夏季城市臭氧濃度變化規(guī)律分析

姜　峰　王福偉

(大連市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，大連　116023)

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夏季城市臭氧濃度變化規(guī)律分析

姜峰王福偉

(大連市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，大連116023)

【摘要】隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)環(huán)境質(zhì)量更加重視，光化學(xué)煙霧成為影響城市環(huán)境空氣質(zhì)量的重要因素。本文利用北方某城市夏季臭氧監(jiān)測(cè)的時(shí)間濃度，對(duì)臭氧污染的濃度時(shí)間以及季節(jié)變化特征進(jìn)行了分析，以及與氮氧化物的濃度和太陽輻射強(qiáng)度的關(guān)系。

【關(guān)鍵詞】臭氧；氮氧化物；輻射強(qiáng)度

1引言

近年來，我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，尤其是工業(yè)和交通行業(yè)的高速發(fā)展，造成了嚴(yán)重的空氣污染，光化學(xué)污染開始威脅到越來越多的城市，空氣中經(jīng)常觀測(cè)到高濃度的對(duì)人體健康有危害的臭氧。臭氧污染可以抑制植物的生長(zhǎng)和加速植物的老化，導(dǎo)致農(nóng)作物的減產(chǎn)和森林的衰退。對(duì)流層臭氧還會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生威脅，臭氧幾乎可以與任何生物組織反應(yīng)，當(dāng)臭氧被吸入呼吸道時(shí)，就會(huì)與呼吸道中的細(xì)胞、流體、和組織很快反應(yīng)，導(dǎo)致肺功能減弱和組織損傷。臭氧作為光化學(xué)煙霧的主要成分，目前很多國(guó)家都把臭氧濃度作為光化學(xué)煙霧污染是我重要指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[1]，開展針對(duì)臭氧濃度的時(shí)間和空間變化規(guī)律以及影響臭氧含量因素的觀測(cè)和研究，對(duì)大氣污染的控制和治理有著重要的意義。

根據(jù)目前的研究發(fā)現(xiàn)，北半球環(huán)境空氣中高濃度臭氧污染事件多發(fā)生在春夏季節(jié)。關(guān)于臭氧濃度的春季高峰現(xiàn)象產(chǎn)生的原因目前還沒有統(tǒng)一定論，高濃度的對(duì)流層臭氧會(huì)對(duì)人體健康、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響[2]，多數(shù)研究者認(rèn)為平流層臭氧向?qū)α鲗拥妮斔妥饔靡约癗Ox、VOCs等前體物在春季的發(fā)生局地光化學(xué)反應(yīng)相關(guān)。我們通過一年來對(duì)市區(qū)臭氧濃度的連續(xù)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)夏季由于太陽輻射強(qiáng)度大以及氣溫高等條件有利于大氣中光化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，從而使夏季近地面環(huán)境空氣中的臭氧濃度明顯高于秋季和冬季臭氧的濃度。本文通過對(duì)前體物濃度和太陽輻射強(qiáng)度資料較全的6、7、8三個(gè)月份進(jìn)行近地面臭氧濃度變化研究，這對(duì)于環(huán)境的維護(hù)和治理，尤其是預(yù)防夏季高溫天氣發(fā)生的光化學(xué)煙霧事件有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2夏季臭氧濃度的時(shí)間變化規(guī)律

2012年夏季觀測(cè)的市區(qū)臭氧小時(shí)濃度的統(tǒng)計(jì)特征見表1。從表中可見，夏季高溫期的6、7、8月份臭氧小時(shí)濃度的最大值分別為0.201mg/m3，0.227mg/m3和0.220mg/m3，均超過了《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[3]二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.20mg/m3。另外，7月份臭氧小時(shí)濃度的標(biāo)準(zhǔn)差值較大，說明濃度值較為分散。由此可以得知市區(qū)夏季臭氧污染比較嚴(yán)重。

表1　2012年夏季臭氧濃度小時(shí)均值統(tǒng)計(jì)特征

圖1是2012年夏季區(qū)臭氧濃度日均值的變化規(guī)律。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，6月份和7月份的臭氧濃度比較高，且變化幅度大；進(jìn)入8月份，除個(gè)別日期外，臭氧濃度整體呈下降趨勢(shì)。值得注意的是，6-10～6-13和7-21～7-28連續(xù)多日臭氧濃度日均值在0.09mg/m3左右，屬于較高臭氧污染。一般來說，高濃度O3容易出現(xiàn)在強(qiáng)太陽輻射、高溫、少風(fēng)等氣候條件下。

