城區(qū)低空大氣臭氧污染特征及氣象影響因素研究

文章編號：1674-6139（2025）05-0117-06

中圖分類號：X511文獻標(biāo)志碼：B

Characteristics of Low Altitude Atmospheric Ozone Pollution in Urban Areas and Analysis of Meteorological Factors

HuangGuizhen1，Xie Meifang2，Yang Zaiwei1，HuangJunhui （1.Meteorological Bureau of Baise City，Baise 533OOO，China； 2.Baise Ecological Environment Bureau，Baise 533ooo，China; 3.Baise Institute of Science and Technology Information，Baise 533Ooo，China）

Abstract：Ozone，asanatmosphericpolutant，haspotentialhazardstohumanhealthandthecologicalenvironment.Therefor，an analysiswasconductedonthecharacteristicsoflowaltitudeamosphericozonepolutionandmeteorologicalinfuencingfactorsinrban areas.Dataonlowlevelatmosphericozoneconcentrationsinurbanareasandmeteorologicaldataerecolectedinthestudyreaand thespatialandtemporaldistrbutioncharacteristicsoflowlevelatmosphericozonepolutioninurbanareaswereivestigatedhere searchresultsindicatethattheozoneconcentrationishighestinAprilanday.ThefstertephotochemicalreactionbetweeNOand VOCs，themreozonesiseeated，ndteoespodingoncentratioishgherTehertheelativeumidity，tetroert abilitytoabsorbultravioletrays，thelessozonegasisproduced，andthecoespondingconcentrationislower.Thehighertewind speed，the stronger the ability to transmit ozone，and the lowerthe ozone concentration in this urban area.

Key words：ozone concentration; NO_x gas；VOCs gas；temperature influence；relative humidity

前言

臭氧能夠與生物的蛋白質(zhì)、氨基酸等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，引發(fā)心肺功能減弱、視力降低、中樞神經(jīng)系統(tǒng)損害及組織缺氧等問題。同時，臭氧污染物還會對農(nóng)作物生長造成阻礙，導(dǎo)致區(qū)域作物死亡，降低作物生產(chǎn)效率。據(jù)相關(guān)各部門統(tǒng)計，當(dāng)臭氧濃度達到40ppb時，會導(dǎo)致約500萬噸小麥減產(chǎn)，這相當(dāng)于一個城市整年的小麥產(chǎn)量[1-2] 。

大量學(xué)者深入研究了城區(qū)低空大氣臭氧污染的特征及其氣象影響因素。劉玉等[3]收集關(guān)于臭氧污染資料，通過季風(fēng)、臺風(fēng)及陸風(fēng)對臭氧濃度影響，得出臭氧與風(fēng)之間存在強相關(guān)性。董昊等[4]先統(tǒng)計某區(qū)域的臭氧污染物濃度信息與氣象數(shù)據(jù)，得出臭氧與溫度、相對濕度分別呈正相關(guān)、負相關(guān)。楊芳園等[5]根據(jù)某區(qū)域歷史臭氧檢測數(shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù)，得出臭氧在高溫時污染程度大，與氣溫存在正相關(guān)。朱媛媛等通過臭氧的 濃度與氣象各因素的變化規(guī)律，了解臭氧濃度與溫度、相對濕度關(guān)聯(lián)性大。

為更好了解城區(qū)低空臭氧污染物遷移規(guī)律及變化特征，提出城區(qū)低空大氣臭氧污染特征及氣象影響因素分析。應(yīng)用MIC-600-O3-Y、Vaisala氣象觀測系統(tǒng)獲取城區(qū)低空大氣臭氧濃度與氣象數(shù)據(jù)，并通過皮爾遜相關(guān)系數(shù)得出臭氧時間、空間維度的變化規(guī)律及其與氣象因素之間的相關(guān)關(guān)系。

