鎮(zhèn)江市臭氧濃度特征分析

劉 曄，甘小兵，邱 堅(jiān)

(鎮(zhèn)江市環(huán)境監(jiān)測中心站預(yù)警室，江蘇鎮(zhèn)江 212000)

近幾年，隨著城市化的快速發(fā)展和機(jī)動車保有量的急速增加，城市光化學(xué)煙霧污染日益嚴(yán)重。城市光化學(xué)煙霧是含有氮氧化物(NOx)、揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)、一氧化碳(CO)等物質(zhì)的大氣在太陽輻射下產(chǎn)生的以高濃度臭氧(O3)為特征的混合物［1］。O3作為光化學(xué)煙霧的重要指示物和特征污染物，其濃度變化特征和影響因素引起了不少學(xué)者的關(guān)注［2－4］，特別是2012年新修改的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095－2012)將臭氧濃度列入評價因子之后，全國各大城市紛紛開展O3濃度監(jiān)測工作。鎮(zhèn)江市環(huán)境監(jiān)測中心站從2007年開始進(jìn)行大氣O3本底濃度監(jiān)測，在O3濃度監(jiān)測方面收集了大量數(shù)據(jù)，積累了一些經(jīng)驗(yàn)。

本文基于鎮(zhèn)江市區(qū)4個國控空氣自動監(jiān)測站2012年7月至2013年6月的觀測數(shù)據(jù)，擬研究鎮(zhèn)江市區(qū)O3濃度的特征與變化規(guī)律，以揭示鎮(zhèn)江市區(qū)O3本底濃度特征，全面提高對鎮(zhèn)江市區(qū)空氣質(zhì)量問題的認(rèn)識，為防治光化學(xué)污染提供依據(jù)。

1 材料與方法

鎮(zhèn)江市區(qū)有4個國控空氣自動監(jiān)測站，分別位于潤州區(qū)環(huán)境監(jiān)測站(119°26'E，32°12'N)、京口區(qū)職教中心(119°29'E，32°13'N)、丹徒區(qū)監(jiān)測站(119°26'E，32°8'N)、新區(qū)辦事處(119°41'E，32°11'N)。這4 個監(jiān)測點(diǎn)覆蓋整個鎮(zhèn)江市區(qū)，將4個站點(diǎn)的數(shù)據(jù)平均后得出的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以表征鎮(zhèn)江市區(qū)大氣污染特點(diǎn)。

本文中的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)和除日照時數(shù)外的氣象參數(shù)均來自上述4個國控空氣自動監(jiān)測站，日照相關(guān)數(shù)據(jù)來自鎮(zhèn)江市氣象臺的手工監(jiān)測數(shù)據(jù)。O3，NOx，CO的觀測分別采用澳大利亞 Ecotech公司ML9810型O3監(jiān)測分析儀、ML9841型NOx監(jiān)測儀和ML9830型CO監(jiān)測儀進(jìn)行，PM10采用美國熱電公司1405型振蕩天平法監(jiān)測儀進(jìn)行觀測。

監(jiān)測方法:對鎮(zhèn)江市區(qū)2012年7月1日至2013年6月30日的大氣進(jìn)行在線監(jiān)測，每天24 h連續(xù)工作，并在觀測期間定期進(jìn)行質(zhì)量控制，每天審核數(shù)據(jù)的有效性，根據(jù)數(shù)據(jù)審核規(guī)則剔除無效數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 O3污染總體情況

