長江三角洲典型城市臭氧污染特征與影響因素分析
——以揚州市為例

王亞林，易 睿，陳相輝

(1.揚州市環(huán)境監(jiān)測中心站，江蘇 揚州 225000；2.揚州市環(huán)保局，江蘇 揚州 225009)

· 大氣環(huán)境 ·

長江三角洲典型城市臭氧污染特征與影響因素分析
——以揚州市為例

王亞林1，易 睿1，陳相輝2

(1.揚州市環(huán)境監(jiān)測中心站，江蘇 揚州 225000；2.揚州市環(huán)保局，江蘇 揚州 225009)

為研究揚州市臭氧污染特征及其影響因素，對揚州市2013～2015年國家環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)中的環(huán)境空氣質(zhì)量評價城市點數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。結(jié)果表明：這三年均存在O3超標現(xiàn)象，年超標率在3.0%～14.3%之間。春、夏為O3污染高發(fā)季節(jié)，日均氣溫、相對濕度、風速、機動車數(shù)量等均為重要的污染影響因素。

臭氧；機動車；氣象因素；原因分析

1 引 言

臭氧(O3)是重要的空氣氧化劑，適當濃度的O3可以消菌殺毒，但過高濃度的O3可能對生物健康構(gòu)成威脅[1]。近年來，隨著城市化、工業(yè)化的快速發(fā)展以高濃度O3為特征的光化學(xué)煙霧污染在長江三角洲地區(qū)時有發(fā)生[2]，O3已成為該地區(qū)除細顆粒物(PM2.5)以外的，另一項重要大氣污染物。

《長江三角洲城市群發(fā)展規(guī)劃》明確將揚州市定位為長三角城市群構(gòu)建中重要的Ⅱ型大城市，該市自2013年起開展O3監(jiān)測。本文以揚州市為例，根據(jù)該市環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)中的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)和氣象要素數(shù)據(jù)，對2015年該市O3污染現(xiàn)狀及2013～2015年變化情況、污染影響因素開展了相關(guān)分析，目的在于總結(jié)典型城市近地面層O3濃度的變化規(guī)律及影響因素，以期為長三角地區(qū)近地面O3污染防治和深入研究提供資料和依據(jù)，也為環(huán)境保護部門進一步預(yù)防和監(jiān)測光化學(xué)煙霧污染提供參考。

2 方法與數(shù)據(jù)

2.1 分析方法

城市環(huán)境空氣質(zhì)量日評價主要依據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB 3095-2012) 和《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI) 技術(shù)規(guī)定(試行) 》；城市環(huán)境空氣質(zhì)量年評價主要依據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范(試行) 》(HJ 663-2013) 。

2.2 數(shù)據(jù)來源

以揚州市國家環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)中的環(huán)境空氣質(zhì)量評價城市點數(shù)據(jù)為依據(jù)。

3 分析結(jié)果

3.1 污染現(xiàn)狀

2015年，揚州市O3日最大8小時平均值分布范圍為17～254μg/m3。有效監(jiān)測天數(shù)363天，超過《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB 3095-2012) 二級標準限值的天數(shù)為52天，有效監(jiān)測超標率為14.3%。其中，輕度污染45天，占12.37%，中度污染7天，占1.93%，無重度污染和嚴重污染。全年城市環(huán)境空氣質(zhì)量超標天數(shù)共116 天，以O(shè)3為首要污染物的污染天數(shù)占全部污染天數(shù)的41.4%，僅次于PM2.5(以PM2.5為首要污染物的污染天數(shù)占全部污染天數(shù)的50.9%)。

《環(huán)境空氣質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范(試行) 》規(guī)定，當城市一年內(nèi)O3日最大8 h滑動平均值的第90 百分位數(shù)濃度大于160μg/m3時該城市年度評價結(jié)果超標。揚州市2015年O3日最大8h滑動平均值第90百分位數(shù)為175μg/m3，超標，超標倍數(shù)為0.09。

3.2 日內(nèi)變化

因2015年揚州市O3日最大8小時平均值未超標天數(shù)的O3日內(nèi)變化較小，所以選取O3日最大8小時平均值超過《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB 3095-2012) 二級標準限值的天數(shù)來分析O3的日內(nèi)變化更具代表性，全年共52天。將這超標的52天的日內(nèi)1h平均濃度值分時段取平均值作為縱坐標，以24h為橫坐標作圖，可得O3小時平均濃度值24h變化曲線(圖1)，由圖1可知：2015年O3小時平均濃度值日內(nèi)呈現(xiàn)單峰分布，超過二級標準限值(200μg/m3)的時段主要集中在14∶00～17∶00之間；谷底出現(xiàn)在6∶00前后，隨后O3濃度逐漸升高，峰值出現(xiàn)在15∶00前后，此時前體物NO2濃度最低，說明此時是O3生成的光化學(xué)反應(yīng)最旺盛的時段。夜間濃度維持在較低水平。

圖1 O3和NO2小時平均濃度值24小時變化曲線圖Fig.1 Hourly mean concentrations variation curve of O3 and NO2 during a day

