福建省臭氧污染變化特征分析

靳少非

（1 閩江學院海洋學院地理科學系，福州 350108；2福建省信息處理與智能控制重點實驗室，福州 350108）

0 引言

臭氧作為大氣中痕量氣體，雖然濃度含量較低，但其濃度變化對于人體健康能夠產(chǎn)生很大的影響。當臭氧濃度超過200 μg/m3時，臭氧能夠對人體呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生較強的刺激感[1-2]。

近地面臭氧污染濃度已成空氣質量指標中重要組成部分。近地面臭氧主要通過氮氧化物以及揮發(fā)性有機物的光化學反應產(chǎn)生。在工業(yè)革命后數(shù)次臭氧污染事件中，19世紀40年代發(fā)生在洛杉磯的光化學污染事件使得公眾以及科學群體加大了對近地面臭氧的檢測。在臭氧產(chǎn)生過程中，較強的太陽輻射以及高溫天氣有利于光化學反應的發(fā)生，進而導致高濃度臭氧的產(chǎn)生[3]。

福建省地處我國中亞熱帶地區(qū)，年平均氣溫17～21 ℃，植被覆蓋率高，有“八山一水一分田”之稱。由于福建省的高溫特征，以及植物所釋放的揮發(fā)性有機物，能夠在日照強烈的時段產(chǎn)生高濃度的臭氧，并有發(fā)生潛在的光化學污染的可能[3]。近年來也有研究關注福建省管轄區(qū)域對于臭氧排放[4-5]及其與天氣條件之間的關系[3-7]。

本文通過對2015—2017年福建省各地級市臭氧濃度變化特征進行分析，得到福建省近地面臭氧濃度變化特征，此研究以期為探索福建省各地區(qū)臭氧污染濃度變化提供基礎數(shù)據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與研究方法

在本研究中，逐小時臭氧提取于中國環(huán)境監(jiān)測總站“全國城市空氣質量實時發(fā)布平臺”。福建省各地級市2015—2017年逐小時臭氧數(shù)據(jù)被記錄至數(shù)據(jù)庫。該平臺由中國環(huán)境監(jiān)測總站根據(jù)《環(huán)境空氣質量標準》（GB3095—2012）和《環(huán)境空氣質量指數(shù)（AQI）技術規(guī)定（試行）》（HJ633—2012）的有關規(guī)定發(fā)布的全國空氣質量總體狀況，數(shù)據(jù)經(jīng)過質量檢查。本研究共分析了福建省9個城市的臭氧濃度變化。這9個城市分別為：福州、廈門、泉州、漳州、莆田、三明、南平、龍巖以及寧德。經(jīng)多次檢查發(fā)現(xiàn)每個城市的數(shù)據(jù)無缺失。

在統(tǒng)計分析方面，本研究使用局部加權回歸（locally weighted regression，Loess）分析每個城市2015—2017年逐日的臭氧濃度變化，使用月平均方法分析每個城市逐月臭氧濃度變化，最后結合2015—2017年所有周末以及法定節(jié)假日區(qū)分工作日和周末來探索工作日與周末臭氧濃度變化比較。相對于傳統(tǒng)的線形回歸方法，局部加權回歸方法為一種非參數(shù)方法，可以有效避免欠擬合，減小了較遠數(shù)據(jù)的干擾，在擬合過程中僅與較近的數(shù)據(jù)有關，同時可有效模擬出圓滑的數(shù)據(jù)變化過程。本研究所使用的統(tǒng)計及繪圖軟件為R語言[8]。

2 結果

表1顯示的為福建省各地級市2015—2017年臭氧濃度的描述性統(tǒng)計結果。臭氧中位數(shù)最大的為莆田市，其臭氧中位數(shù)為58.13 μg/m3，緊隨其后的高濃度城市為福州市和泉州市，其中位數(shù)分別為57.21以及56.33 μg/m3。臭氧中位數(shù)最低的城市為三明市，其濃度為33.46 μg/m3。2015—2017年福建省各城市臭氧平均值排序與中位數(shù)基本相似，不同的是，泉州市臭氧濃度平均值（59.44 μg/m3）略高于福州市臭氧平均濃度（58.95 μg/m3）。2015—2017年，福建省臭氧濃度最高值發(fā)生在莆田市，為167.83 μg/m3。

