2016～2019年宿遷市中心城區(qū)臭氧污染特征分析

孫 丹

(江蘇省宿遷環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，江蘇 宿遷 223800)

1 引言

近年來(lái)，宿遷市大氣污染防治工作的深入開展，有效推動(dòng)了環(huán)境空氣質(zhì)量的持續(xù)改善。但隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)，能源消耗的持續(xù)增加，大氣污染治理的難度逐年遞增。特別是2016 年以來(lái)，宿遷市PM2.5改善幅度逐年放緩的同時(shí)，臭氧濃度出現(xiàn)大幅上升，超標(biāo)現(xiàn)象明顯，導(dǎo)致優(yōu)良天數(shù)比例同比不升反降，成為繼PM2.5后嚴(yán)重制約宿遷市環(huán)境空氣質(zhì)量改善和達(dá)標(biāo)的重要污染物。

臭氧(O3)是典型的二次污染物，是污染源(天然源和人為源)排放的氮氧化物(NOx)、揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)和一氧化碳(CO)等前體物在高溫、強(qiáng)輻射的條件下發(fā)生大氣光化學(xué)反應(yīng)而生成[1]。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)對(duì)臭氧污染的相關(guān)研究主要集中在京津冀、珠三角、長(zhǎng)三角以及省會(huì)等中大型城市[2～10]，針對(duì)蘇北內(nèi)陸城市研究相對(duì)較少。本文基于2016～2019年宿遷市國(guó)控大氣站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，探討了臭氧及NO2濃度水平、時(shí)空分布特征，以期為地方臭氧污染防治、管控提供參考，為制定有效的大氣管控政策提供依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源和分析方法

2.1 觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源

當(dāng)前，宿遷市中心城區(qū)分布有4個(gè)國(guó)控大氣站點(diǎn)，分別為市供電局、宿遷學(xué)院、宿遷中學(xué)、宿豫區(qū)政府。各點(diǎn)位均按照規(guī)范要求，開展了SO2、NO2、PM10、CO、O3和PM2.5六項(xiàng)基本參數(shù)的連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)。本文研究O3和NO2濃度數(shù)據(jù)采用2016～2019年期間國(guó)控站點(diǎn)的連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)方法

O3評(píng)價(jià)指標(biāo)為日最大8 h滑動(dòng)均值(以下以“O3-8h”表示)，數(shù)據(jù)有效性、計(jì)算方法、統(tǒng)計(jì)方法按照《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)[11]和《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ633-2013)[12]執(zhí)行。

3 結(jié)果與分析

3.1 宿遷市中心城區(qū)臭氧污染總體狀況

2016～2019年期間，宿遷中心城區(qū)O3-8h、O3-8h第90百分位數(shù)以及超標(biāo)天數(shù)如圖1 所示。各年度O3-8h濃度分別為86、106、102、111 μg/m3；O3-8h第90百分位數(shù)分別為137、171、167、180 μg/m3，僅2016年達(dá)標(biāo)，其余年份分別超出日最大8 h平均二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)6.9%、4.4%、12.5%；臭氧超標(biāo)天數(shù)分別為 20、51、45、71 d。從濃度及超標(biāo)情況來(lái)看，2016年宿遷市中心城區(qū)臭氧污染程度最輕，2019年最為嚴(yán)重，雖然2018年較2017年有所改善，但整體而言，宿遷市中心城區(qū)臭氧污染呈加重趨勢(shì)。

圖1 2016～2019年宿遷中心城區(qū)O3-8h濃度以及超標(biāo)天數(shù)

3.2 宿遷市中心城區(qū)臭氧污染時(shí)間變化特征

3.2.1 月度變化

宿遷市中心城區(qū)2016～2019 年臭氧逐月濃度水平變化如圖2所示?？傮w來(lái)看，宿遷市5月份和6月份臭氧濃度最高，尤其是6月份，除2016 年外，濃度均為全年最高，2016 年則是9月份臭氧濃度最高。2016年臭氧濃度月變化呈典型的“單峰”分布，但總體看：6～9月份臭氧濃度差異較??；2017～2019年，與2016年截然不同，臭氧呈“雙峰型”分布，第一個(gè)高值為6月份，第二個(gè)高值為9月份。2017年臭氧濃度相比2016年大幅上升，特別是在1～5月份，有3個(gè)月濃度達(dá)到同期最高；2018年臭氧濃度有所降低，但其10 月濃度為同期最高。相比于2018年，2019年臭氧濃度顯著上升，特別是6～9 月份濃度上升明顯，且高于同期；9月份為2016年最高，2017、2018、2019年則均為6月份最高。

圖2 宿遷市2016～2019年臭氧逐月濃度水平變化

宿遷市中心城區(qū)2016～2019年臭氧逐月超標(biāo)天數(shù)如圖3所示，2016～2019年全年分別超標(biāo)20 d、51 d、45 d和71 d，2019年顯著高于歷史同期。從超標(biāo)出現(xiàn)時(shí)間來(lái)看，2016年集中在6～9月份，2017年集中在4～9月份，2018年集中在3～10月份，2019年則集中在2～10月份；臭氧超標(biāo)出現(xiàn)時(shí)間逐年提前，結(jié)束時(shí)間則有所延遲。

