氣象條件對沈陽市環境空氣臭氧濃度影響研究

王 闖，王 帥，楊碧波，張麗輝，王 磊，劉 閩

沈陽市環境監測中心站 國家環境保護大氣有機污染物監測分析重點實驗室，遼寧 沈陽 110015

臭氧是天然大氣中重要微量組分，大部分集中在10～30 km的大氣平流層，其中20～25 km處濃度最高。臭氧能夠吸收太陽紫外線，對地面生物圈具有重要保護作用。臭氧也是一種強氧化劑，若近地面或對流層大氣中臭氧濃度增加，會對人類健康造成危害［1］，還會影響動植物生長導致農作物減產［2］，給生態環境帶來嚴重危害［3］。作為近地面大氣中重要的污染物之一，臭氧的主要來源不是直接通過污染源排放，而是由人類活動排放的NOx和非甲烷烴類等污染物在大氣中的光化學過程所產生的，因此，多數研究將臭氧作為光化學煙霧污染的重要指標。本文針對日益嚴重的空氣污染，選擇臭氧為研究對象，研究了臭氧濃度變化特征，分析臭氧濃度在不同時間的變化規律，并結合氣象數據分析其對臭氧濃度的影響，以期為掌握光化學污染及臭氧污染態勢提供參考。

1 監測概況

1.1 監測點位

自2008年開始，沈陽市作為國家環保局的臭氧監測試點城市之一，開始臭氧監測工作，自2013年1月1日起，沈陽市11個國控點位全部開始臭氧監測。按地理位置將城市分為城市中心區、城市次中心區、近郊區點位3類。其中，城市中心區包括二毛、太原街、小河沿、文藝路、北陵5個點位，城市次中心區包括張士、東軟、渾南二3個點位，近郊區包括遼大、炮兵學院、輝山3個點位。

1.2 監測項目及方法

沈陽市11個點位均采用Thermo 49i型紫外光度法臭氧分析儀監測臭氧數據，儀器量程0～0.1至400 mg/m3，最低檢出限為0.002 mg/m3，零位漂移為每24小時不超過0.002 mg/m3，響應時間為20 s。儀器每天24小時連續采樣監測，每分鐘記錄一次數據，臭氧濃度由儀器自帶軟件記錄。

1.3 監測數據及統計方法

選取2013年沈陽市臭氧監測數據及沈陽市氣象局提供的相關氣象數據，共計天數為365 d。按《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)中二級標準的濃度限值160 μg/m3進行臭氧監測數據的超標判定，即當日最大滑動8 h平均值大于160 μg/m3，則當日超標;采用Microsoft excel軟件進行數據處理和作圖。

2 結果與分析

2.1 監測結果概述

2013年沈陽市臭氧日最大8小時平均第90百分位數為140 μg/m3，達到國家二級標準。如圖1所示，2013年全市、城市中心區、城市次中心區及近郊區臭氧日最大8 h第90百分位數分別為 140、134、140、148 μg/m3;臭氧年均值濃度分別為 95、90、94、97 μg/m3;其中，城市近郊區臭氧年均濃度最高。全年沈陽市臭氧超標天數為27 d，從圖2可以看出，近郊區超標天數最多。兩種結果均表明，城市近郊區臭氧濃度高于其他地區。

圖1 沈陽市不同區域臭氧年均值及最大滑動8小時第90百分位數對比

圖2 沈陽市不同區域臭氧超標天數對比

2.2 臭氧變化趨勢分析

2.2.1 臭氧季節變化特征

沈陽市不同區域臭氧濃度季節變化如圖3所示。可以看出，沈陽市不同區域及全市臭氧濃度季節變化趨勢基本一致，夏季臭氧濃度較高，冬季最低，春季大于秋季。從不同區域對比看，各季節中城市近郊區臭氧濃度最高，城市次中心次之，而城市中心區最低。

圖3 沈陽市不同區域臭氧濃度季節變化對比

2.2.2 臭氧濃度月際變化特征

2013年不同區域臭氧濃度月際變化情況見圖4。可見，3個區域變化趨勢基本一致，1—4月各區域臭氧月均值逐漸上升;5—6月臭氧月均值濃度上升至最大，且上升幅度較大，3個區域5—6月臭氧月均值濃度約為4月的1.5倍左右;7—12月臭氧月均值濃度逐漸下降。