圖1　2012年夏季臭氧濃度的日變化規(guī)律

圖2　2012年夏季O3濃度的小時(shí)均值的日變化規(guī)律

圖2為市區(qū)2012年夏季臭氧濃度的小時(shí)均值日變化規(guī)律圖。從中可以看出，臭氧濃度的最大值出現(xiàn)在傍晚17時(shí)左右，然后臭氧濃度逐漸降低，在午夜23∶00以后趨于平緩，并在夜間一直維持的較低濃度水平，在早上8∶00左右出現(xiàn)濃度的最小值。在早上8∶00左右出現(xiàn)濃度最小值的原因可能是由于夜間無光照，NOx與O3的發(fā)生化學(xué)反應(yīng)消耗了大量的O3，同時(shí)，另一個(gè)很重要的原因是近地面臭氧的沉積作用。日出以后由于光化學(xué)反應(yīng)增強(qiáng)，O3的濃度也隨之開始升高。

3臭氧與主要前體物氮氧化物的關(guān)系

臭氧是二次污染物，其濃度主要受環(huán)境空氣中CO、NOx、VOCs等前體物濃度的高低以及光化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)弱的影響，而晝間的光化學(xué)反應(yīng)又決定著全天臭氧濃度的變化趨勢(shì)。下面圖3是夏季高溫期內(nèi)的O3與NO和NO2的晝間12小時(shí)的變化規(guī)律。

圖3　2012年7月O3、NO、NO2和NOx濃度的晝間12小時(shí)(7∶00～18∶00)變化規(guī)律

圖3是2012年7月觀測(cè)的O3、NO、NO2和NOx(NO+NO2)小時(shí)均值晝間12小時(shí)變化規(guī)律。觀測(cè)期間氮氧化物的濃度處于較高的水平，這說明城市的能源結(jié)構(gòu)以及燃料燃燒不完全造成了比較嚴(yán)重的大氣污染。與O3濃度的變化趨勢(shì)不同的是，NO和NO2濃度的最大值均出現(xiàn)在早晨，并且NO濃度峰值出現(xiàn)的時(shí)間要稍早于NO2濃度峰值出現(xiàn)的時(shí)間。由于夜間無光照，環(huán)境空氣中的光化學(xué)反應(yīng)停止，NO和NO2等一次污染物會(huì)不斷積累并與O3發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而消耗環(huán)境空氣中的臭氧，使臭氧濃度不斷降低，并在日出前達(dá)到一日中的最小值。日出以后，隨著人類活動(dòng)的增加，尤其是交通量的增加，排放的NO量快速增加，因此率先出現(xiàn)了NO濃度的峰值，隨著環(huán)境空氣中光化學(xué)反應(yīng)的加劇，臭氧的濃度也隨之增大，NO與O3間化學(xué)反應(yīng)的增強(qiáng)，大量的NO被氧化生成NO2，此時(shí)出現(xiàn)了NO2的峰值。隨著晝間光化學(xué)反應(yīng)的不斷進(jìn)行，臭氧的濃度呈逐漸升高的趨勢(shì)，并在15∶00達(dá)到濃度的最大值，而NOx濃度呈逐漸降低的趨勢(shì)。

