永泰縣臭氧污染特征及影響因素分析

卓少玲

(福州市永泰環(huán)境監(jiān)測(cè)站，福建 永泰 350700)

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化進(jìn)程加快和汽車尾氣排放增加，排放至大氣中的污染物總量日益增多，加劇了城市熱島效應(yīng)，限制了大氣污染物的擴(kuò)散[1]。此外，污染物的空間傳輸，導(dǎo)致大氣污染問(wèn)題異常嚴(yán)峻，對(duì)我國(guó)構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展藍(lán)圖形成了巨大的挑戰(zhàn)。

臭氧是大氣中的二次污染物，是揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)和氮氧化物(NOx)等在高溫光照的條件下發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)生成的[2]，隨著全國(guó)多地臭氧逐漸取代顆粒物成為首要污染物，臭氧污染受到了公眾的廣泛關(guān)注和各級(jí)政府的高度重視。

靳少非[3]對(duì)福建省臭氧2015～2017年變化特征研究表明，各地級(jí)市臭氧逐日濃度均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)；鐘雪芬[4]以福州空氣中臭氧數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，表明福州市的臭氧呈現(xiàn)夏季高，冬季低特征。陳艷[5]利用2015～2018年莆田市環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，臭氧超標(biāo)主要出現(xiàn)在4～10月份。此外，在廈門[6]、泉州[7]等地也對(duì)臭氧的影響因素進(jìn)行了相關(guān)研究。

定位為福州后花園的永泰縣，獲得了“中國(guó)天然氧吧”“國(guó)家級(jí)生態(tài)縣”“國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)示范縣”“中國(guó)優(yōu)秀旅游縣”等稱號(hào)。永泰縣空氣質(zhì)量總體較好，但近年來(lái)臭氧濃度持續(xù)不斷攀升，對(duì)永泰的綠色生態(tài)布局產(chǎn)生了重要影響。

本文以永泰縣環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了環(huán)境空氣質(zhì)量總體狀況、臭氧濃度的時(shí)間分布特征、超標(biāo)日的原因及與氣象因素的關(guān)系，并運(yùn)用SPSS軟件分析了臭氧與其它大氣污染因子的相關(guān)性，以期為永泰縣大氣污染防治提供依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 觀測(cè)區(qū)域

永泰縣為福州市管轄范圍縣城，是典型的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，常年溫度位于14.6～20.1 ℃，常年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)，靜風(fēng)頻率高達(dá)41%。地貌呈西北高，東南低，兩側(cè)高，中間低的長(zhǎng)廊形峽谷形態(tài)。

2.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位

永泰縣城區(qū)上馬路測(cè)點(diǎn)、城區(qū)城南小學(xué)測(cè)點(diǎn)為永泰縣省控環(huán)境空氣評(píng)價(jià)點(diǎn)位，位置如圖1所示。

圖1 永泰縣城區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位示意

2.3 研究方法

根據(jù)HJ 663-2013《環(huán)境空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范(試行)》、HJ 633-2012《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》、環(huán)辦〔2014〕64 號(hào)《城市環(huán)境空氣質(zhì)量排名技術(shù)規(guī)定》的相關(guān)要求對(duì)永泰縣2016～2020年環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。同時(shí)，采用Excel對(duì)臭氧年均濃度、季節(jié)濃度、月均濃度、日濃度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出各污染物的時(shí)間變化趨勢(shì)。通過(guò)SPSS 23.0軟件，分析了臭氧與其它環(huán)境空氣污染物因子之間的相關(guān)性。利用美國(guó)國(guó)際環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)提供的全球氣象資料同化資料(GDAS)格式的風(fēng)向數(shù)據(jù)和MeteoInfo中TrajSata插件設(shè)定模擬軌跡所需參數(shù)，應(yīng)用Hysplit模型分析了氣團(tuán)的后向軌跡。有效天數(shù)、年評(píng)價(jià)百分位數(shù)值、季節(jié)濃度、月均濃度、小時(shí)濃度、濕度、氣溫、風(fēng)速、風(fēng)向等是指剔除斷電、接觸問(wèn)題、儀器掉線等原因?qū)е聰?shù)據(jù)缺失、監(jiān)測(cè)時(shí)數(shù)不足以及明顯有誤的數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 十三五期間永泰縣環(huán)境空氣質(zhì)量總體狀況

由表1可見，十三五期間永泰縣環(huán)境空氣質(zhì)量總體較好，2017～2020年綜合指數(shù)均優(yōu)于2016年，達(dá)標(biāo)天數(shù)比率在99.7%以上，一級(jí)達(dá)標(biāo)天數(shù)比率為62.7%～72.3%，二級(jí)達(dá)標(biāo)天數(shù)比率為27.7%～37%，臭氧成為首要污染物的天數(shù)從2017年開始不斷上升，2020年超標(biāo)因子為臭氧，臭氧取代顆粒物成為制約永泰縣環(huán)境空氣質(zhì)量的首要因素。

