煙臺市區臭氧污染特征及氣象成因

王一龍,董韶妮,徐淑飛,姜 超

(1.煙臺市芝罘環境監控中心,山東 煙臺 264000;2.煙臺市環境監控中心,山東 煙臺 264003;3蓬萊海關綜合技術服務中心,山東 煙臺 265600;4.煙臺市氣象局,山東 煙臺 264003)

近年來,我國大氣細顆粒物(PM2.5)污染總體防控成效顯著,而以O3為首要污染物的中度及以上污染天數上升趨勢明顯[1-3],已演化為影響我國環境空氣質量的重要因素[3-4]。近地面O3主要是由氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)和揮發性有機物(VOCS)等前體物在適宜的氣象條件下發生一系列光化學反應的二次產物,高濃度O3對人類健康、氣候和生態環境造成不利影響[5-7],O3污染問題已引起社會的廣泛關注[8]。目前,關于O3濃度變化特征及生成要素的研究已成為當前大氣污染研究的熱點[9-10]。國內外已有研究表明,近地面O3濃度分布及變化規律存在顯著的區域性差異,但都存在明顯的季節變化和日變化特征[3,11-12],不僅受前體物排放和大氣光化學過程控制,還與局地氣象條件密切相關[13-14]。此外,O3濃度變化還具有一定區域傳輸特性[15],與周邊O3及其前體物區域傳輸有關[16-17]。

煙臺是山東半島的中心城市之一,也是重要的港口城市,屬暖溫帶大陸性季風氣候,兼受海洋性氣候調節,具有獨特的氣候特征[18]。自2017年O3成為煙臺市首要污染物以來,近幾年O3污染問題日益突出,其中2019年煙臺市O3作為日首要污染物的比例高達40.8%。本文基于煙臺市區2018—2020年逐時O3監測數據及同期氣象觀測資料,分析了煙臺O3濃度分布特征及其與氣象條件的關系,探討了利于煙臺市區O3污染形成的氣象因子閾值,以期為煙臺市區O3污染預警及防治提供參考依據。

1 資料和方法

本研究對煙臺市區2018—2020年的空氣質量數據和氣象數據進行分析?？諝赓|量數據來源于煙臺市環境監控中心共享數據,研究區域內包括煙臺開發區、軸承廠、西郊化工站等7個國控地面監測站,基本覆蓋整個煙臺市區。氣象觀測資料來源于煙臺市國家氣象觀測站同時期數據,包含氣溫、氣壓、相對濕度、小時降雨量、風速及風向逐時數據。文中ρ(O3-1h)、ρ(O3-8h)分別為臭氧質量濃度小時平均值和臭氧質量濃度8 h滑動平均值,O3小時超標是指ρ(O3-1h)>200 μg/m3,O38 h滑動平均超標是指ρ(O3-8h)> 160 μg/m3,指標解釋及評價方法見相關標準[19-20]。

2 結果與討論

2.1 ρ(O3)總體變化特征

煙臺市區2018—2020年O3濃度統計顯示(圖1),ρ(O3-8h)變化范圍為16～259 μg/m3,平均值為101 μg/m3。由圖1可知,ρ(O3-8h)分布主要集中在50～160 μg/m3之間,占85.4%,其中ρ(O3-8h)>160 μg/m3共出現了93 d,且主要分布在3—10月份,以5—6月份居多,分別出現了14 d 和17 d。依據《環境空氣質量標準》[19]評價可知,ρ(O3-1h)最大為288 μg/m3,為國家二級標準的1.4倍,累計超標124 h,濃度高值集中在4—10月份,其中以6月份為最高,超標時刻主要集中在13:00—17:00。ρ(O3-1h)連續超標4 h以上的共有8 d,分別出現在6、8和9月份,天數依次為3、2、2 d;最長連續超標時長為11 h,出現在2020年6月19日11:00—21:00。