表1 福建省2015—2017年臭氧濃度（單位：μg/m3）基本統(tǒng)計量 Table 1 Statistics of the ozone concentration (unit: μg/m3)during 2015-2017 in Fujian Province

圖1 2015—2017年福建省各城市逐日臭氧濃度變化（藍色曲線表示為局部加權回歸曲線） Fig. 1 Changes in the daily ozone concentration during 2015-2017 in some cities in Fujian Province (The blue line in each plot represents the locally weighted regression line)

圖1給出了2015—2017年福建省各城市逐日臭氧濃度變化趨勢。可以得知，福建省各城市2015—2017年逐日臭氧濃度均呈現(xiàn)增加趨勢。其中值得注意的是，在2017年，莆田市、寧德市分別發(fā)生過三次以及兩次臭氧日平均濃度超過150 μg/m3的情況。對各個城市2015—2017年月平均濃度趨勢圖分析可得出臭氧濃度月變化特征（圖2）。福建省各城市臭氧月平均濃度變化基本為3—5月以及9—10月為兩個高峰時段。此外，由于之前有研究表明空氣污染存在典型的周末效應，當對福建省各城市周末與共作日比較結果得知福建省臭氧污染存在反周末效應，即各城市工作日臭氧平均濃度顯著高于周末臭氧平均濃度（P=0.007，圖3）。其中，寧德市周末與工作日間臭氧平均濃度相差最大，其工作日臭氧平均濃度為52.39 μg/m3，周末臭氧平均濃度為49.30 μg/m3。

圖2 2015—2017年福建省各城市逐月臭氧濃度變化 Fig. 2 Changes in the monthly ozone concentration in cities of Fujian Province from 2015 to 2017

圖3 2015—2017年福建省各城市工作日與節(jié)假日臭氧濃度比較（箱式圖中離散點為臭氧觀測值的異常高值，中間橫線為臭氧濃度中位數(shù)） Fig. 3 Ozone concentration in working days and the weekend days for cities in Fujian Province during 2015-2017(The scatter points in each plot represent the high anomaly, the black line in the middle box represents the median value of the ozone concentration)

3 小結

近些年來，福建省空氣質量總體處于良好水平。但日益增加的臭氧污染為福建省空氣治理增加了挑戰(zhàn)及難度。為此，福建省生態(tài)環(huán)境廳于2018年出臺《福建省臭氧污染防控指南（試行）》，從政府及職能部門規(guī)劃等六個方面進行具體部署，其中主要分為分級分類防控、強化源頭控制、細化分析預判以及落實固定源減排措施四大步驟防控臭氧。

目前，福建省臭氧超標主要由光化學反應型、本地積累型、水平輸送型、垂直輸送型等四種構成[3]。由于臭氧形成的機理并不是本研究的目的，因此更關注臭氧的動態(tài)變化。2015—2017年，莆田市和泉州市是福建省臭氧平均濃度最高的兩個城市。這與之前的研究結果相吻合[3]，即2015—2016年福建省沿海地區(qū)的臭氧年平均濃度高于內(nèi)陸。由于莆田與泉州市也是福州市工廠較多的城市，因此，《福建省臭氧污染防控指南（試行）》也對該兩個城市中VOCs排放企業(yè)進行分級分類調控。三明市作為全國集體林業(yè)綜合改革試驗示范區(qū)，具有大面積的林地面積，同時為治理臭氧污染，三明市制定并印發(fā)《三明市臭氧污染防控指南（試行）》，推測是三明市臭氧濃度最低的主要原因。

此外，本研究發(fā)現(xiàn)福建省各城市2015—2017年逐日臭氧濃度均呈現(xiàn)增加趨勢，該結果對于未來更加嚴格調控福建省臭氧排放起到了指示意義。最后，本研究還發(fā)現(xiàn)福建省各地區(qū)周末臭氧濃度低于工作日臭氧濃度。該結果表明福建省臭氧排放存在反周末效應[9]，推測可能由于周末出行降低等原因，周末臭氧前體物的輸出低于工作日臭氧前體物的輸出量所引起。

本研究通過對2015—2017年福建省各地級市臭氧濃度變化特征進行分析，發(fā)現(xiàn)福建省各城市在此期間逐日臭氧濃度均呈現(xiàn)增加趨勢，且存在反周末效應。此研究可為福建省進一步加強對臭氧排放調控提供參考價值。