中山市臭氧與相關(guān)因素的關(guān)系分析

徐迅宇

(中山市環(huán)境監(jiān)測(cè)站,廣東中山528403)

1 引言

環(huán)境空氣中的臭氧(O3),不是由污染源直接排放的污染物,它是氮氧化物(NOx)和碳?xì)浠衔?HC)等一次污染物在紫外光照射下,發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成的二次污染物,是光化學(xué)煙霧污染的主要污染物之一。目前,許多國家都把臭氧濃度作為光化學(xué)煙霧污染的重要指標(biāo)來實(shí)施監(jiān)測(cè)[3]。光化學(xué)煙霧具有很強(qiáng)的氧化性和刺激性,它降低能見度,對(duì)人體的眼、喉、鼻,對(duì)動(dòng)物、植物、各種材料都由很大的危害。

20世紀(jì)90年代之后,隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展,中國汽車油耗增高,污染控制水平較低,以致造成汽車污染日益嚴(yán)重。部分大城市交通干道氮氧化物(NOx)嚴(yán)重超過國家標(biāo)準(zhǔn),汽車污染已成為主要的空氣污染物,一些城市汽車排放濃度嚴(yán)重超標(biāo),已具有發(fā)生光化學(xué)煙霧的潛在危險(xiǎn)。隨著中國汽車擁有量的激增,大城市氮氧化物污染逐漸加重,發(fā)生光化學(xué)煙霧的可能性越來越大。中山市也面臨同樣的情況,因此,有必要對(duì)中山市O3的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析,并研究它與前體物NOx和相關(guān)氣象因素(主要是氣溫和日照)的關(guān)系。

2 中山市空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

中山市有4個(gè)空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn),均配有O3和NOx等項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)儀器,還配有各氣象參數(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng),O3和NOx采用美國TE公司的49C型和42C型監(jiān)測(cè)儀,氣象參數(shù)采用METONE氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng),根據(jù)4個(gè)站點(diǎn)每天的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)全市各項(xiàng)目的小時(shí)值和日均值。本研究統(tǒng)計(jì)了2009年各項(xiàng)目的小時(shí)平均值共24組數(shù)據(jù),日均值共365組數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 各項(xiàng)目的變化特征

3.1.1 月變化特征

從圖1、圖2和圖 3可以看出O3、NOx、氣溫和日照的月變化趨勢(shì),各個(gè)項(xiàng)目都有明顯的季節(jié)變化規(guī)律,氣溫和日照的四季變化比較突出,都是夏季較高,冬季較低,這也可以證明氣溫與日照有直接的關(guān)系。NOx的濃度在夏季較低,冬季較高,這與一般的污染物濃度的季節(jié)變化是一致的,因?yàn)橄募镜臍庀髼l件有利于污染物的擴(kuò)散,而冬季則反之;O3的濃度變化則剛好相反,在氣溫較高、日照較強(qiáng)的夏季較高,冬季較低,這現(xiàn)象可能與O3作為二次污染物的生成過程有關(guān)[2]。

圖1 2009年中山市O3和NOx濃度的月變化

圖2 2009年中山市O3濃度和氣溫的月變化

圖3 2009年中山市O3濃度和日照的月變化

3.1.2 時(shí)間變化特征

從圖4、圖5和圖6可以看出 O3、NOx、氣溫和日照的時(shí)間變化趨勢(shì),各項(xiàng)目也有明顯的日變化規(guī)律：氣溫和日照都有白天高夜間低的特點(diǎn),正午12點(diǎn),太陽輻射最強(qiáng)烈,日照達(dá)到最高值,氣溫也在午后14點(diǎn)達(dá)到最高值,只是比日照最大值出現(xiàn)的時(shí)間滯后了2h,這是因?yàn)榇髿庑枰獣r(shí)間加熱才可升溫;NOx的濃度白天較低,夜間較高,這與白天的擴(kuò)散條件比較好,夜間的擴(kuò)散條件比較差有關(guān);O3的濃度日變化規(guī)律與氣溫和日照的日變化規(guī)律相似,與NOx的濃度的日變化規(guī)律相反,夜間比較低,從0點(diǎn)到7點(diǎn)處于濃度較低的階段,只有輕微的波動(dòng),在7點(diǎn)后O3濃度開始大幅上升,在午后的14點(diǎn)到15點(diǎn)出現(xiàn)1天的峰值,隨后O3濃度又逐漸降低,日變化趨勢(shì)與氣溫的日變化趨勢(shì)基本一致,日變化規(guī)律與其他研究結(jié)果一致[1,4～6]。O3濃度峰值比日照最大值出現(xiàn)時(shí)間也滯后了2h,這說明O3的產(chǎn)生與太陽輻射密切相關(guān),白天濃度高,夜間濃度低,而且O3是由于太陽輻射而形成的二次污染物,只是反應(yīng)同樣需要時(shí)間。

圖4 2009年中山市O3和NOx濃度的日變化

圖5 2009年中山市O3濃度和氣溫的日變化

圖6 2009年中山市O3濃度和日照的日變化

3.2 各項(xiàng)目的相關(guān)關(guān)系

3.2.1 O3與NOx的相關(guān)性分析

從圖1和圖7可見,O3與NOx濃度的季節(jié)變化存在很好的負(fù)相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)為-0.8079,相關(guān)性可以用方程y=-1.0454x+0.1737來表示。在季節(jié)變化規(guī)律中,NOx的最高值所對(duì)應(yīng)的O3濃度最低,出現(xiàn)在12月(冬季期間),而O3的最高值對(duì)應(yīng)的NOx濃度最低,出現(xiàn)在7月(夏季期間),說明夏季7月份前體物NOx生成二次污染物O3的反應(yīng)比較強(qiáng)烈,發(fā)生光化學(xué)煙霧的可能性比較大,冬季12月份反應(yīng)比較弱,發(fā)生光化學(xué)煙霧的可能性較小。

