江津區(qū)城區(qū)大氣臭氧分布特征與相關(guān)影響因素研究

肖艷平，陳清莉，鄭森元，徐 燕 ，蘇 袁

(1.重慶市江津區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，重慶 402260; 2.重慶市江津區(qū)城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)服務(wù)中心，重慶 402260)

1 引言

隨著工業(yè)發(fā)展和機(jī)動(dòng)車尾氣排放的增加，對(duì)流層中的NOx、VOCs和CO等臭氧前體物的排放呈逐年增加趨勢(shì)，臭氧主要由氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的光化學(xué)反應(yīng)生成，是大氣中重要的污染物之一，影響區(qū)域和城市空氣質(zhì)量[1，2]。目前，對(duì)城市環(huán)境空氣質(zhì)量的研究成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)[2～5]，對(duì)于臭氧污染的研究也主要集中在大中城市的中心城區(qū)，對(duì)重慶直轄市而言，研究文獻(xiàn)報(bào)道主要集中于主城區(qū)域[6，7]。近年來(lái)，臭氧作為首要污染物對(duì)江津區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量影響非常大。

江津區(qū)位于重慶市主城區(qū)西南側(cè)，地形為丘陵+河谷類型，位于成渝城市群的中部地帶，受區(qū)域傳輸和本地排放雙重影響，城區(qū)以O(shè)3和PM2.5污染為主的空氣質(zhì)量狀況，一直處于重慶市較高的濃度水平，城區(qū)周邊有3個(gè)工業(yè)園區(qū)，是典型居民區(qū)與工業(yè)區(qū)結(jié)合的城市，區(qū)域內(nèi)生活源、交通源、工業(yè)源排放密集。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，江津區(qū)機(jī)動(dòng)車保有量逐漸增長(zhǎng)，機(jī)動(dòng)車快速增長(zhǎng)對(duì)江津區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量造成了顯著的負(fù)面影響[8]。為了盡快改善江津區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量，因此，對(duì)江津區(qū)臭氧排放規(guī)律及影響因素進(jìn)行研究，并有針對(duì)性的控制，降低大氣臭氧濃度，對(duì)江津區(qū)宜居及生態(tài)戰(zhàn)略的發(fā)展具有重要意義。

2 研究區(qū)域和方法

環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)位于重慶市江津區(qū)城區(qū)，具體觀測(cè)點(diǎn)位見(jiàn)圖1。自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于重慶市生態(tài)環(huán)境局官方網(wǎng)站重慶市空氣質(zhì)量發(fā)布系統(tǒng)[重慶生態(tài)環(huán)境.重慶市空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布系統(tǒng)[http://113.204.96.36:3362/template/home.html.]，選取2017年1月1日至2018年12月30日江津區(qū)2個(gè)空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)(O3最大8 h滑動(dòng)平均值)。所有數(shù)據(jù)采用SPSS19.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

圖1 空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)位

3 結(jié)果與討論

2017年臭氧小時(shí)濃度范圍在1～304 μg/m3之間，臭氧日最大8 h滑動(dòng)平均值90百分位數(shù)為178 μg/m3。2017 年、2018年全年中臭氧(O3～8 h)作為首要污染物的天數(shù)分別為53 d和27 d，分別占 14.5%和7.4%。臭氧污染問(wèn)題比較突出，2017年臭氧為首要污染物天數(shù)同比增加，臭氧污染有加重趨勢(shì)。2018年因夏季雨水較多，氣溫較低，臭氧污染趨勢(shì)明顯減弱。

3.1 O3最大8 h滑動(dòng)的均值年濃度變化規(guī)律

對(duì)2017年和2018年全年臭氧最大8 h滑動(dòng)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到最大8 h滑動(dòng)的均值年濃度變化規(guī)律，結(jié)果如圖2。江津區(qū)臭氧濃度變化呈“單峰型”結(jié)構(gòu)，臭氧從9:00時(shí)開(kāi)始上升，隨著太陽(yáng)輻射的增大和溫度的升高，生成O3的光化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)烈，O3濃度開(kāi)始積累升高，16:00時(shí)達(dá)到最高值，之后又隨著太陽(yáng)照射的減少而降低，到22:00時(shí)以后濃度變化較小。究其原因，主要是臭氧受光照強(qiáng)度的影響，白天空氣中的氧氣在太陽(yáng)照射情況下，與空氣中的氮氧化物及揮發(fā)性有機(jī)物相互作用，生成O3。由于夜間光化學(xué)反應(yīng)較弱生成的O3少，而NO通過(guò)反應(yīng)不斷消耗O3，在日出前使O3的濃度達(dá)到一天中的最低值[9]。

