漳州市區(qū)大氣臭氧污染特征分析

陳藝敏, 陳建發(fā), 陳登輝

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漳州市區(qū)大氣臭氧污染特征分析

陳藝敏1,2, 陳建發(fā)1,2, 陳登輝3

(1.漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院食品與生物工程系; 2.福建省精細(xì)化工應(yīng)用技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心;3.漳州市龍文區(qū)氣象局, 福建漳州 363000)

利用2014～2015年漳州市區(qū)藍(lán)田、三中和九湖3個(gè)監(jiān)測(cè)站大氣污染物濃度資料，對(duì)近地面臭氧污染的變化特征和影響因素進(jìn)行分析。漳州近地面臭氧濃度在夏季較低，而峰值主要出現(xiàn)在4月或10月。臭氧濃度與NO2濃度密切相關(guān)，在全年統(tǒng)計(jì)下呈正相關(guān)。當(dāng)溫度高于20°C，日照時(shí)數(shù)大于5h，風(fēng)速小于2m/s時(shí)，漳州市區(qū)易形成臭氧污染天氣。

臭氧; 污染特征; 氣象要素

近年來，相對(duì)于顆粒物污染在全國(guó)大多數(shù)地方的改善，多地臭氧污染告急，近地面的臭氧污染已經(jīng)成為城市環(huán)境污染的重要問題之一[1]。城市近地面臭氧主要是由機(jī)動(dòng)車排放的揮發(fā)性有機(jī)物、氮氧化物和一氧化碳在強(qiáng)烈紫外線下發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)而生成的[2]。近地面臭氧污染會(huì)損害人體健康，并影響植物生長(zhǎng)[3-4]。隨著漳州城市汽車數(shù)量劇增以及工業(yè)的快速發(fā)展，臭氧污染的前體物—氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物排放量增加，臭氧和氮氧化物污染已經(jīng)成為當(dāng)?shù)爻w粒物外最主要的污染物。

1 資料與方法

選擇位于漳州藍(lán)田（經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)）、漳州三中（市區(qū)）、九湖（近郊）3個(gè)自動(dòng)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)作為研究點(diǎn)。所用數(shù)據(jù)為2014～2015年逐日的NO2、O3（最大8小時(shí)滑動(dòng)平均）和空氣質(zhì)量指數(shù)AQI，以及O3的小時(shí)濃度。氣象資料為中國(guó)氣象網(wǎng)站氣象數(shù)據(jù)，所用數(shù)據(jù)為漳州市2014～2015年的日平均氣溫、日照和風(fēng)速。

本文所使用的統(tǒng)計(jì)方法是相關(guān)分析和統(tǒng)計(jì)分析，通過計(jì)算氣象因子與臭氧及其前體物的相關(guān)系數(shù)，分析影響臭氧濃度的主要因素。

2 結(jié)果與討論

2.1 近地面臭氧污染特征

根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)[5]，O3日最大8 小時(shí)滑動(dòng)平均值的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值為100μg/m3，二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值為160μg/m3。統(tǒng)計(jì)漳州市區(qū)3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)O3濃度超過160μg/m3和100μg/m3的天數(shù)，發(fā)現(xiàn)2014年工業(yè)區(qū)藍(lán)田監(jiān)測(cè)點(diǎn)的天數(shù)分別為0d和87d，市區(qū)三中監(jiān)測(cè)點(diǎn)的天數(shù)為5d和155d，而近郊九湖監(jiān)測(cè)點(diǎn)的天數(shù)為1d和83d。2015年在3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)O3的濃度均不超過二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值，超過一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值的天數(shù)分別為23d、53d和60d。可見，2015年近地面臭氧污染比2014年有明顯改善，這與當(dāng)?shù)卣訌?qiáng)工業(yè)企業(yè)排放、生活污染源監(jiān)管等防治大氣污染措施有關(guān)。

