鄭州市臭氧濃度特征及其與其他污染物的關系研究

姚豫奇

（駐馬店市氣象局，河南 駐馬店 463000）

0 引言

城市的發展往往會增加能源的消耗，隨之帶來一系列的污染問題，目前，我國部分城市已經由單一的煤煙型污染逐漸向復合型污染轉變［1］。其中，以細顆粒物及臭氧為主引發的大氣復合型污染問題尤為嚴重［2］。近年來，隨著各級政府對污染問題的不斷重視，污染防治措施的不斷完善，細顆粒物污染問題有所改善［3］，但是有利于臭氧產生的光化學煙霧污染卻逐漸嚴重［4］。為更好地探究其形成機理及影響要素，許多學者進行了研究［5-7］，但是研究區域主要集中在長三角、京津冀、珠三角等地區，對中原地區研究相對較少。鄭州市作為中原地區的中心城市發展迅速，是我國中部主要經濟中心之一，且臭氧污染嚴重，因此對鄭州市臭氧污染進行研究有著重要意義。

本研究使用逐日和逐小時鄭州市O3濃度、PM2.5濃度、NO2濃度及CO濃度數據，首先對鄭州市近年來臭氧不同時間尺度變化特征進行總結，然后再分析臭氧濃度與其他污染物之間的關系，為鄭州市臭氧污染防治提供一定的科學依據，也為相關決策提供一定的參考。

1 資料來源

本研究使用的污染物濃度數據均來源于河南省環境氣象業務平臺，選取鄭州市2014年1月1日—2022年2月28日 的 逐 日O3濃 度、PM2.5濃 度、NO2濃度及CO濃度數據和2021年6月1日—2021年8月31日的逐小時O3濃度、PM2.5濃度、NO2濃度及CO濃度數據進行研究分析。

2 結果分析

2.1 鄭州市O3濃度變化特征

對鄭州市2014—2021年年平均O3濃度變化（見圖1）進行分析，可以看出，鄭州市O3年平均濃度整體上呈現先升高后降低再升高再降低的趨勢，其中2014—2017年鄭州市O3濃度呈升高趨勢，且2014—2015年年平均O3濃度升高最快，升高了30%，2017—2018年年平均O3濃度有所降低，降低了6%，2018—2019年年平均O3濃度有所升高，升高了10%，達到112 μg·m-3，為2014—2021年最高值。之后O3濃度逐漸降低，2021年O3年平均濃度為105 μg·m-3，較2014年升高54%，這說明鄭州市臭氧污染仍不容樂觀，需要相關部門加強對臭氧污染的治理工作。

圖1 鄭州市2014—2021年年平均O3濃度變化

為了對鄭州市O3濃度的季節變化特征進行研究，對逐日O3濃度數據進行處理分析（見圖2），季節劃分按照相應氣象標準，可以發現鄭州市O3濃度變化具有很明顯的季節特征，夏季O3濃度最高，平均為146 μg·m-3，其次為春季，平均為115 μg·m-3，再是秋季，平均為83 μg·m-3，O3濃度最低的是冬季，平均為54 μg·m-3，2014—2021年春季O3濃度在72～130 μg·m-3，夏季O3濃度在106～166 μg·m-3，秋季O3濃度在56～102 μg·m-3，冬季O3濃度在44～64 μg·m-3，2014—2017年春季、夏季、冬季O3濃度逐漸升高，秋季O3濃度在2014—2016年逐漸升高，但在2017年有所降低。2017年之后，春季O3濃度先升高后降低，夏季、秋季、冬季O3濃度變化相同，先升高后降低之后再升高。

圖2 鄭州市2014—2021年季節平均O3濃度變化

為進一步對鄭州市O3濃度變化進行分析，從月平均O3濃度變化（見圖3）可以看出，鄭州市O3濃度變化具有單峰型特征，O3濃度從1月份開始逐漸升高，到春末夏初O3濃度達到高值，最高在6月份，為165 μg·m-3，之后O3濃度逐漸降低，到秋末冬初達到低值，最低值在12月份，為43 μg·m-3，與鄭州O3濃度季節變化特征一致。這主要是因為O3濃度變化與太陽輻射變化息息相關，夏季在強太陽輻射和高溫條件下，有利于大氣中的揮發性有機物與氮氧化物發生光化學反應，釋放出大量的O3，使得大氣中O3含量迅速升高，而冬季日照少、氣溫低，不利于光化學反應的發生，因此大氣中O3濃度維持在較低水平［8］。

