周口市近地面臭氧濃度變化特征及其影響因素分析

劉 冰，趙修軍，李光輝，谷芳瑩，聶 勝

（1.河南省航空物探遙感中心，河南 鄭州 450053；2.中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100094）

近地面的O3污染不是污染源直接排放產(chǎn)生的，是由排放到空氣中的氮氧化物、VOCs在空氣中進行復雜的光化學反應產(chǎn)生的，形成機理十分復雜，控制難度大。目前包括發(fā)達國家在內(nèi)，O3污染也是尚未完全解決的大氣污染問題[1]。

河南省是我國中部地區(qū)重要的工業(yè)省份和交通樞紐，省內(nèi)交通發(fā)達、人口稠密。近年來，河南省經(jīng)濟迅速發(fā)展，城市化水平不斷提高，由此引發(fā)的空氣質量問題越來越嚴重。2015年起，河南省環(huán)境狀況公報把O3列入大氣環(huán)境質量評價因子，周口市的O3污染狀況尤其不容樂觀，O3濃度持續(xù)上升，連續(xù)3a超二級標準，在18個省轄市中的年90百分位數(shù)濃度排名從2015年的第一降至2019年的第十二。調查顯示，O3污染集中在夏季，且夏季周口市O3為首要污染物的天數(shù)已多于顆粒物[2]。然而，目前河南省內(nèi)關于地級市近地面O3污染的相關研究成果較少，因此本文以2019年為基準，利用國控觀測點位的空氣質量監(jiān)測數(shù)據(jù)，揭示了周口市主城區(qū)2019年近地面O3濃度的時間變化特征以及與前體物的相關性；并采用遙感解譯與實地調研相結合的方法，選取典型樣本，分析了人類活動類型對周口市主城區(qū)近地面O3濃度的影響，為政府部門制定大氣污染防治規(guī)劃和環(huán)境治理提供科學依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

近地面O3和二氧化氮濃度數(shù)據(jù)來源于2019年1月-12月周口市空氣質量自動監(jiān)測站的大氣連續(xù)自動監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括川匯區(qū)環(huán)保局、周口師范、市環(huán)境監(jiān)測站和市運管處4個站點。人類活動類型遙感解譯數(shù)據(jù)以2019年4月GF-1號衛(wèi)星2 m融合影像為參考，采用人機交互解譯的方法，建立了工礦用地、農(nóng)業(yè)用地、城鎮(zhèn)居民點、道路、其他人工設施等地物類型的遙感解譯標志，采用面向對象的分類技術進行信息提取；以ArcGIS為主要平臺，以矢量格式存儲提取的信息，獲得人類活動遙感解譯數(shù)據(jù)[3-4]。

1.2 研究方法

基于統(tǒng)計學理論，本文采用SPSS統(tǒng)計軟件，依據(jù)GB3095-2012《環(huán)境空氣質量標準》對周口市主城區(qū)近地面O3濃度的時間變化特征以及與前體物的相關性進行分析[5-7]。

本文采用灰度關聯(lián)分析法和緩沖區(qū)分析法對人類活動與環(huán)境狀況的相關性進行研究。緩沖區(qū)分析法以點、線、面實體為基礎，自動建立其周圍一定寬度范圍內(nèi)的緩沖區(qū)多邊形圖層，然后進行該圖層與目標圖層的疊加，進而分析得到所需結果。它是用來解決鄰近度問題最直接的空間分析工具之一[8]。本文基于緩沖區(qū)分析法和相關系數(shù)，利用ArcGIS軟件提供的Buffer wizard工具和Excel軟件統(tǒng)計工具進行人類活動與近地面O3濃度的相關性分析；根據(jù)相關性分析結果計算人類活動影響指數(shù)，并進行分級，對重點調查區(qū)人類活動影響進行評價[9-11]。

2 研究結果與分析

2.1 O3濃度時間變化特征

1）季節(jié)變化特征。2019年周口市各監(jiān)測站點O3日最大8 h平均濃度總體季節(jié)變化規(guī)律如圖1所示，可以看出，O3濃度呈較明顯的季節(jié)性規(guī)律，冬季＜秋季＜春季＜夏季；川匯區(qū)環(huán)保局和周口師范各季度O3濃度值均略高于市環(huán)境監(jiān)測站和市運管處，這與氣溫高低、太陽紫外輻射強度有直接關系，秋、冬季溫度低，不利于化學反應達到平衡。

圖1 2019年周口市各站點O3濃度季節(jié)變化

2）月變化特征。本文分別對各監(jiān)測站點按日最大8 h平均O3濃度進行統(tǒng)計，計算每日O3濃度的平均值，并繪制各監(jiān)測站點O3濃度的月變化曲線，如圖2所示，可以看出，2019年1月-12月O3濃度月變化規(guī)律為1月-6月呈上升趨勢、6月-11月呈下降趨勢；6月-8月各監(jiān)測站點O3濃度均較高，1月、12月達到最低，這與O3濃度受日照強度和日照時間的影響較大有關。

