2019年许昌市臭氧污染情况及其与气象条件的关系

崔 坤， 赵 慧， 刘 鹏， 靳洪川， 袁致晓

(1.中科三清科技有限公司，北京 100029； 2.河南中标检测服务有限公司，郑州 450001)

引 言

对流层臭氧(O3)是大气中重要污染物，是产生光化学烟雾的主要成分之一，是区域性大气污染的重要标志物，具有传输距离远的特点。卫星观测显示，尽管采取了严格管控规定，我国臭氧污染水平仍在不断上升[1]。近地面的O3一般是挥发性有机物(VOCs)与氮氧化物(NOx)在光照条件下发生复杂化学反应生成，其质量浓度受VOCs与NOx排放情况、气象条件和复杂化学反应等多个方面因素影响[2-3]。近年来，随着“大气污染防治行动计划”和“打赢蓝天保卫战三年行动计划”的发布和实施，我国大部分地区颗粒物浓度(PM10和PM2.5)已呈明显下降趋势，空气质量逐年改善，但O3污染问题日益突出,尤其是近地面O3污染会导致区域大气氧化性增强，进一步促进二次细颗粒物的生成，导致PM2.5浓度上升。

近地面的O3对生物是有害的。O3对于人体危害主要表现在对呼吸道粘膜和眼睛的刺激上，严重的可以影响到人的神经中枢系统。对植物的危害主要是影响植物的光合作用和新陈代谢，使农作物因营养不良而减产[4]。

国内外有关学者对O3质量浓度与气象条件的关系进行了大量研究[5-20]。国外的Duenas等[5]研究了地中海区域O3污染与气象条件的关系；Elminir[6]研究了开罗市O3污染与气象条件的关系。国内一些学者研究发现，不同环境条件下，气象因子对近地面O3质量浓度的影响不尽相同。朱毓秀等[7]研究发现，上海地区风速和太阳辐射同步增减时，O3质量浓度增大。刘建等[8]研究发现，珠三角地区气温高于27 ℃或相对湿度低于55%时，O3超标率和平均质量浓度相对较高。周学思等[9]研究发现，干季高温低湿及特殊风向和风速有利于珠海地区O3形成。黄俊等[14]研究发现，广州地区近地面O3污染的主要气象特征：气温高、日照长、辐射强、气压低、湿度小、风力为2～3级。

本文以2019年许昌市O3质量浓度长时间序列为研究对象，选取许昌市环境空气质量监测站点的空气质量数据和常规气象观测资料，分析2019年O3污染情况，研究O3污染规律，探讨发生O3污染时的主要气象条件，为许昌市O3污染预报提供参考。

1 数据资料

1.1 数据来源

本文中2017-2019年O3质量浓度数据，2019年1-12月O3、PM2.5和NO2质量浓度数据，由许昌市生态环境监测中心提供。2019年许昌市地面常规气象观测数据由许昌市气象局提供。

1.2 分析方法

通过环境空气质量标准[21]、环境空气质量评价技术规范(试行)[22]和环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)[23]判定数据的评价方法，统计O3质量浓度和超标天数，分析许昌市O3污染情况，并运用Excel和Origin 9.0对影响O3污染的气象因子进行分析。

2 结果与讨论

2.1 O3污染总体概况

统计分析结果表明，2019年许昌市全年环境空气质量超标天数为174天，其中O3浓度(指O3日最大8 h滑动平均质量浓度)超过二级标准限值总天数为78天，占超标总天数的44.83%。虽然整体上颗粒物浓度超标天数(PM2.5和PM10)最多，但O3浓度超标天数明显高于CO、NO2和SO2浓度超标天数。2019年许昌市由于O3导致轻度污染77天，中度污染1天。

2.2 O3污染分析

2.2.1 O3污染时间变化规律

(1)近三年O3污染情况

2017-2019年许昌市环境空气中O3为首要污染物在不同空气质量等级下的分布情况见图1。由图可以看出，2017年有121天O3为首要污染物。其中，空气质量为良的有58天，占O3首要污染物总天数的47.93%；空气质量为轻度污染的有49天，占40.50%；空气质量为中度污染的13天，占10.74%；空气质量为重度污染的有1天，占0.83%。2018年有126天O3为首要污染物。其中，空气质量为良的87天，占O3首要污染物总天数的69.05%；空气质量为轻度污染的有37天，占29.37%；空气质量为中度污染的有2天，占1.59%。2019年有150天O3为首要污染物。其中，72天空气质量为良，占O3首要污染物总天数的48.00%；77天空气质量为轻度污染，占51.33%；1天空气质量为中度污染，占 0.67%。

相比2017年和2018年，2019年没有出现O3重度污染，中度污染占比大幅下降，仅有1天。2019年整体上O3污染浓度呈减轻趋势，污染级别有所下降。但O3成为首要污染物的总天数是明显上升的，且轻度污染占比大幅增加。