圖4 沈陽市不同區域臭氧濃度月變化對比

由圖4還可以看出，城市中心區、城市次中心區最高月平均濃度出現在5月，近郊區最高月平均濃度出現在6月;城市中心區、城市次中心區最低月平均濃度出現在12月，近郊區最低月平均濃度出現在1月。

2.2.3 臭氧濃度日變化特征

沈陽市不同區域臭氧濃度的日變化曲線見圖5。從圖5可以看出，3個區域臭氧濃度的日變化規律大致相同，均呈單峰變化。夜間臭氧濃度較低，6:00—7:00臭氧濃度最低，隨后臭氧濃度開始大幅上升，最大值都出現在午后14:00，之后臭氧濃度又逐漸降低。這種變化特征與太陽輻射的日變化規律相似，白天較強，夜間減弱。

圖5 沈陽市不同區域臭氧濃度日變化對比

2.3 氣象條件對臭氧濃度的影響

2.3.1 天氣現象對臭氧濃度的影響

對比冬季1—2月、12月和夏季6—8月期間，晴天與非晴天時臭氧濃度平均值見圖6。

圖6 不同天氣現象下臭氧濃度對比

由圖6可見，夏季晴天、非晴天下臭氧濃度平均值分別為137、131 μg/m3，冬季晴天、非晴天下臭氧濃度平均值分別為54、47 μg/m3。夏季在晴天及非晴天下，臭氧濃度均高于冬季;夏季晴天臭氧濃度高于非晴天臭氧濃度，說明在溫度高、太陽輻射較強時間段，臭氧濃度較高。

2.3.2 細顆粒物(PM2.5)對臭氧濃度的影響

如圖7所示，在臭氧與PM2.5濃度日變化規律中，臭氧濃度上午逐漸上升，中午達到最高，下午又逐漸降低，而PM2.5濃度則與臭氧的變化趨勢恰好相反，呈現先降后升的趨勢。臭氧和PM2.5的日變化規律存在顯著負相關性，可用方程y=－0.437 2x+141.12來表示，相關系數(R2)為0.659。在空氣濕度較大，能見度低天氣條件下，PM2.5濃度容易升高，此時，太陽輻射也會減弱，進而影響臭氧的產生。

圖7 臭氧與PM2.5濃度日變化規律對比

2.3.3 能見度對臭氧濃度的影響

如圖8所示，在日變化規律中，臭氧濃度隨能見度升高而增大。能見度高時，天氣晴朗、云量少、太陽輻射較強，利于臭氧形成的光化學反應，臭氧濃度也隨之增加。因此，臭氧和能見度日變化規律存在顯著正相關性，可用方程 y=1.455x+44.7來表示，相關系數(R2)為0.921。

圖8 臭氧與能見度變化規律

2.3.4 日變化中氣溫對臭氧濃度的影響

如圖9所示，在日變化規律中，臭氧濃度隨溫度升高而增加，臭氧和溫度均在13:00達到最大值。臭氧是在太陽輻射下通過光化學反應由一次污染物經反應生成的，而溫度是由太陽輻射而逐漸升高，因此，臭氧和溫度的日變化規律大致相似，并存在較好的正相關性，可用方程y=6.774x+3.368 5來表示，相關系數(R2)為0.932。

2.3.5 風速對臭氧濃度的影響

臭氧濃度與風速變化規律見圖10，風速大時，臭氧濃度較高，反之風速小時，臭氧濃度也較小。風速對臭氧濃度的影響主要表現在:風對空氣中污染物遷移擴散作用。風速較小時，由于臭氧本身的不穩定性，在隨風遷移的過程中，臭氧就被分解成氧原子和氧分子;風速較大時，臭氧能在未完全分解前就被監測到，而且風速大還有利于降低與臭氧發生光化學反應前體物的濃度，從而降低光化學反應對臭氧的消耗。此外，溫度升高可加劇空氣對流，使風速增大，高溫也是有助于臭氧濃度的升高的因素。因此，臭氧濃度與風速呈正相關變化，可用方程y=22.212x+1.109 1表示，相關系數(R2)為0.963。

