氣象因素對沈陽臭氧濃度的影響研究

高木木，孫學斌， 陳 楊

(遼寧省沈陽生態環境監測中心，遼寧 沈陽 110136)

1 引言

對流層中O3主要由氮氧化物和揮發性有機物經過一系列復雜的光化學反應生成，是大氣中主要的污染物之一，影響著區域和城市的空氣質量。近地面O3濃度的升高對人體健康、建筑、農業等方面都會造成嚴重的危害。以O3為核心的氧化物質具有極強的化學氧化活性，高濃度O3能夠強烈刺激人的呼吸道、造成人的神經中毒、破壞人體的免疫機能、誘發染色體病變和加速衰老等，已引起國內外學者的廣泛關注。由2016～2019年《中國生態環境狀況》得知，在可吸入顆粒物(PM2.5)污染形勢依然嚴峻的情況下，我國城市O3污染問題日漸突出，以O3為首要污染物的超標天數呈逐年上升趨勢，目前已成為僅次于PM2.5的影響空氣質量優良天數的重要因素。近幾年，我國各地空氣質量明顯改善，但是O3污染卻普遍加劇。因此，研究污染成因對于空氣污染的治理與管控具有重要價值。

從近年臭氧污染的特征來看，臭氧作為首要污染物出現的日期逐漸提前，超標日最早出現的日期多集中在4月份。臭氧相對高值出現的日期也逐漸提前，且出現的日期跨度逐漸加大，全市臭氧污染形勢仍較為嚴峻。本研究結合氣象數據分析其對臭氧濃度的影響，以期為了解光化學污染及臭氧污染態勢提供參考。

2 監測概況

2.1 監測點位

自2008年開始，沈陽作為國家環境保護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。

2.2 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1.0×10-9，零位漂移為<1×10-9/24 h，響應時間為20 s。儀器每天24 h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。

2.3 監測數據及統計方法

按《環境空氣質量標準》(GB3095-2012)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。

3 結果與分析

3.1 監測結果概述

3月26日成為2022年臭氧為首要污染物的第一天，進入4月份以來，隨著氣溫逐漸升高，太陽輻射強度明顯增強，沈陽市臭氧開始作為首要污染物，天數從4月份開始逐漸增多，5月份除5月1日與13日首要污染物為PM10以外，其余均為臭氧為首要污染物。

2022年春季，沈陽市及各國控點位環境空氣中臭氧(O3)濃度均同比上升(表1)。

表1 2022年春季環境空氣臭氧濃度同比變化

3.2 氣象條件對臭氧濃度的影響

臭氧作為二次污染物，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。

進入3月份以來，沈陽市太陽輻射強度明顯增強。從UV輻射計數據來看，長波黑斑效應紫外線強度最大值由3月1日的0.97 W/m2增至5月31日的2.78 W/m2。紫外輻射是光化學反應的必要條件之一，紫外輻射強度的增加導致光化學反應速率加快，從而加速了臭氧的生成(圖1)。

圖1 2022年3～5月份UV輻射計堆積

3.2.1 日變化中氣溫對臭氧濃度的影響

由圖2、3可見，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14:00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=0.1391x+1.1206來表示，相關系數R2為0.9801。

圖2 臭氧和溫度的日變化相關性

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。

圖3 臭氧和溫度的日變化規律

3.2.2 風速對臭氧濃度的影響

在圖4、5的臭氧濃度與風速變化規律中，風速小時，臭氧濃度較小，反之風速大時，臭氧濃度也較高。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=0.0173x+0.2946表示，相關系數R2為0.5146。

圖4 臭氧和風速的日變化相關性

圖5 臭氧和風速的日變化規律

3.2.3 風向對臭氧濃度的影響

從圖6、7中臭氧濃度與風向變化規律可以看出，當臭氧濃度達到高峰時，風向處于偏南方向，越偏離正南方向，臭氧濃度逐漸減小。偏南風向為暖濕氣流，同時也印證了臭氧與溫度的正相關性。因此，臭氧濃度與風向呈正相關，可用方程y=0.9839x+70.282表示，相關系數R2為0.9503。臭氧濃度達到高峰時，相對濕度處于較低水平，反之

圖6 臭氧和風向的日變化相關性

3.2.4 濕度對臭氧濃度的影響

圖8、9中臭氧濃度與相對濕度變化規律可看出，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=-0.4545x+89.148表示，R2為0.9584。

圖7 臭氧和風向的日變化規律

圖8 臭氧和濕度的日變化相關性

4 討論與結論

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14：00左右，最小值出現在6：00前后，這與各地區城市典型臭氧濃度日變化規律一致。

圖9 臭氧和濕度的日變化規律

濕度與臭氧濃度呈負相關，溫度、風速和風向均與臭氧濃度呈正相關，且溫度與臭氧濃度的相關性更好，說明溫度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。在不同氣象條件下太陽輻射變化導致臭氧濃度的變化。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。

太陽輻射、溫度、風速、風向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。

隨著城市發展，污染物排放種類日益多樣化，臭氧前體物之間的反應復雜，反應機理尚不完全明確，單純減排VOCs或者NOx無法達到減少臭氧生成的效果。因此應加大臭氧前體物VOCx與NOx之間的協同管控。