鹽城市大豐區(qū)臭氧污染特征及影響因素分析

趙玉敏

(鹽城市大豐生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，江蘇 鹽城 224100)

1 引言

臭氧是一種較強(qiáng)的氧化劑。自然界中的雷雨放電可以使氧氣轉(zhuǎn)化為臭氧；弧光放電也可以產(chǎn)生臭氧；人類活動(dòng)，如汽車尾氣的排放、工業(yè)污染氣體的排放，所產(chǎn)生的氮氧化物和碳?xì)浠衔锏纫淮挝廴疚镌陉?yáng)光作用下，發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，所生成的二次污染物中也含有臭氧[1]。臭氧能有效阻擋紫外線，在一定程度上保護(hù)人類健康。但臭氧具有強(qiáng)烈的刺激性，人體吸入過(guò)量臭氧時(shí)，會(huì)對(duì)呼吸道和肺部造成嚴(yán)重傷害，甚至?xí)_亂中樞神經(jīng)。此外，臭氧濃度的升高還會(huì)影響植物的生長(zhǎng)，造成農(nóng)作物減產(chǎn)[2]。近年來(lái)，隨著我國(guó)工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，排放到大氣中的臭氧前體物如揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)、氮氧化物(NOx)等在不斷增加，臭氧污染也日益嚴(yán)重。根據(jù)鹽城市大豐區(qū)2020年1月至2021年2月空氣自動(dòng)站的臭氧監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)大豐區(qū)臭氧污染特征及其影響因素進(jìn)行了分析，以期為當(dāng)?shù)爻粞跷廴镜姆乐喂ぷ魈峁﹨⒖肌?/p>

2 鹽城市大豐區(qū)2020年臭氧污染狀況

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2020年鹽城市大豐區(qū)大豐高級(jí)中學(xué)站和創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)園站兩個(gè)空氣自動(dòng)站站點(diǎn)的臭氧監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)滿足《環(huán)境空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范(試行)》(HJ633-2013)中關(guān)于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的有效性規(guī)定。根據(jù)兩個(gè)站點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，2020年鹽城市大豐區(qū)臭氧日最大8 h滑動(dòng)平均值(MAD8)年均值為105 μg/m3，臭氧MAD8的第90百分位數(shù)為155 μg/m3，超標(biāo)率為8.5%。2020年鹽城市大豐區(qū)的污染天數(shù)為54 d，其中以臭氧為首要污染物的污染天數(shù)為31 d，占總污染天數(shù)的一半以上，為57.4%。

3 臭氧濃度的時(shí)空分布特征

3.1 時(shí)間變化特征

3.1.1 月變化特征

以臭氧日最大8 h滑動(dòng)平均值(MAD8)月均值和每月臭氧MAD8的第90百分位數(shù)為考察對(duì)象，分析大豐區(qū)2020年臭氧濃度隨月份變化的情況。結(jié)果如圖1所示，臭氧MAD8和臭氧MAD8的第90百分位數(shù)的變化趨勢(shì)一致。1～4月份臭氧濃度不斷升高，4～6月份臭氧濃度均較高，7月份則有一次明顯的回落，出現(xiàn)了一個(gè)低谷，8月份又開(kāi)始回升，9月份又達(dá)到了一個(gè)峰值，10月份起又明顯回落，呈下降趨勢(shì)，直至12月份達(dá)到最低值。1～6月份期間，氣溫不斷上升，日照時(shí)長(zhǎng)和強(qiáng)度也增大，有利于臭氧的生成和累積，臭氧濃度也呈現(xiàn)出不斷增大的趨勢(shì)。由于地處江淮流域，大豐區(qū) 6月中、下旬到7月上、中旬處于梅雨天氣。大量降雨不僅減弱了太陽(yáng)輻射，而且對(duì)大氣中臭氧的前體物有濕清除作用，這使得臭氧濃度在7月份出現(xiàn)了一個(gè)低谷。雨季過(guò)后，8月份臭氧濃度開(kāi)始回升。而9～12月份，日照時(shí)長(zhǎng)逐漸變短，氣溫不斷下降，臭氧濃度也隨之降低。

圖1 2020年鹽城市大豐區(qū)臭氧濃度月變化情況

3.1.2 季節(jié)變化特征

對(duì)2020年3月至2021年2月的12個(gè)月份進(jìn)行季節(jié)劃分，即3～5月為春季；6～8月為夏季；9～11月為秋季；10月至次年2月為冬季。大豐區(qū)臭氧MAD8各季節(jié)均值和各季節(jié)臭氧MAD8的第90百分位數(shù)濃度值呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化特征，且二者變化趨勢(shì)一致，為春季>夏季>秋季>冬季。春夏兩季日照時(shí)間較長(zhǎng)，氣溫較高，秋季日照時(shí)間縮短，氣溫也開(kāi)始下降，冬季日照最少且氣溫最低，因而春夏兩季的臭氧濃度較高，冬季最低。與春季相比，夏季雨天較多，縮短了日照時(shí)長(zhǎng)，降雨的濕清除作用也不利于臭氧的生成和累積，導(dǎo)致臭氧濃度偏低[3]。這也是夏季的氣溫和日照強(qiáng)度均高于春季，而臭氧的平均濃度卻低于春季的主要原因(圖2)。