圖1 2018—2020年煙臺市區ρ(O3-8h)逐年變化

2.2 ρ(O3-1h)季節變化特征

由圖2可見,煙臺市區ρ(O3-1h)在一年中整體表現為中間高,兩頭低的趨勢。一年中ρ(O3-1h)平均值最高點出現在6月份為(179±7) μg/m3;最低點出現在12月份,為(71±9) μg/m3。從季節劃分(3、4、5月份為春季,6、7、8月份為夏季,9、10、11月份為秋季, 12、1、2月份為冬季)角度來看,煙臺市區O3濃度在不同季節的變化特征為夏季>春季>秋季>冬季(圖3)。其中,秋、冬季ρ(O3-1h)較低,且冬季無O3超標發生,主要是受低氣溫影響,導致光化學反應較弱而造成的;春季近地面ρ(O3-1h)明顯升高,可能與春季多發“對流層頂折疊”現象及對流層上部高濃度O3通過沉降等作用向下傳輸有關[21];夏季太陽輻射、氣溫明顯高于其他季節,O3前體物光化學反應進一步加劇,因此ρ(O3-1h)高于其他季節。

圖2 2018—2020年煙臺市區ρ(O3-1h)逐月變化

圖3 2018—2020年煙臺市區ρ(O3-1h)不同季節變化

2.3 ρ(O3-1h) 日變化過程

由圖4可以看出,煙臺市區ρ(O3-1h)日變化過程整體呈明顯的“單峰單谷”型分布,與多個地區ρ(O3-1h)日變化特征一致[22-24]。日變化過程主要包含O3及其前體物的前夜累積、清晨氮氧化物大量排放O3抑制、O3光化學生成、O3消耗4個階段。夜間至清晨無光化學反應,但近地面O3不斷被NO消耗,濃度逐漸降低,一般早8:00時達到O3濃度谷值。隨著交通早高峰的到來,大量汽車尾氣中的氮氧化物等O3前體物釋放,輻射強度及氣溫升高,光化學反應增強,O3濃度不斷升高,午后14:00—15:00時O3濃度達到峰值,上述時段為O3光化學生成階段。隨后,O3濃度隨著紫外輻射強度的減弱迅速降低,下午16:00到凌晨是O3消耗及沉積階段,交通晚高峰機動車排放的NO使得O3的消耗速率加快,而同時排放的氮氧化物等O3前體物因光線條件下降而不再發生光化學反應,至次日凌晨7:00—8:00時,O3濃度降低至一天中的最低水平。

圖4 2018—2020年煙臺市區ρ(O3-1h)日變化特征

2.4 溫濕度對ρ(O3-1h)的影響

研究表明,氣溫高低對O3的生成速率影響顯著[25]。由圖5可以看出,從低到高不同的溫度區間,ρ(O3-1h)及超標率變化相似,呈遞增趨勢。當氣溫<15 ℃時,ρ(O3-1h)超標現象出現;當氣溫介于15～20 ℃時,ρ(O3-1h)超標率僅為0.15%;當氣溫介于20～25、25～30 ℃時,ρ(O3-1h)超標率上升明顯;當氣溫>30 ℃ 時,ρ(O3-1h)超標率超過10%。該結果與成都、廣州等地區的O3研究結論一致[26-27],這主要是由于隨著氣溫和太陽輻射增強,大氣光化學反應加劇,致使O3濃度快速攀升[28]。

圖5 2018—2020年煙臺市區ρ(O3-1h)及超標率隨氣溫的變化

由圖6可知,當相對濕度在30%～40%時,ρ(O3-1h)>100 μg/m3,超標率最高可達2.18%。當相對濕度>70%時,ρ(O3-1h)低于50 μg/m3,濃度下降趨勢明顯;當相對濕度>90%時,ρ(O3-1h)無超標情況發生。綜上可見,ρ(O3-1h)隨相對濕度的增加而降低,這主要是由三方面原因導致:一是紫外輻射被大氣中水汽的消光機制衰減,光化學反應效率得到抑制;二是O3會被大氣中水汽所含的OH、HO2等自由基分解為O2,致使O3濃度降低;三是有利于O3干沉降作用發生的環境一般相對濕度都較高[29]。

圖6 2018—2020年煙臺市區ρ(O3-1h)及超標率隨相對濕度的變化

如圖7所示,在氣溫相同的條件下,相對濕度越低的大氣環境中O3濃度更高,即“干熱”的氣象條件更有利于近地面O3濃度上升,與杭州、銀川等地區的近地面大氣O3濃度的研究結果相一致[22,30]。主要由兩個因素造成:一是大氣中的長、短波輻射會被大氣中的水汽散射和吸收[31],導致O3濃度因輻射強度減弱而降低;二是水汽可通過影響云量和云狀降低太陽輻射強度,O3的光化學反應受到影響[26]。

