潮州市O3 質(zhì)量濃度變化及其與氣象因子的關(guān)系

丁麗佳，凌良新，謝漢良，陳新煜，楊婕俐

（1.潮州市氣象局，廣東潮州 521011；2.饒平縣氣象局，廣東饒平 515700；3.潮州市突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布中心，廣東潮州 521011）

O3作為一種常見的大氣污染氣體，其質(zhì)量濃度的增加對人體健康、生態(tài)環(huán)境和氣候效應(yīng)［1］等均有重大影響。近年來隨著國家、省、市對空氣污染的治理力度加大，可吸入顆粒物污染趨于緩解，而O3的質(zhì)量濃度水平與其前體物之間呈現(xiàn)復(fù)雜的關(guān)系，治理難度大，O3在國內(nèi)的許多城市已成為空氣首要污染物。目前，許多學(xué)者對我國不同地區(qū)O3污染進行了研究，研究表明O3污染具有明顯的季節(jié)變化特征且與氣象條件密切相關(guān)；不同城市，O3污染特征及其與氣象條件的關(guān)系也存在差異性，京津冀地區(qū)O3污染峰值多出現(xiàn)在5—7月；長三角地區(qū)O3污染多發(fā)生在4—9月，一年中出現(xiàn)兩個污染高峰；珠三角地區(qū)O3污染在秋季多發(fā)［2］。廣東省內(nèi)也有不少相關(guān)研究，如李明華等［3］、甘泉等［4］、步巧利等［5］、王文波等［6］、杜勤博等［7］、夏云等［8］分別對惠州、佛山、肇慶、汕頭、揭陽的O3質(zhì)量濃度變化特征及與氣象條件關(guān)系進行研究，發(fā)現(xiàn)晴熱干燥、風(fēng)小的天氣，有利于O3的生成。

潮州市地處廣東省東南部，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)［9］。隨著潮州城市工業(yè)發(fā)展和汽車保有量的增加，2019年以來O3已成為潮州市區(qū)的首要污染物［10-11］。目前針對潮州空氣污染特征的相關(guān)分析仍較少，主要是SO2、NO2、PM10等變化特征分析［12］，針對O3的研究限于來源分析［13］，對O3的較長時間尺度污染特征研究和影響因素分析等仍為缺乏。本研究利用2014—2020年潮州市環(huán)境監(jiān)測站空氣自動監(jiān)測子站的O3逐日、逐時數(shù)據(jù)，結(jié)合同期相關(guān)氣象要素資料，研究潮州市O3污染特征及與氣象條件關(guān)系，以期為改善空氣質(zhì)量和O3污染防治提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料

本研究所用資料包括2014年1月1日—2020年12月31日潮州國家氣象觀測站的逐日、逐時地面氣象觀測資料；潮州市區(qū)的西園路、檔案局空氣自動監(jiān)測子站2014年1月1日—2020年12月31日逐時空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)。

1.2 方法

污染物質(zhì)量濃度及分級處理：提取潮州市區(qū)2個空氣自動監(jiān)測子站的O3質(zhì)量濃度小時數(shù)據(jù)，將同一時刻的O3質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)做均值處理，得出逐時O3質(zhì)量濃度；并采用8 h滑動平均，求出逐日O3最大8 h平均質(zhì)量濃度。對O3質(zhì)量濃度按《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》（GB3095-2012）［14］、《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）》（HJ633-2012）［15］的污染物項目質(zhì)量濃度限值進行分級，如表1所示，輕度污染以上即為超標。

表1 O3質(zhì)量濃度分級對應(yīng)的質(zhì)量濃度閾值μg·m-3

氣象數(shù)據(jù)處理：提取潮州市國家氣象觀測站（59312）逐時降水、氣溫、日照、相對濕度、風(fēng)向、風(fēng)速數(shù)據(jù)，并按對應(yīng)的同時次的O3級別進行分類。

利用均值處理等方法對不同級別O3質(zhì)量濃度的年、季、月、日變化特征進行分析，采用相關(guān)統(tǒng)計方法分析O3質(zhì)量濃度與氣象因子的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 臭氧變化

1）年變化。

統(tǒng)計2014—2020年潮州市區(qū)年平均O3質(zhì)量濃度及8 h滑動平均質(zhì)量濃度，O3質(zhì)量濃度一級、二級、超標日數(shù)（圖1），結(jié)果顯示潮州市區(qū)O3平均質(zhì)量濃度、最大8 h滑動平均質(zhì)量濃度、二級及超標年出現(xiàn)日數(shù)均呈波動下降趨勢，2015年O3污染較明顯，2016—2017年呈下降趨勢，2018年再度上升，出現(xiàn)次峰，2019—2020年再度下降。潮州市區(qū)O38 h質(zhì)量濃度2014—2020年平均為102.4μg·m-3，最大值為246.1μg·m-3，其中2015年的平均值最高，達到117.7μg·m-3，2020年最低，為91.9μg·m-3，比2015年下降了21.9%。O3質(zhì)量濃度2014—2020年平均為64.1μg·m-3，最大值為170.5μg·m-3，以2015年的平均值最高，達到73.4μg·m-3，2020年最低，為57.1μg·m-3。潮州市區(qū)O3質(zhì)量濃度各等級年出現(xiàn)日數(shù)呈一級波動增加、二級與超標日數(shù)波動減少的趨勢，超標年出現(xiàn)日數(shù)（超標日）最多的是2015年，達到69 d，其次是2014，為35 d，2017年超標日有較明顯下降，為18 d，2018年再度上升到30 d，2019年以后持續(xù)下降，2020年超標日僅為8 d。潮州市區(qū)O3污染日中輕度污染日約占污染日的93.0%，中度污染日僅2014、2015、2018年分別出現(xiàn)3、11、1 d，無重度及以上的O3污染日。