4臭氧與太陽輻射強(qiáng)度的關(guān)系

近地面大氣O3的生成反應(yīng)主要是由太陽光中的紫外線引起的，所以白天O3濃度的變化應(yīng)該與太陽輻射強(qiáng)度存在一定的相關(guān)性。圖4給出了2012年7月臭氧濃度和太陽輻射的晝間(7：00～18：00)變化規(guī)律。表2給出了2012年7月小時(shí)平均太陽輻射強(qiáng)度晝間(7∶00～18∶00)和O3濃度變化情況。從圖中可以看出，O3濃度隨著太陽輻射強(qiáng)度的變化而變化，二者變化趨勢(shì)基本一致，O3濃度的最值滯后于太陽輻射強(qiáng)度最值約2小時(shí)。由表2可以得到臭氧濃度值與同時(shí)段的太陽輻射強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)R為0.336，這說明O3濃度值受同時(shí)段的太陽輻射強(qiáng)度影響不大，但是考慮到太陽輻射強(qiáng)度引起的環(huán)境空氣中O3濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果滯后于輻射強(qiáng)度本身的變化，我們將每日9時(shí)到20時(shí)的O3濃度與7時(shí)到18時(shí)的太陽輻射強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)，求得其相關(guān)系數(shù)為0.7276，由此可見，O3濃度值受與其相對(duì)應(yīng)的前2個(gè)小時(shí)的太陽輻射強(qiáng)度影響較大。實(shí)際上，O自由基的形成是NOx和易揮發(fā)性有機(jī)物(VOC)在強(qiáng)烈陽光照射下經(jīng)過一系列大氣化學(xué)反應(yīng)形成和聚集的，而O自由基是形成O3的必須條件，從我們對(duì)市區(qū)太陽輻射的實(shí)測(cè)值來看，在每天7時(shí)到12時(shí)之間，由于太陽輻射強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，給O3的形成創(chuàng)造了更好的條件，所以在此期間O3濃度逐漸增大，在下午13點(diǎn)、14點(diǎn)以后隨著太陽輻射強(qiáng)度的逐漸減弱，空氣中O自由基的含量將會(huì)逐漸減少，從而O3含量隨著空氣的自凈而逐漸減少，但是由于O3的濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果受擴(kuò)散情況的影響，到15時(shí)左右達(dá)到最大值。

表2　2012年7月份太陽輻射強(qiáng)度和O3濃度小時(shí)變化情況表

圖4　2012年7月臭氧濃度和太陽輻射的晝間(7∶00～18∶00)變化規(guī)律

5結(jié)論

市區(qū)夏季高溫期的O3污染比較嚴(yán)重。6月份平均O3濃度最高，且日平均O3濃度變化幅度最大；7月份O3濃度大的天數(shù)最多，8月份開始逐漸降低。臭氧濃度的最大值出現(xiàn)在傍晚17時(shí)左右，然后臭氧濃度逐漸降低，在午夜23：00以后趨于平緩，并在夜間一直維持的較低濃度水平，在早上8∶00左右出現(xiàn)濃度的最小值。

2012年7月環(huán)境空氣中氮氧化物的濃度處于較高水平，與O3濃度的變化趨勢(shì)不同的是，NO和NO2濃度的最大值均出現(xiàn)在早晨，并且NO濃度峰值出現(xiàn)的時(shí)間要稍早于NO2濃度峰值出現(xiàn)的時(shí)間。隨著晝間光化學(xué)反應(yīng)的不斷進(jìn)行，臭氧的濃度呈逐漸升高的趨勢(shì)，并在15∶00達(dá)到濃度的最大值，而NOx濃度呈逐漸降低的趨勢(shì)。O3濃度與NO2/NO的比值具有較好的相關(guān)性，這也說明局地得光化學(xué)反應(yīng)對(duì)O3濃度的影響占有重要作用。

對(duì)臭氧濃度和太陽輻射強(qiáng)度的相關(guān)分析表明，O3濃度隨著太陽輻射強(qiáng)度的變化而變化，二者變化趨勢(shì)基本一致，O3濃度的峰值滯后于太陽輻射強(qiáng)度的峰值約2小時(shí)。太陽輻射是市區(qū)近地面大氣中O3濃度晝間變化最重要的影響因素之一。

參考文獻(xiàn)：

[1]宗雪梅，王庚辰，陳洪濱，等.北京地區(qū)邊界層大氣臭氧濃度變化特征分析[J].環(huán)境科學(xué)，2007，28(11)：2615-2619.

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[3]GB 3095-2012，環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].

Analysis of the Changes of Urban Ozone Concentration in Summer

JIANG Feng WANG Fuwei

(Dalian Environmental Monitoring Centre，Dalian 116023)

Abstract：With the development of economy and society，people pay more attention to the quality of the environment，photo-chemical smog has become an important affecter of air urban quality. In this paper，the concentration of ozone pollution and the characteristics of seasonal variation in the concentration of ozone in a city in the north were analyzed，and the relationship between the concentration of ozone and nitrogen oxide and the intensity of solar radiation were analyzed.

Keywords：Ozone；Nitrogen oxide；Radiation intensity

中圖分類號(hào)：X21

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-288X(2016)01-0062-03

通訊作者：王福偉，工程師，學(xué)士，從事環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量管理方面的工作

作者簡(jiǎn)介：姜 峰，碩士，工程師，從事環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量管理方面的工作

引用文獻(xiàn)格式：姜峰等.夏季城市臭氧濃度變化規(guī)律分析[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2016，41(1)：62-64.