吴洁
（郑州市气象局 450000）
摘要: 本文选择郑州市2015年O3浓度监测资料和同期气象数据资料，采用统计分析方法，研究郑州地区臭氧浓度特征及其与地面气象要素的关系。结果表明: 郑州市夏季臭氧污染最为严重；臭氧污染的空间特征具备一定的城郊差异，郊区臭氧污染水平要高于城区，这是“滴定效应”造成的；郑州市夜间臭氧浓度均很低，从早上 08:00开始，臭氧得到积累，臭氧浓度也随之持续升高，午后太阳辐射最强，15:00~16:00 达到最高值，在这以后伴随着太阳辐射强度的减弱而大幅下降；臭氧（O3） 浓度和温度呈显著的正相关性，即随着温度的上升，臭氧浓度与臭氧超标率都呈明显上升趋势；臭氧（O3） 浓度和风速之间呈显著的正相关性，相关系数最大的为冬季臭氧（O3） 浓度和相对湿度之间呈负相关性相关性最大的为夏季。总体来说，高温、低湿以及微风的夏季气候环境有利于臭氧的形成。
关键词:郑州市；臭氧；地面气象要素；关系
引言
臭氧（O3）是地球大气中的一种在大气环境中天然存在、能吸收紫外线辐射、具有较强氧化性、有特殊臭味的淡蓝色气体。自然界的臭氧，大多分布在距地面20-50公里的平流层，平流层又被称为“臭氧层”[1-2]。平流层臭氧的存在对于地球的生命物质至关重要，它阻止了高能量的紫外辐射到达地面，从而起到保护人类与环境的重要作用。但是，近地面高浓度的臭氧是空气污染物。它不仅会对人体健康产生负面作用，还会对植物的光合作用及呼吸作用、叶片膜保护系统、气孔反应和新陈代谢等产生影响，抑制植物的生长，造成农作物减产。近地面臭氧污染的生成和光照、气温等气象因素密切相关，主要发生在阳光强烈的夏、秋季节。主要是人为活动排放的汽车尾气、工业企业排放的氮氧化物（NOX）与挥发性有机物（VOCS）等臭氧前体物，在高温、强光辐射的作用下，经过一系列复杂的光化学反应，产生臭氧污染物。
1研究资料与方法
本文研所用大气污染物数据源于郑州市 9 个国控空气质量自动监测站点，除了岗李水库为郊区站点，其他均处于城区。地面气象要素数据来源于郑州市国家基准地面气候站，大气污染物数据资料包括2015 年1月1日至12月31日逐小时臭氧O 3浓度数据。地面气象要素数据资料为2015 年全年逐时温度(T)、风速（ws）、风向(WD)、相对湿度(ＲH)。文中采取数学统计方法对郑州市臭氧O3污染特征与地面气象要素的关系展开分析。其中，臭氧的 1 h 平均浓度用O3 -1 h来表示，8 h 平均浓度用O3 -8 h来表示。
2 结果与分析
2. 1 臭氧污染情况
依据《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)统计2015 年郑州市臭氧污染情况了解到，郑州市 9 个国控站点O3 -8 h超过二级标准限值的天数达 403 天，占研究总日数的12. 3%。尤其是夏季臭氧污染最为严重，重污染天数达240 天，春、秋季次之，臭氧污染最弱的季节为冬季。通过图1能够了解到，郑州市各站点O3 -8 h月均值与臭氧浓度超标日数基本具一致，污染最为严重的季节为夏季，臭氧质量浓度最高的为岗李水库 ，为 155. 5μg/m 3，最低为郑州市经开区，为 110. 0 μg/m 3，其他站点均处于125 ～150 μg/m 3 之间;由此可知，郑州臭氧污染的空间特征具备一定的城郊差异，郊区站点岗李水库臭氧污染水平要高于城区，这主要是因为城区机动车排放的 NO“滴定效应”比较强。
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图 1 郑州市各站点不同季节 O3 -8 h
2.2臭氧污染时间分布特征
2.2.1月、季节变化特征
通过郑州市岗李水库与烟厂O 3-8 h 月分布图可以了解到，这两个监测站臭氧污染浓度变化趋势均以6月份为中心点，呈“中间高、两端低”变化趋势，即从1 月-6月臭氧污染浓度呈上升趋势，至6 月达峰值，从6月之后臭氧污染浓度又开始不断下降。从季节分布情况来看，臭氧污染浓度从小到大的排列情况为：冬季＜春、夏季＜夏季，这种变化趋势和我国北方大部分城市一致。此外，由两个测站数据资料对比还可知，4-12月的 O 3 -8 h郊区岗李水库比城区烟厂站要高，即臭氧浓度城区低于郊区，导致此类城郊差异的原因可能是因为城区机动车辆较多，大量排放NO x ，导致城区处在臭氧生成的 VOCs 敏感控制区，在很大程度上抑制 了O 3 生成。
2.2.2日变化
通过图2进行分析可以了解到，郑州市郊区岗李水库与城区烟厂2 个测站臭氧（O3）日变化都表现为“单峰型”的分布趋势。总的来说，夜间臭氧浓度均很低，一直到早上 08:00，伴随着上班早高峰开始，臭氧得到积累，臭氧浓度也随之持续升高，午后太阳辐射最强，臭氧光化学活性最高，在一天下午 15:00~16:00 达到最高值，在这以后伴随着太阳辐射强度的减弱而大幅下降。