1數(shù)據(jù)采集與分析方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于中國南部的廣西壯族自治區(qū)西部，約在北緯 22^°51^′～25^°07^′. 東經(jīng) 104^°28^′～107^°54^′ 之間，總面積3.63萬平方千米，為亞熱帶季風(fēng)氣候，平均氣溫 19.0% 至 22.1^°C ，最高氣溫 36.0^°C～42.5^°C ，最低氣溫 -2.0%-5.3% ，年平均日照1906.6小時，年平均降雨量1114.9毫米，無霜期為357天。

1.2環(huán)境空氣質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)采集

1.2.1城區(qū)低空大氣臭氧監(jiān)測方法

由于 MIC-600-03-Y 在線式臭氧檢測儀能夠?qū)崟r顯示濃度、超標(biāo)聲光報警以及遠程數(shù)據(jù)傳輸，且采用先進的電路設(shè)計和成熟的內(nèi)核算法處理，從而確保了臭氧濃度監(jiān)測的高可靠性和穩(wěn)定性。為此，選用此儀器監(jiān)測城區(qū)低空大氣臭氧濃度情況。

1.2.2城區(qū)氣象信息監(jiān)測方法

通過Vaisala氣象觀測系統(tǒng)獲取氣象的降雨量、相對濕度、溫度、風(fēng)向、風(fēng)速、日照、能見度等數(shù)據(jù)，環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)能夠測量的臭氧濃度范圍為0至120ppm. 分辨率為 0.1ppm_? 測量誤差在 ±3% 的范圍內(nèi)、工作溫度需要在 5% 至 40% 之間、最低檢測限為 lt;0.6ppb 。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

因城區(qū)監(jiān)測時間長且觀測點多，采集的低空大氣臭氧數(shù)據(jù)量極大，此時可應(yīng)用計算機軟件實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析及處理。MicrosoftExcel軟件的數(shù)據(jù)透視功能靈活，且統(tǒng)計分析能力強，而Origin軟件繪圖能力強，且自定義繪圖選項，便于操作，為此選用這兩款軟件分析城區(qū)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

使用Excel軟件中AVERAGF函數(shù)功能與數(shù)據(jù)統(tǒng)計工具，得出城區(qū)低空大氣臭氧的總平均值與小時、月份、季度等平均值數(shù)據(jù)，再通過趨勢分析方法得出濃度與時間、空間變換特征（以圖、表形式展示其隨時間、空間變化情況），并利用Origin軟件分析臭氧與氣象各影響因素之間相關(guān)性，此部分借助皮爾遜相關(guān)系數(shù)算法求解臭氧與氣象變量的線性相關(guān)程度[7]，計算過程為式（1）：

其中， X_i 表示臭氧變量； Y_i 表示氣象某一影響因素； i 表示樣本數(shù)量， 表示 X_i?Yi 的平均值； A_X?A_Y 表示 X_i?Yi 的標(biāo)準(zhǔn)差。

χ 取值范圍為[-1，1]，當(dāng) -1?χlt;0 時， ?_?X_i 與Y_i 呈負相關(guān)；當(dāng) χ=0 時， X_i 與 Y_i 無關(guān)；當(dāng) 0lt;χ?1 時， X_i 與 Y_i 呈正相關(guān)，越靠近1，說明 X_i 與 Y_i 關(guān)聯(lián)性越強。

2城區(qū)低空大氣臭氧污染特征分析

2.1 空間分布特征分析

為了探究城區(qū)低空大氣臭氧污染物特征，在城區(qū)安置8個監(jiān)測點，包含化工學(xué)校、職工醫(yī)院、世紀(jì)公園、高新園區(qū)、西北水源、教堂、商超、住宅區(qū)，各監(jiān)測點2023年濃度情況如下。