表1 十三五期間永泰縣環(huán)境空氣質(zhì)量總體情況

3.2 臭氧的時(shí)間分布特征

3.2.1 臭氧濃度年度變化趨勢(shì)

由圖1顯示，永泰縣十三五期間臭氧日最大8小時(shí)滑動(dòng)平均值的第90百分位數(shù)濃度值(簡(jiǎn)稱O3-8h-90per)濃度值均低于GB3095-2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值，O3-8h-90per呈現(xiàn)先下降后上升趨勢(shì)，主要受永泰縣機(jī)動(dòng)車保有量增加、揮發(fā)性有機(jī)物排放增多、O3及其前體物的空間傳輸?shù)纫蛩赜绊憽?/p>

圖1 十三五期間永泰縣O3-8h-90per濃度趨勢(shì)

3.2.2 臭氧濃度季節(jié)變化特征

由圖2顯示，臭氧春季(3～5月)、夏季(6～8月)濃度較接近，春季略大，冬季(12月至次年2月)濃度最小。冬季臭氧濃度低是由于冬季日照時(shí)數(shù)較低，光化學(xué)反應(yīng)弱。春季大氣相對(duì)穩(wěn)定，近地面較易出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象[8]，加上平流層輸送的臭氧本底濃度在春季最高[9]和外來(lái)臭氧傳輸，導(dǎo)致永泰縣臭氧春季濃度略高。

圖2 2016年～2020年永泰縣臭氧濃度季節(jié)變化趨勢(shì)

3.2.3 臭氧濃度月度變化特征

如圖3所示，永泰縣臭氧月變化趨勢(shì)呈M型，從1月開始臭氧濃度緩慢上升，6月出現(xiàn)最大值，8月突然下降，12月出現(xiàn)最小值。這和安陽(yáng)市[10]情況類似，6月臭氧高原因可能是由于6月位于春季和夏季交界，由于低渦、西南急流、切變等天氣系統(tǒng)，易產(chǎn)生豐沛降水，同時(shí)，副熱帶高壓北移西伸，福建受其影響，溫度回升。通過(guò)天氣系統(tǒng)的交替轉(zhuǎn)變，白天雨后溫度回升，光化學(xué)反應(yīng)劇烈；另外，6月的混合層高度比夏季其他月份低，不利于臭氧擴(kuò)散[11]，所以6月臭氧濃度較高。

圖3 2016年～2020年永泰縣臭氧濃度與日照月變化關(guān)系

3.2.4 臭氧濃度日變化特征

由圖4可知，臭氧小時(shí)濃度曲線體現(xiàn)明顯的單峰型特征，早晨7點(diǎn)最低，下午4點(diǎn)出現(xiàn)波峰，早晨7點(diǎn)最低是由于夜晚生成臭氧較少，7點(diǎn)開始，由于紫外線增強(qiáng)、溫度攀升，光化學(xué)反應(yīng)逐漸增強(qiáng)，下午4點(diǎn)左右出現(xiàn)最高峰，4點(diǎn)后由于太陽(yáng)輻射減弱，濃度也降低，夜晚后濃度處于較低水平，一方面由于臭氧被光化學(xué)反應(yīng)的消耗，另一方面是近地面的沉積作用。

圖4 2016年～2020年永泰縣臭氧小時(shí)濃度日變化趨勢(shì)

3.3 臭氧濃度與氣象因素分析

本文選取臭氧作為首要污染物為研究日期(剔除數(shù)據(jù)不正常，共94 d)，繪制臭氧濃度與氣溫、濕度的散點(diǎn)圖，探討臭氧濃度與氣溫、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速等氣象因素的關(guān)系。

2016～2020年氣溫、日照時(shí)數(shù)、降雨量的月平均數(shù)據(jù)由永泰縣氣象局提供。

3.3.1 氣溫、日照時(shí)數(shù)、降雨量

臭氧濃度與溫度之間關(guān)系見圖5。結(jié)果表明，臭氧成為首要污染物當(dāng)日，氣溫大多分布在16～32 ℃之間(占比87.2%)，溫度為27～32 ℃時(shí)，臭氧濃度大于130 μg/m3的次數(shù)增多。

圖5 臭氧成為首要污染物時(shí)日與氣溫關(guān)系

溫度、日照時(shí)數(shù)是臭氧生成的重要條件，這是由于隨著溫度的升高、日照時(shí)數(shù)的增多，氧分子光解速度加快，臭氧生成速率也增快。降雨有濕清除作用，同時(shí)通過(guò)影響溫度間接影響臭氧生成速率。