圖3 鄭州市月平均O3濃度變化

上述研究表明，O3污染最嚴重的季節是夏季，為研究鄭州市O3濃度日變化特征，對2021年鄭州市夏季O3濃度逐小時數據進行處理分析，從鄭州市O3濃度日變化（見圖4）可以看出，鄭州市O3濃度日變化呈明顯的倒“U”型分布，早上7時左右O3濃度逐漸升高，到午后15時左右達到最高值，為157 μg·m-3，之后O3濃度逐漸降低，到6時左右達到最低值。這是因為白天太陽輻射較夜晚強，氣溫較高，光化學反應較強，而午后是一天中太陽輻射最強，氣溫最高的時段，因此O3濃度在午后達到最高，之后由于太陽輻射逐漸減弱，加上大氣化學反應對O3的消耗以及夜晚人類活動和機動車出行減少，使O3濃度逐漸降低［9］。

圖4 鄭州市O3濃度日變化

2.2 鄭州市O3濃度與其他污染物濃度的關系

O3濃度變化不僅受氣象條件的影響，也與O3前體物及大氣顆粒物濃度關系密切，對污染物濃度數據進行處理分析，從鄭州市O3濃度與PM2.5、CO、NO2濃度的相關性（見圖5）可以看出，O3濃度變化與PM2.5濃度變化呈顯著負相關關系，相關系數R為-0.37，通過了顯著性水平α=0.01的相關性檢驗，大氣中PM2.5濃度升高會使O3濃度降低，反之PM2.5濃度降低會使O3濃度升高，這是因為PM2.5的增加會加強消光作用，進而增強對大氣中太陽輻射的削弱作用，減弱大氣中的光化學反應，使O3濃度降低［10］。O3濃度變化也與CO濃度和NO2濃度變化呈負相關關系，相關系數R分別為-0.4和-0.32，均通過了顯著性水平α=0.01的相關性檢驗，CO濃度和NO2濃度升高會使O3濃度降低，反之會使O3濃度升高，這是由于CO和NO2屬于O3的前體物，O3的形成主要是在合適的條件下，O3前體物通過一系列的化學反應而生成，在夏季，生成O3的條件較有利，O3前體物大量消耗，O3濃度較高［11］。

圖5 鄭州市O3濃度與PM2.5、CO、NO2濃度的相關性

3 結論

本研究使用近年來逐日和逐小時的O3、PM2.5、CO和NO2濃度數據對鄭州市O3濃度特征及其與PM2.5、CO和NO2濃度的關系進行研究，得到以下4點結論。

①鄭州市O3年平均濃度整體上呈現先升高后降低再升高再降低的趨勢，2021年O3年平均濃度較2014年升高54%，臭氧污染仍不容樂觀。

②鄭州市O3濃度變化具有很明顯的季節變化和月變化特征，夏季O3濃度最高，其次為春季，再是秋季，濃度最低的是冬季，O3濃度從1月份開始逐漸升高，到春末夏初O3濃度達到高值，最高在6月份，之后O3濃度逐漸降低，到秋末冬初達到低值。

③鄭州市O3濃度日變化呈明顯的倒“U”型分布，早上7時左右O3濃度逐漸升高，到午后15時左右達到最高值，之后O3濃度逐漸降低，到6時左右達到最低值。

④O3濃度變化與PM2.5、CO、NO2濃度變化均呈顯著負相關關系，且通過顯著性水平α=0.01的相關性檢驗，PM2.5的增加會加強消光作用，使O3濃度降低，CO和NO2屬于O3的前體物，在夏季，生成O3的條件較有利，O3前體物大量消耗，O3濃度較高。