青海省海東市高海拔地區臭氧時空變化與氣象條件影響分析

閆學全，曹東山

(1.海東市生態環境監測站，青海 平安 810600；2.海東市互助縣生態環境監測站，青海 互助 810500)

對流層臭氧(O3)是揮發性有機物(VOCs)和氮氧化物(NOx)在太陽光照射下發生光化學反應的產物，是典型的二次污染物，也是造成我國區域大氣復合污染的重要因素[1]。當對流層臭氧特別是近地面臭氧超過自然水平時，會對人體健康、生態系統、氣候變化等方面產生顯著影響，近年來我國O3問題日益顯現，當前已成為影響環境空氣質量、影響人民群眾健康安全的重要因素，部分地區污染天中臭氧污染天占比已超過顆粒物污染占比[1-2]。

尤其是近年來眾多城市氣溫高于往年同期[3]，且海東市在內的大多數城市以O3為首要污染物的日期均有所提前[4-5]。O3濃度受很多氣象因素共同影響，與太陽輻射、溫度和日照時間成正相關[6]。近年來我國如京津冀、長三角、珠三角和川渝地區關于O3成因和污染特征分析的研究十分注重。但針對西藏、青海地區尤其是城市群O3研究比較缺乏，而且多關于平流層和對流層的輸送問題，對于局地臭氧污染關注很少。雖然相比于其他城市，青海整體空氣質量較好，但城市臭氧也已成為影響或造成污染天氣出現的主要原因之一。根據監測數據分析，2019—2021年海東市分別出現5天、3天、5天臭氧輕度污染天，約占全年有效天的1%～2%，約占污染天比重的20%～30%，O3濃度逐年呈上升趨勢，O3污染天在全年污染天中占比較大，污染較為突出。因此做好O3管控工作對提升海東市環境空氣質量顯得尤為重要。本文為研究海東市O3污染特征及其影響因素，統計海東市2019—2021年的地面監測數據與相對應的氣象條件，探究O3和氣象條件的相關性。

1 材料與方法

1.1 采樣地點與時間

本研究收集了海東市2019—2021年國控環境空氣質量監測站臭氧濃度，空氣污染資料來源于海東市生態環境監測站和全國空氣質量實時發布平臺。

1.2 評價方法

大氣中的O3評價體系參考《環境空氣質量指數(AQI)技術規定(試行)》(HJ 633-2012)[7]，本文除了小時均值外(O3-1h)，還將臭氧日最大8小時滑動平均濃度(MDA8，記為O3-8h)，用于評價長時間積累臭氧濃度的趨勢判斷指標，具體參考《環境空氣質量評價技術規范(試行)》(HJ663-2013)[8]。針對海東市，將8小時最大滑動平均值的第90百分位數(MDA8-90)作為年評價值。用于評價該城市整體污染情況。

2 結果與分析

2.1 臭氧污染時空特征

2.1.1年際變化

海東市O3-1h平均濃度和O3-8h平均濃度見表 1。2019—2021年O3-1h年平均濃度56～59μg·m-3，均值58μg·m-3，誤差±2μg·m-3；O3最大8h平均濃度97～99μg·m-3，均值98μg·m-3，誤差±1μg·m-3；O3最大8h濃度第90百分位數136～138μg·m-3，均值137μg·m-3，誤差±1μg·m-3。分別出現5天、3天、5天輕度污染天，一級標準超標小時數分別為71天、27天、36天，整體有所下降。近三年海東市O3污染天約占全年有效天的1%～2%，約占污染天比重的20%～30%。O3污染天在全年污染天中占比較大，污染較為突出。相比于其他地區，如同時期成都平原O3-8h濃度和超標率達145μg·m-3和38%[4-5]，2019年海南省O3-8h為145μg·m-3[9]，雖然海東市無持續污染天數段，但O3濃度也不容忽視。

表1 海東市O3-1h和O3-8h濃度統計/μg·m-3

2.1.2月變化

3年月平均濃度情況和污染天情況見圖 1。月平均濃度與污染天數月變化趨勢基本一致，都與太陽輻射和溫度呈正相關，隨著月份先上升再下降。O3月平均濃度呈單峰型，夏季濃度較高，冬季濃度較低。7月平均濃度最高，為151μg·m-3，12月最低，為68μg·m-3，峰值大致是谷值的2.2倍。在污染超標天數方面，O3超標日主要在6～8月出現，其中6月超標天數最少，8月最多，均為輕度污染天。