通过各季节臭氧质量浓度对比分析了解到，郑州市臭氧小时浓度日变化趋势相具备十分显著的季节性的变化趋势，主要表现为冬季＜秋季＜春季＜夏季的特征。白天的季节性差异要比夜晚更为显著，这主要是因为白天太阳辐射比较强。此外，由郑州市郊区岗李水库与城区烟厂两个测站臭氧 （O3） 夏季浓度与年均值的日变化趋势进行比较分析可知，这两站早上 07:00 臭氧浓度为最低值，郊区岗李水库测站站 臭氧质量浓度在 08：00急剧上升，但是城区烟厂测站臭氧质量浓度先慢慢增加，到09:00才大幅增加。城区臭氧浓度增加比郊区缓慢仍然是“滴定效应”引起的。城区早上08:00-09:00为上班早高峰，机动车辆排放大量 NO 争夺臭氧（O 3） 中的氧原子，对于臭氧的形成不利。总的来说，白天08:00—19:00 这段时间臭氧 （O3）浓度郊区高于城市，其他时间段段城市高于郊区。白天，郊区植被天然源 VOCs 排放量较大，机动车少于城区，NO 对臭氧 （O3） 的“滴定效应”要比城区弱，有利于臭氧 （O3）的生成和累积;晚上郊区相对湿度要比城区大，再加上郊区有助于污染物扩散，所以夜晚城区臭氧 （O3）浓度高于郊区。
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图 2 郑州市郊区测站（岗李水库）与市区测站（烟厂）各季节臭氧（O3）浓度日变化
2.3郑州臭氧与地面气象要素的关系分析
在对臭氧和温度、相对湿度、风速气象要素之间的关系分析中，需要了解《环境空气质量标准》(GB3095—2012)中O3 -1 h平均质量浓度一级限值为160 μg/m 3、二级限值为200 μg/m 3 ，在这里将 O 3 质量浓度超过 200 μg/m 3 的样本作为臭氧 （O3）污染样本。
2.3.1臭氧与温度之间的关系
由图3能够了解到，随着温度的上升，臭氧浓度与臭氧超标率都呈明显上升趋势，在温度不超过20℃ 的时候全部样本都达标，在温度达到 25 ℃以上的时候有污染样本存在。随着温度的上升，臭氧污染越来越严重，在温度达到30 ℃以上的时候，臭氧超标率几乎达到20%。通过表1 可以看出，各污染物浓度和温度之间均呈显著的相关性。其中，臭氧（O3） 浓度和温度呈显著的正相关性，与春、夏、秋、冬、年平均值的相关系数分别为0.485、0.629、0.761、0.5、0.687；NO、NO 2 、NO x 同温度的相关性比较接近。与此同时，各污染物浓度和温度的相关系数季节性差异比较显著，夏、秋季相关性要比春、冬季相关系数要大。冬季局地光化学反应活性有所下降，并且春、冬季极易出现平流层O3 垂直向下输入至对流层的现象，这可能是春季、冬季臭氧O3 和温度相关性比较较差的主要因素之一 。
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2. 3. 3 风速
通过分析图 4可知，在风速（WS）不超过 4 m/s 的时候，随着风速的增大臭氧浓度不断升高，最大值发生于风速处于 3 m/s ~4 m/s的范围，最小值发生于风速 不超过1 m/s 的时候。随着风速加快，臭氧（O3） 浓度有所下降。臭氧超标率趋势与之相一致，在较大风速以及较小风速条件下对于臭氧（O3）的积累不利。由表2可知，臭氧（O3） 浓度和风速之间呈显著的正相关性，相关系数最大的为冬季；NO、NO 2 、NO x 同风速之间均呈负相关性。
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3结论
（1）郑州市夏季臭氧污染最为严重，春、秋季次之，臭氧污染最弱的季节为冬季；臭氧污染的空间特征具备一定的城郊差异，郊区站点岗李水库臭氧污染水平要高于城区；
（2）郑州市O 3-8 h 臭氧污染浓度变化趋势均以6月份为中心点，呈“中间高、两端低”变化趋势，即从1 月-6月臭氧污染浓度呈上升趋势，至6 月达峰值，从6月之后臭氧污染浓度又开始不断下降；
（3）郑州市夜间臭氧浓度均很低，从早上 08:00开始，臭氧得到积累，臭氧浓度也随之持续升高，午后太阳辐射最强，15:00~16:00 达到最高值，在这以后伴随着太阳辐射强度的减弱而大幅下降；白天08:00—19:00 这段时间臭氧 （O3）浓度郊区高于城市，其他时间段段城市高于郊区。白天，郊区植被天然源 VOCs 排放量较大，机动车少于城区，NO 对臭氧 （O3） 的“滴定效应”要比城区弱，有利于臭氧 （O3）的生成和累积;晚上郊区相对湿度要比城区大，再加上郊区有助于污染物扩散，所以夜晚城区臭氧 （O3）浓度高于郊区。
（4）臭氧（O3） 浓度和温度呈显著的正相关性，即随着温度的上升，臭氧浓度与臭氧超标率都呈明显上升趋势；臭氧（O3） 浓度和风速之间呈显著的正相关性，相关系数最大的为冬季臭氧（O3） 浓度和相对湿度之间呈负相关性相关性最大的为夏季。
参考文献：
[1]梁碧玲，张丽，赖鑫，等． 深圳市臭氧污染特征及其与气象条件的关系［J］． 气象与环境学报，2017，33(1):66
[2]刘芷君，谢小训，谢旻，等． 长江三角洲地区臭氧污染时空分布特征［J］． 生态与农村环境学报，2016，32(3):445
作者简介：吴洁（1991.04）?女，汉族，河南温县人，大学本科，职称：助理工程师，从事研究方向或职业：地面高空观测，人影服务。