圖1 O3和O3 8 h質(zhì)量濃度（a）以及各級別污染日數(shù)（b）的逐年變化

2）月和季節(jié)變化。

統(tǒng)計分析潮州市區(qū)2014—2020年O3質(zhì)量濃度及各級別日數(shù)的逐月和季節(jié)變化（圖2）。從質(zhì)量濃度的月變化（圖2a）來看，O38 h平均質(zhì)量濃度最高出現(xiàn)在10月，最低出現(xiàn)在12月，汛期和枯水期基本一致、前汛期略高于后汛期。O3月平均質(zhì)量濃度最高出現(xiàn)在10月，最低出現(xiàn)在7月，最低月的質(zhì)量濃度為最高月的61.5%，呈枯水期高于汛期、前汛期高于后汛期的季節(jié)變化特征。O3超標日的逐月及季節(jié)變化呈汛期高于枯水期、前汛期高于后汛期的季節(jié)變化特征（圖2b）。一年中各月份均出現(xiàn)過超標日，其中10月最多，達6.3 d，其次是9月，為4.7 d，2、6、7、12月最少，為1 d。O3中度污染日在3、4、5、10月都有出現(xiàn)，主要出現(xiàn)在4和10月，10月出現(xiàn)中度污染日最多。以上分析結(jié)果表明，潮州市區(qū)O3質(zhì)量濃度較高、超標日出現(xiàn)較多的時段主要是夏末到初秋，這一時間段潮州降水趨于減少，而氣溫仍然較高；另一個時段是春末到初夏，這個時間段潮州氣溫明顯上升，降水仍未明顯增加，有利于O3的形成。這與杜勤博等［8］對汕頭市O38 h污染特征分析得出的結(jié)論基本一致，秋季為一年中O38 h質(zhì)量濃度較高時段，也存在一定的差異，汕頭污染較小出現(xiàn)在6月，潮州出現(xiàn)在7月。

圖2 不同時段O3的逐月、季節(jié)變化

3）日變化。

分析潮州市區(qū)O3質(zhì)量濃度全年、枯水期、汛期、前汛期和后汛期逐時變化（圖略），結(jié)果顯示各時段的O3質(zhì)量濃度的日變化規(guī)律基本相同，均呈單峰變化。O3質(zhì)量濃度在07：00—08：00（北京時，下同）出現(xiàn)最低值，隨后迅速上升，最大值出現(xiàn)在午后14：00—16：00，之后質(zhì)量濃度又逐漸降低。其中汛期最小值和最大值分別出現(xiàn)在07：00和14：00；全年最大值出現(xiàn)在15：00、最小值出現(xiàn)在07：00，枯水期最大值出現(xiàn)在16：00、最小值出現(xiàn)在08：00，推遲1～2 h。按O3質(zhì)量濃度1 h限值標準對逐時O3質(zhì)量濃度進行分級，發(fā)現(xiàn)2014—2020年潮州市區(qū)逐小時O3質(zhì)量濃度大多數(shù)為一級，占總時次數(shù)的99.8%。二級出現(xiàn)在上午10：00到凌晨01：00、03：00；超標出現(xiàn)在11：00—23：00。中度污染出現(xiàn)在14：00—16：00，總共只出現(xiàn)3次。從逐時分級情況看，二級和超標出現(xiàn)規(guī)律與逐時質(zhì)量濃度變化規(guī)律接近，均是在午后14：00—16：00出現(xiàn)峰值，同時，這種變化特征與氣溫的白天高、夜間低的日變化規(guī)律也相似。

2.2 臭氧污染與氣象條件

1）與逐日氣象因子關(guān)系。

以月份為時間段，統(tǒng)計分析2014—2020年潮州市區(qū)逐日O38 h最大質(zhì)量濃度與氣溫、降水、日照、相對濕度、風(fēng)速等氣象因子的關(guān)系，得到表2。