根據(jù)圖6結(jié)果顯示，2016～2020年氣溫月變化、日照時(shí)數(shù)變化月、降雨量月變化呈單峰型特征，O3濃度6月最高，降雨量6月最大，氣溫、日照時(shí)數(shù)7月出現(xiàn)最大值。O3濃度7月不是最高這說(shuō)明，氣溫、日照時(shí)數(shù)、降雨量是臭氧生成的重要條件，同時(shí)還受其它條件的影響。

圖6 臭氧濃度與氣溫、日照時(shí)數(shù)、降雨量月變化關(guān)系

3.3.2 相對(duì)濕度

臭氧超標(biāo)日臭氧濃度與濕度關(guān)系日變化如圖7所示，濕度在40%～60%區(qū)間，臭氧濃度總體較高，這表明濕度越低，越利于臭氧形成。圖8結(jié)果顯示，臭氧成為首要污染物的濕度集中在62%～78%之間(占比68.1%)，此區(qū)間臭氧濃度大于130 μg/m3的次數(shù)較多。這與超標(biāo)日臭氧變化有所區(qū)別，原因可能是永泰縣春夏多雨，加上植被較多，兩個(gè)站點(diǎn)位于大樟溪邊上，總體的相對(duì)濕度較高，而春夏臭氧總體生成又較多，故臭氧成為首要污染物的濕度較高。

圖7 超標(biāo)日臭氧濃度與濕度關(guān)系

圖8 臭氧成為首要污染物時(shí)日與濕度關(guān)系

3.3.3 風(fēng)向、風(fēng)速

臭氧超標(biāo)日上馬路、城南小學(xué)臭氧濃度與風(fēng)速、風(fēng)向關(guān)系日變化如圖9～10所示，從圖中可以看出，風(fēng)速與臭氧總體成正比關(guān)系，風(fēng)速越大，臭氧濃度越大。當(dāng)風(fēng)向?yàn)镾E、SSE、S(風(fēng)向角130～190度)，風(fēng)速為1.4～5.4 m/s之間時(shí)，區(qū)域臭氧濃度值較高，主要是由于城東南方向布設(shè)馬洋工業(yè)園區(qū)，在東南風(fēng)作用下，臭氧濃度增高。

圖9 超標(biāo)日上馬路臭氧濃度與風(fēng)速、風(fēng)向關(guān)系

由上可知，臭氧形成的機(jī)理十分復(fù)雜，氣象因素是影響臭氧濃度的重要條件，臭氧濃度高低是多種因素共同作用的結(jié)果。

3.4 永泰縣大氣中臭氧與其它污染物濃度的相關(guān)性分析

通過(guò)SPSS軟件進(jìn)行單樣本柯爾莫戈洛夫-斯米諾夫檢驗(yàn)顯示，O3、PM10、PM2.5、CO、SO2和NO2均不符合正態(tài)分布，不適用Pearson相關(guān)性分析，因此采用Spearman秩相關(guān)系數(shù)對(duì)2016～2020年臭氧與其它污染物濃度日均值進(jìn)行了相關(guān)性進(jìn)行了分析，結(jié)果如表2顯示。

表2 永泰縣O3與其它污染因子濃度的相關(guān)性分析

臭氧與一氧化碳為正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.127，可能因?yàn)镺3受其它前體物的作用關(guān)系[4]36。O3與SO2、PM10、PM2.5相關(guān)性可能還受到污染源、氣象因素等條件影響。O3與NO2呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.215，表明永泰縣O3濃度與NO2相關(guān)性較弱，可能是由于永泰縣O3濃度主要受一氧化氮NO、揮發(fā)性有機(jī)物VOCs等前體物的影響更敏感。由于這兩個(gè)站點(diǎn)暫未進(jìn)行一氧化氮NO、揮發(fā)性有機(jī)物VOCs監(jiān)測(cè)，與其影響有待進(jìn)一步研究。永泰縣應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)氮氧化物NOx、揮發(fā)性有機(jī)物VOCs的防治，同時(shí)在控制前體物的同時(shí)，空氣中的其它污染因子的防治也不容忽視。

3.5 臭氧超標(biāo)日影響分析

2020年7月24日永泰縣臭氧超標(biāo)，超標(biāo)日與濕度、風(fēng)向、風(fēng)速的關(guān)系圖見圖7、圖9、圖10。同時(shí)，繪制O3與NO2、氣溫的關(guān)系如圖11。

圖10 超標(biāo)日城南小學(xué)臭氧濃度與風(fēng)速、風(fēng)向關(guān)系

圖11 臭氧與二氧化氮、氣溫的關(guān)系

從圖中可以看出，NO2總體變化不大，氣溫呈明顯的單峰型，O3呈明顯的雙峰型。O3濃度在11點(diǎn)出現(xiàn)第一個(gè)小高峰，NO2未出現(xiàn)明顯下降，氣溫于15點(diǎn)達(dá)到最高，17點(diǎn)NO2達(dá)到最小值，風(fēng)速為最大值，17點(diǎn)O3達(dá)到最高峰。