圖1給出了觀測期間O3日最大小時平均濃度和日最大8小時平均濃度的時間趨勢。由《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095－2012)可知，二級質(zhì)量空氣O3日最大小時平均濃度和日最大8小時平均濃度的限值分別為0.2 mg/m3和0.16 mg/m3。依照該標(biāo)準(zhǔn)，鎮(zhèn)江市區(qū)O3日最大小時平均濃度有1 d超標(biāo)，出現(xiàn)在2012年9月20日，O3日最大8小時平均濃度有2 d超標(biāo)，分別出現(xiàn)在2012年5月21日和6月22日。與南京、上海、廣東等城市［5］相比，鎮(zhèn)江市區(qū)的O3年均值濃度為0.046 mg/m3，污染情況較輕。從圖1可以看出，冬季O3濃度較低，變化幅度較小，夏季O3濃度較高，變化幅度較大。究其原因，可能是夏季降水量多、太陽輻射強(qiáng)、日照時數(shù)變化大，冬季降水量偏小、太陽輻射弱、日照時數(shù)變化不大。

圖1 O3日最大小時平均濃度和日最大8小時平均濃度變化

2.2 O3季節(jié)變化特征

根據(jù)氣象學(xué)的分法，每年的3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月—次年2月為冬季。從圖2可以看出，O3小時濃度在四季均呈明顯的單峰型分布，O3小時濃度日最小值除冬季出現(xiàn)在7:00—8:00外，其余均出現(xiàn)在6:00—7:00;O3小時濃度日最大值出現(xiàn)在15:00—16:00。因?yàn)榇髿庵蠴3的濃度受溫度、太陽輻射強(qiáng)度和前體物濃度的影響較大，所以日間O3濃度出現(xiàn)峰值，而在清晨出現(xiàn)低谷。這與文獻(xiàn)［6－8］中報道的城市O3濃度日變化規(guī)律一致。從圖2還可以看出，夏季日間O3的濃度最高，春季和秋季次之，冬季最低。而在夜間同時段，秋季O3濃度最低。春季O3小時濃度高于夏季。在3:00—7:00的4 h間，夏季O3濃度甚至低于冬季。這一趨勢與文獻(xiàn)［6－8］中報道的很多城市情況并不完全一致。夏季太陽輻射最強(qiáng)，有利于O3的生成，所以與其他城市一樣，夏季日間O3濃度最高。而在春季和冬季夜間O3濃度高于夏季，一方面可能是由于春季大氣運(yùn)動比較頻繁，O3的垂直輸送效果明顯，平流層的O3被帶入對流層，導(dǎo)致春季夜間O3濃度高于夏季;另一方面，冬季的大氣擴(kuò)散條件相對于夏季較差，導(dǎo)致冬季夜間個別時段O3濃度高于夏季。

圖2 O3小時濃度隨季節(jié)變化情況

2.3 O3與前體物濃度變化特征

作為二次污染物，O3的生成受NOx，CO，VOCs等前體物濃度和化學(xué)反應(yīng)的影響，日間太陽輻射的光化學(xué)反應(yīng)是O3濃度日變化的基礎(chǔ)。以春季為研究對象，圖3展示了臭氧及其前體物的日變化情況。從圖3中可以看出，NO在大氣中的含量很低，而且小時濃度隨時間的變化不大，略呈單峰型分布，濃度最大值出現(xiàn)在早上8:00。NO2和CO的濃度略呈雙峰型分布，NO2濃度最小值出現(xiàn)在日間14:00左右，峰值分別出現(xiàn)在清晨和夜晚;CO濃度變化趨勢基本與NO一致。與NOx和CO的變化趨勢形成鮮明對比，O3濃度變化呈單峰型分布，最大值出現(xiàn)在日間14:00左右，最小值出現(xiàn)在清晨7:00左右。這是因?yàn)槿臻g光化學(xué)反應(yīng)不斷消耗NOx，生成O3使得NOx濃度不斷降低，O3濃度不斷增高;夜間NOx等前體物不斷積累并消耗O3，導(dǎo)致O3濃度在日出前出現(xiàn)最小值。O3的濃度與CO，NOx濃度呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖3 O3與前體物濃度變化