圖1 2019—2021年總超標天數及O3濃度逐月變化圖

2.1.3日變化

圖2 2019—2021年O3-1h平均濃度變化圖

2.1.4周末效應

選取2019—2021年周六至周日和周一至周五(工作日已排除節假日)，繪制O3周末效應圖。周末O3濃度高于工作日，早、晚高峰期最為明顯，主要原因是周末生成的VOCs和NO減少，NO抑制比平時弱；其余時間段對比效果不明顯。整體分析，周末效應對海東市O3濃度影響不明顯。

圖3 2019—2021年O3周末效應圖

2.2 氣象條件與臭氧關系

O3污染和天氣要素相關研究較多，現有研究多認為強暖性、O3擴散條件差的氣象條件易發生O3重污染事件[10]。通過近三年O3濃度變化特征分析，海東市5～9月污染問題較為突出。進一步將同時期氣象數據提取分析，對比氣象數據與O3濃度的關系，計算氣象要素和O3的相關性，得到溫度、濕度、輻射、風速與O3的相關性，見表2。如表所示，溫度、濕度、風速和太陽輻射與臭氧濃度的相關性均較高，說明都是臭氧生成的主要影響因素。結合單獨氣象要素進一步分析O3污染條件。

表2 海東市氣象與O3濃度的相關系數

2.2.1溫度

圖4 溫度對O3濃度的影響

2.2.2濕度

根據近三年相對濕度及O3濃度相關性分析，兩者呈負相關關系。從24小時變化圖來看，伴隨相對濕度的上升-下降-上升，臭氧濃度出現與之相反的趨勢，O3濃度高值時段相對濕度偏小(約50%以下)。從不同濕度條件下O3濃度超標率情況看，相對濕度低于30%時，超標率高達12.2%；相對濕度在30%～40%時，超標率為5.1%，相對濕度大于50%時，超標率明顯下降。隨著相對濕度的增加O3的生成速率減緩，其次大氣中的水蒸氣也會吸收太陽輻射，減少O3生成。高濕并不利于O3累積，較干燥的氣象條件利于累積。當相對濕度小于40%時，O3超標率明顯增加。

圖5 不同溫度區間O3濃度和超標率變化

2.2.3太陽輻射

從24小時變化圖來看，輻射強度與O3濃度均為單峰型分布，且均于午后達到日最高值，同時O3濃度峰值比太陽輻射峰值滯后1～2h，說明O3濃度隨著太陽輻射增大而增大。太陽總輻射主要通過光化學反應作用影響O3生成速率，故O3與太陽總輻射相關性顯著。從不同輻射強度條件下O3濃度超標率情況看，輻射強度小于500W·m-2時，超標率為0；500～700W·m-2時，超標率為3.2%；700～800W·m-2時，超標率為11.6%；800～900W·m-2時，超標率為11.9%；大于900 W·m-2時，超標率為23.5%。輻射強度達到900 W·m-2以上時，超標概率較大。

圖6 相對濕度對O3濃度的影響

圖7 不同相對濕度區間O3濃度和超標率變化

圖8 輻射強度對O3濃度的影響

2.2.4風向風速

風向風速因素在O3及其前體物的區域分布中占據重要地位。統計近三年風向可知，海東市以東風為主，風頻為41%。當主導風向為東、東南或西北方向時污染物的濃度比較高(平均濃度大于80μg·m-3)(圖 10)。從24小時變化圖來看，風速與O3濃度呈單峰型分布，伴隨風速的增加，O3濃度呈下降趨勢。風速越大，水平擴散能力越強，越有利于空氣中O3的擴散；風速越小，O3越容易積累。

圖9 不同輻射強度O3濃度和超標率變化

圖10 臭氧風頻玫瑰圖

圖11 風速對O3濃度的影響

3 結論

(2)氣象因素中溫度、輻射強度、濕度、風向風速對O3濃度有著顯著的影響。溫度、輻射強度、小風速與O3濃度有著正相關關系，O3濃度隨溫度變化顯著，但對于輻射強度來講，需要一定時間(大于 8h)才能使濃度顯著升高，當主導風向為東、東南或西北方向時，臭氧污染較為嚴重，同時在弱風或靜風條件下，容易導致污染物累積，導致空氣中O3濃度增大。濕度與O3濃度有著負相關關系。當溫度大于25℃，濕度小于40%，太陽輻射強度大于900 W·m-2、晴天無雨、弱風或靜風、主導風向為東、東南或西北時，臭氧超標率高；低溫、高濕、低輻射、雨天以及大風等氣象條件下，臭氧超標率低。