衡陽(yáng)市O3污染特征及影響因素相關(guān)性分析

劉作云

（湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院 生態(tài)宜居學(xué)院,湖南 衡陽(yáng) 421005）

臭氧（O3）是一種具有魚腥氣味的淡藍(lán)色氣體，比重比氧氣大，易溶于水，易分解。O3在生產(chǎn)和生活中應(yīng)用十分廣泛，如環(huán)境保護(hù)［1-2］、食品加工存儲(chǔ)與保鮮［3］、家用電器［4］、醫(yī)療衛(wèi)生［5］等領(lǐng)域。

O3對(duì)人體的危害作用機(jī)理為快速融入不飽和脂肪酸、氨基酸及其他蛋白質(zhì)的反應(yīng)，導(dǎo)致生物體功能失調(diào)，出現(xiàn)疲乏、咳嗽、胸悶胸痛、皮膚起皺、惡心頭痛、脈搏加速、記憶力衰退、視力下降等癥狀。一般情況下，成年人1 h 內(nèi)能耐受的O3極限濃度約為260 μg/m3，當(dāng)濃度達(dá)到320 μg/m3，肺功能就會(huì)下降，造成咳嗽、呼吸困難等［6］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大氣中O3濃度每提高10 μg/m3，人群總死亡率、心血管系統(tǒng)疾病死亡率和呼吸系統(tǒng)疾病死亡率分別上升0.4%、0.67%和0.23%［7］。此外，部分農(nóng)林植物長(zhǎng)時(shí)間接觸O3后，葉片逐步變黃甚至枯萎，造成作物減產(chǎn)，農(nóng)戶減收［8］。建筑材料、居家用品等含不飽和碳碳鍵的有機(jī)化合物，這些成分能快速與空氣中的O3結(jié)合并反應(yīng)，逐漸褪色、脫色或老化等［9］。

近年來(lái)，由于人類排放了大量的能參與形成O3的前體物，給O3的形成提供了條件，使局部地區(qū)近地面O3濃度逐漸升高，并成為影響區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量的主要污染物之一。從《衡陽(yáng)市環(huán)境狀況統(tǒng)計(jì)公報(bào)》數(shù)據(jù)可以看出，O3對(duì)衡陽(yáng)市環(huán)境空氣質(zhì)量的影響僅次于PM2.5，給人民群眾的生產(chǎn)和生活帶來(lái)諸多威脅。有研究表明，氣象因素［10-12］、社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素［13-14］和其他污染因子［15-18］等對(duì)O3濃度的均有影響。因此，分析2016 年—2019 年衡陽(yáng)市環(huán)境空氣中O3的時(shí)空分布特征，探索其與氣象因素、社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素及其他污染因子之間的相關(guān)性，對(duì)衡陽(yáng)市環(huán)境空氣中O3污染的科學(xué)防控有一定現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 材料

本研究的主要材料包括環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中六項(xiàng)主要污染因子、氣象因素及社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素?cái)?shù)據(jù)。其中污染因子包括衡陽(yáng)市及下轄各縣市區(qū)環(huán)境空氣中O3、PM2.5、PM10、CO、NO2和SO2的月均值和年均值，氣象因素包括平均氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)、平均濕度、平均氣壓和平均風(fēng)速六項(xiàng)主要參數(shù)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素包括衡陽(yáng)市及下轄各縣市區(qū)年末常住人口、GDP、森林覆蓋率等。

數(shù)據(jù)來(lái)源：污染指標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)摘自衡陽(yáng)市環(huán)境質(zhì)量狀況通報(bào)［19］；氣象數(shù)據(jù)來(lái)自衡陽(yáng)市氣象局（57872站）；社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于衡陽(yáng)市及下轄各縣市區(qū)國(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)［20］。

1.2 方法

運(yùn)用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件的Pearson相關(guān)性分析功能，分別計(jì)算各種影響因素與O3的相關(guān)系數(shù)及顯著性，并對(duì)相關(guān)性顯著的指標(biāo)采用線性回歸分析進(jìn)行檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 衡陽(yáng)市O3污染時(shí)空分布特征

衡陽(yáng)市中心城區(qū)及下轄的縣市區(qū)環(huán)境空氣中O3年均濃度變化趨勢(shì)大致相同，均未超過GB 3095—2012中二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限定的160 μg/m3。O3年均濃度在空間分布上差異不明顯，但年際變化幅度較大，尤其2018年與2017年相比，全市平均增長(zhǎng)比例達(dá)49.48%，雁峰區(qū)、南岳區(qū)和衡山縣增長(zhǎng)比例較其他地區(qū)顯著，分別達(dá)到97.26%、87.5%和82.89%，但2019 年絕大部分縣市區(qū)O3年均濃度均逐漸回落。