圖9 臭氧與溫度的日變化規律

圖10 臭氧與風速的變化規律

2.3.6 濕度對臭氧濃度的影響

臭氧濃度與相對濕度變化規律見圖11，臭氧濃度達到高峰時，相對濕度處于較低水平，反之亦然。相對濕度是絕對濕度與最高濕度之間的比，它的值顯示水蒸氣的飽和度有多高。相同條件下，濕度越大，水蒸氣飽和度越高。在濕度較高情況下，空氣中水汽所含的自由基H、OH等迅速將臭氧分解為氧分子，降低臭氧濃度。使臭氧濃度與濕度呈負相關變化，可用方程y=－1.484 4+67.68表示，R2=0.958 1。

圖11 臭氧與相對濕度的變化規律

3 討論與結論

3.1 討論

3.1.1 臭氧濃度變化規律

很多針對城市臭氧濃度季節變化規律的研究結果基本一致，如北京［4］、成都［5］、濟南［6］、南昌［7］、東莞［8］等地均是夏季近地面臭氧濃度較高，而冬季較低。本研究的結論與上述觀點一致，沈陽地區近地面臭氧濃度夏季高于冬季。夏季太陽輻射強、氣溫高等因素引起光化學反應劇烈，導致近地面臭氧濃度有明顯的季節變化特征。

結合臭氧濃度日變化曲線，臭氧濃度呈明顯的單峰型分布，日最大值出現在午后13:00左右，最小值出現在凌晨6:00前后，這與各地區城市典型臭氧濃度日變化規律一致［9-10］。

3.1.2 臭氧濃度與氣象條件的關系

臭氧作為2次污染物，即與其前體物，如氮氧化物、碳氧化物等密切相關，也與氣象條件有很大的聯系。氣象條件在臭氧形成及轉化過程中起到重要作用，它通過環境變化影響臭氧濃度。研究分析了近地面臭氧濃度分別與PM2.5污染濃度、不同天氣、能見度、溫度、風速及濕度之間的關系。其中，PM2.5濃度、濕度與臭氧濃度呈負相關，能見度、溫度及風速均與臭氧濃度呈正相關，且風速和溫度與臭氧濃度的相關性更好，說明這兩個因素對臭氧濃度影響較大。

臭氧濃度變化受到不同天氣條件的影響，太陽輻射是影響近地面臭氧濃度的重要因素之一［11-12］。在不同氣象條件下，太陽輻射變化導致臭氧濃度的變化。晴天、高溫、能見度大時臭氧濃度較高，而陰雨天或出現霧霾，能見度較低、低溫的天氣臭氧濃度較低。太陽輻射強度與近地面臭氧濃度密切相關，變化趨勢相同。太陽輻射強弱直接影響光化學反應速度，從而導致臭氧濃度發生變化。

3.2 結論

1)沈陽地區1年中城市近郊臭氧濃度高于次中心區域及城市中心。臭氧濃度夏季最高，春秋次之，冬季較低。臭氧濃度日變化呈單峰趨勢，夜間變化平緩，白天變化劇烈。6:00—7:00間臭氧濃度最低，隨后臭氧濃度開始大幅上升，最大值都出現在午后13:00，之后臭氧濃度又逐漸降低。

2)晴天時臭氧濃度高于非晴天，特別是夏季晴天，臭氧濃度最高。

3)臭氧濃度日變化趨勢是單峰變化，與溫度變化趨勢相似，在時間上較溫度略有滯后。氣溫在日出后7:00左右迅速升高，13:00左右達到最大，與臭氧濃度達到最大值接近。溫度變化與太陽輻射密切相關，太陽輻射強弱直接影響光化學反應速度，從而影響了臭氧濃度的變化。

4)細顆粒物對臭氧濃度呈負相關變化，出現霧霾天氣細顆粒污染濃度較高，能見度較低，同時減弱太陽輻射，進而減慢光化學反應速度，降低了臭氧濃度。

5)天氣、能見度、溫度、風速及濕度都會影響臭氧濃度的變化，臭氧濃度的超標是多種因素共同作用的結果。

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