大氣臭氧濃度與氣象條件的關(guān)系研究范文

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摘要：利用后向軌跡聚類(lèi)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)2017年武進(jìn)區(qū)的臭氧來(lái)源及氣象條件對(duì)臭氧濃度的影響做了分析。結(jié)果表明，該區(qū)域的臭氧濃度受氣團(tuán)來(lái)向、溫度、濕度、風(fēng)速和風(fēng)向的影響十分顯著，高溫、低濕、小風(fēng)有利于臭氧的生成。此外，東南和西南方向的氣團(tuán)對(duì)該區(qū)域臭氧濃度影響較大。

關(guān)鍵詞：臭氧濃度；聚類(lèi)分析；氣象因素

近地面臭氧（O3）是一種重要的大氣污染物，是城市大氣光化學(xué)煙霧污染的主要成分之一［1，2］，主要是在一定氣象條件下通過(guò)二氧化氮光解產(chǎn)生。臭氧作為一種強(qiáng)氧化劑，不但會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境和人體健康產(chǎn)生嚴(yán)重影響［3，4］，而且還會(huì)加速PM2.5等污染物的轉(zhuǎn)化形成［5，6］，更進(jìn)一步影響空氣質(zhì)量。目前，特別是在夏季，臭氧已成為影響我國(guó)中東部地區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量的主要污染物，并成為繼PM2.5后困擾城市空氣質(zhì)量改善和達(dá)標(biāo)管理的另一種重要污染物。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)近地面臭氧生成、傳輸和影響因素的研究較多，氣象因素對(duì)臭氧的影響存在區(qū)域性差異。安俊琳等［7］對(duì)北京的研究結(jié)果表明，臭氧濃度與溫度、風(fēng)速成正相關(guān)，與相對(duì)濕度成負(fù)相關(guān)，北京盛行東南、偏南和偏西氣流時(shí)，易造成臭氧濃度高。臭氧濃度分布具有一定的區(qū)域性特征，并受到區(qū)域間的相互傳輸影響。趙陽(yáng)等［8］對(duì)珠三角地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，臭氧高值區(qū)主要分布在珠三角南部，其中53%的氣團(tuán)輸送來(lái)自于NOx高值區(qū)。何濤等［9］的研究結(jié)果也表明常州市臭氧的區(qū)域輸送和潛在源區(qū)主要分布在其周邊200km以?xún)?nèi)的區(qū)域，且集中在從南京至上海的長(zhǎng)江下游沿線區(qū)域和杭州灣區(qū)域。嚴(yán)茹莎等［10］通過(guò)數(shù)值模擬研究表明，遠(yuǎn)距離輸送對(duì)上海平日臭氧貢獻(xiàn)較大，占50%以上。臭氧的生成除受其前體物等相關(guān)污染源區(qū)域分布影響外，還受到氣象因素的影響，氣象因素是導(dǎo)致臭氧濃度日變化和季節(jié)性變化的重要原因［11］。筆者擬通過(guò)后向軌跡聚類(lèi)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，來(lái)研究氣團(tuán)來(lái)源和氣象條件對(duì)臭氧濃度的影響，以期為臭氧污染防治和臭氧污染預(yù)報(bào)提供科學(xué)依據(jù)。

1資料與方法

常州市位于長(zhǎng)三角中部區(qū)域，與上海和南京等距相望。選取江蘇省常州市武進(jìn)區(qū)國(guó)家環(huán)境空氣評(píng)價(jià)點(diǎn)武進(jìn)監(jiān)測(cè)站（31°42′N(xiāo)、119°56′E）作為研究對(duì)象，選取該站點(diǎn)2017年全年的臭氧、溫度、風(fēng)速風(fēng)向和相對(duì)濕度等小時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。后向軌跡模式采用美國(guó)大氣海洋局（NOAA）開(kāi)發(fā)的HYSPLIT4.9，并利用Ward's方差法進(jìn)行聚類(lèi)分析，該方法基于2條軌跡的平均角度距離進(jìn)行分類(lèi)［12］，有利于研究受體點(diǎn)的后向軌跡輸送在水平方向上的來(lái)向。以武進(jìn)監(jiān)測(cè)站為后向軌跡起始點(diǎn)，逐小時(shí)模擬后向軌跡，起始高度為100m，計(jì)算時(shí)長(zhǎng)48h。氣象資料采用NCEP提供的全球資料同化系統(tǒng)GDAS數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分辨率為1°×1°。

