看出， 5-9月臭氧浓度日变化特征一致，均呈现“一谷一峰”特征。0:00-7:00时臭氧浓度逐时下降，可能因为气温是影响臭氧生成的重要因素， 0:00-7:00气温逐渐降低，不利于空气中臭氧气体的生成；8:00时以后随着气温和光照强度的逐渐增大，产生O₃的光化学反应也逐渐增强，导致臭氧浓度逐渐升高，在14:00-17:00时臭氧浓度达到最大值。之后随着气温及光照强度的减弱，臭氧浓度又逐渐降低。由此可见，光照强度和气温是影响近地层臭氧浓度的重要因素。

图3:2017年5-9月临汾市城区O₃浓度日变化

3 O₃浓度与气象因子的关系

3.1 气温对O₃的影响

由2016年1月至2018年5月临汾市城区日平均气温对O₃污染的影响可以看出，气温是影响臭氧浓度和超标率的重要气象因子。临汾市臭氧浓度与超标率均与日平均气温呈正相关，都随着气温的上升而升高。当气温不高于10℃时，臭氧浓度最低，值为56.7μg/m³，且此时超标率也最低。由此可见，高温天气是加速臭氧污染的重要天气条件，因此做好高温天气下臭氧浓度监控以及控制臭氧前体物浓度增长对防止臭氧浓度超标具有重要意义。

3.2 相对湿度对O₃的影响

由2016年1月至2018年5月临汾市城区日平均相对湿度对O₃污染的影响可知，临汾市O₃平均浓度和O₃超标频率分布为单峰型，即当相对湿度介于40%至50%之间，O3浓度和O₃超标频率为最大值，平均浓度最大为120.1μg/m3，超标率达26%；当相对湿度大于50%时，臭氧浓度和超标频率与相对湿度呈负相关，即随着相对湿度的增加，空气中臭氧含量呈递减趋势，超标率也逐渐下降。因此，高湿天气对于臭氧污染的抑制有一定的积极作用。

3.3 日照时数对O₃的影响

由2016年1月至2018年5月临汾市城区日日照时数对O₃污染的影响可知，临汾市城区O₃平均浓度和O₃超标频率随日照时数的升高而升高。当日照时数≤2h，O₃浓度平均值较低，当日照时数超过8h后，O₃浓度平均值迅速升高，超过12h后达到最大为192.4μg/m³，超标率达76%。这主要是因为日照时数超过8h主要出现在夏季，气温升高，从而光化学反应增强，导致了O₃产生量增加。

3.4 降水对O₃的影响

为分析降水对O₃的影响，按照国家气象局颁布的降水强度等级划分标准，将日降水量分为：无雨日、微量（0.0mm）、小雨（0.1-9.9mm）、中雨（10.0-24.9mm）、大雨（25.0-49.9mm）和暴雨（50.0-99.9mm）。分别统计了不同降雨强度下平均O₃浓度分布和超标率。由此可见，O₃平均浓度和超标率并非随着降水增加而简单的线性减少，其中原因还需进一步研究。

4 结 论

（1）临汾城区近地面O₃平均浓度整体呈上升趋势，且O₃二级超标日数逐渐增多。

（2）全年中5-9月O₃浓度处于较高水平，尤其表现在夏季。6月浓度达到峰值，污染最为严重。

（3）O₃浓度日变化特征明显，呈现“一谷一峰”；7:00-8:00臭氧含量最低，在14:00-17:00时浓度达到最大。

（4）高温、日照时数的增加均有利于大气臭氧含量的增多；当相对湿度介于40%至50%之间，臭氧平均浓度最大，超标率最高；降水对臭氧浓度的影响则无明显变化特征，但量级为小雨的降水对臭氧的清除作用最强。

参考文献：

[1] 楚甜, 文翔, 田成才, et al. 唐山市沿海地区臭氧浓度变化特征及与气象因子的关系[J]. 农业开发与装备, 2019,205(01):46-47.

[2] 单文坡, 殷永泉, 杜世勇, 等. 夏季城市大气O₃浓度影响因素及其相关关系[J].环境科学, 2006,27(07):1276-1281.

作者简介：李旸（1991-），男，山西太原，硕士，2017年毕业于南京信息工程大学，助理工程师，主要从事应用气象学，农业应对气候变化方向研究工作。