3.3 季度變化

受O3前體物和城市光化學(xué)反應(yīng)的影響，揚州市O3月均濃度具有明顯的季節(jié)變化特征，其中冬季月均濃度最低，且未出現(xiàn)超標情況；春季3～5月O3污染逐漸加重，5月份月均濃度和超標天數(shù)均達全年峰值，污染最重，月均濃度達143μg/m3，超標天數(shù)12天，占全年總超標天數(shù)的23.1%；夏季O3污染維持在相對較高水平；進入秋季后，O3污染逐漸減弱，月均濃度和超標天數(shù)均呈下降趨勢[3～5]，如表1，圖2。

表1 2015年O3月度超標情況比較表Tab.1 O3 monthly concentrations over standard in 2015

圖2 2015年O3濃度季度變化曲線Fig.2 Monthly mean concentrations variation curve of O3 in different seasons

3.4 年際變化

2013年～2015年，市區(qū)O3日最大8h滑動平均值第90百分位數(shù)范圍在132(2014年)～175(2015年)μg/m3之間，超標率在3.0%～14.3%。2015年超標天數(shù)比2013年增加41天，O3污染呈惡化趨勢[6]，如表2，圖3。

表2 2013～2015年O3超標情況年際變化表Tab.2 Yearly variation of O3 concentration exceeding standard during 2013～2015

注：O3日最大8h平均值第90百分位數(shù)反映城市臭氧年度濃度變化。

圖3 2013～2015年O3超標情況年際變化Fig.3 Yearly variation of O3 concentration exceeding standard during 2013～2015

4 影響因素

4.1 氣象因素

(1)O3日均濃度值、O3超標率與日均氣溫均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.943和0.657。當日均氣溫升高時，O3濃度不斷升高。日均氣溫<10℃時沒有出現(xiàn)超標現(xiàn)象，當日均氣溫≥10℃時隨著氣溫的升高，O3超標率不斷提高，日均氣溫在20℃～30℃區(qū)間時，共出現(xiàn)34天超標，占總超標天數(shù)的65.4%。當日均氣溫≥30℃時，超標率有所降低，如圖4。

圖4 不同日均氣溫下的O3超標率和濃度均值變化曲線Fig.4 O3 over standard rate and daily mean concentration variation curve under different average daily temperatures

(2)當相對濕度在40%～90%范圍內(nèi)變化時，隨著相對濕度的增加，O3超標率總體呈現(xiàn)先升后降的趨勢，O3濃度日均值總體呈現(xiàn)下降趨勢，如圖5。

在相對濕度40%～80%范圍內(nèi)，隨著相對濕度增加，O3超標率逐漸上升，相對濕度在70%～80%范圍時超標率最高，當相對濕度≥80%時超標率開始下降；當相對濕度≥90%，沒有出現(xiàn)超標狀況，這是因為相對濕度高時大氣中的水汽影響太陽紫外輻射在光化學(xué)反應(yīng)的作用，導(dǎo)致大氣光化學(xué)反應(yīng)減弱。

圖5 不同相對濕度下的O3超標率和濃度均值變化曲線Fig.5 O3 over standard rate and daily mean concentration variation curve under different relative humidity

(3)隨著風速的增加，O3超標率總體呈現(xiàn)為先升后降的規(guī)律，在風速<3m/s時，超標率基本隨著風速的增加而增加；風速≥3m/s時超標率逐漸降低，風速≥5m/s時，超標率為0。較高的風速增加了大氣混合，但風又具有水平擴散作用，又會稀釋O3，這兩種作用同時發(fā)生，當風速較低時O3的混合作用強于擴散作用，從而隨著風速的增加超標頻率增加，當風速超過一定限值時，擴散作用又占主導(dǎo)地位，隨著風速的增加超標頻率減少，如圖6。

圖6 不同風速下的O3超標率變化曲線Fig.6 O3 over standard rate variation curve under different wind speed

4.2 機動車影響

O3的前體物氮氧化物(NOX)主要由工業(yè)源和交通源排放產(chǎn)生，都是在化石燃料使用過程中的燃燒高溫使空氣中的氮氣氧化活化形成的。2015年揚州市工業(yè)源NOX排放量為4.52萬噸[6]，同比減少12.9%。但機動車保有量增長比較顯著，同比長7.56%，不僅是汽油等燃料的增加會產(chǎn)生NOX排放增量，還會在機動車保有量增加到一定程度，而道路條件沒有改善的情況下，產(chǎn)生交通擁堵，加重氮氧化物排放。同樣選取2015年O3日最大8小時平均值超過《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB 3095-2012) 二級標準限值的52天，將日車流量按24h分段進行分析，可知：揚州市車流量呈現(xiàn)日內(nèi) “雙峰”特征，上午10∶00前后、下午14∶00前后出現(xiàn)交通高峰，符合早晚市民出行的各自特點；每日14∶00～17∶00出現(xiàn)O3小時濃度高峰，說明車流量的增大對O3小時濃度的變化存在明顯影響，但對O3小時濃度的抬升存在約2h～4h的滯后效應(yīng)，這是由于從日出到正午隨著太陽輻射強度的增大，O3前體物光化學(xué)反應(yīng)增強，造成O3濃度增加; 晚高峰后，大氣化學(xué)反應(yīng)還在繼續(xù)，夜間O3小時濃度緩慢下降．與3.2分析結(jié)果吻合[7-8]，如圖7。