图1 2017-2019年许昌市O3为首要污染物在不同空气质量等级占比分布

(2)O3质量浓度及污染月变化

2019年许昌市O3月平均质量浓度和污染超标天数月度分布见图2。从全年看，O3月平均质量浓度和超标天数均呈“双峰”分布特点。O3月平均质量浓度在5-9月期间偏高，且浓度值差距小。7月O3质量浓度最高，达到203 μg/m3。O3污染导致的超标天出现在4-10月，其中4月和10月超标天数略少，分别只有3天和2天。在6-9月超标天数比较集中，6月超标天数最多，达到24天，占6月总天数的80.0%。其次是9月，超标天数有16天，占9月总天数的53.3%。

(3)O3质量浓度日变化

2019年不同季节O3小时质量浓度日变化情况见图3。在春、夏、秋、冬四个季节，O3小时质量浓度变化曲线均呈“单峰”特点。O3质量浓度：夏季的>春季的>秋季的>冬季的。O3小时质量浓度有明显的日变化规律：春季、夏季和秋季从早上07时开始(冬季从早上08时开始)，O3小时质量浓度逐渐上升，于15时和16时达到全天浓度峰值，之后浓度开始逐渐下降。从全天看，07时(或08时)至15时(或16时)是O3质量浓度的上升阶段，其余时间段呈下降趋势。

在不同季节，O3小时质量浓度日变化趋势基本一致。全天浓度最高值：春季、夏季和冬季的出现在16时，秋季的出现在15时。全天浓度最低值：春季、夏季和秋季的出现在07时，冬季的出现在08时。O3小时质量浓度无论是最高值还是最低值，出现时间段相差不大。

图2 2019年许昌市O3月平均质量浓度和污染超标天数月度分布

图3 2019年许昌市不同季节O3小时质量浓度日变化曲线

2.2.2 O3与其他污染物的关系

(1)O3与PM2.5的相关性

2019年O3与PM2.5浓度超标天数月际分布见图4(a)。O3浓度超标天集中在4-10月，同期PM2.5浓度超标天数较少。PM2.5浓度超标天集中在1-3月、11月和12月，而同期O3浓度没有出现超标情况，这与大气污染的季节性特征有很大的关系。

O3小时质量浓度和PM2.5小时质量浓度呈显著负相关关系(图4b)。通过Origin 软件计算相关系数，Pearson相关系数为-0.9377，P 值在0.01的水平下相关性显著。通常情况下，当大气中颗粒物浓度偏高时，一方面会使气溶胶的光学厚度增加，削弱O3的光化学生成；另一方面，发生在颗粒物表面的非均相化学过程，也会对O3质量浓度产生影响，导致出现O3浓度下降现象[24-25]。

图4 2019年许昌市O3和PM2.5浓度超标天数月际分布(a)和小时质量浓度日变化(b)

(2)O3与NO2的相关性

2019年O3与NO2月均质量浓度变化情况见图5(a)，2019年O3与NO2小时质量浓度变化情况见图5(b)。从图中可以看出，无论是月平均质量浓度，还是小时质量浓度，均呈显著负相关性。通过Origin 软件计算相关系数，其中小时质量浓度：Pearson相关系数为-0.9279，P值在0.01的水平下相关性显著；月平均质量浓度：Pearson相关系数为-0.8422，P值在0.01的水平下相关性显著。

分析O3与NO2月平均质量浓度变化发现，O3月平均质量浓度呈先上升、后下降的特点，7月质量浓度为峰值，12月质量浓度为谷值；NO2月平均质量浓度呈现先下降、后上升的特点，8月质量浓度为谷值，1月质量浓度为峰值。

分析O3和NO2小时质量浓度日变化发现，NO2小时质量浓度日变化呈“双峰”特点，分别在07时和23时出现峰值，15时出现谷值。O3小时质量浓度日变化呈“单峰”特点，16时出现峰值，07时出现谷值。

夜间无太阳辐射，O3质量浓度逐渐降低，在07时降至全天最低值。夜间NO2缓慢累积，06-08时早高峰机动车排放出大量尾气，NO2质量浓度在07时出现峰值。随着上午太阳辐射逐渐增强，光化学反应氧化性升高，O3质量浓度逐渐上升，16时达峰值，而NO2被大量消耗，在15时出现谷值。下午太阳辐射强度逐渐转弱，光化学反应速率减慢，NO2质量浓度在16时开始上升，而O3逐渐消耗，质量浓度开始下降[26-27]。

图5 2019年许昌市O3和NO2月平均质量浓度变化(a)和小时质量浓度日变化(b)

2.3 O3浓度和气象条件的关系

统计分析2019年许昌市O3日均质量浓度与各气象因子相关性(表1)，结果显示，温度、日照、风速和相对湿度与O3日均质量浓度的P值在0.05水平下相关性显著。温度、日照与O3日均质量浓度呈正相关性，风速、相对湿度与O3日均质量浓度呈负相关性。温度升高，日照时间长，非常有利于增强O3光化学反应，促进O3质量浓度升高。

对许昌市各季O3日均质量浓度与各气象因子相关性分析(表2)发现，秋季温度、日照、风速和O3日均质量浓度相关性最高；夏季相对湿度与O3日均质量浓度相关性最高。温度与O3日均质量浓度的相关系数为秋季的>春季的>夏季的>冬季的。日照与O3日均质量浓度的相关系数为秋季的>夏季的>春季的>冬季的。风速与O3日均质量浓度的相关系数为秋季的>春季的>冬季的>夏季的。相对湿度与O3日均质量浓度的相关系数为夏季的>冬季的>春季的>秋季的。

