2021年夏季長(zhǎng)沙市臭氧污染特征及影響因素研究

中圖分類號(hào)：X515

文章編號(hào)：1674-6139（2025）07-0114-06

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Study on Characteristics and Influencing Factors of Summer Ozone Pollution in Changsha City（2021）

Jin Honghong1，2，Wang Zhiwen3，Zhang Qin ^1，2 ，Guo Hui ^1，2 ，Yu Xiaofang

（1.Hunan Ecological and Environmental Monitoring Center，Changsha 41Oo19，China;

2.StateEnvironmentalProtectionKeyLaboratoryof Monitoring for Heavy MetalPolutants，Changsha410o19，China;

3．Hangzhou Puyu Technology DevelopmentCo.Ltd，Hangzhou 310oOO，China）.

Abstract：This study analyzed thecharacteristics of ozone（ 0₃ ）concentration changes and influencing factors at four typical stations in Changsha during summer of 2O21.The research found that O₃ concentration at different stations exhibited a distinct“peak-valley”diurnal variation.Under conditions of high temperature，low humidity， O₃ pollution events are prone to occur.A Generalized Additive Model（GAM）fit revealed that NO_x ，humidity，and VOCs such as reactive aldehydes，ketones，benzene series，were the primary factors influencing O₃ concentration at each station，accounting for over 80.0% ofthe cumulative explanatory variance.The active species affecting （204號(hào) 0₃ concentrationsateachsitevaried，withacetoneandethanebeingpredominantatMapoling，ethaneattheEnvironmentalProtection Collegestatio，，，rimetybenzeeattheHghtechZonesationandpropaneandcetaldehydeatteCompositeie results indicate that summer 0₃ concentration in Changsha is influenced by local factors，controlled synergistically byVOCsand NOx.

Key words：ozone；meteorology；precursor；generalized additive model

前言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，以臭氧 （0₃ ）代表的二次污染物濃度呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢(shì)，已成為繼細(xì)顆粒物（ PM_2.5 ）之后另一重要的區(qū)域性污染物[1]。中國(guó)的 O₃ 濃度既受平流輸送、垂直擴(kuò)散等傳輸因素的影響，又受 0₃ 前體物及氣象條件差異引發(fā)不同的鏈?zhǔn)焦饣瘜W(xué)反應(yīng)影響，呈現(xiàn)出復(fù)雜的時(shí)空變化特征。聚焦城市尺度防控，厘清氣象因素、前體物、 0₃ 三者關(guān)系是治理本地 O₃ 污染的關(guān)鍵[2]。由于氣象條件和前體物排放差異，即使同一個(gè)城市不同地區(qū) O₃ 的變化特征、生成機(jī)理和影響因素也會(huì)不同[3]。對(duì)于一個(gè)城市的污染管控來(lái)講，厘清不同區(qū)域 0₃ 的主控因素，對(duì)于制定本地 0₃ 污染防控策略具有重要意義。

長(zhǎng)沙市作為湖南省會(huì)城市，高溫低濕導(dǎo)致夏秋季 O₃ 污染事件持續(xù)增加。針對(duì)該現(xiàn)狀，研究選取2021年6-8月馬坡嶺站、環(huán)保學(xué)院、高新區(qū)站、復(fù)合站的 0₃Ω₃N0_x，V0Cs 和氣象數(shù)據(jù)，評(píng)估前體物、氣象對(duì)長(zhǎng)沙市 0₃ 污染的影響，為后期制定本地 0₃ 污染管控措施提供科學(xué)依據(jù)。

1數(shù)據(jù)與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

研究時(shí)段選取2021年6月-8月，大氣VOCs來(lái)源于長(zhǎng)沙市馬坡嶺站 （113^°05^′1^′′E，28^°11^′51^′′N） ！高新區(qū)站（ ?112^°53^′15^′′E，28^°13^′5^′′N? 、環(huán)保學(xué)院站中 （113^°1^′26^′′E，28^°7^′34^′′N） 和湖南省復(fù)合站（ 112^°59^′23^′′E ，28^°6^′51^′′N ） Ω₀₃ 和 NO_x 等空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)采用長(zhǎng)沙市的4個(gè)國(guó)控自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)（距離VOCs站直線距離不超過(guò) 50mΩ ）；氣象數(shù)據(jù)來(lái)自湖南省氣象臺(tái)氣象數(shù)據(jù)共享平臺(tái)。

