江蘇省春季臭氧污染特征分析

楊雪，秦瑋，王晨波，茅晶晶

(1.江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇 南京 210019；2. 江蘇省蘇力環(huán)境科技有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210019)

自2013年《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》實(shí)施以來，全國各地多舉措治理PM2.5，2017年京津冀、長三角、珠三角區(qū)域PM2.5平均值較2013年分別下降39.6%、34.3%、27.7%，藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)初見成效[1]。但隨著近年來工業(yè)化、城市化進(jìn)程加快，大氣中的ρ(臭氧)(O3)呈上升趨勢，2019年，我國337個(gè)地級以上城市ρ(O3)為148 μg/m3，較2018年上升6.5%[2]，江蘇省ρ(O3)為173 μg/m3，同比上升6.8%。多項(xiàng)研究和監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，京津冀、長三角和珠三角等人口高度密集的城市，O3污染尤其嚴(yán)重[3]，O3已經(jīng)成為繼PM2.5后又一對空氣質(zhì)量有重要影響的污染物，春、夏季溫度升高，光照充足，易于O3形成[4-6]?，F(xiàn)對江蘇省2018—2020年春季江蘇省O3監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，探索春季O3污染對江蘇省空氣質(zhì)量的影響，為政府部門制定O3的管控措施及大氣污染防治提供技術(shù)支撐。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

O3數(shù)據(jù)來源于江蘇省13個(gè)設(shè)區(qū)市(蘇北區(qū)域：徐州、連云港、淮安、鹽城和宿遷5市；沿江區(qū)域：南京、無錫、常州、蘇州、南通、揚(yáng)州、鎮(zhèn)江和泰州8市)72個(gè)國控空氣自動(dòng)站點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測，采集頻率為1 h，連續(xù)24 h自動(dòng)監(jiān)測。

1.2 數(shù)據(jù)時(shí)間

2018—2020年3—5月(春季)。

1.3 評價(jià)方法

依據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)[7]、《環(huán)境空氣質(zhì)量評價(jià)技術(shù)規(guī)范(試行)》(HJ 663—2013)[8]；O3日評價(jià)項(xiàng)目為O3的日最大8小時(shí)平均值(以下簡稱“O3-8 h”)；O3月評價(jià)、春季時(shí)間段內(nèi)評價(jià)項(xiàng)目為 O3-8 h的第90百分位數(shù)濃度(以下簡稱“O3-8 h-90 per”)，以《GB 3095—2012》中規(guī)定的 O3-8h二級限值判定是否超標(biāo)；日變化分析評價(jià)項(xiàng)目為O3小時(shí)值(以下簡稱“O3-1h”)。

2 結(jié)果與討論

2.1 ρ(O3-8h-90 per)

2.1.1 年度變化

圖1為2018—2020年春季江蘇省及區(qū)域ρ(O3-8h-90 per)。由圖1可見，江蘇省ρ(O3-8 h-90 per)分別為169，178和174 μg/m3，超過國家標(biāo)準(zhǔn)二級限值5.6%，11.3%和8.8%；蘇北區(qū)域分別為167，172和172 μg/m3，沿江區(qū)域分別為170，181和176 μg/m3，蘇北區(qū)域略低于沿江區(qū)域，偏差<5%。

圖1 2018—2020年春季江蘇省及區(qū)域ρ(O3-8 h-90 per)

利用ArcGIS軟件的IDW插值工具，對春季江蘇省ρ(O3-8 h-90 per)進(jìn)行渲染得出區(qū)域分布情況，見圖2(a)(b)(c)。

圖2 2018—2020年春季江蘇省城市ρ(O3-8 h-90 per)分布

由圖2可見，2018年春季，南京和鎮(zhèn)江2市ρ(O3-8 h-90 per)達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)二級限值，其余城市均超過限值要求，為163～189 μg/m3；常州和泰州2市ρ(O3-8 h-90 per)較高，≥180 μg/m3；徐州市其值接近180 μg/m3。

2019年春季O3污染最重，表現(xiàn)為13個(gè)市ρ(O3-8 h-90 per)均超過國家標(biāo)準(zhǔn)二級限值，其中無錫、常州、揚(yáng)州、鎮(zhèn)江和泰州5市較高，>180 μg/m3，南通市為163 μg/m3，為2019年春季其值最低城市。2020年春季，南通市ρ(O3-8 h-90 per)達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)二級限值，其余城市均超過限值，為166～188 μg/m3，南京、揚(yáng)州和泰州3個(gè)城市較高，>180 μg/m3，其余城市除連云港外，均≥170 μg/m3?？偟膩碚f，2018—2020年春季，江蘇省13個(gè)設(shè)區(qū)市ρ(O3-8 h-90 per)高值區(qū)主要集中在沿江中部和西南部區(qū)域，沿江靠海城市污染略輕，蘇北區(qū)域O3污染不容忽視。

