2016—2018年長三角城市群臭氧濃度超標(biāo)特征分析

劉玉青，趙錦慧，楊 喆，鄧田田

(湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430062)

臭氧(O3)主要分布在大氣平流層，在近地面O3含量極其稀少，但是隨著人類工業(yè)以及汽車排放產(chǎn)生的氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物(VOCS)增多，O3已悄然成了我國南方許多城市的首要污染物[1]。彭慶慶[2]對(duì)長株潭城市群2013年O3濃度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯示，O3在夏季容易成為首要污染物，趙熠琳[3]對(duì)武漢、寧波、中山和南寧4個(gè)典型南方城市O3污染進(jìn)行分析，結(jié)果表明，南方典型城市O3濃度分布有明顯時(shí)間變化特征，超標(biāo)時(shí)間跨度大，O3濃度主要受所在城市的地理位置、氣象因素、大氣擴(kuò)散條件和本地排放污染等因素的影響；黃小剛[4]等對(duì)長三角城市群2015—2017年O3濃度的時(shí)空分布和驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行分析，結(jié)果表明，長三角城市群2015—2017年O3濃度最大8 h滑動(dòng)均值第90百分位平均濃度上升，平均超標(biāo)率上升，以O(shè)3為首要污染物的天數(shù)上升，O3污染主要發(fā)生在4—9月，長三角城市群O3濃度空間分布格局由東高西低演變?yōu)楸备吣系?。自然因素中的降水量和風(fēng)速呈負(fù)向影響，分別對(duì)O3有顯著的清除和擴(kuò)散作用。易睿等[5]研究發(fā)現(xiàn)，長三角地區(qū) O3污染呈片狀分布，上海及周邊城市群污染最嚴(yán)重。

1 研究區(qū)域概況

2016年5月國務(wù)院批準(zhǔn)實(shí)施的《長江三角洲城市群發(fā)展規(guī)劃》已明確將安徽部分城市劃入長三角城市群，選擇上海市，江蘇省的南京、蘇州、無錫、常州、南通、鎮(zhèn)江、泰州、揚(yáng)州、鹽城市，浙江省的杭州、寧波、紹興、嘉興、湖州、金華、舟山、臺(tái)州市，安徽省的合肥、蕪湖、馬鞍山、銅陵、安慶、池州、宣城、滁州市等共計(jì)26個(gè)城市，由于宣城市和滁州市O3數(shù)據(jù)缺失值較多，因此本研究將這2個(gè)城市剔除，共計(jì)24個(gè)城市(圖1)。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

城市污染物小時(shí)濃度數(shù)據(jù)來源于中國環(huán)境監(jiān)測(cè)總站“中國城市空氣實(shí)時(shí)發(fā)布平臺(tái)”(http://106.37.208.233:2005/)，根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)( GB3095—2012) 》和《環(huán)境空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范( 試行) ( HJ663—2013) 》的O3濃度數(shù)據(jù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)O3數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行篩選，通過篩選，2017年扣除5月1日和9月23日的數(shù)據(jù)，2018年夏半年數(shù)據(jù)齊全。結(jié)合國家《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)( GB3095— 2012) 》確定的日最大8 h滑動(dòng)平均濃度一級(jí)限值100 μg/m3、二級(jí)限值 160 μg/m3和《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI) 技術(shù)規(guī)定( 試行) ( HJ633—2012) 》，當(dāng)O3日最大8 h滑動(dòng)平均值在160-215 μg/m3、215-265 μg/m3、265-800 μg/m3和大于800 μg/m3時(shí)，分別定義為輕度污染、中度污染、重度污染和嚴(yán)重污染；當(dāng)城市一年內(nèi)O3日最大8h滑動(dòng)均值的第90百分位數(shù)濃度大于160 μg/m3時(shí)，該城市的年度評(píng)價(jià)結(jié)果為超標(biāo)。

圖1 長江三角洲區(qū)域位置Fig.1 Regional location of the Yangtze River Delta

氣象數(shù)據(jù)來源于ECMWF(time=0,step=6,2.5°×2.5°)下載數(shù)據(jù)提取所得。

社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于《2018年城市統(tǒng)計(jì)年鑒》。

3 結(jié)果與分析

3.1 O3濃度均值分布

研究區(qū)域內(nèi)24個(gè)城市2016—2018年O3年濃度分別為94.24 μg/m3、102.68 μg/m3、100.79 μg/m3，長三角地區(qū)O3濃度整體上有波動(dòng)上升狀態(tài)。從城市均值范圍來說，2017和2018年年均最低值超過2016年較多，年均最大值在2018年有所下降，從分布上看，2016年濃度高值區(qū)分布在浙江省東部沿海、上海、江蘇省大部，安徽省城市年均值均較低；2017年高值區(qū)主要分布在浙江省東部、上海、江蘇省東部等城市，低值區(qū)主要分布在浙江省西部、安徽省部分城市；2018年高值區(qū)主要分布在安徽省、江蘇省，長三角東南部的浙江省、上海市均處于均值較低狀態(tài)，高值區(qū)向長三角西部地區(qū)蔓延，浙江省東部沿海和江蘇省南部O3升高趨勢(shì)有所緩解。