1.2 廣義相加模型

廣義相加模型（GAM）是一種由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的非參數(shù)回歸模型，能夠較好的解釋因變量與自變量之間的非線性關(guān)系[5]。GAM在污染物與氣象要素之間的關(guān)系研究已經(jīng)有良好的應(yīng)用性[6]。因此，研究采用廣義相加模型來(lái)討論長(zhǎng)沙不同地區(qū) 0₃ 的影響因子及其關(guān)聯(lián)性。

2 結(jié)果與討論

2.1臭氧濃度變化特征

圖1長(zhǎng)沙市夏季各組分站點(diǎn)氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速與 0₃ 和 NO_x 濃度的日變化

如圖1所示，2021年夏季長(zhǎng)沙市不同站點(diǎn) 0₃ 日濃度變化呈現(xiàn)明顯“峰谷變化”，午后（15：00-16：00）濃度最高，清晨時(shí)段（6：00-7：00）濃度最低。期間馬坡嶺站 0₃ 濃度最高，而另三個(gè)站點(diǎn) 0₃ 濃度基本相當(dāng)。氣象要素中溫度、濕度和風(fēng)速被指是光化學(xué)反應(yīng)和污染擴(kuò)散的重要指標(biāo)[7]。 0₃ 濃度與溫度和風(fēng)速的變化趨勢(shì)吻合，與濕度趨勢(shì)相反，表明 0₃ 濃度與氣象要素存在一定的關(guān)聯(lián)。然而四個(gè)站點(diǎn)距離較近，氣象條件差異較小，氣象要素可能是影響長(zhǎng)沙市整體 0₃ 基準(zhǔn)濃度的因素，但并非導(dǎo)致本市站點(diǎn)間 O₃ 濃度差異的原因。

NO_x 和VOCs是 0₃ 的前體物，是 0₃ 生成的重要驅(qū)動(dòng)力[3]。 NO_x 的夜間濃度較高，隨后逐漸降低，這與夜間NO與 O₃ 滴定作用以及日間 NO₂ 的消耗反應(yīng)的趨勢(shì)相符[4]。VOCs與 O₃ 的同樣呈反向趨勢(shì)，但局部出現(xiàn)明顯鋸齒狀波動(dòng)。這種現(xiàn)象可能是由于VOCs是多種不同揮發(fā)性有機(jī)化合物組成的混合物。在參與大氣中光化學(xué)反應(yīng)時(shí)，物種活性和光解速率會(huì)有所不同，導(dǎo)致呈現(xiàn)趨勢(shì)各異的波動(dòng)現(xiàn)象。馬坡嶺站明顯高于其他站點(diǎn)的 NO_x 和VOCs濃度，表明可能有更多前體物質(zhì)參與 O₃ 的生成反應(yīng)，導(dǎo)致該站點(diǎn) 0₃ 濃度較高。

2.2.1 溫度和濕度

如圖2所示，不同站點(diǎn) O₃ 濃度均隨著溫度升高同步增大。在溫度低于 30% 范圍內(nèi)，各站點(diǎn) 0₃ 均值濃度變化較小，甚至部分站點(diǎn)出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)；當(dāng)氣溫超過(guò) 30% 時(shí)，各站點(diǎn) 0₃ 濃度急劇增加，平均增幅達(dá)到 55% 以上；隨著氣溫達(dá)到 35% 以上時(shí)， O₃ 濃度繼續(xù)保持較高的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，平均增長(zhǎng)量超過(guò) 40μg/m³ 。不同站點(diǎn)中以馬坡嶺站 0₃ 濃度增幅最大，達(dá)到 100μg/m³ ，環(huán)保學(xué)院和復(fù)合站次之，增幅分別達(dá)到 81μg/m³ 和 85ug/m³ ，高新區(qū)增量最少，為 77μg/m³ 。為了更好比較各站點(diǎn) O₃ 對(duì)溫度的敏感性，參照高平等人的研究構(gòu)建 0₃ 濃度與溫度擬合曲線[8]。結(jié)果顯示，馬坡嶺擬合曲線斜率最高，環(huán)保學(xué)院、復(fù)合站次之，高新區(qū)站最低。同時(shí)增加（減少）單位溫度，馬坡嶺站 0₃ 濃度增加（減少）較其他站點(diǎn)更多。這也說(shuō)明不同站點(diǎn) O₃ 對(duì)溫度的敏感性存在區(qū)別，敏感性從高到低依次表現(xiàn)為馬坡嶺站 gt; 復(fù)合站 gt; 環(huán)保學(xué)院站 gt; 高新區(qū)站的趨勢(shì)。

