濰坊市中心城區(qū)臭氧變化分析

山東省濰坊生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心 徐偉紅，肖泱

雖然臭氧(O3)在大氣中的含量不是特別高，但由于其氧化性較強，地面高濃度的O3不僅會導致植物生長異常，還會對人體造成較大的危害。很多研究表明，O3對呼吸道損害較大，不僅可能引發(fā)哮喘、胸悶、咳嗽、肺功能減弱導致肺組織受損，甚至還會損害神經系統(tǒng)，激發(fā)頭痛進而使思考能力下降[1-3]。近年來，隨著城鎮(zhèn)化步伐的加快，城市中的光化學污染逐漸加劇，加之O3作為首要污染物的時間逐漸增多，O3污染逐漸成為人們關注的焦點，并在很多地區(qū)也已成為環(huán)境空氣污染的首要因素[4]。

當前，國內外對O3的來源、成因、以及各種氣象及地形條件對O3的影響，控制治理措施等方面進行了大量的研究工作[5]。為系統(tǒng)性地了解濰坊市區(qū)近年來O3的污染規(guī)律，本文利用2015-2020年濰坊市區(qū)內5個地面環(huán)境空氣質量自動監(jiān)測站點的O3監(jiān)測數據，總結了濰坊市中心城區(qū)O3的變化趨勢，并分析了O3與其他污染物如溫度、降水等的變化關系，為濰坊市區(qū)的環(huán)境治理決策以及大氣污染防治工作提供技術和理論支持。

一、數據來源與研究方法

（一）數據來源

“十三五”期間，濰坊市在市區(qū)不同的行政區(qū)域內，共布設5個地面環(huán)境空氣質量自動監(jiān)測站點（國控點），分別為市環(huán)保局、濰坊醫(yī)學院、濰坊七中、坊子郵政、寒亭監(jiān)測站。5個國控點分布對城市環(huán)境空氣中的二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、可吸入顆粒物（PM10）、細顆粒物（PM2.5）、一氧化碳（CO）和臭氧（O3）等6項常規(guī)污染物的濃度變化和氣溫、氣壓、濕度、風速、風向等氣象參數進行實時、不間斷地監(jiān)測。本文所采用的O3及其他污染物數據均來自濰坊中心城區(qū)5個國控站點，時間跨度為2015-2020年，氣象數據來源于濰坊市氣象常規(guī)觀測資料。

（二）評價方法

“十三五”期間，濰坊市全部空氣站均開展了常規(guī)的六種參數 監(jiān) 測，即SO2、NO2、O3、CO、PM10、PM2.5，評價標準執(zhí)行《環(huán)境空氣質量標準》（GB 3095-2012）[4]及其修改單，即SO2、NO2、O3、CO、NOX等氣態(tài)污染物濃度以參比狀態(tài)下的濃度評價，PM10和PM2.5濃度為監(jiān)測時大氣溫度和壓力下的濃度。依據《環(huán)境空氣質量標準》（GB3095-2012）[6]和《環(huán)境空氣質量評價技術規(guī)范（試行）》（HJ663-2013）[7]，臭氧的日評價指標為日最大8小時平均濃度（用“O3-8h”表示），年評價指標為日最大8小時滑動平均值的第90百分位數（用“O3-8h-90per”表示）。當“O3-8h”高于160ug/m3時，空氣質量達到輕度污染級別[8]。

二、結果與討論

（一）O3年變化特征分析

《環(huán)境空氣質量指數（AQI）技術規(guī)定（試行）》（HJ633-2012）[8]中規(guī)定當AQI（空氣質量指數）大于50時，IAQI（空氣質量分指數）最大的污染物為首要污染物，IAQI大于100的污染物為超標污染物。圖1顯示的是2015 -2020年濰坊市中心城區(qū)O3作為首要污染物的變化情況。由圖可見，O3作為首要污染物的累計時間總體呈現出增加的趨勢，在最近兩年出現略微緩降。除2016年外，其他年份以O3為首要污染物的累計時間均在100天以上，2018年更是達到了135天，因此O3顯然成為濰坊市環(huán)境空氣質量的主要影響因子之一。