表2 潮州市區(qū)逐月O3 8 h最大質(zhì)量濃度與氣象因子相關(guān)關(guān)系

從表2可以看出，各月逐日O38 h最大質(zhì)量濃度與日最高氣溫呈正相關(guān)關(guān)系，除了9月份外，其余月份的相關(guān)水平達到0.01的顯著相關(guān)關(guān)系；與日最低氣溫除7和11月外，呈正相關(guān)關(guān)系，3、7—8、11月達到顯著相關(guān)水平；與日平均氣溫除9和10月外，呈負相關(guān)關(guān)系，1、4—6、9—10、12月達到顯著相關(guān)水平；與日降水量、日最小相對濕度、日平均相對濕度呈負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)水平均達到0.01的顯著相關(guān)關(guān)系；與日照時數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)水平均達到0.01的顯著相關(guān)關(guān)系；與日平均風(fēng)速除3—5月外，其余月份呈負相關(guān)關(guān)系，8—9、11—12月達到顯著相關(guān)水平?？傮w來看，氣溫高、降水少、日照足、濕度低、風(fēng)速小有利于O38 h最大質(zhì)量濃度升高。但各月的具體情況并不一致，要做好O38 h最大質(zhì)量濃度的預(yù)測需根據(jù)各月O38 h最大質(zhì)量濃度與氣象因子的相關(guān)情況建立不同的預(yù)測模型。

2）與逐時氣象因子關(guān)系。

為了了解潮州市區(qū)不同級別O3質(zhì)量濃度與氣象條件的關(guān)系，進一步分析了全年、汛期和枯水期一級、二級和超標時降水概率、氣溫、日照時數(shù)和相對濕度的逐時變化特征（圖略）。統(tǒng)計結(jié)果顯示，逐時O3質(zhì)量濃度多數(shù)為一級，二級出現(xiàn)于10：00到01：00、03：00，超標出現(xiàn)于11：00到23：00。不同時段的不同級別的逐時O3質(zhì)量濃度與氣象條件的關(guān)系的規(guī)律基本一致，表現(xiàn)為一級的降水概率較高、白天的氣溫較低、日照時數(shù)較少、白天段的相對濕度較高；超標與二級在降水概率、氣溫方面分布規(guī)律較為相似，差異在于超標日照時數(shù)更高、相對濕度夜間更低。從降水概率的逐時變化看，不同時段的一級的逐時降水概率均在5.7%以上；二級與超標時出現(xiàn)降水的概率較低，僅在16：00、17：00、20：00出現(xiàn)降水。特別是超標時，枯水期各時次的降水概率均為0.0%，而全年和汛期僅在16：00出現(xiàn)降水，這可能與汛期O3質(zhì)量濃度峰值出現(xiàn)時間是在14：00，發(fā)生于16：00的熱對流改變不了超標的結(jié)果。從氣溫來看，各時段的二級和超標的白天氣溫均較一級偏高，而夜間則有差異，其中全年二級和超標的夜間氣溫與一級相近，汛期二級和超標的夜間氣溫較一級偏低，枯水期二級和超標夜間氣溫較一級偏高，總體來說，二級和超標的氣溫日較差比一級偏大；另外，不同時段的二級和超標在10：00—12：00均存在氣溫大幅上升現(xiàn)象。各時段日照時數(shù)變化趨勢基本一致，都是超標時日照最充足，超標時11：00—16：00平均日照時數(shù)都在0.8 h以上，尤其是11：00日照時數(shù)最高，均為1 h；而一級時日照時數(shù)偏少，各時次的平均日照時數(shù)都在0.6 h以下。從相對濕度的變化可以看出，各時段一級白天的相對濕度均比二級和超標偏高，夜間則存在一定差異，全年和枯水期的一級和二級夜間的相對濕度接近，超標比前二者偏低，而汛期不同級別夜間的相對濕度均比較接近。

3 結(jié)論

1）2014—2020年潮州市區(qū)O3年平均質(zhì)量濃度、超標出現(xiàn)日數(shù)均呈波動下降趨勢，這說明近年來潮州市區(qū)O3污染呈減弱趨勢。O3質(zhì)量濃度具有明顯的月和季節(jié)變化特征，O3平均質(zhì)量濃度峰值出現(xiàn)在4—5、9—10月，相應(yīng)的O3超標日主要出現(xiàn)在4—5、9—10月。O3質(zhì)量濃度的日變化呈單峰變化，其中在07：00—08：00出現(xiàn)最低值，隨后迅速上升，最大值出現(xiàn)在14：00—16：00，之后質(zhì)量濃度又逐漸降低。

2）潮州市區(qū)逐日O38 h最大質(zhì)量濃度與日最高氣溫、日照時數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，與日降水量、日最小相對濕度、日平均相對濕度呈負相關(guān)關(guān)系，與日平均風(fēng)速基本呈負相關(guān)關(guān)系。O3一級、二級和超標出現(xiàn)時的氣象條件有較大差異，一級大多出現(xiàn)在氣溫較低、相對濕度較大、日照時數(shù)較少，多伴有降水的天氣，超標則出現(xiàn)在降水少、氣溫高、相對濕度小、日照時數(shù)多、風(fēng)速小的天氣。

潮州市區(qū)不同時段逐日、逐時O3質(zhì)量濃度與氣象因子存在不同的相關(guān)關(guān)系，要做好O3質(zhì)量濃度的預(yù)測需根據(jù)對應(yīng)時段O3質(zhì)量濃度與氣象因子的相關(guān)關(guān)系建立不同的預(yù)測模型，這將是下一步要研究的內(nèi)容。