中山市2015—2019年...标特征及其与气象条件的关系_麦健华.pdf

麦健华，邓涛，于玲玲，等.中山市20152019年臭氧超标特征及其与气象条件的关系J.热带气象学报，2022，38(6)：833-844.文章编号：1004-4965(2022)06-0833-12中山市20152019年臭氧超标特征及其与气象条件的关系麦健华1，邓涛2，于玲玲3，何国文4，李颖昕1，余欣洋1，耿一超1(1.中山市气象局，广东 中山 528400；2.中国气象局广州热带海洋气象研究所，广东 广州 510641；3.广东省气象台，广东 广州 510641；4.暨南大学质谱仪器与大气环境研究所，广东 广州 510632）摘要：利用广东省中山市20152019年的地面臭氧浓度及气象观测数据，分析了中山市近年来臭氧超标与气象条件的关系。结果表明，中山市20152019年臭氧超标天数从22天增加至66天，臭氧年评价值增长36%，中度污染以上天数占超标天数比例从9.1%增长至36.4%。臭氧超标主要集中在811月，其中9月超标天数最多。夏秋季节臭氧超标主要发生在气温高、湿度低、太阳辐射强、日间1014时无明显降水、吹北风的气象条件下，臭氧的污染潜在源区主要位于中山西部到北部的城市。风向和气温是臭氧超标最重要的指标，夏、秋季日间吹北风且日最高气温在33 或以上时超标率分别达到89.1%和78.6%。2017年和2019年在相同的最高温、相对湿度、太阳辐射强度、降水和风速条件下的臭氧超标率均远高于2015年。当臭氧起始浓度在10 g/m3以下、1130 g/m3及30 g/m3以上时，夏（秋）季从起始浓度达到超标分别用时7.1（6.9）h、6.2（6.2）h和5.8（5.9）h，相应气温上升7.2（7.1）、5.8（5.8）和4.7（5.1），起始浓度增大时，超标耗时和气温变化均呈减小趋势。关键词：臭氧；超标率；气象条件；起始浓度中图分类号：X16文献标志码：ADoi：10.16032/j.issn.1004-4965.2022.082收稿日期：2021-05-17；修订日期：2022-07-08基金项目：国家重点研发计划项目（2019YFC0214605、2018YFC0213901）；国家自然科学基金（41775037）；广东省重点领域研发计划项目（2020B1111360003）；广东省气象局科技创新团队项目（GRMCTD202003）；中山市气象局科学技术研究项目（JKT201913）共同资助通讯作者：邓涛，男，广东省人，研究员，主要从事环境气象研究工作。E-mail：第38卷 第6期2022年12月热 带 气 象 学 报JOURNAL OF TROPICAL METEOROLOGYVol.38,No.6Dec.,20221 1 引引言言随着城市化和工业化规模的扩大，城市环境问题日益突出。过去我国面临的最主要的空气污染问题是以气溶胶为主要污染物的霾污染1-2。经过数年的大力整治，霾污染已经得到有效遏制3-4，但随之而来的以臭氧（O3）为主要污染物的光化学污染却日益突显5-6。相关研究表明，中国的京津冀、长三角和珠三角地区以及其他重点城市在近年均面临着臭氧污染加剧、防控压力加大等问题7-12。采用一个日历年内臭氧日最大8小时滑动平均值的第90百分位数（MDA8-90）作为臭氧的年评价值13，全国74个重点城市20132019年臭氧年评价值上升了28.8%14。臭氧污染已逐渐取代霾污染成为影响我国空气质量的关键问题，关于臭氧污染特征及防治对策方面的研究亟待开展。近地面臭氧主要是挥发性有机物VOCS和氮氧化物NOX等前体物在光化学反应作用下生成的二次空气污染物15。近年来关于臭氧的研究主要集中在臭氧污染的时空分布特征16-17、臭氧污染与前体物排放18-19及气象要素的关系20-21以及臭氧污染的地区和行业来源上22-23。其中气象条件主导着臭氧的生消、传输和扩散，与臭氧污染的产生密切相关。