2.5 風速、風向對ρ(O3-1h)的影響

風速可決定大氣污染物的傳輸和遷移程度,風向則會影響污染過程中污染物的遷移方向[12]。由圖8可見, 煙臺市區春、夏季主導風向為西南風, 出現頻次分別為21.3%、20.1%,秋季風向主要來自SW—WSW方向,次風向為北風,出現頻次分別為28.3%、14.6%,冬季主導風向為北風、次風向為西南風,出現頻次分別為17.0%、16.5%。當主導風向為西南風向,風速介于2～6 m/s時,ρ(O3-1h)相對最高,這可能與觀測站點西南方向工業區產生的高濃度O3遠距離遷移、傳輸有關;當夏、秋季在偏北風向,風速介于2～4 m/s時,市區ρ(O3-1h)也表現出較高濃度,這主要是由于北向市中心區人口集中、日常交通擁擠,尤其夏、秋季為旅游旺季,站點附近人為源排放的揮發性有機物增加,局地光化學反應增強使得O3的濃度升高。當風速>7 m/s時,ρ(O3-1h)超標頻次顯著降低,這主要是由于隨著風速變大,水平擴散作用逐漸占據主導地位,O3濃度被明顯稀釋。

圖8 2018—2020年煙臺市區不同季節ρ(O3-1h)與風速和風向的關系

2.6 ρ(O3-1h)與氣象因子的相關性分析

由于各氣象因子不服從正態分布,因此對ρ(O3-1h)與氣溫、相對濕度、地面氣壓、風速、小時降雨量采用Spearman相關分析,結果見表1。

表1 2018—2020年煙臺市區不同季節ρ(O3-1h)與氣象因子相關系數

由表1可知,ρ(O3-1h)與小時降雨量、相對濕度、地面氣壓呈負相關,與氣溫、風速呈正相關關系,與長沙市[32]及石家莊[12]O3污染與各氣象因素相關性的結論一致。氣溫是煙臺市區春、夏、秋三季ρ(O3-1h)的首要影響因素,冬季氣溫降低,風速超越氣溫而成為影響煙臺市冬季O3濃度的主要因素。在各氣象因素不能同步調控的情況下,通過人工增加平均相對濕度的方式能夠一定程度降低煙臺市區O3濃度。

2.7 有利于O3形成的氣象因子分析

相關性分析僅可定性或半定量揭示氣象因子與O3濃度之間的關聯性,因此有利于O3形成氣象因子閾值的研究對O3污染預警更具意義?；?018—2020年煙臺市區逐時O3監測數據及氣象因子觀測數據(圖9)可以看出,當相對濕度<70%時,ρ(O3-1h)在平均值水平以上;當相對濕度>70%時,ρ(O3-1h)低于平均值,因此有利于O3形成的相對濕度閾值為70%。同理,當氣溫高于20 ℃、相對濕度低于70%、降雨量低于5 mm、風速介于2.5～6.5 m/s且主導風向為西南風向時,ρ(O3-1h)容易超過均值的氣象閾值,并可初步作為O3污染的預警指標。

圖9 2018—2020年煙臺市區ρ(O3-1h)距平值隨氣溫、相對濕度、風速、降雨量的變化

3 結 論

1)2018—2020年煙臺市ρ(O3-1h)表現出顯著的季節變化特征,夏季最高、春秋次之、冬季最低,濃度高值集中在4—10月份,其中以6月份為最高,濃度低值集中在冬季,且無O3超標發生。

2)煙臺市區每日ρ(O3-1h)谷值出現于8:00,峰值出現于14:00—15:00,日變化特征屬“單峰單谷”型分布。

3)對煙臺市區ρ(O3-1h)正面影響的氣象因素為氣溫和風速,負面影響的氣象因素為氣壓、相對濕度和降雨量。人工增濕是可一定程度降低煙臺市區 O3濃度的一種有效途徑。

4)當氣溫高于20 ℃、相對濕度低于70%、降雨量低于5 mm、風速介于2.5～6.5 m/s、主導風向為西南風時,可初步作為煙臺市區發生O3污染的預警指標。