圖2 2020年3月至2021年2月鹽城市大豐區(qū)各季節(jié)臭氧濃度情況

3.1.3 日變化特征

取全年每一天同一時(shí)刻的臭氧小時(shí)濃度均值為該時(shí)刻的臭氧濃度，分析臭氧濃度的日變化特征，結(jié)果如圖3所示。大豐區(qū)2020年度兩站點(diǎn)臭氧濃度日變化情況完全一致，呈現(xiàn)出顯著的單峰形特征[4]。臭氧濃度在晝間較高，在夜間較低。1:00～6:00臭氧濃度呈逐漸下降的趨勢(shì)，6:00達(dá)到最低值。6:00后人類活動(dòng)逐漸增加，排入到大氣中的臭氧前體物增多，太陽(yáng)輻射逐漸增強(qiáng)，同時(shí)伴隨著氣溫的升高，光化學(xué)反應(yīng)越來(lái)越激烈，臭氧的生成和累積較多，濃度開(kāi)始逐漸上升，至14:00達(dá)到峰值。此后至24:00，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度逐漸減弱，氣溫不斷降低，人類活動(dòng)也慢慢減少，臭氧濃度呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。

圖3 2020年鹽城市大豐區(qū)臭氧濃度日變化情況

3.2 空間分布特征

如圖3所示，從2020年鹽城市大豐區(qū)全年臭氧小時(shí)均值來(lái)看，大豐高級(jí)中學(xué)站整體上高于創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)園站。與創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)園站所處區(qū)域相比，大豐高級(jí)中學(xué)站周邊區(qū)域生活小區(qū)和學(xué)校較為密集，人類活動(dòng)頻繁，車流量較大，排放到大氣中的臭氧前體物也較多。此外，由于“城市熱島效應(yīng)”，大豐高級(jí)中學(xué)站所處區(qū)域的氣溫會(huì)略高于創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)園站。這些條件都有利于臭氧的生成和積累，因而會(huì)導(dǎo)致臭氧濃度偏高。而創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)園站遠(yuǎn)離“鬧市”，周邊生活設(shè)施較少，車流量少，且空氣流通較好，對(duì)臭氧有一定的稀釋作用，因而臭氧濃度會(huì)偏低。

4 臭氧影響因素分析

4.1 二氧化氮的影響

圖4為2020年鹽城市大豐區(qū)某日二氧化氮與臭氧小時(shí)濃度的變化趨勢(shì)。二氧化氮與臭氧濃度的變化整體上呈現(xiàn)出完全相反的趨勢(shì)。這是因?yàn)榇髿庵械亩趸诠庹盏臈l件下能光解生成臭氧，二者是反應(yīng)物與生成物的關(guān)系，因而呈現(xiàn)出“此消彼長(zhǎng)”的變化趨勢(shì)[5]。1:00～6:00由于太陽(yáng)輻射較弱，光化學(xué)反應(yīng)不強(qiáng)烈，臭氧的生成和積累速率很低，因而濃度呈下降趨勢(shì)。同時(shí)二氧化氮不斷積累，濃度逐漸增大。6:00～10:00，隨著人類活動(dòng)的增加，如機(jī)動(dòng)車尾氣和工業(yè)廢氣的排放，大氣中的二氧化氮增多，但太陽(yáng)輻射強(qiáng)度也不斷增強(qiáng)，光化學(xué)反應(yīng)越來(lái)越激烈，二氧化氮的消耗量大于排放量，導(dǎo)致二氧化氮濃度降低。而臭氧的生成速率增大，積累得越來(lái)越多，濃度大幅增加。10:00～14:00，二氧化氮濃度達(dá)到最低值，臭氧濃度逐漸增大達(dá)到最大值。14:00～18:00隨著太陽(yáng)輻射逐漸減弱，臭氧濃度不斷降低，二氧化氮濃度不斷升高至18:00達(dá)到最大值，18:00后由于人類活動(dòng)的減少，二氧化氮的排放量減少，濃度開(kāi)始下降，而后又慢慢積累，濃度開(kāi)始增大。臭氧濃度的變化趨勢(shì)則相反。二氧化氮與臭氧濃度呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖4 二氧化氮與臭氧小時(shí)濃度變化趨勢(shì)