2.1.2 月度變化

圖3為2018—2020年春季江蘇省ρ(O3-8 h-90 per)月變化。由圖3可見，近3年江蘇省春季O3污染主要發(fā)生在4—5月，3月ρ(O3-8 h-90 per)達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)二級限值，4和5月均未達(dá)標(biāo)。除2018年春季呈波動(dòng)上升外，其余2年ρ(O3-8 h-90 per)均呈逐月上升趨勢，最高值出現(xiàn)在2019年5月，達(dá)207 μg/m3，超過國家標(biāo)準(zhǔn)二級限值29.4%。

圖3 2018—2020年春季江蘇省ρ(O3-8 h-90 per)月變化

2.1.3 日變化

圖4(a)為2018—2020春季江蘇省ρ(O3-1 h)日變化情況。由圖4(a)可見，ρ(O3-1 h)日變化呈“單峰型”，每日06:00—07:00處于最低值，最高值出現(xiàn)在15:00—16:00，ρ(O3-1 h)最高值呈逐年上升趨勢。2020年春季，ρ(O3-1 h)總體高于2018和2019年，主要體現(xiàn)在每日07:00—15:00，該時(shí)間段內(nèi)ρ(O3-1 h)平均值較2018和2019年分別高26.1%和15.6%。圖4(b)(c)為2018—2020年春季O3污染日和非污染日江蘇省蘇北和沿江2個(gè)區(qū)域ρ(O3-1 h)日變化情況。污染日和非污染日ρ(O3-1 h)日變化趨勢一致，均呈“單峰型”，污染日振幅大于非污染日。非污染日蘇北區(qū)域ρ(O3-1 h)均高于沿江區(qū)域，偏高幅度較為明顯的時(shí)間段22:00—次日07:00，偏高幅度均超過20%，其他時(shí)間段偏高幅度較??；污染日12:00—18:00，沿江區(qū)域ρ(O3-1 h)高于蘇北區(qū)域，沿江區(qū)域峰值為200 μg/m3，高于蘇北區(qū)域6.2%，其他時(shí)間段蘇北區(qū)域ρ(O3-1 h)高于沿江區(qū)域。

圖4 2018—2020年春季江蘇省ρ(O3-1 h)日變化

2.2 O3超標(biāo)情況及首要污染物占比

2.2.1 O3-8 h頻率分布

圖5(a)(b)為2018—2020年春季江蘇省區(qū)域ρ(O3-8h)頻率分布。由圖5可見，2018—2020年春季，江蘇省ρ(O3-8h)頻率較高的區(qū)間集中在80～120 μg/m3，所占比例接近20%；沿江區(qū)域ρ(O3-8h)出現(xiàn)頻率較高的區(qū)間往前遞推20 μg/m3，集中出現(xiàn)在60～120 μg/m3，蘇北區(qū)域ρ(O3-8h)出現(xiàn)頻率較高的區(qū)間往后遞推20 μg/m3，集中出現(xiàn)在80～140 μg/m3，所占比例均>15%。140～160 μg/m3的上限是環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的O3二級限值，屬于臨界超標(biāo)區(qū)間，蘇北區(qū)域和沿江區(qū)域ρ(O3-8h)在該區(qū)間出現(xiàn)頻率分別為12.5%和12.8%，2個(gè)區(qū)域僅差0.3個(gè)百分點(diǎn)，O3污染潛在風(fēng)險(xiǎn)相當(dāng)。沿江區(qū)域ρ(O3-8h)>200 μg/m3的出現(xiàn)頻率為3.7%，蘇北區(qū)域?yàn)?.9%，因此，沿江區(qū)域較蘇北區(qū)域更易出現(xiàn)O3高值，更易出現(xiàn)O3中度污染。

圖5 2018—2020年春季江蘇省區(qū)域ρ(O3-8h)頻率分布

2.2.2 O3超標(biāo)率

圖6和7為2018—2020年春季江蘇省及13個(gè)設(shè)區(qū)市O3超標(biāo)率。2018—2020年春季，江蘇省O3超標(biāo)率分別為14.7%，16.9%和17.1%，呈逐年遞增趨勢。O3超標(biāo)現(xiàn)象3月鮮有發(fā)生，超標(biāo)率<1.5%，主要集中在4和5月，其中2019和2020年5月O3超標(biāo)情況較為顯著，超標(biāo)率均>30%。

沿江區(qū)域城市O3超標(biāo)率總體高于蘇北區(qū)域，O3超標(biāo)率>20%均出現(xiàn)在沿江區(qū)域城市，如南京(2020年20.7%)、鎮(zhèn)江(2019年20.7%)、揚(yáng)州(2019年20.7%，2020年21.7%)、常州(2018年21.7%)、無錫(2020年22.8%)，蘇北區(qū)域城市中超標(biāo)率相對較高的為連云港和宿遷市，超標(biāo)率≈20%，如連云港(2019年18.5%)、宿遷(2019年18.5%，2020年19.6%)。