衡陽(yáng)市中心城區(qū)O3月均濃度具有明顯的季節(jié)性，各年濃度峰值出現(xiàn)的季節(jié)基本一致。每年12 月至次年1 月O3濃度最低，隨后逐步攀升，5 月—6 月形成一次濃度小高峰，7 月份左右出現(xiàn)一次回落，隨后繼續(xù)攀升，直至9 月—10 月達(dá)到濃度頂峰。9 月份是衡陽(yáng)市中心城區(qū)O3污染最為嚴(yán)重的月份，一般均會(huì)超過GB 3095—2012二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，成為影響全市環(huán)境空氣質(zhì)量的首要污染物，而12 月至次年1 月，O3濃度最低，一般均低于或接近GB 3095—2012 一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 O3與氣象因素的相關(guān)性分析

對(duì)衡陽(yáng)市中心城區(qū)2016 年—2019 年逐月的O3濃度值與氣象因素進(jìn)行相關(guān)性分析，并對(duì)有明顯相關(guān)關(guān)系的指標(biāo)進(jìn)行線性回歸分析。結(jié)果表明：六項(xiàng)氣象因素中，平均氣溫、日照時(shí)數(shù)、平均氣壓、平均濕度和平均風(fēng)速與環(huán)境空氣中O3濃度有相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)度大小為平均氣溫（中度正相關(guān)）＞日照時(shí)數(shù)（中度正相關(guān)）＞平均氣壓（中度負(fù)相關(guān)）＞平均濕度（中度負(fù)相關(guān)）＞平均風(fēng)速（中度正相關(guān)），O3濃度與降水量關(guān)系不明顯。

表1 衡陽(yáng)市O3濃度空間分布及年際變化趨勢(shì)Table 1 The spatial distribution and interannual variation trend of O3 concentration in Hengyang City

圖1 衡陽(yáng)市中心城區(qū)O3濃度季節(jié)分布規(guī)律Fig.1 The seasonal distribution of O3 concentration in Hengyang City

2.3 O3與社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素的相關(guān)性分析

對(duì)衡陽(yáng)市各縣市區(qū)2016 年—2019 年O3濃度值與

社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素進(jìn)行相關(guān)性分析和線性回歸分析。結(jié)果表明：社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素與O3濃度的相關(guān)性均不顯著，相關(guān)系數(shù)相對(duì)較大的為私家車輛，主要原因在于汽車尾氣中含大量的O3形成前體物（揮發(fā)性有機(jī)物、氮氧化物等），這些成分進(jìn)入環(huán)境空氣后，在一定條件下參與形成O3，造成局部地區(qū)O3濃度升高，因此，機(jī)動(dòng)車的環(huán)保檢驗(yàn)、城區(qū)汽車流量控制等不容忽視。

表2 O3濃度與氣象因素Pearson 相關(guān)分析Table 2 The correlation analysis by Pearson betweenthe concentration of O3 and meteorological factors

表3 O3濃度與社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素的相關(guān)性分析Table 3 The correlation analysis by Pearson betweenthe concentration of O3 and socio-economic factors

2.4 O3與其他污染因子的相關(guān)性分析

對(duì)衡陽(yáng)市中心城區(qū)2016 年—2019 年逐月的O3濃度值與其他五項(xiàng)污染因子進(jìn)行相關(guān)性分析，并對(duì)有明顯相關(guān)關(guān)系的指標(biāo)進(jìn)行線性回歸分析。結(jié)果表明：四項(xiàng)主要污染因子與O3濃度存在顯著相關(guān)關(guān)系，相關(guān)程度為CO＞NO2＞PM2.5＞PM10，SO2相關(guān)關(guān)系不顯著。

表4 O3濃度與其他污染因子Pearson 相關(guān)分析Table 4 The correlation analysis by Pearson betweenthe concentration of O3 and other pollution factors

圖3 O3濃度與其他污染因子的線性回歸關(guān)系Fig.3 The relationship of linear regression between the concentration of O3 and other pollution factors

3 討論

1）從空間分布特點(diǎn)分析，衡陽(yáng)市及下轄各縣市區(qū)O3的濃度基本一致，主要來(lái)源可能是因?yàn)镺3的主要來(lái)源為大氣擴(kuò)散，因此，全市O3污染的治理除了城區(qū)人口密集需重點(diǎn)防控外，其他區(qū)域也應(yīng)加強(qiáng)。從季節(jié)分布特點(diǎn)分析，5 月—6 月、8 月—10 月是污染較為嚴(yán)重的季節(jié)，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)O3預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，做好O3防控預(yù)案，并及時(shí)向公眾公開，科學(xué)防控。