4.2 氣象因素的影響

4.2.1 溫度的影響

溫度是影響臭氧濃度的重要因素。如圖5所示，1:00～24:00臭氧濃度與溫度的變化趨勢(shì)一致。1:00～5:00隨著氣溫的降低，臭氧濃度也變小；6:00～11:00氣溫不斷上升，臭氧濃度也隨之增大。12:00～15:00為一天中氣溫最高的時(shí)段，臭氧濃度也在此時(shí)段達(dá)到一天中的最大值。15:00以后至24:00，氣溫逐漸下降，臭氧濃度也相應(yīng)呈下降趨勢(shì)。又如圖1，1～6月份期間，氣溫不斷上升，臭氧濃度也呈現(xiàn)出不斷增大的趨勢(shì)；9～12月份期間，氣溫不斷下降，臭氧濃度也隨之不斷降低。且臭氧濃度均值和高分位值(臭氧MAD8的第90百分位數(shù))的3個(gè)峰值，濃度分別為173.5 μg/m3、180 μg/m3和176 μg/m3，分別出現(xiàn)在4月份、6月份和9月份，均為氣溫較高的月份。此外，臭氧濃度超標(biāo)的天數(shù)中，有93.5%出現(xiàn)在4～9月份。而臭氧濃度的最低值則出現(xiàn)在氣溫最低的12月份。由此可見(jiàn)，溫度的升高對(duì)臭氧濃度增加的作用較為明顯。臭氧濃度與溫度為正相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)性較大。這是因?yàn)闇囟葧?huì)影響生成臭氧的光化學(xué)反應(yīng)效率，溫度高時(shí)，光化學(xué)反應(yīng)劇烈，臭氧的生成速率也會(huì)加快，臭氧的濃度就會(huì)增加[5～7]。

4.2.2 相對(duì)濕度的影響

選取相對(duì)濕度變化較明顯的某日，對(duì)該日臭氧濃度的小時(shí)均值進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6所示。一天之中，臭氧濃度的變化呈現(xiàn)出與相對(duì)濕度變化完全相反的趨勢(shì)，這說(shuō)明臭氧濃度與相對(duì)濕度負(fù)相關(guān)。相對(duì)濕度的增大對(duì)臭氧濃度有顯著的減弱作用。這是因?yàn)橄鄬?duì)濕度較高時(shí)大氣中的水汽較多，而水汽一方面會(huì)減弱太陽(yáng)輻射，從而降低臭氧的光化學(xué)反應(yīng)生成速率，另一方面會(huì)形成濕沉降，對(duì)臭氧及其前體物有濕清除作用[8]。

圖5 溫度與臭氧濃度小時(shí)變化情況

圖6 相對(duì)濕度與臭氧濃度小時(shí)變化情況

5 結(jié)論與展望

(1)在2020年鹽城市大豐區(qū)大氣總污染天數(shù)中，以臭氧為首要污染物的污染天數(shù)占比最大，為57.4%，且臭氧濃度超標(biāo)日集中在氣溫較高的4～9月份。

(2)2020年鹽城市大豐區(qū)臭氧濃度在1～4月不斷上升，4～6月均保持在較高水平，7月份由于受降水影響，出現(xiàn)一次明顯的回落，9月份又回升到峰值，10～12月則不斷下降，至12月達(dá)到最低值。季節(jié)上，臭氧濃度呈現(xiàn)出春季>夏季>秋季>冬季的變化特征。臭氧濃度的日變化趨勢(shì)呈現(xiàn)出顯著的單峰形特征，1:00～6:00臭氧濃度呈逐漸下降的趨勢(shì)，6:00達(dá)到最低值；6:00后不斷上升，至14:00達(dá)到峰值。15:00～24:00臭氧濃度不斷下降。

(3)在空間上，人類活動(dòng)量較大、周邊建筑較密集區(qū)域的臭氧濃度高于遠(yuǎn)離“鬧市”、地勢(shì)較為開(kāi)闊的區(qū)域。

(4)臭氧與二氧化氮為光化學(xué)反應(yīng)中的生成物與反應(yīng)物的關(guān)系，二者的濃度變化呈現(xiàn)出“此消彼長(zhǎng)”的趨勢(shì)，為顯著的負(fù)相關(guān)。

(5)臭氧濃度與氣溫呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，與相對(duì)濕度呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。臭氧濃度的變化是多種因素共同作用的結(jié)果，單一的因素?zé)o法全面地說(shuō)明對(duì)臭氧濃度的影響，因而應(yīng)對(duì)臭氧濃度的多種影響因素進(jìn)行更加深入、全面的研究，引入合理的模型，對(duì)相關(guān)性進(jìn)行量化，以更加全面、準(zhǔn)確地把握各種因素的影響機(jī)制和程度，為臭氧的污染防治工作提供更有利的參考。