昆明市官渡區(qū)臭氧污染特征及影響因子相關性分析

蔡 捷，郭治衡

(1.昆明市生態(tài)環(huán)境局官渡分局生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，云南 昆明 650000；2.昆明理工大學 環(huán)境科學與工程學院，云南 昆明 650000)

0 引言

O3是揮發(fā)性有機物(VOCs)和氮氧化物(NOX)等在大氣中通過一系列光化學反應生成的二次污染物，高濃度的臭氧會對人體健康產(chǎn)生較大影響，因此臭氧污染必須重視起來[1]。近年來，隨著昆明市官渡區(qū)大氣污染防治工作的不斷強化，官渡區(qū)環(huán)境空氣中的PM10、PM2.5等主要污染物得到有效控制，而臭氧(O3)濃度卻逐年升高，并成為首要污染物。

根據(jù)文獻檢索，臭氧濃度的影響因子包括：氣壓、氣溫、相對濕度、風速、降水量、NO2、NO、PM10、CO、PM2.5等[2～3]。針對不同的影響因素，國內(nèi)外學者已經(jīng)做了大量的研究。但是由于研究實驗之間的監(jiān)測環(huán)境和氣象條件千差萬別，所得到的實驗數(shù)據(jù)以及最終的結論也有不同程度的區(qū)別，本文就昆明市官渡區(qū)這一地點進行定點分析。

昆明市位于云南中部，三面環(huán)山、南臨滇池，因此容易形成局地風，導致大氣污染物積累。官渡區(qū)為昆明四個主城區(qū)之一，位于昆明主城區(qū)東南部、滇池北岸，全區(qū)海拔在1886.6～2731m，屬低緯度高海拔地區(qū)。由于紫外線輻射強，容易導致光化學反應和一些污染物的生成，造成臭氧濃度升高[4]。官渡區(qū)年平均風速為2.1m/s。干、濕兩季明顯，其中5—10月降水量占全年的85%左右，11月—次年4月僅占全年的15%左右。降雨量分布不均衡，有效降雨天數(shù)較少且多單點暴雨，干季容易加重顆粒物污染[5]。

1 研究方法

1.1 監(jiān)測點位分布

依據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測點位布設技術規(guī)范》等國家標準要求，昆明市共設置了7個國控空氣質(zhì)量監(jiān)測點，全部采用紫外熒光法進行連續(xù)自動監(jiān)測。國控站點由生態(tài)環(huán)境部委托的專業(yè)單位按照相關規(guī)定和標準對檢測設備進行維護校準，最大程度地降低檢測誤差。本次采用的數(shù)據(jù)為昆明市官渡區(qū)國控空氣質(zhì)量檢測點。

1.2 判斷依據(jù)

2012年國家頒布了新的《GB 3095-2012環(huán)境空氣質(zhì)量標準》，增設了臭氧8h平均濃度限值。同時，根據(jù)《HJ 663-2013環(huán)境質(zhì)量評價技術規(guī)范》規(guī)定以及臭氧危害特性，臭氧濃度以日最大8h平均值進行日評價，以日最大8h平均值的第90百分位進行年評價。臭氧日最大8h滑動均值 (O3-8h) 的日超標標準值為 160μg/m3。

1.3 研究數(shù)據(jù)來源

以2019年1月1日—2019年12月31日共365d的監(jiān)測數(shù)據(jù)對昆明市官渡區(qū)臭氧污染特征進行分析。

2 官渡區(qū)O3污染的特征

圖1為2019年官渡區(qū)臭氧日濃度的月份均值變化趨勢。按照月平均O3濃度分布來看，2019年官渡區(qū)O3濃度分布曲線呈現(xiàn)雙峰型，4月份最大(132.77μg/m3)，其次是8月份(121.03μg/m3)，12月份最小(65.87μg/m3)?？傮w來看，臭氧濃度在1—4月、6—8月為快速增長過程，4—7月、8—12月為下降過程。從季節(jié)變化過程來看，如圖2所示，官渡區(qū)的O3濃度春季最高，達到了122.93μg/m3，夏季略低，秋、冬季的濃度相當且最低。春夏季節(jié)官渡區(qū)天氣以晴好為主，降雨天氣較少，太陽紫外輻射強，溫度較高，濕度較小，有利于臭氧生成；秋冬季節(jié)臭氧濃度較低，主要是由于冬季溫度較低，紫外輻射較弱，不利于臭氧的生成。