圖2 江津城區(qū)O3最大8 h滑動(dòng)的均值年濃度變化曲線

3.2 O3最大8 h滑動(dòng)的均值季濃度變化規(guī)律

對(duì)江津區(qū)城區(qū)臭氧最大8 h滑動(dòng)值按照季進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，季節(jié)界定春季為3～5月、夏季為6～8月、秋季為9～11月、冬季為12月、1月和2月。臭氧1 h季節(jié)平均濃度變化規(guī)律如圖3。

由圖4可見(jiàn)，江津城區(qū)O3濃度峰值出現(xiàn)在15:00～16:00。夏季由于溫度高，日照時(shí)間長(zhǎng)，O3濃度整體維持較高水平，9:00時(shí)O3濃度開(kāi)始積累升高，21:00時(shí)才開(kāi)始逐漸降低。夜間O3濃度與其他季節(jié)相比呈下降趨勢(shì)，這表明城區(qū)夜間消耗O3的光化學(xué)反應(yīng)和白天生成O3的光化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)度要強(qiáng)于其他季節(jié)，可能是因?yàn)橐归g溫度較高所致[10]。春季的日變化曲線跟夏季比較類似，較高O3濃度持續(xù)時(shí)間較夏季短。春、秋季10:00時(shí)O3濃度開(kāi)始積累升高，19:00時(shí)開(kāi)始逐漸降低。秋季的變化曲線相對(duì)平緩，峰值要明顯低于春季和夏季。冬季臭氧濃度明顯小于春季、夏季、秋季，和成都地區(qū)臭氧濃度變化類似[11]。冬季由于溫度較低，12:00時(shí)O3濃度開(kāi)始積累升高，18:00時(shí)開(kāi)始逐漸降低。冬季的日變化曲線跟秋季比較類似，但是全天平緩，整體保持較低的濃度水平，但是夜間受到低溫的影響，消耗O3的光化學(xué)反應(yīng)明顯變?nèi)?，使得夜間O3濃度下降不明顯。從平均峰值來(lái)看，臭氧濃度由高到低的季節(jié)依次是夏季、春季、秋季和冬季。

圖3 江津城區(qū)O3最大8 h滑動(dòng)的均值季濃度變化曲線

3.3 O3最大8 h滑動(dòng)的均值月濃度變化規(guī)律

對(duì)2017年和2018年臭氧最大8 h滑動(dòng)值逐月進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，江津區(qū)臭氧最大8h滑動(dòng)的均值月濃度變化規(guī)律如圖4和圖5，從整體來(lái)看，江津區(qū)臭氧濃度月變化呈“單峰型”結(jié)構(gòu)，受到環(huán)境溫度的影響，1～6月臭氧月均濃度逐漸升高，到了7～8月為污染最嚴(yán)重的兩個(gè)月份，7月是臭氧濃度最高的月份，隨后從9月開(kāi)始濃度逐漸下降。從臭氧超標(biāo)天數(shù)來(lái)看，而臭氧超標(biāo)天多集中在4～9月。1～3月、10～12月無(wú)臭氧超標(biāo)天，超標(biāo)天數(shù)的變化趨勢(shì)與月濃度變化趨勢(shì)一致。由圖4可見(jiàn)，6月份O3濃度與4、5月份相比趨勢(shì)略有變化，主要是受到特殊的氣象條件的影響，6月份正值江津區(qū)陰天或下雨較多的月份，氣溫較低，濕度較大。太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的減小、溫度降低和濕度的增加均不利于O3的生成。

圖4 江津城區(qū) O3最大8 h滑動(dòng)的均值月濃度變化曲線(1～6月)

3.4 O3與主要?dú)庀笠氐年P(guān)系

臭氧是典型的二次生成產(chǎn)物，其濃度變化與氣象要素的關(guān)系密切，因而有著較為典型的日變化趨勢(shì)。太陽(yáng)輻射、氣溫、風(fēng)向、風(fēng)速、相對(duì)濕度等是臭氧濃度變化比較重要的影響因素[12,13]。