統(tǒng)計(jì)2014年和2015年O3濃度超過100μg/m3的天數(shù)的月變化特征，如圖1所示，發(fā)現(xiàn)3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)O3濃度的季節(jié)變化呈現(xiàn)明顯的不同：藍(lán)田和三中測(cè)點(diǎn)O3污染主要出現(xiàn)在春季和秋季，4月和10月是臭氧污染較嚴(yán)重的時(shí)間。而對(duì)于近郊的九湖，臭氧濃度超標(biāo)主要出現(xiàn)在1月、9月和10月。藍(lán)田、三中和九湖的月平均臭氧濃度（如圖2所示）在2014和2015年分別為79.7和63.7μg/m3，93.2和71.7μg/m3，80.1和77.7μg/m3。從2014到2015年藍(lán)田、三中和九湖的臭氧月平均濃度值分別下降了20.1%，23.1%和3.0%，市區(qū)臭氧濃度下降最為明顯。3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)臭氧濃度的季節(jié)分布基本一致，臭氧濃度低的季節(jié)為夏季，臭氧濃度高的月份在藍(lán)田和三中主要為4月和10月，在九湖主要為10月。

地面臭氧的形成受到其前體物（氮氧化物、CO和揮發(fā)性有機(jī)物）以及光照等外界環(huán)境的影響。有研究發(fā)現(xiàn)中國(guó)各地區(qū)O3濃度并不是在夏季存在峰值，而是存在著低谷現(xiàn)象，這與同緯度的美國(guó)和歐洲等地不同，這主要受污染物的跨界傳輸以及O3生命周期的季節(jié)變化影響，可能在4月或10月達(dá)到峰值[6]。

圖1 三個(gè)測(cè)點(diǎn)的臭氧超標(biāo)天數(shù)月變化

圖2 三個(gè)測(cè)點(diǎn)的臭氧月平均濃度

2.2 臭氧濃度與NOx的關(guān)系

已有研究利用數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)在中國(guó)30°N以南的地區(qū)，臭氧的濃度與其前體物NOx的關(guān)系密切[7]。本文以三中測(cè)點(diǎn)2014年4月10～11日臭氧污染最嚴(yán)重的兩天為例，分析O3和NO2濃度的日小時(shí)變化特征（圖3）。從圖中可以明顯看到，O3和NO2的濃度的日變化呈相反的趨勢(shì)，這個(gè)結(jié)果與已有研究結(jié)果一致[8-9]。這說明，近地面臭氧的形成是由于其前體物NO2的消耗引起的。

但是，如果以O(shè)3日最大8小時(shí)滑動(dòng)平均值和NO2濃度的月平均值分析兩者的關(guān)系，我們發(fā)現(xiàn)2014～2015年兩者變化趨勢(shì)在藍(lán)田、三中和九湖3個(gè)測(cè)點(diǎn)均沒有出現(xiàn)明顯相反的趨勢(shì)（圖略），此研究結(jié)果與在長(zhǎng)江三角洲地區(qū)的研究結(jié)果[10]并不一致，體現(xiàn)了漳州當(dāng)?shù)鬲?dú)特的特點(diǎn)。為此，我們計(jì)算了O3濃度變化與NO2濃度日變化的相關(guān)關(guān)系，時(shí)間長(zhǎng)度為共730d，結(jié)果如下表所示。其中，全年的相關(guān)系數(shù)超過0.1，季節(jié)相關(guān)系數(shù)超過0.2即可達(dá)到信度為99%的顯著性檢驗(yàn)。從結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，臭氧8小時(shí)滑動(dòng)平均濃度與NO2日平均濃度全年基本呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，也就是NO2濃度越高則O3濃度也越高。在工業(yè)區(qū)藍(lán)田測(cè)點(diǎn)，O3和NO2濃度只有夏季的正相關(guān)顯著；在市區(qū)的三中測(cè)點(diǎn)，夏季和冬季的正相關(guān)顯著；而在近郊的九湖測(cè)點(diǎn)，春季、夏季和冬季是正相關(guān)，秋季為顯著的負(fù)相關(guān)。由于漳州市區(qū)臭氧濃度在4月和10月呈現(xiàn)峰值，這里分別計(jì)算O3和NO2濃度在這兩個(gè)月份的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在4月份兩者呈負(fù)相關(guān)，且相關(guān)系數(shù)在3個(gè)測(cè)點(diǎn)均超過了信度95%的顯著性檢驗(yàn)；而在10月份相關(guān)不明顯。