圖3 宿遷市2016～2019年臭氧超標(biāo)天數(shù)逐月變化

臭氧濃度最高的6月份超標(biāo)最為嚴(yán)重，2019年6月份宿遷市超標(biāo)22 d，高于歷史同期，2017年和2018年分別超標(biāo)19 d和16 d；其次是5月份，2017年5月份臭氧濃度最高，且超標(biāo)13 d，再次是2019年，超標(biāo)12 d；4月份2018年超標(biāo)最多，為9 d，2017年和2019年分別超標(biāo)8 d和4 d； 2019年7月份和8月份均超標(biāo)10 d，高于其他年份；9月份則是2016年超標(biāo)最多。2019年5～9月份臭氧超標(biāo)嚴(yán)重，表明臭氧污染形勢(shì)更為嚴(yán)峻。

3.2.2 日變化

從2016～2019年臭氧逐日濃度變化來(lái)看，2016年僅有6～9月份的臭氧有超標(biāo)，高濃度值集中在9月份，其中9月1～5日連續(xù)超標(biāo)。2017年污染程度相對(duì)較重，高值集中在5月份和6月份，且超標(biāo)天連出現(xiàn)。2018年高濃度值主要集中在6月份，6月1～8日連續(xù)8 d超標(biāo)，其中6月8日和6月6日臭氧日最大8 h滑動(dòng)平均值分別高達(dá)252 μg/m3和225 μg/m3。2019年5～9月份臭氧濃度較高，5月份和6月份分別連續(xù)超標(biāo)5 d和10 d，其中6月15日臭氧日最大8 h滑動(dòng)平均值達(dá)到254 μg/m3；7月、8月均出現(xiàn)連續(xù)4 d超標(biāo)。

圖4 2016～2019年宿遷市臭氧逐日的變化特征

3.2.3 小時(shí)變化

2016～2019年臭氧超標(biāo)天和非超標(biāo)天情況下的臭氧及NO2的小時(shí)濃度變化統(tǒng)計(jì)情況如圖5所示，臭氧小時(shí)濃度均呈單峰型分布。臭氧超標(biāo)日，從8時(shí)開始臭氧生成速率很快，濃度快速升高，峰值時(shí)間則隨著年份變化由2016～2017年的15時(shí)向后延遲至2018～2019年的17時(shí)，14時(shí)至夜間凌晨的臭氧濃度也呈逐年上升趨勢(shì)，2019年與2018年較為接近，夜間濃度居高不下；非超標(biāo)天自7～8時(shí)開始抬升較為緩慢，達(dá)到峰值時(shí)間與超標(biāo)天類似，且夜間濃度也逐年上升。從臭氧日變化的谷值來(lái)看，超標(biāo)日的臭氧初始濃度要顯著高于非超標(biāo)天，這可能導(dǎo)致大氣氧化性增強(qiáng)，有利于臭氧污染的持續(xù)發(fā)生[13,14]。

圖5 2016～2019年超標(biāo)天(a)和非超標(biāo)天(b)O3和NO2的日變化

超標(biāo)天和非超標(biāo)天的主要區(qū)別在于光化學(xué)反應(yīng)初始時(shí)刻臭氧的初始濃度和臭氧的抬升速率(主要是8～12時(shí))，對(duì)比NO2的日變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，非臭氧超標(biāo)日NO2日變化的峰值和谷值濃度均高于超標(biāo)日，尤其是臭氧濃度較高的中午，超標(biāo)天的NO2濃度明顯低于非超標(biāo)天，總的來(lái)看日變化趨勢(shì)一致。

臭氧超標(biāo)天濃度區(qū)間統(tǒng)計(jì)情況如圖6所示，從圖中可以看出，2016年臭氧超標(biāo)濃度主要集中在160～170和170～180 μg/m3之間，占2016年總超標(biāo)天的80.0%，其次是180～190 μg/m3之間，占15.0%，190～200 μg/m3之間僅占5%。2017年臭氧超標(biāo)在160～170 μg/m3之間最多，為14 d，占27.5%；其次為超過(guò)200 μg/m3和170～180 μg/m3區(qū)間，各有11 d，均占17年總超標(biāo)天的21.6%；180～190 μg/m3之間有9 d，占比為17.6%；190～200 μg/m3區(qū)間為6 d，占17年總超標(biāo)天的11.8%。2018年臭氧超標(biāo)濃度主要集中在170～180 μg/m3區(qū)間內(nèi)，占2018年總超標(biāo)日的31.1%；其次是160～170 μg/m3區(qū)間，占超標(biāo)天的28.9%。2019年臭氧超標(biāo)顯著增多，有19 d臭氧濃度超過(guò)200 μg/m3，占超標(biāo)天的26.8%，頻次在歷年中最高；160～170 μg/m3區(qū)間的超標(biāo)天數(shù)達(dá)22 d，占超標(biāo)天的31.0%，頻次也顯著高于其他年份。