2）氣溫是大氣發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)的條件之一，氣溫能加快光化學(xué)反應(yīng)的速率，促使形成O3，并在近地面聚集。太陽(yáng)輻射是生成O3的另一個(gè)條件，日照時(shí)間越長(zhǎng)，太陽(yáng)輻射持續(xù)時(shí)間越久，O3積累的可能性越大。氣壓的升高，促使O3向高空擴(kuò)散，從而使近地面O3濃度下降。環(huán)境空氣的平均濕度越高，所含的水分子就越多，提供了大量的O3分解所需的H+、OH-基團(tuán)，從而消耗大量的O3。風(fēng)速加速了O3的混合和擴(kuò)散，加快了高空O3向下垂直擴(kuò)散，而衡陽(yáng)市屬于盆地地形，在水平方向上的擴(kuò)散不夠明顯，O3逐步積累，濃度逐漸升高。

氣象因子對(duì)O3濃度的影響主要是參與了O3的形成，或消耗了已形成的O3，或影響其擴(kuò)散。氣象因子之間本身也存在一定的關(guān)系，通過對(duì)與O3濃度有相關(guān)關(guān)系的氣象因子進(jìn)行多元線性分析，發(fā)現(xiàn)平均氣溫+平均濕度、平均氣溫+平均濕度+平均氣壓、平均氣溫+平均濕度+平均氣壓+日照時(shí)數(shù)、平均氣溫+平均濕度+平均氣壓+日照時(shí)數(shù)+平均風(fēng)速等不同組合情況下，與O3濃度的相關(guān)度分別達(dá)到0.827、0.862、0.883 和0.892，屬于高度相關(guān)關(guān)系。因此，應(yīng)當(dāng)密切注意高溫、低濕、低氣壓、長(zhǎng)日照及風(fēng)速較高的綜合氣象條件下O3對(duì)近地面的污染。

3）O3與PM2.5、PM10、NO2和CO 均呈中度負(fù)相關(guān)。顆粒物中的氣溶膠粒子能影響云光學(xué)厚度，從而減弱太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，減緩O3的形成，同時(shí)氣溶膠粒子通過吸收O3生成的前體物、提供NOx水解場(chǎng)所等，阻礙O3的形成。溫度和太陽(yáng)輻射等也是影響O3和顆粒物濃度的重要因素，高溫和強(qiáng)輻射是O3形成的條件，促使近地面O3濃度升高，而相同條件下，因?yàn)榇髿鈹U(kuò)散能力增強(qiáng)，顆粒物上浮或擴(kuò)散能力提高，近地面濃度也逐步被稀釋下降。NO2作為O3形成的主要前體物，當(dāng)太陽(yáng)輻射增強(qiáng)時(shí)，NO2的光解加速，O3的形成加快，尤其在高溫、強(qiáng)日照天氣下，出現(xiàn)近地面NO2和O3濃度此消彼長(zhǎng)的現(xiàn)象。CO 也是O3形成的主要前體物，CO 與空氣中羥基自由基結(jié)合，使過氧自由基增加，再參與光化學(xué)反應(yīng)生成O3，使局部地區(qū)臭氧濃度升高。

4 結(jié)論

O3是影響衡陽(yáng)市環(huán)境空氣質(zhì)量的主要污染物之一，通過分析衡陽(yáng)市環(huán)境空氣中O3的時(shí)空分布特征，剖析其與氣象因素、社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素及其他污染因子之間的相關(guān)性，得出以下結(jié)論：

1）在空間分布上，衡陽(yáng)市及下轄縣市區(qū)O3濃度差異不明顯，但年際變化幅度較大；在時(shí)間分布上，衡陽(yáng)市中心城區(qū)O3濃度季節(jié)差異明顯，每年12 月至次年1 月O3濃度最低，9 月—10 月濃度最高，尤其9月份O3污染最為嚴(yán)重。

2）衡陽(yáng)市O3濃度與氣象因子的相關(guān)度大小為平均氣溫（中度正相關(guān)）＞日照時(shí)數(shù)（中度正相關(guān)）＞平均氣壓（中度負(fù)相關(guān)）＞平均濕度（中度負(fù)相關(guān)）＞平均風(fēng)速（中度正相關(guān)），降水量相關(guān)關(guān)系不明顯。

3）社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素與環(huán)境空氣中O3濃度的相關(guān)關(guān)系不明顯。

4）衡陽(yáng)市中心城區(qū)O3濃度值與其他污染因子均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)度大小為CO＞NO2＞PM2.5＞PM10，與SO2相關(guān)關(guān)系不顯著。

5）在開展衡陽(yáng)市O3污染防控時(shí)，應(yīng)突出中心城區(qū)等人群密集區(qū)域，全市聯(lián)防聯(lián)控，尤其要加大高溫、強(qiáng)輻射天氣下的防控，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)O3形成前體物的控制。