蘭州市O3污染特征及氣象因子相關(guān)性研究

楊燕萍 王莉娜 楊麗麗 陶會(huì)杰

摘要：為研究蘭州市臭氧污染特征及與氣象因子相關(guān)性，對(duì) 2016-2018年蘭州市5個(gè)國(guó)控環(huán)境空氣監(jiān)測(cè)站點(diǎn)O3連續(xù)小時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。結(jié)果表明： 近3年蘭州市臭氧污染日趨嚴(yán)重，其作為首要污染物從2016年75d發(fā)展為2018年112d，O3-8h 90百分位年均濃度值從2016年125.71μg/m3增長(zhǎng)為146.58μg/m3。夏季污染天數(shù)最多，表現(xiàn)為夏季>春季>秋季>冬季的特征，臭氧濃度日變化特征呈明顯單峰型分布，15： 00左右出現(xiàn)峰值，同時(shí)存在周末效應(yīng)。O3與氣象因子相關(guān)性研究表明：與溫度呈現(xiàn)正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.52，與相對(duì)濕度、氣壓呈顯著負(fù)相關(guān)，與風(fēng)速相關(guān)性較低，與風(fēng)向存在正相關(guān)，但相關(guān)性不明顯。

關(guān)鍵詞：臭氧;蘭州;氣象因子;污染特征

中圖分類(lèi)號(hào)：X512 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2019）11-00-02

Abstract：In order to study the relevance between pollution characteristics of O3 and meteorological factor in LanZhou， The O3 hourly monitoring data of the national atmospheric environment monitoring network system from 2016 to 2018 were analyzed.The results show that in recent three years， O3 pollution in lanzhou is becoming increasingly serious. As the primary pollutant， it has developed from 75d in 2016 to 112d in 2018， and the 90% annual average annual concentration of O3-8h has increased from 125.71μg/m3 in 2016 to 146.58μg/m3 in 2018.The number in summer is the most， which is characterized by summer> spring > autumn > winter.The diurnal variation of O3 concentration shows an obvious single-peak distribution， with a peak around 15：00， and weekend effect.Research on the relevance between O3 and meteorological factors shows that O3 is positively correlated with temperature， with the relevance of 0.52， significantly negatively correlated with relative humidity and air pressure， slightly correlated with wind speed， and positively correlated with wind direction， but not significantly correlated.

Keywords：ozone; Lanzhou; meteorological factors; pollution characteristics

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加快，城市空氣污染日趨嚴(yán)重，呈現(xiàn)出以細(xì)顆粒物和臭氧污染為主的區(qū)域性、復(fù)合性污染特征，環(huán)境空氣質(zhì)量改善刻不容緩。近幾年，隨著大氣污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)和藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)實(shí)施，我國(guó)PM2.5污染狀況逐步好轉(zhuǎn)，臭氧卻出現(xiàn)不降反升的趨勢(shì)，成為城市和區(qū)域特定時(shí)間段大氣首要污染物[1]。臭氧作為二次污染物，是主要大氣污染物之一，臭氧污染對(duì)大氣輻射、動(dòng)植物生長(zhǎng)、人體健康有顯著影響，產(chǎn)生很多方面生態(tài)環(huán)境效應(yīng)[2]。近地面臭氧濃度的升高受多方面因素的影響，如氣象因素、臭氧前體物（氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物）排放增加、臭氧背景濃度的升高及區(qū)域傳輸?shù)龋煌鞘谐粞跷廴咎卣骱陀绊懸蛩馗饔胁町悺?/p>

20世紀(jì)80年代前后，蘭州光化學(xué)污染曾引起人們的廣泛關(guān)注。近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和機(jī)動(dòng)車(chē)保有量不斷增加，蘭州市臭氧污染問(wèn)題也愈發(fā)嚴(yán)重，其作為首要污染物從2016年75d發(fā)展為2018年112d，超標(biāo)率也逐年上升。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)臭氧污染問(wèn)題開(kāi)展了多方面的研究，如安俊琳等人通過(guò)對(duì)氣象要素及臭氧前體物研究，探討了臭氧不同季節(jié)、時(shí)段的產(chǎn)生機(jī)制[3]，胡子梅等人對(duì)蚌埠市臭氧污染及持續(xù)性污染過(guò)程分析研究[4]。而針對(duì)蘭州 O3污染特征及氣象因子相關(guān)性研究較少。基于此，本研究依據(jù) 2016年1月1日-2018年12 月31日蘭州市5個(gè)國(guó)控環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)臭氧逐時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等資料進(jìn)行分析研究，以期為蘭州市臭氧污染治理及管控措施提供數(shù)據(jù)和理論支撐。

1 研究區(qū)概況

蘭州市位于中國(guó)西北部黃河河谷盆地內(nèi)，地形呈狹長(zhǎng)狀，地勢(shì)自西南向東北傾斜，地貌復(fù)雜多樣，形成峽谷與盆地相間的串珠形河谷，是典型的西北河谷型城市。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取與評(píng)價(jià)

