福建省臭氧污染變化特征分析

靳少非

（1 閩江學(xué)院海洋學(xué)院地理科學(xué)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(dāng)臭氧濃度超過200 μg/m3時，臭氧能夠?qū)θ梭w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(zhì)量指標(biāo)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(xué)反應(yīng)產(chǎn)生。在工業(yè)革命后數(shù)次臭氧污染事件中，19世紀(jì)40年代發(fā)生在洛杉磯的光化學(xué)污染事件使得公眾以及科學(xué)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(xué)反應(yīng)的發(fā)生，進而導(dǎo)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(xué)污染的可能[3]。近年來也有研究關(guān)注福建省管轄區(qū)域?qū)τ诔粞跖欧臶4-5]及其與天氣條件之間的關(guān)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(chǔ)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(zhì)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(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095—2012）和《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）》（HJ633—2012）的有關(guān)規(guī)定發(fā)布的全國空氣質(zhì)量總體狀況，數(shù)據(jù)經(jīng)過質(zhì)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(quán)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(jié)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(quán)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(guān)，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(jié)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(jié)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(quán)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?？梢缘弥?，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(yīng)，當(dāng)對福建省各城市周末與共作日比較結(jié)果得知福建省臭氧污染存在反周末效應(yīng)，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(jié)

近些年來，福建省空氣質(zhì)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(yù)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(biāo)主要由光化學(xué)反應(yīng)型、本地積累型、水平輸送型、垂直輸送型等四種構(gòu)成[3]。由于臭氧形成的機理并不是本研究的目的，因此更關(guān)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(jié)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(diào)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(jié)果對于未來更加嚴(yán)格調(diào)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(jié)果表明福建省臭氧排放存在反周末效應(yīng)[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(yīng)。此研究可為福建省進一步加強對臭氧排放調(diào)控提供參考價值。