表1 2019年许昌市O3日均质量浓度与各气象因子的相关系数

表2 2019年许昌市各季O3日均质量浓度与各气象因子的相关系数

2.3.1 O3浓度和温度的关系

2019年温度与O3小时质量浓度统计数据见图6(a)。将温度分为-10--5 ℃、-4-0 ℃、1-5 ℃、6-10 ℃、11-15 ℃、16-20 ℃、21-25 ℃、26-30 ℃、31-35 ℃、36-40 ℃十个区间，研究各个区间的O3质量浓度均值和温度的关系。结果表明，O3小时质量浓度随着温度的上升而升高，趋势相关性高，R2=0.9141。当温度区间从26-30 ℃ 上升到31-35 ℃时，O3质量浓度增长速率最高，迅速由107 μg/m3上升至162 μg/m3，上升55 μg/m3，升幅达51.4%。

2.3.2 O3浓度和日照的关系

2019年日照时长与O3日均质量浓度数据见图6(b)。将日照时长分成0-2.0 h、2.1-4.0 h、4.1-6.0 h、6.1-8.0 h、8.1-10.0 h、10.1-12.0 h、12.1-14.0 h七个区间，研究各个区间的O3质量浓度均值和日照时长的关系。结果表明，O3质量浓度随着光照时长的增加而升高，趋势相关性高，R2=0.9144。当日照时长区间从8.1-10.0 h上升到10.1-12.0 h时，O3质量浓度增长速率最高，由128 μg/m3迅速上升至163 μg/m3，上升35 μg/m3，升幅达27.3%。

图6 2019年许昌市O3质量浓度与温度(a)、日照时长(b)、风速(c)和相对温度(d)的相关性

2.3.3 O3浓度和风速的关系

2019年日均风速与O3日均质量浓度数据见图6(c)。将风速分为0-1.0 m/s、1.1-2.0 m/s、2.1-3.0 m/s、3.1-4.0 m/s、4.1-5.0 m/s、5.1-6.0 m/s、6.1-7.0 m/s七个区间，分析各个区间的O3质量浓度均值和平均风速的关系。结果表明，随着风速上升，O3质量浓度呈先上升后下降的变化特点，趋势相关性差，R2=0.2845。当风速为1.1-2.0 m/s和2.1-3.0 m/s时，O3质量浓度偏高。

2.3.4 O3和相对湿度的关系

2019年相对湿度与O3日均质量浓度数据见图6(d)。将春、夏、秋、冬四个季节的日均相对湿度分为0-10%、11%-20%、21%-30%、31%-40%、41%-50%、51%-60%、61%-70%、71%-80%、81%-90%、91%-100% 10个区间，研究各个区间的O3质量浓度均值和相对湿度的关系。结果表明，O3质量浓度随着相对湿度的上升而下降，趋势相关性高，R2=0.9451。当相对湿度小于40%时，O3质量浓度偏高。

3 结 论

通过分析2019年许昌市O3污染情况，O3、PM2.5和NO2三项污染因子时间变化规律及O3质量浓度与气象因子(温度、日照、风速和相对湿度)的相关性发现：

(1)2019年许昌市O3污染以轻度污染为主，污染日集中在4-10月，其中6月、7月、8月和9月最为突出，没有出现重度污染，中度污染有1天。相比2017年和2018年，2019年O3污染浓度呈减轻趋势，污染级别有所下降，但O3成为首要污染物的总天数明显上升。

(2)O3与PM2.5的质量浓度呈显著负相关性。O3浓度超标天数集中在4-10月，PM2.5超标天数主要在1-3月，这与大气污染的季节性特征有很大的关系。

(3)无论是O3与NO2月均质量浓度，还是O3与NO2小时质量浓度，均呈显著负相关性。O3月平均质量浓度在7月出现峰值，12月出现谷值；NO2月平均质量浓度在8月出现谷值，1月出现峰值。NO2小时质量浓度日变化呈“双峰”特点，分别在07时和23时出现峰值，15时出现谷值。O3小时质量浓度日变化呈“单峰”特点，16时出现峰值，07时出现谷值。

(4)O3与各气象因子关系：一是温度、日照、风速和相对湿度与O3日均质量浓度的P值在0.050水平下相关性显著。温度、日照和O3日均质量浓度呈正相关性，风速、相对湿度和O3日均质量浓度呈负相关性。二是秋季温度、日照、风速和O3日均质量浓度相关性最高，夏季相对湿度与O3日均质量浓度相关性最高。三是在温度为26-35 ℃，或日光照时长达8-12 h时，O3质量浓度增长率最高；在不同季节，O3质量浓度峰值对应相对湿度区间不同。四是O3质量浓度随着风速增加呈先上升后下降的变化特点，趋势相关性差，R2=0.2845。当风速为1.1-2.0 m/s和2.1-3.0 m/s时，O3质量浓度偏高。