2.1 環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取

蘭州市環(huán)境監(jiān)測(cè)站自動(dòng)監(jiān)測(cè)室是國(guó)家大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組成部分，全部環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)子站共計(jì)21個(gè)，其中國(guó)控子站5個(gè)，本次研究所使用的環(huán)境空氣質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)來(lái)源全國(guó)環(huán)境空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布平臺(tái)（http：//106.37.208.233：20035/）公布的蘭州市5個(gè)國(guó)控點(diǎn)24 h連續(xù)監(jiān)測(cè)資料，分別位于：a蘭煉賓館（西固區(qū)）、b職工醫(yī)院（七里河區(qū)）、c生物制品所（城關(guān)區(qū)）、d鐵路設(shè)計(jì)院（城關(guān)區(qū)）、e榆中蘭大校區(qū)（榆中縣），監(jiān)測(cè)時(shí)間2016年1月1日-2018年12月31日。觀測(cè)期間應(yīng)獲取有效監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)樣本為131400h， 因儀器維修維護(hù)、斷電、校準(zhǔn)等意外原因，造成小時(shí)數(shù)據(jù)缺失而剔除的數(shù)據(jù)異常值總計(jì)2315h，剔除后數(shù)據(jù)有效獲取率為98.24%，滿(mǎn)足《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095-2012）有關(guān)污染物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)有效性要求，同時(shí)采用監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行臭氧與其相關(guān)性分析。

2.2 觀測(cè)儀器

蘭州市環(huán)境監(jiān)測(cè)站自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)O3監(jiān)測(cè)采用澳大利亞O3分析儀ECOTECHEC9831，利用臭氧在波長(zhǎng)253.7nm紫外條件下通過(guò)時(shí)，具有最大吸收系數(shù)且會(huì)發(fā)生衰減，依據(jù)其衰減程度確定濃度。監(jiān)測(cè)設(shè)備每周開(kāi)展一次巡檢，保證具有良好運(yùn)行狀態(tài)，確保數(shù)據(jù)的有效性和可靠性。

3 結(jié)果與討論

3.1 蘭州市O3年變化特征分析

2016年O3-8h 90百分位年均濃度值為125.71μg/m3，作為首要污染物為75d，占比為21.13%，超標(biāo)20d，超標(biāo)率為5.5%，綜合污染指數(shù)為0.9;2017年O3-8h 90百分位年均濃度值為135.92μg/m3，作為首要污染物為103d，占比為28.69%，超標(biāo)44d，超標(biāo)率為12.1%，綜合污染指數(shù)為1.02;2018年O3-8h 90百分位年均濃度值為146.58μg/m3，作為首要污染物為112d，占比為31.91%，超標(biāo)54d，超標(biāo)率為14.8%，綜合污染指數(shù)為1.08。分析表明2016-2018 年蘭州市O3-8h 90百分位濃度呈現(xiàn)出逐年上升趨勢(shì)，同時(shí)臭氧作為首要污染物及其超標(biāo)率也上升明顯。

3.2 蘭州市O3季節(jié)變化特征分析

蘭州市四季分明，考慮臭氧的光化學(xué)反應(yīng)對(duì)不同的氣象條件反饋突出，因此其在各季節(jié)的變化特征也有所不同，據(jù)此對(duì)不同季節(jié)變化加以分析。2018年，蘭州市春、夏、秋、冬不同季節(jié)O3-8h 90百分位平均濃度分別為167μg/m3，202μg/m3、138μg/m3和80μg/m3，秋季和冬季O3-8h 90百分位低于《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095-2012）二級(jí)濃度限值，夏季和春季O3-8h 90百分位分別超出二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值0.26倍和0.04倍。夏季污染天數(shù)最多，表現(xiàn)為夏季>春季>秋季>冬季的特征，這與崔蕾等對(duì)我國(guó)成都市臭氧污染季節(jié)特征研究結(jié)果一致。春季 O3的高峰現(xiàn)象可能由春季多發(fā)“對(duì)流層頂折疊”現(xiàn)象及對(duì)流層上部高濃度 O3通過(guò)沉降和平流作用向下輸送所造成[5-6]。

3.3 蘭州市O3月度變化特征分析

分析2018年蘭州市O3濃度月變化表明，污染主要集中在4-9月，6-8月O3污染日最多，其中7月達(dá)到最高月濃度218μg/m3，最低月12月63μg/m3濃度之比為達(dá)到3.46。