圖7 不同車流量時段下O3濃度變化曲線Fig.7 O3 mean concentration variation curve under different traffic flow

4.3 揮發(fā)性有機物影響

揮發(fā)性有機物(VOCs)不僅是PM2.5的前體物，也是O3的另一類前體物，其排放主要有工業(yè)源、交通源、生活源和自然源，2105年該市VOCs排放總量約13 291t[6]。其中工業(yè)源在揚州市主要有揚農(nóng)化工、聯(lián)環(huán)藥業(yè)與開發(fā)區(qū)的一些電子、機電和家具制造業(yè)，這些企業(yè)大都位于主城區(qū)的南部，進入春季，主導(dǎo)風向轉(zhuǎn)為南風，會導(dǎo)致下風向的主城區(qū)揮發(fā)性有機物濃度的增加；而機動車排放的碳氫化合物(HC)屬于VOCs，春季恰逢揚州市旅游旺季，大量外地機動車涌入，也會由于機動車的增加、怠速行駛、三元催化裝置的失效等因素導(dǎo)致排放增加；生活源主要是干洗、裝修、餐飲、汽車維修、加油站等，大部分屬于無組織的面源排放，這部分增量情況難以統(tǒng)計；而自然源主要是由植被產(chǎn)生的，隨著市區(qū)綠化面積增加，加之近年喬灌木生長進入成年期導(dǎo)致生物量的增加，由植物代謝產(chǎn)生的異戊二烯等VOCs的排放不容忽視，該市處于亞熱帶區(qū)域，春季進入植物的生長代謝旺盛時期，異戊二烯的排放也會呈現(xiàn)一個逐步增長的水平，符合3.3分析結(jié)論[9-10]。

5 結(jié) 論

(1)2013～2015年揚州市O3濃度和超標率均呈現(xiàn)上升趨勢，污染程度持續(xù)加重。2015年以O(shè)3為首要污染物的污染天數(shù)比例高達41.4%。日內(nèi)O3小時平均濃度呈現(xiàn)單峰分布，谷底出現(xiàn)在6∶00前后，峰值出現(xiàn)在15∶00前后；全年O3污染隨季節(jié)變化特征明顯，冬季未出現(xiàn)超標情況，春、夏為污染高發(fā)季節(jié)，O3濃度和超標率均維持的較高水平，秋季O3污染逐漸減弱。

(2)日均氣溫、相對濕度、風速是影響O3濃度的重要氣象因素，O3日均濃度值、O3超標率與日均氣溫均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.943和0.657。當相對濕度在40%～90%范圍內(nèi)變化時，隨著相對濕度的增加，O3超標率總體呈現(xiàn)先升后降的趨勢，O3濃度日均值總體呈現(xiàn)下降趨勢。隨著風速的增加，O3超標率總體呈現(xiàn)為先升后降的規(guī)律。

(3)該市車流量呈現(xiàn)日內(nèi) “雙峰”特征，上午10∶00前后、下午14∶00前后出現(xiàn)交通高峰，O3小時濃度峰值出現(xiàn)在每日14∶00～17∶00，說明說明車流量的增大對O3小時濃度的變化存在明顯影響，但對O3小時濃度的抬升存在約2h～4h的滯后效應(yīng)。

(4)揮發(fā)性有機物(VOCs)也是O3的另一類重要前體物，其排放來源繁雜，排污企業(yè)的位置分布和排放規(guī)律、旅游旺季機動車大量增加帶來的VOCS排放增加、植物的生長代謝排放等與現(xiàn)有O3濃度變化規(guī)律存在一定相符性，但其影響機理復(fù)雜，仍需進一步開展研究。

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Analysis on Ozone Pollution Characteristics and Influencing Factors of Typical City in Yangtze River Delta——Taking Yang Zhou City as an Example

WANG Ya-lin1，YI Rui1，CHEN Xiang-hui2

(1.YangzhouEnvironmentalMonitoringCentry,Yangzhou,Jiangsu225009，China; 2.YangzhouEnvironmentalProtectionBureau,Yangzhou,Jiangsu225009,China)

In order to study the characteristics of ozone pollution in Yangzhou and its influencing factors, the statistical analysis of the city air quality data in Yangzhou city from 2013 to 2015 was carried out.The results show that in recent three years ozone concentration has been exceeded the standard. The annual over-standard rate is between 3.0% and 14.3%. The spring and summer are the main seasons of ozone pollution，and the daily average temperature, relative humidity, wind speed and the number of motor vehicles are all important influencing factors of pollution.

Ozone;motor vehicle;meteorological factors;cause analysis

2016-10-09

王亞林(1980-)，男，江蘇揚州人，2004年畢業(yè)于南京林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)專業(yè)，工程師，現(xiàn)就職于揚州市環(huán)境監(jiān)測中心站，從事環(huán)境監(jiān)測工作。

X701

A

1001-3644(2017)02-0076-05