圖2 2019年周口市各站點O3濃度月變化曲線

3）日變化特征。本文對各監(jiān)測站點夏季每日每小時O3濃度的平均值進行統(tǒng)計計算，并繪制各監(jiān)測站點O3濃度的日變化曲線，如圖3所示，可以看出，各監(jiān)測站點O3濃度日變化特征十分明顯，低值通常在23；00-6；00，最高值在 14；00-16；00，相差 5 倍以上，這也與氣溫高低、太陽紫外輻射強度有直接關系，夜間沒有日光照射，溫度較低，光化學反應速度較慢。

圖3 2019年周口市各站點O3濃度日變化曲線

2.2 O3濃度與前體物的相關性分析

氮氧化物是產(chǎn)生O3的重要前體物之一，在實際環(huán)境監(jiān)測中通常以二氧化氮濃度來表征氮氧化物濃度，因此本文通過O3與二氧化氮的變化關系來間接表征O3濃度與O3前體物的相關性[12]。由圖4、5可知，O3濃度與二氧化氮濃度呈顯著負相關關系，尤其是6月的月均24 h O3、二氧化氮濃度呈現(xiàn)出幾近完美的軸對稱圖形。

圖4 2019年周口市主城區(qū)年均O3、二氧化氮濃度月變化曲線

圖5 周口市主城區(qū)2019年6月的月均24 h O3、二氧化氮濃度變化曲線

2.3 人類活動與近地面O3濃度的相關性分析

根據(jù)實地調查點，在人類活動遙感解譯圖上定義坐標，再進行投影。以實地調查點為圓心，1 km為半徑劃分緩沖區(qū)，確定各緩沖區(qū)內(nèi)各人類活動類型的面積。實地調查點緩沖區(qū)分布如圖6所示。利用Excel軟件中的Correl選項功能計算緩沖區(qū)內(nèi)人類活動面積比例與O3濃度指標之間的相關系數(shù)[13]，得出相關系數(shù)矩陣，如表1所示。

表1 人類活動面積與O3濃度的相關系數(shù)

圖6 周口市主城區(qū)人類活動面積與O3濃度的線性關系

分析緩沖區(qū)分析法的實驗結果發(fā)現(xiàn)，重點調查區(qū)O3濃度與人類活動中工礦用地面積比例有很強的正線性相關性，其相關系數(shù)為0.82；與農(nóng)業(yè)用地面積比例有較強的負線性相關性，其相關系數(shù)為-0.72；與交通用地和居民點無明顯線性相關性，說明調查區(qū)近地面夏季O3污染主要與工業(yè)活動有關，工業(yè)等人為源排放的VOCs總量增加對局部空氣質量的影響顯著。

2.4 人類活動影響評價

根據(jù)人類活動遙感解譯結果以及與O3濃度的相關性分析，計算得到人類活動影響指數(shù)，并進行分級，結果如表2所示。對重點調查區(qū)人類活動影響進行評價[14]的模型為；

表2 人類活動影響程度分級

式中， NRHI為人類活動影響指數(shù)；xi為人類活動類型的面積；x為調查區(qū)的總面積；ai為權重，由不同人類活動類型對調查區(qū)O3濃度的影響程度來確定。

以實地調查點的緩沖區(qū)為評價單元，采用加權平均法計算分析了調查區(qū)人類活動的影響程度[15]，并繪制了調查區(qū)人類活動對O3濃度影響程度的空間分布圖，如圖7所示，可以看出，明顯及以上人類活動影響程度的緩沖區(qū)有10個，占比為23.8%，監(jiān)測O3濃度在130～170 μg/m3之間，人類活動遙感解譯面積共計31.26 km2，其中工礦用地面積為18.68 km2，占比接近60%，其次為居民點，面積為7.4 km2，占比為23.7%；在空間分布上，人類活動對O3濃度影響程度明顯的區(qū)域主要集中在川匯區(qū)中部以及淮陽縣縣城西南部的工業(yè)活動較密集區(qū)，這些區(qū)域的人類活動類型和數(shù)量均較多，開發(fā)建設活動明顯，影響強度較大。

圖7 周口市主城區(qū)人類活動對O3濃度影響程度空間分布

3 結 語

1）周口市主城區(qū)的O3污染始于6月，8月后O3污染急劇下降，說明O3濃度的增加與溫度和太陽輻射有直接關系；O3濃度具有明顯的“午高晚低”的日變化特征和“夏季高冬季低”的季節(jié)變化特征；O3濃度與前體物二氧化氮濃度呈顯著負相關關系。

2）周口市主城區(qū)O3濃度與人類活動中工礦用地面積比例呈很強的正線性相關性，與農(nóng)業(yè)用地面積比例呈較強的負線性相關性，說明主城區(qū)近地面夏季O3污染主要與工業(yè)活動有關。

3）基于人類活動遙感解譯結果和實地調查分析，本文構建了人類活動影響指數(shù)和分級指標，并對調查區(qū)人類活動對O3濃度影響程度進行了評價。結果表明，明顯及以上人類活動影響程度的緩沖區(qū)占比為23.8%，監(jiān)測O3濃度在130～170 μg/m3之間，主要集中在川匯區(qū)中部以及淮陽縣縣城西南部的工業(yè)活動較密集區(qū)，這些區(qū)域的人類活動類型和數(shù)量均較多，開發(fā)建設活動明顯，影響強度較大。