利用Hysplit模式得到的距地500 m高度的48 h后向軌跡(城區(qū)兩個(gè)測(cè)點(diǎn)距離近，經(jīng)緯度取超標(biāo)日臭氧濃度較大的上馬路測(cè)點(diǎn))，軌跡顯示氣團(tuán)由廣東沿海一路北上，經(jīng)漳州、泉州、莆田最后到達(dá)永泰縣。

7月24日受副熱帶高壓控制，天氣晴熱，溫度升高，紫外輻射增強(qiáng)，利于污染物二次反應(yīng)生成臭氧并持續(xù)累積，臭氧出現(xiàn)雙峰，17點(diǎn)～22點(diǎn)臭氧濃度較高，結(jié)合Hysplit后向軌跡，推測(cè)本次超標(biāo)可能是本地累積+外地傳輸?shù)挠绊憽?/p>

4 永泰縣臭氧污染防治建議

根據(jù)永泰縣臭氧的時(shí)間變化特征、與氣象因素及與其它污染因子的相關(guān)性分析、超標(biāo)日的原因，建議從以下幾個(gè)方面采取有針對(duì)性的防控措施，降低臭氧濃度：

(1)加強(qiáng)審批準(zhǔn)入門檻。對(duì)產(chǎn)生VOCs、NOX企業(yè)嚴(yán)格審批，盡量布置在遠(yuǎn)離城市主要風(fēng)向的工業(yè)園，尤其是東南方向的馬洋工業(yè)園。

(2)制定涉及VOCs、NOX重點(diǎn)管控企業(yè)清單，實(shí)行“一企一策”，加強(qiáng)鍋爐綜合整治、機(jī)動(dòng)車尾氣污染防治、生活面源污染控制，推進(jìn)VOCs治理，開展VOCs治理與驗(yàn)收工作[12]。

(3)加強(qiáng)全縣重點(diǎn)企業(yè)的NOX、VOCs排放監(jiān)管，嚴(yán)肅查處涉及NOX、VOCs企業(yè)超標(biāo)排放、稀釋排放、處理設(shè)施停用等違法違規(guī)行為。

(4)加強(qiáng)區(qū)域間的合作，協(xié)同減排。永泰處于福州市西南，易受各方向傳輸影響，應(yīng)與周邊省市縣進(jìn)行合作，深化區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控，防止O3、NOX、VOCs及其它污染因子遠(yuǎn)距離傳輸超標(biāo)。

(5)強(qiáng)化臭氧應(yīng)對(duì)措施。根據(jù)永泰縣臭氧季變化、月變化特征，重點(diǎn)企業(yè)在臭氧濃度較高的4～11月應(yīng)妥善安排生產(chǎn)計(jì)劃，根據(jù)需要實(shí)施調(diào)度控制。當(dāng)啟動(dòng)臭氧污染應(yīng)急響應(yīng)時(shí)，涉及VOCs、NOX重點(diǎn)管控企業(yè)錯(cuò)峰生產(chǎn)。氣象因素對(duì)臭氧形成起重要的作用，根據(jù)臭氧日變化特征及與氣象因素的關(guān)系，盡量避開12～19時(shí)、溫度27 ℃以上情況進(jìn)行生產(chǎn)。同時(shí)，嚴(yán)格加強(qiáng)永泰縣城主導(dǎo)風(fēng)向重點(diǎn)工業(yè)污染源管控，以期降低臭氧的濃度。

5 結(jié)論

(1)十三五期間永泰縣環(huán)境空氣質(zhì)量趨勢(shì)總體較好，2017～2020年綜合指數(shù)均優(yōu)于2016年，達(dá)標(biāo)天數(shù)比率在99.7%以上，臭氧取代顆粒物成為制約永泰縣環(huán)境的首要因素。

(2)O3-8h-90per由2017年開始呈上升趨勢(shì)，O3春季、夏季數(shù)值較接近，春季略大。從月變化來(lái)看，O3月變化呈M型，6月出現(xiàn)最大值，12月出現(xiàn)最小值。從日變化來(lái)看，臭氧的小時(shí)濃度曲線呈明顯的單峰型，體現(xiàn)晝夜明顯的波動(dòng)特征。

(3)氣象因素是影響臭氧濃度的重要條件，臭氧濃度是多種因素共同作用的結(jié)果。

(4)臭氧和其它污染因子日均濃度的相關(guān)性分析顯示，相關(guān)性與其污染來(lái)源、是否是其前體物及氣象因素存在關(guān)系。

(5)十三五期間唯一的一次臭氧超標(biāo)原因可能是本地累積+外地傳輸?shù)挠绊憽?/p>