圖7 中山市O3和NOx濃度的季節(jié)相關(guān)性

進(jìn)一步從圖4和圖8可見,O3與NOx濃度的日變化存在較好的負(fù)相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)為-0.6502,相關(guān)性可以用方程y=-4.064 x+0.3069來表示。在日變化規(guī)律中,O3與NOx濃度的最高、最低值的反對(duì)應(yīng)關(guān)系不如季節(jié)變化規(guī)律中的明顯,但大致還是相互對(duì)應(yīng)的,特別是O3濃度的最高值基本對(duì)應(yīng)NOx濃度的最低值,出現(xiàn)在一天的14點(diǎn)左右,說明一天中的14點(diǎn)左右前體物NOx生成二次污染物O3的反應(yīng)比較強(qiáng)烈,發(fā)生光化學(xué)煙霧的可能性比較大。

圖8 中山市O3和NOx濃度的日變化相關(guān)性

3.2.2 O3與氣溫、日照的相關(guān)性分析

O3的形成過程,除了與NOx有關(guān),還與太陽輻射等條件有明顯的關(guān)系。從圖2、圖3、圖9和圖10可見,O3濃度與氣溫、日照的季節(jié)變化存在非常好的正相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)分別是0.9538和0.9104,都在0.9以上,相關(guān)性分別可以用方程y=0.0051x-0.0089和y=0.0007 x+0.0297來表示。在季節(jié)變化規(guī)律中,O3濃度與氣溫、日照的升降趨勢(shì)非常一致,特別是最高值都出現(xiàn)在7月份左右(夏季期間),最低值都出現(xiàn)在12月份左右(冬季期間),這進(jìn)一步說明了夏季7月份前體物NOx生成二次污染物O3的反應(yīng)比較強(qiáng)烈,而這強(qiáng)烈的反應(yīng)是在夏季較強(qiáng)的太陽輻射下進(jìn)行的,冬季由于太陽輻射比較弱,因此反應(yīng)也較弱,二次污染物O3的濃度也就比較低。

圖9 中山市O3濃度和氣溫的季節(jié)相關(guān)性

圖10 中山市O3濃度和日照的季節(jié)相關(guān)性

再從圖5、圖6和圖11分析O3濃度與氣溫、日照的相關(guān)性,可見O3濃度與氣溫的日變化同樣存在非常好的正相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)為0.9268,相關(guān)性可用方程y=0.0213x-0.4095來表示。在日變化規(guī)律中,O3濃度隨著氣溫的升高而增加,當(dāng)氣溫達(dá)到日最高值時(shí),O3濃度也達(dá)到極值。O3的生成是前體污染物(NOx等)在太陽輻射的照射下,發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生,而氣溫也隨著太陽輻射的增加而升高,只是氣溫的增加較太陽輻射滯后了2 h,因此氣溫和O3濃度的日變化規(guī)律非常相似,氣溫可以作為衡量O3污染水平的重要指標(biāo)[1]。

圖11 中山市O3濃度和氣溫的日相關(guān)性

3 結(jié)論

O3濃度、NOx濃度、氣溫和日照呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化趨勢(shì)。夏季O3濃度最高,氣溫和日照也最高,NOx濃度則最低;冬季O3濃度最低,氣溫和日照也最低,NOx濃度則最高。O3濃度、NOx濃度、氣溫和日照小時(shí)值變化呈現(xiàn)明顯的日變化規(guī)律。O3濃度、氣溫和日照白天高,夜間低,NOx濃度則反之,O3濃度在午后的14點(diǎn)到15點(diǎn)出現(xiàn)峰值。O3與NOx濃度的季節(jié)變化存在很好的負(fù)相關(guān)性,日變化也存在較好的負(fù)相關(guān)性,一年當(dāng)中夏季7月份和一天當(dāng)中的14點(diǎn)左右的時(shí)間前體物NOx生成二次污染物O3的反應(yīng)比較強(qiáng)烈,發(fā)生光化學(xué)煙霧的可能性比較大。O3濃度與氣溫、日照的季節(jié)變化存在非常好的正相關(guān)性,O3濃度與氣溫的日變化同樣存在非常好的正相關(guān)性,無論是一年當(dāng)中還是一天當(dāng)中的時(shí)間,生成二次污染物O3的比較強(qiáng)烈的反應(yīng)與較強(qiáng)的太陽輻射有直接的關(guān)系,日照強(qiáng)度高,氣溫就高,O3濃度也高,而氣溫可以作為衡量O3污染水平的重要指標(biāo)。

[1]陳 魁,郭勝華,董海燕,等.天津市臭氧濃度時(shí)空分布與變化特征研究[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展,2010(1)：17～19.

[2]徐 蓮,馬民濤,金 毓,等.北京地區(qū)O3與 NO2的偏相關(guān)分析[J].城市環(huán)境與城市生態(tài),2003,16(2)：67～71.

[3]唐孝炎.大氣環(huán)境化學(xué)[M].北京：高等教育出版社,1990.

[4]洪盛茂.杭州主城區(qū)大氣臭氧對(duì)空氣污染指數(shù)API的影響[J].中國環(huán)境監(jiān)測(cè),2010,26(1)：46～52.

[5]張予燕,張 群,薛光璞.南京地區(qū)空氣NO2與O3污染分析[J].江蘇環(huán)境科技,2007,20(2)：20～22.

[6]陳世儉,童俊超,Kazuhiko KOBAYASH I等.氣象因子對(duì)近地面層臭氧濃度的影響[J].華中師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2005,39(2)：273～ 277.