圖1 官渡區(qū)臭氧日濃度的月份均值變化趨勢

圖2 官渡區(qū)臭氧日濃度的季節(jié)均值變化趨勢

根據(jù)統(tǒng)計可得，臭氧超標天數(shù)最多的為8月，有7d超標；4月份超標5d，7月略低，為1d，其他月份沒有超標，見表1。全年僅4、7、8月份超標，超標天數(shù)占全年總超標天數(shù)的100%，這也是官渡區(qū)春季和夏季空氣質(zhì)量較差的原因。官渡區(qū)臭氧污染除了由于所處的春、夏季節(jié)是污染高發(fā)季節(jié)外，其可能與春夏、夏秋季節(jié)轉(zhuǎn)換期間不同主導氣流相互影響導致污染物累計不易擴散也有一定的關系。

表1 臭氧超標天數(shù)各月分布情況

3 影響因子相關性分析

3.1 數(shù)據(jù)分析方法

本文采用相關性分析法，相關系數(shù)是定量評價相關性大小的指標，常用的相關性系數(shù)有Pearson相關系數(shù)、Kendall 相關系數(shù)以及Spearman 相關系數(shù)。本次研究采用Pearson相關系數(shù)[6]。

本文進行相關性分析的是臭氧濃度的影響因子：氣壓、氣溫、相對濕度、風速、降水量、NO2、NO、PM10、CO、PM2.5。根據(jù)GB 3095-2012的規(guī)定，將得到的臭氧數(shù)據(jù)以160μg/m3為界限分為超標、不超標兩組數(shù)據(jù)進行相關性分析。因此，本文將處理后的數(shù)據(jù)篩選為：低于160μg/m3的數(shù)據(jù)為低濃度段，高于160μg/m3的數(shù)據(jù)為高濃度段，然后運用SPSS軟件分析臭氧濃度與各個因子之間的相關性。

3.2 相關性數(shù)據(jù)

選用2019年1月1日—2019年12月31日共365d的數(shù)據(jù)進行篩選，最終得出358組有效數(shù)據(jù)。臭氧濃度、氣壓氣溫和相對濕度的均值見表2。

表2 臭氧及影響因子的均值

利用SPSS 軟件計算得到Pearson相關系數(shù)的R值，詳見表3。

表3 臭氧與影響因子之間相關性系數(shù)

4 數(shù)據(jù)分析結果

(1)昆明市官渡區(qū)臭氧濃度在4月份達到最高，8月份次之，11月份最低。

(2)臭氧濃度超標主要是在4、7、8月份，占到了總超標天數(shù)的100%。

(3)根據(jù)相關性數(shù)據(jù)來看，在高濃度臭氧情況下，僅有風速P值>0.05，為有效數(shù)據(jù)。風速與高濃度臭氧之間的R值為-0.581，為強負相關性，即風速越高，臭氧濃度越小。全部臭氧與風速的數(shù)據(jù)相關性為0.196，低濃度臭氧與風速之間相關性為0.275，都為正相關性，而且為弱相關。由此可知，臭氧濃度超標時，風速是導致其超標的主要因素。在低濃度臭氧情況下，風速對臭氧濃度影響較低。

(4)氣溫與低濃度臭氧情況下，相關性達到0.431，為中等程度相關，而臭氧高濃度情況下為無效數(shù)據(jù)。全部氣溫與臭氧的數(shù)據(jù)相關性為0.475，為正相關。說明氣溫升高是導致低濃度臭氧升高的關鍵因素；從理論方面解釋，高溫條件下，氮氧化物和碳氫化合物會在光照輻射的催化作用下產(chǎn)生臭氧，溫度越高產(chǎn)生臭氧的速率就越大；另一方面，高溫也會導致異戊二烯的大量產(chǎn)生(主要由植物排放)，異戊二烯被·OH氧化后形成RO2，RO2與NO 反應形成NO2，同時促使·OH的循環(huán)，最后NO2在光照的情況下形成臭氧。

(5)全部相對濕度與臭氧的數(shù)據(jù)相關性為-0.602，為弱相關，說明相對濕度越低，臭氧濃度越高；在低濃度情況下，相關性達到-0.636，都呈現(xiàn)強負相關?？v看整個相關性列表發(fā)現(xiàn)，相對濕度應該是影響臭氧濃度最關鍵的因素，提高相對濕度，是解決目前臭氧濃度過高最優(yōu)的辦法。初步估計是濕度高的情況下，部分臭氧溶解于空氣的水分中，導致臭氧濃度下降。

(6)低濃度臭氧條件下，氣壓、風速、降水量、NO2、NO、PM10、PM2.5可以影響臭氧濃度，但不是主要影響因子。

5 結論

根據(jù)姚青[7]等人對天津市夏季O3濃度影響因子的研究，氣溫與臭氧濃度呈現(xiàn)正相關，風速、相對濕度與臭氧濃度之間都呈現(xiàn)負相關性。這與我們在昆明官渡區(qū)所得到的結論一致。說明云貴高原與平原地區(qū)，影響臭氧濃度變化的因子以及這些因子的正負相關性是一致的，即影響因子對臭氧濃度的作用不受海拔高度的影響。