化工學(xué)校臭氧濃度超標(biāo)共有68天，臭氧年均濃度約為 103.18μg?m^-3 ；職工醫(yī)院臭氧濃度超標(biāo)天數(shù)為51天，全年平均濃度約為 105.17μg?m^-3 ；世紀(jì)公園臭氧濃度超標(biāo)共有28天，臭氧年均濃度約為79.17μg?m^-3 ；高新園區(qū)臭氧濃度超標(biāo)天數(shù)為98天，年均濃度為 132.27μg?m^-3 ；西北水源臭氧濃度超標(biāo)共有43天，約占總天數(shù)的 20% ；教堂臭氧濃度超標(biāo)天數(shù)為11天，年均濃度為 61.38μg?m^-3 ：商超臭氧濃度超標(biāo)天數(shù)為48天，年均濃度為118.38μg?m^-3 ；住宅區(qū)臭氧濃度超標(biāo)天數(shù)為32天，年均濃度為 109.37μg?m^-3 ；教堂臭氧濃度超標(biāo)天數(shù)為3天，年均濃度為 18.92μg?m^-3 。根據(jù)以上數(shù)據(jù)可知，城區(qū)低空大氣臭氧濃度分為四個等級：重度污染有高新園區(qū)監(jiān)測點，中度污染有西北水源、職工醫(yī)院、商超、住宅區(qū)、化工學(xué)校，輕度污染有世紀(jì)公園，教堂為較輕度污染。

教堂的臭氧濃度最低，是因為此區(qū)域以居民文教為主，生產(chǎn)企業(yè)較少，生成的 NO_x 與VOCs氣體較少，形成的臭氧量就越少，對應(yīng)的臭氧濃度就越少；世紀(jì)公園中綠化、植被覆蓋率較高，VOCs排放量較大，這有利于臭氧的光化學(xué)生成，此區(qū)域臭氧濃度高于教堂。職工醫(yī)院、商超、住宅區(qū)以商業(yè)、交通和工業(yè)為主，居民日?；顒?、汽車尾氣排放 NO_x 和VOCs較多，此區(qū)域臭氧污染相對嚴(yán)重；化工學(xué)校、西北水源地處城區(qū)下風(fēng)向，受氣流、季風(fēng)影響，臭氧濃度較高。高新園區(qū)屬于工業(yè)園區(qū)，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)包括電子、化工、制藥等，產(chǎn)品生產(chǎn)過程中會排放出大量的 NO_x 和VOCs的廢氣，這些物質(zhì)在光照條件下加劇光化學(xué)反應(yīng)生成臭氧，此區(qū)域臭氧污染最嚴(yán)重[8]

2.2 時間特征分析

實驗數(shù)據(jù)不變，從時間維度分析臭氧濃度變化特征，城區(qū)低空大氣濃度月均濃度取8個監(jiān)測區(qū)域的濃度均值，月濃度變化情況見圖1。

通過圖1可知，城區(qū)低空大氣臭氧月平均濃度與超標(biāo)日數(shù)量變化態(tài)勢基本相同。4月－5月臭氧月均濃度及超標(biāo)天數(shù)相對秋冬季較多，但從整體上看臭氧污染形勢嚴(yán)峻，此季節(jié)臭氧污染是因為夏季紫外線強烈，部分地區(qū)晴空少云，導(dǎo)致氧氣光解離反應(yīng)增加，加快臭氧生成，臭氧濃度上升；城區(qū)低空大氣臭氧污染主要也集中在夏季（4月和5月），這是因為這兩月受季風(fēng)、氣流影響導(dǎo)致的。

3氣象分析對大氣臭氧污染影響分析

通過城區(qū)低空大氣污染空間維度、時間維度特征分析可知，臭氧污染與氣象條件存在密切相關(guān)性，為此，分析氣象（溫度、相對濕度、風(fēng)速）因素對臭氧濃度影響分析，找出濃度升高原因，以保護城區(qū)環(huán)境[9-10]