圖6 2018—2020年春季江蘇省O3超標(biāo)率及月變化

圖7 2018—2020年春季江蘇省13個(gè)城市O3超標(biāo)率

2.2.3 O3作為首要污染物且超標(biāo)情況

圖8(a)(b)(c)為2018—2020年春季影響江蘇省空氣質(zhì)量的首要污染物超標(biāo)占比。2018—2020年春季，O3作為首要污染物且超標(biāo)的占比逐年升高，依次為46.7%，67.7%和93.6%；PM2.5作為首要污染物且超標(biāo)的占比逐年降低，依次為37.8%，31.1%和5.6%，江蘇省春季空氣質(zhì)量影響因子逐漸從PM2.5轉(zhuǎn)為O3。

圖8 2018—2020年春季影響江蘇省空氣質(zhì)量的首要污染物超標(biāo)占比

圖9為2018—2020年春季首要污染物為O3的污染類別占比。對O3作為首要污染物的污染日按空氣質(zhì)量類別分類統(tǒng)計(jì)可知，近3年春季受O3影響江蘇省空氣質(zhì)量以輕度污染為主，2018—2020年春季受O3影響空氣質(zhì)量達(dá)到輕度污染的占比分別為95.9%，85.0%和92.6%，受O3影響空氣質(zhì)量達(dá)到中度污染的占比較小，近3年分別為4.1%，15.0%和7.4%，未出現(xiàn)因O3導(dǎo)致的重度及以上污染天。

圖9 2018—2020年春季首要污染物為O3的污染類別占比

3 結(jié)論

(1)2018—2020年春季，江蘇省ρ(O3-8 h-90 per)均超標(biāo)，分別>標(biāo)準(zhǔn)限值5.6%，11.3%和8.8%。蘇北區(qū)域ρ(O3-8 h-90 per)略低于沿江區(qū)域，偏差<5%。除2018年外，其他2年春季ρ(O3-8 h-90 per)呈逐月上升趨勢，最高值出現(xiàn)在2019年5月，達(dá)207 μg/m3，超出標(biāo)準(zhǔn)限值29.4%。

(2)江蘇省13個(gè)設(shè)區(qū)市ρ(O3-8 h-90 per)高值區(qū)主要集中在沿江中部和西南部區(qū)域，如南京、無錫、常州、揚(yáng)州、鎮(zhèn)江和泰州等市，沿江靠海城市污染略低，如南通市，蘇北區(qū)域容易出現(xiàn)高值，如徐州、淮安等市。

(3)ρ(O3-1h)日變化呈“單峰型”，峰值呈逐年上升趨勢，2020年春季07:00—15:00ρ(O3-1h)總體高于2018和2019年。非污染日蘇北區(qū)域ρ(O3-1h)均高于沿江區(qū)域，主要時(shí)間段體現(xiàn)在夜間至次日早晨，偏高幅度均超過20%；污染日中午至傍晚時(shí)段，沿江區(qū)域ρ(O3-1h)高于蘇北區(qū)域，峰值高于蘇北區(qū)域6.2%，其他時(shí)間段蘇北區(qū)域ρ(O3-1h)仍高于沿江區(qū)域。

(4)從日ρ(O3)分布來看，2018—2020年春季，江蘇省日ρ(O3)出現(xiàn)頻率較高的區(qū)間為80～120 μg/m3，出現(xiàn)頻率約為20%，沿江區(qū)域日ρ(O3)出現(xiàn)頻率較高的區(qū)間為60～120 μg/m3，蘇北區(qū)域?yàn)?0～140 μg/m3，出現(xiàn)頻率均超過15%。沿江和蘇北區(qū)域日ρ(O3)在140～160 μg/m3區(qū)間的出現(xiàn)頻率分別為12.5%和12.8%，O3污染潛在風(fēng)險(xiǎn)相當(dāng)。沿江區(qū)域較蘇北區(qū)域更易出現(xiàn)O3高值，也更易出現(xiàn)O3中度污染。

(5)2018—2020年春季，江蘇省O3超標(biāo)率呈逐年遞增趨勢，分別為14.7%，16.9%和17.1%。O3超標(biāo)現(xiàn)象主要集中在4月和5月，2019年和2020年5月O3超標(biāo)情況較為顯著，超標(biāo)率均>30%。沿江區(qū)域城市O3超標(biāo)率總體高于蘇北區(qū)域，沿江區(qū)域的南京、鎮(zhèn)江、揚(yáng)州、常州、無錫出現(xiàn)過單月O3超標(biāo)率>20%的情況，另外蘇北區(qū)域的連云港和宿遷市，單月O3超標(biāo)率接近20%。

(6)O3對江蘇省春季空氣質(zhì)量的影響逐年加大，主要體現(xiàn)在O3作為首要污染物且超標(biāo)的占比逐年升高。2018—2020年春季依次為46.7%，67.7%和93.6%；而PM2.5作為首要污染物且超標(biāo)的占比逐年降低，江蘇省春季空氣質(zhì)量影響因子逐漸從PM2.5轉(zhuǎn)為O3。因O3污染而導(dǎo)致的空氣污染日，其空氣質(zhì)量類別以輕度污染為主，2018—2020年春季，平均90%的O3污染日為輕度污染，受O3影響空氣質(zhì)量達(dá)到中度污染的占比較小，平均<10%，沒有出現(xiàn)因O3導(dǎo)致的重度或嚴(yán)重污染日。