2結(jié)果與分析

2.1氣團(tuán)來(lái)源對(duì)臭氧的影響為研究武進(jìn)區(qū)低層大氣氣團(tuán)的主要來(lái)源路徑對(duì)臭氧的影響，分析了2017年武進(jìn)區(qū)逐小時(shí)氣流后向軌跡的聚類(lèi)分析結(jié)果（見(jiàn)圖1）。表1為每類(lèi)軌跡區(qū)域特征及對(duì)應(yīng)的污染物小時(shí)平均質(zhì)量濃度。氣團(tuán)軌跡被分為6類(lèi)，從軌跡的空間分布看，東南、東北以及偏東方向上軌跡分布相對(duì)集中，而西南方向的軌跡占比相對(duì)較少，這與該區(qū)域的主導(dǎo)風(fēng)向東南偏東風(fēng)較為一致。從軌跡及其污染特征可見(jiàn)，經(jīng)東海、浙江東部、杭州灣、江蘇等地影響武進(jìn)區(qū)的聚類(lèi)D和西南方向上的聚類(lèi)E對(duì)臭氧的影響相對(duì)較大，其中聚類(lèi)D對(duì)應(yīng)的臭氧平均濃度最高，為87μg/m3，且聚類(lèi)D和E對(duì)應(yīng)的平均氣溫最高、平均濕度相對(duì)較低，說(shuō)明東南和西南方向上影響臭氧濃度的前體物較多，且溫濕度等氣象條件適合光化學(xué)反應(yīng)生成臭氧。其次是偏東方向上的聚類(lèi)C對(duì)應(yīng)的臭氧平均濃度相對(duì)較高，為65μg/m3。聚類(lèi)A對(duì)應(yīng)的臭氧和NO2濃度最低，其次是東北方向上的聚類(lèi)B對(duì)應(yīng)的臭氧濃度較低，說(shuō)明北方氣團(tuán)對(duì)臭氧的影響相對(duì)較小。武進(jìn)區(qū)東南方向和偏東方向?yàn)殚L(zhǎng)三角區(qū)域經(jīng)濟(jì)和交通最為發(fā)達(dá)的區(qū)域，人口密度也較大。根據(jù)黃成等［13］的研究結(jié)果表明，該區(qū)域的能源消耗量以及人為污染物的排放量均相對(duì)較大，導(dǎo)致該方向上的氣團(tuán)對(duì)臭氧濃度的影響較大。而西南方向主要以山區(qū)丘陵地帶為主，植被覆蓋率較高，植物等排放的VOCs等天然源較多，導(dǎo)致該方向氣團(tuán)對(duì)應(yīng)的臭氧濃度相對(duì)較低。

2.2相對(duì)濕度對(duì)臭氧的影響光化學(xué)反應(yīng)生成臭氧需要在一定的太陽(yáng)輻射條件下，一般認(rèn)為太陽(yáng)輻射越強(qiáng)，臭氧濃度越高，而氣溫很好的代表了太陽(yáng)輻射的強(qiáng)弱，其與太陽(yáng)輻射的變化趨勢(shì)基本一致。但實(shí)際上太陽(yáng)輻射與臭氧的生成并非簡(jiǎn)單的正相關(guān)關(guān)系。圖2為臭氧濃度隨溫度和濕度的變化趨勢(shì)分布圖。為排除降水的影響，圖2選取該站點(diǎn)2017年全年無(wú)降雨情況下8：00～20：00時(shí)段的臭氧、溫度、風(fēng)速風(fēng)向和相對(duì)濕度等小時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。從圖2可見(jiàn)，左上角區(qū)域的臭氧濃度最高，且超過(guò)160μg/m3，該區(qū)域的臭氧數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)著高溫，低濕的氣象條件；非降雨日，臭氧濃度隨著溫度的升高總體呈上升趨勢(shì)，氣溫在20℃以下時(shí)，臭氧濃度超過(guò)160μg/m3的概率較小，說(shuō)明氣溫高于20℃后，大氣光化學(xué)反應(yīng)明顯加劇。相對(duì)濕度大于60%以上時(shí)，臭氧濃度超過(guò)160μg/m3的概率較小，說(shuō)明高濕度可能導(dǎo)致到達(dá)近地面的太陽(yáng)輻射減弱，并使臭氧前體物發(fā)生其他反應(yīng)，從而不利于大氣光化學(xué)反應(yīng)生成臭氧。

2.3風(fēng)速和風(fēng)向?qū)Τ粞醯挠绊憟D3選取臭氧濃度大于160μg/m3的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，給出了高濃度臭氧在不同風(fēng)速和方向下的分布情況。從圖3可見(jiàn)，武進(jìn)區(qū)臭氧濃度超標(biāo)具有明顯的風(fēng)速風(fēng)向特征，高濃度臭氧主要分布在風(fēng)速小于3m/s的情況下，且以東南、西南風(fēng)向以及東、西方向上為主，與上述氣團(tuán)來(lái)源分析的結(jié)論較為一致，東南和西南方向?qū)υ搮^(qū)域的臭氧影響較大。而北風(fēng)、西北風(fēng)、東北風(fēng)以及南風(fēng)情況下臭氧高濃度數(shù)據(jù)分布較少。

3結(jié)論

（1）武進(jìn)區(qū)O3濃度受氣團(tuán)來(lái)源影響較顯著，其中東南方向氣團(tuán)對(duì)應(yīng)的O3濃度最高，其次是西南方向和偏東方向氣團(tuán)，而北方氣團(tuán)和西北方向的氣團(tuán)對(duì)武進(jìn)區(qū)的O3影響相對(duì)較小。（2）O3的生成受光化學(xué)反應(yīng)的影響，其中氣象條件對(duì)于光化學(xué)反應(yīng)起著較為重要的作用。武進(jìn)區(qū)的O3濃度受溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)場(chǎng)的影響具有較明顯的特征，其中溫度大于20℃、相對(duì)濕度小于60%和風(fēng)速小于3m/s對(duì)O3的生成較為有利。

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作者：何偉 何濤 單位：常州市武進(jìn)環(huán)境監(jiān)測(cè)站