結(jié)果表明，盡管O3與NO2的小時(shí)平均值存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，然而O3的8小時(shí)滑動(dòng)平均與NO2的日平均值在全年統(tǒng)計(jì)下，在漳州呈現(xiàn)的是正相關(guān)關(guān)系，在藍(lán)田和三中正相關(guān)顯著的季節(jié)主要為夏季和冬季，而在九湖，春季、夏季和冬季為正相關(guān)而秋季為負(fù)相關(guān)。

表1 O3濃度與NO2濃度相關(guān)關(guān)系

圖3 2014年4月10日～11日三中測(cè)點(diǎn)O3和NO2小時(shí)濃度的變化

2.3 臭氧濃度與氣象要素的關(guān)系

Lam等[11]發(fā)現(xiàn)，O3除了與其發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)的前體物相關(guān)外，還與氣象因素相關(guān)。當(dāng)?shù)貧庀髼l件（溫度、光照、風(fēng)速等）影響近地面臭氧和其前體物濃度，造成光化學(xué)反應(yīng)，形成二次污染[12]。

2.3.1 臭氧濃度與氣溫

O3濃度和氣溫全年的相關(guān)關(guān)系在藍(lán)田和三中測(cè)點(diǎn)呈正相關(guān)關(guān)系，正相關(guān)顯著的季節(jié)為春季和夏季，相關(guān)系數(shù)超過信度為99%的顯著性檢驗(yàn)；O3濃度和氣溫全年相關(guān)關(guān)系在九湖測(cè)點(diǎn)不顯著，但在夏季兩者的正相關(guān)顯著。由于3個(gè)測(cè)點(diǎn)均在夏季出現(xiàn)O3濃度和氣溫的顯著正相關(guān)，這說明在漳州地區(qū)夏季溫度越高，地面臭氧濃度越大。O3濃度和氣溫在4月份的相關(guān)不顯著，而在10月份則呈明顯的負(fù)相關(guān)，超過信度為95%的顯著性檢驗(yàn)。

統(tǒng)計(jì)2014年到2015年臭氧濃度超過100μg/m3時(shí)溫度的分布，發(fā)現(xiàn)市區(qū)出現(xiàn)的污染天數(shù)比工業(yè)區(qū)和近郊要多。在溫度高于20°C的天數(shù)中，O3濃度大于100μg/m3的比例在藍(lán)田、三中和九湖3個(gè)測(cè)點(diǎn)分別為19.0%，32.2%和21.2%，而氣溫小于等于20°C的天數(shù)中，O3濃度超過100μg/m3在3個(gè)測(cè)點(diǎn)的比例分別為6.1%，23.6%和15.8%。結(jié)果說明氣溫在20°C以上，較易出現(xiàn)臭氧污染，且相比市區(qū)和市郊，工業(yè)區(qū)的臭氧濃度更容易受氣溫變化的影響。

表2 O3濃度與氣溫相關(guān)關(guān)系

2.3.2 臭氧濃度與日照時(shí)數(shù)

O3濃度和日照時(shí)數(shù)在全年呈明顯的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.38以上，超過信度99%的顯著性檢驗(yàn)，說明日照越長(zhǎng)則臭氧濃度越大。從季節(jié)上看，相關(guān)最密切的季節(jié)是冬季，相關(guān)系數(shù)在3個(gè)測(cè)點(diǎn)超過0.6，說明冬季的日照對(duì)臭氧的形成至關(guān)重要。臭氧濃度和日照時(shí)數(shù)在3個(gè)測(cè)點(diǎn)均呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)，但是九湖測(cè)點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)比其他測(cè)點(diǎn)要小一些。O3濃度和日照時(shí)數(shù)在4月份和10月份均為明顯的正相關(guān)，均超過信度為95%的顯著性檢驗(yàn)。