2.2氣象及前體物變化對(duì)臭氧的影響

與溫度不同， 0₃ 高污染區(qū)主要發(fā)生在溫度較低的區(qū)域內(nèi)，即“干熱”的氣象條件更利于 O₃ 濃度上升。

當(dāng)相對(duì)濕度高于 60% 時(shí)，不同站點(diǎn) 0₃ 濃度（ 43～ 72μg/m³ ）變化平緩;當(dāng)相對(duì)濕度小于 60% 時(shí)，各站點(diǎn) 0₃ 濃度迅速升高，濃度均值基本超過(guò) 110μg/m³ 濃度增幅達(dá)到 50μg/m³ 以上;隨著濕度進(jìn)一步降低，O₃ 濃度增幅有所放緩，但依舊維持較高的增長(zhǎng)量。整個(gè)濕度變化區(qū)間內(nèi)，環(huán)保學(xué)院站 0₃ 增幅最大，馬坡嶺第二，復(fù)合站次之，高新區(qū)站最低。同樣對(duì)四個(gè)站點(diǎn) 0₃ 濃度與濕度進(jìn)行了擬合，曲線斜率呈現(xiàn)馬坡嶺站 gt; 復(fù)合站 ≈ 環(huán)保學(xué)院 gt; 高新區(qū)站。這一結(jié)果與濕度區(qū)間增幅結(jié)果稍有不同。這也說(shuō)明了濕度并非是影響 0₃ 濃度變化的單一因素。

2.2.2 風(fēng)場(chǎng)

風(fēng)場(chǎng)直接影響污染物傳輸距離及方向[7]。各站點(diǎn)風(fēng)速主要以輕風(fēng)為主（ lt;2.0m/s， ，不同風(fēng)向下各站點(diǎn) 0₃ 濃度基本一致，濃度范圍在 43～80μg/m³ 。這表明在多數(shù)情況下 O₃ 濃度變化受傳輸?shù)挠绊懴鄬?duì)較小。而隨著風(fēng)速繼續(xù)升高，尤其是在偏南風(fēng)向、風(fēng)速超過(guò) 4.0m/s 時(shí)，各站點(diǎn) 0₃ 濃度明顯增加，濃度普遍可以超過(guò) 120μg/m³ ，而其他方位 0₃ 濃度仍在100μg/m³ 上下波動(dòng)。多數(shù)情況下傳輸對(duì)長(zhǎng)沙市 0₃ 濃度的影響不顯著，只有當(dāng)風(fēng)力足夠強(qiáng)勁以驅(qū)動(dòng)污染傳輸時(shí)，才可能將上游污染物輸送至本地。（見(jiàn)圖3）

2.2.3 前體物

0₃ 生成主要與VOCs和NO參與的光化學(xué)反應(yīng)有關(guān)[5]。隨著 NO_x 的增加，各站點(diǎn) 0₃ 濃度明顯減小;而當(dāng)各站點(diǎn) NO_x 達(dá)到 20～40μg/m³ 時(shí) 0₃ 濃度趨于平穩(wěn)；至 NO_x 超過(guò) 40μg/m³ 時(shí)， 0₃ 濃度基本穩(wěn)定在 50μg/m³ 以下的區(qū)間波動(dòng)。 0₃ 與 NO_x 曲線之間存在明顯的負(fù)關(guān)聯(lián)性，這也與 0₃ 與 NO_x 日變化趨勢(shì)結(jié)果相吻合。特別是馬坡嶺站曲線斜率較高也說(shuō)明該站點(diǎn)對(duì) NO_x 影響更為敏感，即單位 NO_x 消耗會(huì)導(dǎo)致更多 0₃ 的增加。