研究表明，在特定的天气形势下，气温高、湿度低、日照时间长、气压低、一定的风力是臭氧生成和积聚的有利条件，易引起臭氧污染超标24-27。但不同地区气候背景及地理位置差异显热 带 气 象 学 报第38卷著，因此气象条件对臭氧污染的影响各有特点28-29。中山市是珠三角的核心城市之一，东临珠江口，北靠广州、佛山，中部是山地，空气污染物易于在山地北侧的主城区积聚形成污染。根据广东省中山生态环境监测站提供的空气质量监测数据，近年来中山市臭氧污染问题渐趋严重，从2016年起臭氧取代 PM2.5成为中山市最主要的空气污染物，2019年臭氧作为首要污染物的天数达到 124天，为近年来最多。以往对中山空气污染的研究主要集中在灰霾上30-31，对臭氧污染的相关研究仍然不足。本文利用中山市20152019年连续5年空气质量国控站观测的地面臭氧浓度数据、中山国家气象站观测的气象数据以及基于后向轨迹聚类分析的潜在源贡献因子方法进行分析，研究中山市臭氧污染超标与气象条件的关系，并探讨了臭氧起始浓度对臭氧超标的影响，以期为今后中山市对臭氧污染的预报预警及防治工作提供依据。2 2 数据与方法数据与方法本文使用的地面臭氧观测数据由广东省中山生态环境监测站提供，包括了紫马岭、张溪及华柏园三个站点 20152019 年的小时观测数据（O3-1 h）和日最大8小时滑动平均数据（O3-8 h）。三个站点均位于中山市城区，其中紫马岭站位于紫马岭公园内，张溪站和华柏园站靠近交通干道，三个站点间的直线距离为 35 km。气象数据由中山国家气象观测站提供，站点位置同样位于紫马岭公园内，包括了 20152019 年的气温、相对湿度、降水量、风向、风速及太阳辐射数据，其中下文提及的北风泛指西北西到东北东风向范围下的风，南风泛指西南西到东南东风向范围下的风。本文分季节讨论臭氧与气象因子的关系，划分 35 月为春季、68 月为夏季、911 月为秋季、12次年2月为冬季。臭氧污染等级按照 环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）32，根据O3-8 h 浓度划分为 6 个级别，分别为优（0100g/m3）、良（101160 g/m3）、轻度污染（161215g/m3）、中度污染（216265 g/m3）、重度污染（266800 g/m3）和严重污染（800 g/m3）。本文中臭氧超标指的是臭氧二级超标，即当天臭氧污 染 达 到 轻 度 污 染 或 以 上 标 准（O3-8 h160g/m3）33，同时当O3-1 h200 g/m3时定义该时次臭氧超标。文中提到的臭氧浓度均为紫马岭、张溪和华柏园三个观测站点的平均浓度。利用美国国家环境预报中心（NCEP）提供的再分析气象数据（GDAS）及地面臭氧浓度数据驱动 MeteoInfo 软件和 TrajStat插件，将臭氧浓度阈值设置为160 g/m3，即超过阈值的臭氧浓度对应的轨迹为污染轨迹，进行臭氧污染的24 h后向轨迹聚类分析，并在此基础上计算臭氧污染的潜在来源（PSCF）34，具体公式如下所示：PSCFmij/nij（1）其中，nij是气流轨迹落在第（i，j）个网格点的总端点数，mij是浓度超过设置阈值的轨迹落在同一格点的总端点数。PSCF方法假设后向轨迹经过区域的排放源会对分析区域的污染造成影响，当PSCF值大时，代表该地排放源对分析区域污染的潜在贡献大，反之PSCF值小代表潜在贡献小。3 3 结果与讨论结果与讨论3.1 中山市臭氧污染总体特征图1为20152019年中山市臭氧污染超标天数及臭氧浓度年评价值。2015年超标天数仅 22天，为近年来最少；从 2016年起超标天数开始上升，2017 年超标天数 64 天，2018 年有所下降，但2019年再次上升至66天，是近年来臭氧超标最多的年份。从2016年起臭氧中度污染和重度污染天数所占比例也迅速增加，2015年中度污染或以上天数占比9.1%，2017和2019年分别上升到32.0%和 36.4%。2016 年之前从未出现过臭氧重度污染，但20172019年每年均有臭氧重度污染日出现。