大气臭氧浓度与气象条件的关系研究范文

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摘要：利用后向轨迹聚类和数理统计方法，对2017年武进区的臭氧来源及气象条件对臭氧浓度的影响做了分析。结果表明，该区域的臭氧浓度受气团来向、温度、湿度、风速和风向的影响十分显著，高温、低湿、小风有利于臭氧的生成。此外，东南和西南方向的气团对该区域臭氧浓度影响较大。

关键词：臭氧浓度；聚类分析；气象因素

近地面臭氧（O3）是一种重要的大气污染物，是城市大气光化学烟雾污染的主要成分之一［1，2］，主要是在一定气象条件下通过二氧化氮光解产生。臭氧作为一种强氧化剂，不但会对生态环境和人体健康产生严重影响［3，4］，而且还会加速PM2.5等污染物的转化形成［5，6］，更进一步影响空气质量。目前，特别是在夏季，臭氧已成为影响我国中东部地区环境空气质量的主要污染物，并成为继PM2.5后困扰城市空气质量改善和达标管理的另一种重要污染物。目前，国内外对近地面臭氧生成、传输和影响因素的研究较多，气象因素对臭氧的影响存在区域性差异。安俊琳等［7］对北京的研究结果表明，臭氧浓度与温度、风速成正相关，与相对湿度成负相关，北京盛行东南、偏南和偏西气流时，易造成臭氧浓度高。臭氧浓度分布具有一定的区域性特征，并受到区域间的相互传输影响。赵阳等［8］对珠三角地区的研究发现，臭氧高值区主要分布在珠三角南部，其中53%的气团输送来自于NOx高值区。何涛等［9］的研究结果也表明常州市臭氧的区域输送和潜在源区主要分布在其周边200km以内的区域，且集中在从南京至上海的长江下游沿线区域和杭州湾区域。严茹莎等［10］通过数值模拟研究表明，远距离输送对上海平日臭氧贡献较大，占50%以上。臭氧的生成除受其前体物等相关污染源区域分布影响外，还受到气象因素的影响，气象因素是导致臭氧浓度日变化和季节性变化的重要原因［11］。笔者拟通过后向轨迹聚类和数理统计分析，来研究气团来源和气象条件对臭氧浓度的影响，以期为臭氧污染防治和臭氧污染预报提供科学依据。

1资料与方法

常州市位于长三角中部区域，与上海和南京等距相望。选取江苏省常州市武进区国家环境空气评价点武进监测站（31°42′N、119°56′E）作为研究对象，选取该站点2017年全年的臭氧、温度、风速风向和相对湿度等小时监测数据进行分析。后向轨迹模式采用美国大气海洋局（NOAA）开发的HYSPLIT4.9，并利用Ward's方差法进行聚类分析，该方法基于2条轨迹的平均角度距离进行分类［12］，有利于研究受体点的后向轨迹输送在水平方向上的来向。以武进监测站为后向轨迹起始点，逐小时模拟后向轨迹，起始高度为100m，计算时长48h。气象资料采用NCEP提供的全球资料同化系统GDAS数据，数据分辨率为1°×1°。

2结果与分析

2.1气团来源对臭氧的影响为研究武进区低层大气气团的主要来源路径对臭氧的影响，分析了2017年武进区逐小时气流后向轨迹的聚类分析结果（见图1）。表1为每类轨迹区域特征及对应的污染物小时平均质量浓度。气团轨迹被分为6类，从轨迹的空间分布看，东南、东北以及偏东方向上轨迹分布相对集中，而西南方向的轨迹占比相对较少，这与该区域的主导风向东南偏东风较为一致。从轨迹及其污染特征可见，经东海、浙江东部、杭州湾、江苏等地影响武进区的聚类D和西南方向上的聚类E对臭氧的影响相对较大，其中聚类D对应的臭氧平均浓度最高，为87μg/m3，且聚类D和E对应的平均气温最高、平均湿度相对较低，说明东南和西南方向上影响臭氧浓度的前体物较多，且温湿度等气象条件适合光化学反应生成臭氧。其次是偏东方向上的聚类C对应的臭氧平均浓度相对较高，为65μg/m3。聚类A对应的臭氧和NO2浓度最低，其次是东北方向上的聚类B对应的臭氧浓度较低，说明北方气团对臭氧的影响相对较小。武进区东南方向和偏东方向为长三角区域经济和交通最为发达的区域，人口密度也较大。根据黄成等［13］的研究结果表明，该区域的能源消耗量以及人为污染物的排放量均相对较大，导致该方向上的气团对臭氧浓度的影响较大。而西南方向主要以山区丘陵地带为主，植被覆盖率较高，植物等排放的VOCs等天然源较多，导致该方向气团对应的臭氧浓度相对较低。