相比之下，各站點(diǎn)VOCs與 O₃ 的關(guān)系明顯較弱，這也與日變化規(guī)律一致。在四個(gè)站點(diǎn)中，只有VOCs濃度最低的環(huán)保學(xué)院站呈現(xiàn)一定的負(fù)關(guān)聯(lián)性，其他三個(gè)站點(diǎn)無(wú)明顯關(guān)聯(lián)性。 O₃ 生成受VOCs和 N0_x 的協(xié)同控制，當(dāng)VOCs濃度較高時(shí) 0₃ 生成受 NO_x 濃度的限制[4]。如圖4所示，這三個(gè)站點(diǎn)明顯偏離擬合曲線的散點(diǎn)主要集中在 VOCsgt;100ppb 區(qū)間。研究通常認(rèn)為VOCs與 NO_x 比值超過(guò)5.5為NO敏感區(qū)，小于5.5為VOCs敏感區(qū)[8]。分析該區(qū)間內(nèi)的比值，發(fā)現(xiàn)上述時(shí)段 VOCs/NO_x 基本都超過(guò)5.5，這表明此時(shí)光化學(xué)反應(yīng)以NO限制為主，對(duì)VOCs影響不敏感，因此這三個(gè)站點(diǎn)VOCs與 O₃ 關(guān)聯(lián)性較差。

2.3臭氧濃度的多因素GAM擬合結(jié)果分析

根據(jù)黃小剛等人研究分別建立 0₃ 濃度與氣象參數(shù)、前體物的GAM模型[5-6]。不同站點(diǎn)模型擬合結(jié)果 R² 和方差解釋率達(dá)到 0.795～0.859 和 80.3% ＼～85.9% ，均通過(guò)模型殘差顯著性檢驗(yàn)，滿足正態(tài)分布和共線性要求。模型參數(shù)F統(tǒng)計(jì)值表征影響因子對(duì)污染物濃度的解釋程度，F(xiàn)值越大則模型中因子對(duì)污染物濃度影響相對(duì)越重要。各站點(diǎn) O₃ 的主要影響因素是 NO_x 和濕度，分別占累積解釋程度的 22.4% ＼～33.0% 和 9.6%～28.6% 。溫度、濕度、風(fēng)速和風(fēng)向均通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，對(duì)長(zhǎng)沙市 0₃ 濃度也具有一定的影響，累積解釋貢獻(xiàn)在 1.1%～7.5% 之間。與趨勢(shì)分析和相關(guān)性分析結(jié)果不同，溫度對(duì) 0₃ 影響在模型中貢獻(xiàn)相對(duì)較小。這可能與選取研究期間長(zhǎng)沙市的氣溫整體較高，溫差變化較小，溫度不是 0₃ 生成的限制條件。VOCs未通過(guò)模型顯著性檢驗(yàn)，僅部分VOCs組分通過(guò)模型檢驗(yàn)，以活性醛酮、苯系物和低鏈烷烴、烯烴類為主。影響不同站點(diǎn) 0₃ 濃度的關(guān)鍵VOCs活性物種不同，馬坡嶺站主要包括丙酮和乙烷，環(huán)保學(xué)院以乙烷為主，高新區(qū)站活性VOCs主要為1，2，3-三甲基苯，復(fù)合站主要包括丙烷和乙醛。不同站點(diǎn)間VOCs活性物種差異，可能與不同區(qū)域特征排放不同有關(guān)。通過(guò)檢驗(yàn)的VOCs活性物種加和累積解釋程度約為 35.3%～47.8% 區(qū)間，略高于與 NO_x 占比，表明長(zhǎng)沙市當(dāng)?shù)厥艿?0₃，V0Cs 和 NO_x 的共同影響。

3結(jié)論

2021年夏季長(zhǎng)沙在高溫 （gt;30^°C ）、低濕（ lt;60% ）的氣象條件下，易發(fā)生 0₃ 污染。 N0_x 是影響各站點(diǎn)O₃ 濃度的主要污染前體物，累積解釋占比為 22.4% ～33.0% 。活性醛酮、苯系物和低鏈烷烴、烯烴等VOC物質(zhì)對(duì) 0₃ 的影響也較大，累積解釋占比為35.3%～47.8% 。其中對(duì)馬坡嶺站 0₃ 貢獻(xiàn)較大的VOC物質(zhì)為丙酮和乙烷，環(huán)保學(xué)院站以乙烷為主，高新區(qū)站主要為1，2，3－三甲基苯，復(fù)合站主要為丙烷和乙醛。

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