从各年臭氧连续超标天数来看，20152016年连续超标天数均为 5天，20172019年连续超标天数大幅增加，分别为12、10和18天。从臭氧浓度的年评价值来看，2015年的年评价值为 145g/m3，为近年来最低，20162019年的年评价值除2018年外均呈现出上升趋势，2019年达到近年最高的197 g/m3，相比2015年上升36%，说明中山臭氧污染的出现频数、持续时长上升，污染程度加重。表1为中山市20152019年的气候特征，834第6期麦健华等：中山市20152019年臭氧超标特征及其与气象条件的关系2016年相比2015年气温下降，降水增加，但北风风频大幅上升，超标天数增加；2017年比2016年降水明显减少，超标天数大幅上升；2018年比2017年降水增加，北风风频略有下降，超标天数也相应下降；2019 年的降水量和北风风频比 2018 年下降，但平均气温上升幅度较大，因此超标天数再次上升。综上，各年间臭氧污染的程度是多个气象因素共同作用的结果。图1中山市20152019年臭氧超标天数及臭氧浓度年评价值表1中山市20152019年气候特征年份20152016201720182019平均气温/23.723.023.323.224.0平均湿度/%7980788179平均风速/（m/s）1.91.81.81.71.8北风风频/%3446444035总日照时数/h1 963.41 697.61 939.91 821.11 718.0总降水量/mm1 723.22 888.21 837.92 283.41 957.5中山市臭氧污染在各个月份分布不均匀，图2为20152019年各月份臭氧污染超标天数变化，其中16月臭氧污染出现较少，污染程度以优、良和持续时间较短的短期污染为主。从7月起超标天数开始增长，9月达到全年最多，1112月臭氧污染减弱。总体上，中山市臭氧污染超标天数最少的是3月，仅在2016年出现1天；最多的是9月份，共出现 52天，年均超标 10.4天。各月份平均O3-8 h分布与超标天数类似，9月平均浓度133 g/m3，为各月份最大，1 月平均浓度最小，为 63 g/m3，仅为9月的47.4%。从7月起平均O3-8 h开始增长，到11月明显回落。从以上讨论可知，中山市的臭氧污染主要出现在811月，其中910月污染程度最为严重。图2中山市20152019年各月份臭氧超标天数及平均O3-8 h706050403020100O3超标天数/天重度污染天数中度污染天数轻度污染天数O3年评价值250200150100500O3浓度年评价值/(g/m3)20152016201720182019年份6050403020100超标天数/天201920172015160140120100806040200O3-8 h平均值/(g/m3)123456789101112月份20182016平均O3-8 h835热 带 气 象 学 报第38卷3.2 不同气象因子对臭氧超标率的影响过往研究指出，气象因子对臭氧污染的影响因季节而异35-36，从上文的分析可知中山市臭氧超标主要集中在夏、秋两季，因此本文主要对夏季和秋季气象因子对臭氧超标的影响进行分析。3.2.1 日最高气温对臭氧超标的影响图3为20152019年夏季和秋季在不同日最高气温范围下的O3-8 h均值及其超标率，两个季节O3-8 h及其超标率随着日最高气温上升而上升的趋势非常明显。夏季最高温在30 以下时超标率为0，随着最高温上升，超标率开始上升，但在34 以下时超标率上升的幅度较小，这与夏季频密的日间降水及盛行南风有关；最高温在 3435 时超标率为 18%，而最高温达到 35 以上时超标率大幅度上升至 43%。秋季当最高温在23 以下时，臭氧超标率为0，随着最高温上升，超标率上升幅度相当明显，最高温在 32 以上时，超标率达到42%，而最高温达35 以上时，超标率更是达到了75%。因此，当夏秋季节出现高温天气时（日最高温大于等于35），臭氧超标出