3.4 蘭州市O3日變化特征分析

統(tǒng)計(jì)觀測(cè)期間2018年所有日期各時(shí)刻的 O3濃度平均，發(fā)現(xiàn)蘭州市O3日變化特征呈現(xiàn)明顯單峰型，夜間至日出（00：00-08：00）前，O3濃度相對(duì)較低，從08：00開(kāi)始，在太陽(yáng)光持續(xù)照射下，紫外輻射增強(qiáng)，O3濃度呈現(xiàn)出逐漸上升趨勢(shì)，至15：00出現(xiàn)峰值，15：00過(guò)后，隨著光照和紫外輻射減弱，O3濃度逐漸降低。造成O3 典型濃度日變化的主要原因可能為夜間無(wú)太陽(yáng)輻射，NO等還原性物質(zhì)與其發(fā)生氧化反應(yīng)，消耗了一部分O3。這與其他研究人員如朱毓秀等所述臭氧日變化特點(diǎn)基本一致[7]。

3.5 蘭州市O3周末效應(yīng)和節(jié)假日特征分析

本次研究中將觀測(cè)數(shù)據(jù)劃分為周末（星期六和星期天）、工作日（星期一至星期五）兩類(lèi)數(shù)據(jù)，由觀測(cè)期間所有工作日相同時(shí)刻平均濃度得出O3 的工作日小時(shí)濃度，同時(shí)采用相同方法得到周末數(shù)據(jù)。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)周末O3濃度 24 h 均高于對(duì)應(yīng)時(shí)刻工作日濃度，蘭州市兩者日濃度曲線(xiàn)變化呈現(xiàn)單峰型，峰值出現(xiàn)在15：00左右，比成都地區(qū)早1h左右，與其他研究人員針對(duì)北京市周末、工作日 O3 日變化曲線(xiàn)出現(xiàn)2次峰值的結(jié)論有所不同[8]。蘭州市周末臭氧濃度峰值比工作日濃度峰值高1.06%，峰值出現(xiàn)時(shí)刻與工作日無(wú)明顯差異。初步表明，蘭州市區(qū)存在 O3“周末效應(yīng)”。

同時(shí)統(tǒng)計(jì)分析了五一、中秋節(jié)、十一國(guó)慶假期等各節(jié)假日與其所在月份工作日的臭氧濃度變化特征，由于各個(gè)節(jié)假日所處時(shí)段的氣象條件不同，光化學(xué)反應(yīng)過(guò)程及區(qū)域輸送等條件均存在差異性，不同節(jié)假日人們的出行需求和交通工具等也存在隨機(jī)性，各個(gè)假期 O3濃度日變化特征與該假期所在月工作日O3濃度日變化特征差異無(wú)明顯規(guī)律性。

3.6 O3濃度與氣象因素相關(guān)性分析

分析臭氧濃度與溫度的相關(guān)性，溫度越高，越有利于臭氧生成，O3濃度與溫度呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.52;相對(duì)濕度直接反映了大氣中的水汽含量，具有明顯的晝夜變化和日變化差異，對(duì)O3與相對(duì)濕度進(jìn)行線(xiàn)性相關(guān)分析，其整體呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.17，相對(duì)濕度越大，臭氧濃度越低，尤其是陰雨天氣，無(wú)太陽(yáng)光照，且相對(duì)濕度較高，不有利于臭氧生成;O3與氣壓進(jìn)行線(xiàn)性相關(guān)分析，呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.35;與風(fēng)向進(jìn)行線(xiàn)性相關(guān)性分析，臭氧濃度與風(fēng)向存在正相關(guān)性，同時(shí)與風(fēng)速進(jìn)行線(xiàn)性相關(guān)性分析，臭氧濃度與風(fēng)速相關(guān)性較低，蘭州受臭氧局地生成和區(qū)域傳輸影響。

4 結(jié)論

（1） 蘭州市2016-2018年環(huán)境空氣中臭氧濃度和超標(biāo)率均呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)，為夏季>春季>秋季>冬季特點(diǎn)。7月達(dá)到最高月濃度218μg/m3，與最低月12月63μg/m3濃度之比達(dá)到3.46，其日變化特征呈現(xiàn)明顯單峰型，峰值主要出現(xiàn)在15：00左右。（2） 蘭州市 O3的周末濃度高于工作日濃度，存在“周末效應(yīng)”，但相比于北京市區(qū)等發(fā)達(dá)城市，蘭州市周末效應(yīng)不明顯。同時(shí)“節(jié)假日效應(yīng)”受多重因素影響，表現(xiàn)出隨機(jī)無(wú)規(guī)律性。（3） O3濃度與溫度呈現(xiàn)正相關(guān)，相關(guān)性系數(shù)為0.52，與相對(duì)濕度、氣壓呈顯著負(fù)相關(guān)，與風(fēng)速相關(guān)性較低，與風(fēng)向存在正相關(guān)，相關(guān)性不明顯。

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收稿日期：2019-08-23

作者簡(jiǎn)介：楊燕萍（1989-），女，碩士，工程師，研究方向?yàn)榄h(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警研究。