圖6 臭氧超標(biāo)天濃度區(qū)間

3.3 宿遷市中心城區(qū)臭氧污染的空間差異

圖7為宿遷市2016～2019年臭氧空間分布情況。如圖所示，整體來(lái)看，4個(gè)站點(diǎn)臭氧濃度均逐年升高，年際變化一致。從各站點(diǎn)來(lái)看，2016～2017年，宿遷學(xué)院臭氧濃度均為4個(gè)國(guó)控點(diǎn)中最高，2018年宿豫區(qū)政府站點(diǎn)濃度與2017年接近，但在2018年卻高于其他站點(diǎn)，這是由于2017年濃度較高的宿遷中學(xué)和市供電局站點(diǎn)濃度均有所下降，而宿豫區(qū)政府濃度保持穩(wěn)定；2019年宿豫區(qū)政府站點(diǎn)臭氧濃度最高，為207 μg/m3，2019年4個(gè)站點(diǎn)之間濃度相差較小。

圖7 宿遷市2016～2019年臭氧空間分布

2016～2019年宿遷市不同站點(diǎn)臭氧日變化如圖8所示，整體來(lái)看，不同年份不同站點(diǎn)的臭氧日變化均呈同樣的“單峰”變化趨勢(shì)，從早上7時(shí)開始顯著上升，下午顯著下降。具體來(lái)看，2016年宿遷學(xué)院為所有站點(diǎn)中臭氧濃度最高的站點(diǎn)，市供電局和宿豫區(qū)政府基本相同，宿遷中學(xué)在光化學(xué)劇烈反應(yīng)的時(shí)段相對(duì)較低。宿遷學(xué)院和宿遷中學(xué)在中午14時(shí)達(dá)到峰值，市供電局和宿豫區(qū)政府在15時(shí)達(dá)到峰值。2017年4個(gè)站點(diǎn)濃度均高于2016年，其中宿遷學(xué)院、市供電局和宿豫區(qū)政府站點(diǎn)臭氧濃度基本相同，且宿遷中學(xué)依舊濃度較低。市供電局、宿遷學(xué)院和宿遷中學(xué)在15時(shí)達(dá)到峰值，宿豫區(qū)政府在14時(shí)達(dá)到峰值。2018年臭氧濃度較2017年有所降低，其中市供電局站點(diǎn)為4個(gè)站點(diǎn)中濃度最高的站點(diǎn)，市供電局、宿遷中學(xué)和宿豫區(qū)政府在16時(shí)達(dá)到峰值，宿遷學(xué)院在15時(shí)達(dá)到峰值。2019年1～10月4個(gè)站點(diǎn)濃度基本相同，站點(diǎn)間在光化學(xué)劇烈反應(yīng)時(shí)段的差距基本沒有，表明站點(diǎn)間的區(qū)域污染更為顯著。此外，4個(gè)站點(diǎn)均在16時(shí)達(dá)到峰值?？傮w而言，不同站點(diǎn)的臭氧峰值時(shí)刻均不斷延后，而臭氧濃度在不斷增加。

圖8 宿遷市2016～2019年不同站點(diǎn)臭氧日變化

4 結(jié)論

(1)2016～2019年，宿遷市中心城區(qū)臭氧污染程度整體呈上升態(tài)勢(shì)。僅2016年臭氧濃度達(dá)標(biāo)，2017年、2018年、2018年分別超出日最大8 h平均二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)6.9%、4.4%、12.5%；臭氧超標(biāo)天數(shù)分別為20、51、45、71 d。

(2)2016年臭氧濃度月變化呈典型的“單峰”分布，峰值出現(xiàn)在6月份；2017～2019年，臭氧則呈“雙峰型”分布，第一個(gè)峰值出現(xiàn)在6月份，第二個(gè)峰值則在9月份。從臭氧超標(biāo)出現(xiàn)時(shí)間來(lái)看，2016年在6～9月份，2017年在4～9月份，2018年在3～10月份，2019年在2～10月份。整體而言5、6月份臭氧污染最為嚴(yán)重，6月份超標(biāo)最多，其次為5月份，高值也主要集中在以上兩個(gè)月份。

(3)臭氧超標(biāo)天和非超標(biāo)天的小時(shí)濃度變化趨勢(shì)均呈單峰型分布，濃度峰值出現(xiàn)在15～17時(shí)之間。此外，宿遷市中心城區(qū)臭氧超標(biāo)區(qū)間主要為160～170 μg/m3，其次為170～180 μg/m3和超出200 μg/m3的區(qū)間。

(4)2016～2017年臭氧高值均出現(xiàn)在宿遷學(xué)院、中心城區(qū)的南部區(qū)域，2018年中心城區(qū)的東南部即宿豫區(qū)政府站點(diǎn)臭氧污染凸顯，2019年則是城區(qū)中心的供電局站點(diǎn)污染最為嚴(yán)重。