臭氧夏季的峰值持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)(圖3)，14:00～18:00臭氧濃度維持一個(gè)較高的水平，主要原因是夏季炎熱酷暑，高溫低濕條件下臭氧生成過(guò)程快速進(jìn)行，大氣中的臭氧不斷積累。從18:00開(kāi)始到第二天早上8:00臭氧濃度在逐漸下降，8:00左右達(dá)到臭氧濃度谷值。臭氧濃度下降是因?yàn)樘?yáng)下山，缺少光照，臭氧的光化學(xué)生成反應(yīng)停止，同時(shí)一氧化氮等還原劑與臭氧反應(yīng)，反而消耗臭氧，降低臭氧濃度，18:00～22:00下降幅度最大。8:00之后，隨著太陽(yáng)紫外線輻射的增強(qiáng)，地面臭氧濃度又開(kāi)始了新一輪的上升趨勢(shì)，夏季因?yàn)樽贤饩€輻射最強(qiáng)，所以臭氧濃度上升幅度最大，冬季則相反。

圖5 江津城區(qū) O3最大8 h滑動(dòng)的均值月濃度變化曲線(7～12月)

風(fēng)速風(fēng)向影響近地面臭氧濃度的機(jī)制也較為復(fù)雜。劉萍等[12]發(fā)現(xiàn)風(fēng)速風(fēng)向?qū)Τ粞鯘舛扔杏绊?，風(fēng)向?qū)Τ粞鯘舛鹊挠绊?，決定了監(jiān)測(cè)點(diǎn)位臭氧的來(lái)源方向。安俊琳分析了不同風(fēng)速條件下的臭氧濃度分布情況[10]，在1.1～3.0 m/s時(shí)相比風(fēng)速小于1 m/s時(shí)大幅增加，風(fēng)速再增大，臭氧濃度增幅僅為3.8%，隨著風(fēng)速的加大，臭氧不斷被稀釋或者搬運(yùn)，從而造成監(jiān)測(cè)點(diǎn)臭氧濃度較低。對(duì)江津區(qū)夏季臭氧污染時(shí)段進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)本地的臭氧濃度高多發(fā)生在小風(fēng)速下，說(shuō)明臭氧污染以本地排放為主。

江津區(qū)溫度、相對(duì)濕度與臭氧之間的關(guān)系，由圖6中可以看出，臭氧濃度高值出現(xiàn)在圓形區(qū)域，處于高溫低濕的大氣環(huán)境中，溫度主要集中在30～35 ℃，而相對(duì)濕度集中在60%以下。臭氧濃度不僅由光分解反應(yīng)決定，而且與熱化學(xué)反應(yīng)關(guān)系密切。因此溫度對(duì)臭氧濃度影響也比較大，隨著溫度的升高，熱化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)增大，氮氧化物的轉(zhuǎn)化速率也相應(yīng)增加，另外，自由基的濃度也會(huì)隨著溫度的增加而增加，這些因素會(huì)導(dǎo)致臭氧濃度的增加[13,14]。大氣中的水汽通過(guò)影響太陽(yáng)紫外輻射在光化學(xué)反應(yīng)中扮演重要的角色，因此高相對(duì)濕度將不利于臭氧濃度的積累。綜上所述，高溫低濕有利于臭氧的形成[15]。

圖6 江津區(qū)溫度、相對(duì)濕度與臭氧之間的關(guān)系

4 結(jié)論

(1)2017 年、2018年，江津區(qū)臭氧作為首要污染物的天數(shù)分別為53 d和27 d，臭氧污染問(wèn)題比較突出。

(2)2017年、2018年江津城區(qū)臭氧最大8 h滑動(dòng)值日、月及季節(jié)平均濃度變化規(guī)律均呈“單峰型”結(jié)構(gòu)，一般在15:00～16:00達(dá)到峰值，臭氧最大8 h滑動(dòng)值在4～8月份維持相對(duì)較高濃度，其他月份則維持較低濃度，從四個(gè)季節(jié)平均峰值來(lái)看，臭氧濃度由高到低的季節(jié)依次是夏季、春季、秋季和冬季。

(3)臭氧濃度與氣象因素的關(guān)系密切，臭氧濃度隨太陽(yáng)輻照、溫度增高有明顯的增加趨勢(shì)，風(fēng)速、風(fēng)向?qū)Τ粞醯纳珊鸵苿?dòng)有影響，高溫低濕有利于臭氧的形成。