2.4 O3周末效應(yīng)

圖4給出了春季鎮(zhèn)江市區(qū)工作日與周末O3，NO2和PM10濃度變化情況?？梢钥闯?，鎮(zhèn)江市區(qū)周末的O3濃度高于工作日，而周末NO2濃度低于工作日，呈現(xiàn)明顯的“周末效應(yīng)”。這一趨勢與法國馬賽［9］、美國加州［10］、圖森［11］、上海［12］等城市的研究結(jié)果一致，與南京［13］的研究結(jié)果相反。單文坡等［14］指出，工作日期間人類活動頻繁導(dǎo)致大氣顆粒物濃度較高，能見度降低，還導(dǎo)致大氣光透過率降低，因此工作日大氣光化學(xué)反應(yīng)弱于周末?？梢钥闯觯ぷ魅誔M10濃度明顯高于周末，這與單文坡等［14］的研究結(jié)論一致。

圖4 O3濃度周末效應(yīng)

2.5 氣象條件對O3濃度的影響

氣象條件是影響近地面大氣O3濃度的重要因素之一。氣象條件中比較重要的影響因素有日照時數(shù)、氣溫、風(fēng)向、風(fēng)速等。夏季氣象條件變化大，O3日濃度變化幅度大，而冬季氣象擴(kuò)散條件差，O3處于較低濃度，變化幅度小，冬季和夏季并非研究氣象條件影響的最佳時段，因此，本文選擇春末夏初(2013年6月)來研究各氣象因素對O3濃度的影響。

圖5給出了日照時數(shù)、氣溫、風(fēng)速對O3濃度的影響。由于O3的生成為光化學(xué)反應(yīng)過程，因此日照時數(shù)較長的日期里，O3濃度也較高，可以看出，6月有2 d的O3日均濃度超過0.09 mg/m3，其日照時數(shù)均超過9 h;較高的風(fēng)速有利于大氣污染物的擴(kuò)散，從而降低O3的濃度。可以看出，風(fēng)速與O3濃度有較明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，風(fēng)速較快的日期里，O3濃度較低。

圖5 日照時數(shù)、氣溫、風(fēng)速對O3濃度的影響

風(fēng)向?qū)3濃度有重要影響，尤其在存在局地污染源時，風(fēng)向產(chǎn)生的長距離輸送對O3濃度有重要影響。來自清潔地區(qū)的氣流中污染氣體濃度一般較低，而來自污染地區(qū)的氣流中往往混雜著大量污染氣體，可能包括O3及其前體物［13］。以2013年春季(3—5月)為研究對象，分析風(fēng)向和O3濃度的關(guān)系。圖6是鎮(zhèn)江市區(qū)2013年春季O3濃度風(fēng)向玫瑰圖?？梢钥闯觯跂|、西風(fēng)的影響下，鎮(zhèn)江市區(qū)O3濃度最高，在西北風(fēng)和南風(fēng)的影響下，O3濃度最低。這與鎮(zhèn)江市區(qū)東西方向各有2個大工業(yè)園區(qū)的工業(yè)布局一致，反映出市區(qū)的O3污染受周邊工業(yè)影響較為顯著。

圖6 O3濃度風(fēng)向玫瑰圖

3 結(jié)論

1)統(tǒng)計(jì)時段內(nèi)，鎮(zhèn)江市區(qū)O3超標(biāo)僅有3 d，年均值為0.046 mg/m3，污染情況較輕。O3濃度呈現(xiàn)明顯的季節(jié)特征，日間夏季濃度最高，夜間秋季濃度最低。O3濃度與NOx，CO等前體物濃度分布呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。O3周末濃度高于工作日，而周末NO2濃度低于工作日，呈現(xiàn)明顯的“周末效應(yīng)”。

(2)氣象條件對O3濃度有重要影響:長日照時數(shù)有利于O3的生成，較高風(fēng)速有利于O3的擴(kuò)散，在東、西風(fēng)影響下，鎮(zhèn)江市區(qū)O3濃度較高，南風(fēng)和西北風(fēng)影響下，鎮(zhèn)江市區(qū)O3濃度最低。

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