圖1 濰坊市中心城區(qū)2015 -2020年O3為首要污染物累計時間

濰坊市中心城區(qū)O3污染狀況如表1所示，其中O3超標天數占全年污染天數的百分比由2015年的35.33%快速增長至2020年的46.46%，共增加11.13個百分點，并在2020年時與PM2.5占全年污染天數的比例基本持平，O3近幾年超標比例持續(xù)上升，已成為僅次于PM2.5的大氣污染重要影響因素。

表1 濰坊市中心城區(qū)2015-2020年O3污染狀況

（二）月和季節(jié)變化特征分析

據2015-2020年濰坊市中心城區(qū)“O3-8h”濃度變化情況分析，“O3-8h”濃度受季節(jié)變化的影響顯著，呈現明顯的倒V形分布，一年中，“O3-8h”濃度整體表現出夏季最高，春秋次之，冬季最低，與氣溫和太陽輻射強度的氣候規(guī)律相一致。O3污染的影響時間較長，主要發(fā)生在5-10月份，其中6-8月份超標嚴重，同時O3高值范圍不斷擴大，表明O3持續(xù)性污染范圍增多。

（三）臭氧與其他污染物的關系

1.臭氧與顆粒物

圖2為濰坊市中心城區(qū)2015-2020年O3和顆粒物月均質量濃度的變化關系。如圖2所示，夏季顆粒物濃度較低，但O3污染較為嚴重；冬春季因為氣候干旱及燃煤供暖的影響，顆粒物濃度較高，而此時O3濃度較低。整體來看，一年中O3與顆粒污染物表現出大致相反的變化趨勢。

圖2 O3與顆粒物濃度關系

2.臭氧與氮氧化物

臭氧生成的重要前體物有NOX和VOCS等[9]。由于數據資料有限，本文僅討論NO2等前體物與O3濃度的關系。圖3顯示出濰坊市中心城區(qū)2015-2020年NO2月均濃度與O3變化趨勢相反，呈負相關性，即隨著NO2濃度的增加，O3濃度反而會降低。分析其原因，主要是由于太陽輻射較強的夏季，有利于光化學反應的進行，前體物的消耗相對較多，從而生成較多的O3；而冬季則相反，前體物消耗減少，因此生成的O3也相應較少[10]。

圖3 O3與NO2濃度關系

（四）臭氧與溫度、降水量的相關性分析

氣溫、相對濕度等氣象因素是影響O3濃度的主要因素之一[11-12]。由圖4可以看出，臭氧和溫度呈現顯著正相關（相關系數0.7358）的變化趨勢，氣溫升高加劇了光化學反應的發(fā)生，產生的O3濃度對應變高。O3年變化總體呈現“雙峰型”的特點，在6月時O3濃度逐漸達到峰值，而在7-8月降水較多時，O3濃度比6月份反而有所降低，但總體水平仍然較高，雨季過后至9月份時又會出現一個峰值，進入10月份之后又逐漸下降。這是因為濰坊處于季風氣候的影響下，降水主要集中在7、8月份，由于降水過程對太陽輻射有一定的抑制作用，從而減弱了光化學反應的發(fā)生，同時降水導致的濕沉降也有效減少了O3的產生[13]。

圖4 氣溫與臭氧濃度相關性分析圖

三、結論

（1）濰坊市中心城區(qū)2015-2020年的臭氧污染呈總體增加的趨勢，O3超標天數占全年污染天數的百分比持續(xù)增加，O3成為僅次于PM2.5的環(huán)境污染源。

（2）從季節(jié)看，濰坊市中心城區(qū)O3超標的現象主要集中在5-10月份，6-8月份O3超標最嚴重。O3對大氣污染的貢獻時間較長。

（3）O3與其他污染物如顆粒物、前體物NO2在一年中表現出大致相反的變化趨勢，這與溫度、太陽輻射等因素有密切關系。

（4）O3和溫度呈現顯著正相關的變化趨勢。7、8月份的集中降水過程削弱了光化學反應的發(fā)生，有效地減少了O3的產生。