從日照時(shí)數(shù)與O3濃度分布圖上看，當(dāng)日照時(shí)數(shù)大于5h時(shí)，臭氧的濃度大于100μg/m3的天數(shù)顯著增加。我們統(tǒng)計(jì)了日照時(shí)數(shù)大于5h的天數(shù)中，O3濃度超過100μg/m3的比例在藍(lán)田、三中和九湖測(cè)點(diǎn)分別為22.4%，39.3%和26.4%，而日照時(shí)數(shù)小于等于5h的天數(shù)中，O3濃度超過100μg/m3的比例在3個(gè)測(cè)點(diǎn)分別為6.7%，19.2%和12.4%。

表3 O3濃度與日照時(shí)數(shù)相關(guān)關(guān)系

2.3.3 臭氧濃度與風(fēng)速

從O3濃度和風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)表中可以發(fā)現(xiàn)，二者相關(guān)不明顯，相關(guān)系數(shù)均達(dá)不到顯著性標(biāo)準(zhǔn)。這說明在漳州地區(qū)風(fēng)速對(duì)臭氧濃度影響較小。O3濃度和風(fēng)速的關(guān)系在4月和10月均不顯著。

表4 O3濃度與風(fēng)速相關(guān)關(guān)系

從風(fēng)速與O3濃度分布圖上看，當(dāng)風(fēng)速大于2m/s時(shí)，臭氧的濃度大于100μg/m3的天數(shù)略有減少。統(tǒng)計(jì)風(fēng)速大于2m/s的天數(shù)中，O3濃度超過100μg/m3的比例在藍(lán)田、三中、九湖測(cè)點(diǎn)分別為12.7%，21.1%和17.2%，而風(fēng)速小于等于2m/s的天數(shù)中，O3濃度超過100μg/m3的比例在3個(gè)測(cè)點(diǎn)分別為14.9%，30.7%和19.7%。除了三中外，風(fēng)速對(duì)藍(lán)田和九湖的臭氧濃度的影響不大。

3 結(jié)論

臭氧以及前體物氮氧化物是除了顆粒污染物外漳州的首要污染物。漳州近地面臭氧濃度在夏季較低，而峰值主要出現(xiàn)在4月或10月。近地面臭氧8h滑動(dòng)平均濃度和NO2的濃度的日變化呈相反的趨勢(shì)，但全年統(tǒng)計(jì)下兩者基本呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。

漳州市區(qū)地面臭氧濃度受氣溫和日照影響較大，溫度升高、日照時(shí)數(shù)增加則地面臭氧濃度上升。氣溫在20°C以上，較易出現(xiàn)臭氧污染；當(dāng)日照時(shí)數(shù)大于5h時(shí)，臭氧的濃度大于100μg/m3的天數(shù)顯著增加。風(fēng)速對(duì)漳州市區(qū)地面臭氧濃度影響較小，當(dāng)風(fēng)速大于2m/s時(shí)，臭氧的濃度大于100μg/m3的天數(shù)略有減少。

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（責(zé)任編輯：馬圳煒）

Analysis of atmospheric ozone pollution characteristics in Zhangzhou

CHEN Yi-min1,2, CHEN Jian-fa1,2, CHEN Deng-hui3

(1. Department of Food Processing and Biological Engineering; 2. Collaborative Innovation Center of Fine Chemical Application Technology in Fujian; 3. Longwen District Meteorological Bureau of Zhangzhou, Zhangzhou 363000, China)

The air pollutant concentration data of 2014～2015 from three monitoring stations (Lantian, Sanzhong, Jiuhu) in Zhangzhou is used to analyze the variation characteristics and influential factors of near surface ozone. The result shows that ozone concentration is lower in summer, while the peak appears in April or October. Ozone concentration is closely related to NO2concentration, positively correlated with each other according to annual statistics. When the temperature is higher than 20°C, the sunshine hour is more than 5 hours, and the wind speed is less than 2m/s, it tends to form ozone pollution in Zhangzhou.

ozone; pollution characteristics; meteorological factors

1673-1417（2017）02-0009-05

10.13908/j.cnki.issn1673-1417.2017.02.0003

X515

A

2017－03－10

福建省自然科學(xué)基金( 2015J01356 )。

陳藝敏（1979—），女，福建漳州人，講師，碩士，研究方向：環(huán)境污染治理和資源再生利用