3.1溫度對臭氧污染影響

實驗分別從臭氧污染的四個等級中選取4個監(jiān)測點作為研究對象，即高新園區(qū)、職工醫(yī)院、世紀(jì)公園、教堂，分析各氣象的溫度城區(qū)低空臭氧污染影響規(guī)律，結(jié)果見圖2。

根據(jù)高新園區(qū)、職工醫(yī)院、世紀(jì)公園、教堂的臭氧濃度超標(biāo)天數(shù)及月均濃度變化情況可知，臭氧濃度變化分為溫度低于 至 27% 以及27% 至 33^°C 三個階段。在 ∠9^°C 范圍內(nèi)，四個區(qū)域的臭氧濃度含量均未超標(biāo)，因較低的溫度不利于臭氧的光化學(xué)反應(yīng)，此階段生成臭氧較少，濃度未超標(biāo)；在 9^°C～27^°C 范圍內(nèi)，隨著氣溫不斷升高，臭氧濃度逐漸上升，超標(biāo)天數(shù)也越來越多，由于高溫會增加分子之間的碰撞頻率，進而加快 NO_x 和VOCs的光化學(xué)反應(yīng)速率，生成的臭氧就越多，臭氧的濃度越高；在 27^°C～33^°C 范圍內(nèi)，由于此階段溫度較高，排放VOCs和 NO_x 的量也較高，但這些污染物可以與臭氧反應(yīng)，以消耗臭氧，臭氧濃度略微下降。但從整體上看，氣溫升高，臭氧濃度增加，溫度與臭氧生成存在正相關(guān)。

3.2相對濕度對臭氧污染影響

進一步對4個監(jiān)測點進行相對濕度測試，研究城區(qū)低空臭氧污染影響規(guī)律，結(jié)果見圖3。

從圖3可以看出，城區(qū)低空臭氧濃度與相對濕度呈負相關(guān)，相對濕度越大，對應(yīng)臭氧濃度越小。在較高的相對濕度情況下，大氣中的水汽會吸收部分紫外線，降低溫度，減少了紫外線對臭氧生成的促進作用。進而減少臭氧的生成量。同時，一些污染物可能會以液態(tài)或固態(tài)形式存在，這會影響它們與臭氧的反應(yīng)速率和程度。

3.3 風(fēng)速對臭氧影響

城區(qū)低空大氣臭氧污染物受風(fēng)場影響顯著，實驗從風(fēng)速角度來分析臭氧變化特征，詳情見圖4。

從圖4可知，四個區(qū)域風(fēng)速對臭氧濃度影響情況基本相同，都是隨著風(fēng)速增加城區(qū)低空大氣臭氧濃度逐漸降低，反之異同，這說明風(fēng)速與臭氧濃度呈負相關(guān)。也就是說，當(dāng)日均風(fēng)速較小時，城區(qū)低空大氣臭氧在局部區(qū)域累積，導(dǎo)致臭氧濃度升高。而當(dāng)日均風(fēng)速較大時，臭氧隨風(fēng)運動擴散到遠離源頭的地方，這有助于降低局部地區(qū)的臭氧濃度。

4結(jié)束語

由于中國工業(yè)化進程的加快，臭氧的濃度逐漸上升，對生態(tài)環(huán)境與人體健康造成威脅。因此，提出對城區(qū)低空大氣臭氧污染特征分析的研究。實驗結(jié)果證明：居民活動少、植被綠化少的區(qū)域排放的NO，與VOCs氣體少，生成的臭氧氣體少，此類區(qū)域的臭氧濃度相對較低；夏季臭氧濃度較高，因夏季高溫和強烈的陽光照射有利于光化學(xué)反應(yīng)的進行，從而加速了臭氧的生成；氣象溫度與臭氧濃度呈正相關(guān)，因為溫度升高會加快 NO_x 和VOCs的光化學(xué)反應(yīng)速率，生成臭氧氣體越多；而相對濕度、風(fēng)速與臭氧濃度呈負相關(guān)，相對濕度和風(fēng)速越大，臭氧濃度越小。

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