2.2相对湿度对臭氧的影响光化学反应生成臭氧需要在一定的太阳辐射条件下，一般认为太阳辐射越强，臭氧浓度越高，而气温很好的代表了太阳辐射的强弱，其与太阳辐射的变化趋势基本一致。但实际上太阳辐射与臭氧的生成并非简单的正相关关系。图2为臭氧浓度随温度和湿度的变化趋势分布图。为排除降水的影响，图2选取该站点2017年全年无降雨情况下8：00～20：00时段的臭氧、温度、风速风向和相对湿度等小时监测数据进行分析。从图2可见，左上角区域的臭氧浓度最高，且超过160μg/m3，该区域的臭氧数据对应着高温，低湿的气象条件；非降雨日，臭氧浓度随着温度的升高总体呈上升趋势，气温在20℃以下时，臭氧浓度超过160μg/m3的概率较小，说明气温高于20℃后，大气光化学反应明显加剧。相对湿度大于60%以上时，臭氧浓度超过160μg/m3的概率较小，说明高湿度可能导致到达近地面的太阳辐射减弱，并使臭氧前体物发生其他反应，从而不利于大气光化学反应生成臭氧。

2.3风速和风向对臭氧的影响图3选取臭氧浓度大于160μg/m3的数据进行分析，给出了高浓度臭氧在不同风速和方向下的分布情况。从图3可见，武进区臭氧浓度超标具有明显的风速风向特征，高浓度臭氧主要分布在风速小于3m/s的情况下，且以东南、西南风向以及东、西方向上为主，与上述气团来源分析的结论较为一致，东南和西南方向对该区域的臭氧影响较大。而北风、西北风、东北风以及南风情况下臭氧高浓度数据分布较少。

3结论

（1）武进区O3浓度受气团来源影响较显著，其中东南方向气团对应的O3浓度最高，其次是西南方向和偏东方向气团，而北方气团和西北方向的气团对武进区的O3影响相对较小。（2）O3的生成受光化学反应的影响，其中气象条件对于光化学反应起着较为重要的作用。武进区的O3浓度受温度、相对湿度和风场的影响具有较明显的特征，其中温度大于20℃、相对湿度小于60%和风速小于3m/s对O3的生成较为有利。

参考文献

［1］唐孝炎，张远航，邵敏.大气环境化学［M］.第2版.高等教育出版社，2006.

［3］张红星，孙旭，姚余辉，等.北京夏季地表臭氧污染分布特征及其对植物的伤害效应［J］.生态学报，2014，34（16）：4756-4765.

［4］刘峰，朱永官，王效科.我国地面臭氧污染及其生态环境效应［J］.生态环境学报，2008，17（4）：1674-1679.

［5］李佳慧，刘红年，王学远.苏州城市颗粒物与臭氧相互作用的数值模拟研究［J］.南京大学学报（自然科学），2016，52（6）：989-1000.

［6］蔡彦枫.长三角城市地区大气颗粒物与臭氧相互作用的观测和数值模拟研究［D］.南京：南京大学，2012.

［7］安俊琳，王跃思，孙扬.气象因素对北京臭氧的影响［J］.生态环境学报，2009，18（3）：944-951.

［8］赵阳，邵敏，王琛，等.被动采样监测珠江三角洲NOx、SO2和O3的空间分布特征［J］.环境科学，2011，32（2）：324-329.

［9］何涛，乔利平，徐圃青，等.常州市臭氧污染传输路径和潜在源区［J］.中国环境监测，2017，33（4）：77-83.

［10］严茹莎，李莉，安静宇，等.夏季长三角地区臭氧非线性响应曲面模型的建立及应用［J］.环境科学学报，2016，36（4）：1383-1392.

［11］唐贵谦，李昕，王效科，等.天气型对北京地区近地面臭氧的影响［J］.环境科学，2010，31（3）：573-578. 

［13］黄成，陈长虹，李莉，等.长江三角洲地区人为源大气污染物排放特征研究［J］.环境科学学报，2011，31（09）：1858-1871.

作者：何伟 何涛 单位：常州市武进环境监测站