從城市O3濃度年均值對(duì)比(圖2)看出，相比于2016年，2017年僅有2個(gè)城市濃度出現(xiàn)下降，大部分城市年均值均上升超過10 μg/m3，2018年相對(duì)于2017年大部分城市濃度有所下降，浙江省內(nèi)研究的所有城市濃度均有下降，江蘇省除鹽城和常州外，O3濃度均有下降，下降濃度大部分小于10 μg/m3，而安徽省內(nèi)城市濃度均值依然保持上升，上升最顯著的安慶市、池州市、銅陵市，O3濃度上升值超過30 μg/m3，表現(xiàn)出O3濃度急劇升高、污染不斷加重的趨勢(shì)(圖3)。

圖2 2016—2018年O3濃度年均值克里金插值Fig.2 Kriging interpolation of annual average O3 concentration from 2016 to 2018

圖3 2016—2018年城市O3年均濃度Fig.3 Annual average O”3 concentration of cities from 2016 to 2018

3.2 O3濃度超標(biāo)時(shí)間演變特征

O3的90百分位2016—2018年濃度分別為113-185 μg/m3、122-187 μg/m3、129-185 μg/m3，3年間O3濃度年度評(píng)價(jià)為優(yōu)(03-8 h-90<100 μg/m3)的城市數(shù)均為零，評(píng)價(jià)為超標(biāo)(03-8 h-90≥160 μg/m3)的城市分別為11個(gè)、14個(gè)和14個(gè)，超標(biāo)城市數(shù)量有所增加。從超標(biāo)天數(shù)來看，2016—2018年長三角地區(qū)24個(gè)城市O3超標(biāo)天數(shù)分別為753 d、976 d和960 d，占全年總天數(shù)的8.28%、11.21%和10.96%，城市超標(biāo)總天數(shù)在2017年升高后2018年略有降低。這與黃小剛[4]等學(xué)者研究的2016—2017年長三角地區(qū)O3濃度變化趨勢(shì)一致，學(xué)者們認(rèn)為這與氣溫和降水有關(guān)，2017年氣溫高、降水少是導(dǎo)致其O3濃度高的關(guān)鍵因素，對(duì)比2017年與2018年長三角氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)也發(fā)現(xiàn)，2018年氣溫高于2017年，降水遠(yuǎn)多于2017年。

從城市O3污染各等級(jí)天數(shù)來看(圖4)，2016—2018年輕度污染天數(shù)分別為665 d，777 d，779 d，輕度污染總天數(shù)在上升；中度污染天數(shù)分別為57 d、161 d、116 d；重度污染天數(shù)分別為1 d、10 d、8 d，中度污染在2017年較為嚴(yán)重，輕度和重度污染則在2017和2018年天數(shù)較多。從城市臭氧8 h滑動(dòng)均值極大值來看，2016—2018年分別為220.63 μg/m3、239.67 μg/m3、244.17 μg/m3，極大值濃度有上升態(tài)勢(shì)。

圖4 2016—2018年各月各等級(jí)O3濃度超標(biāo)天數(shù)Fig.4 Days of over O3 concentration standard of each grade in each month from 2016 to 2018

從O3超標(biāo)月份上來看，月際O3超標(biāo)天數(shù)與O3濃度是完全正相關(guān)關(guān)系，3年中O3濃度超標(biāo)均發(fā)生在2月到11月之間，1月和12月均未見濃度8 h均值超標(biāo)，2016年7、8、9月O3濃度分別超標(biāo)135 d、155 d、143 d，3個(gè)月污染天數(shù)占全年污染天數(shù)的57%；2017年5、6、7月O3濃度分別超標(biāo)274 d、201 d、174 d，占全年污染總天數(shù)的66%；2018年4、5、6月O3濃度分別超標(biāo)188 d、170 d、216 d，占全年污染總天數(shù)的64%，城市O3濃度超標(biāo)主要發(fā)生在夏半年，梅雨期會(huì)影響O3濃度超標(biāo)的天數(shù)，梅雨季節(jié)是夏半年O3濃度的谷值時(shí)間[4]，中度和重度污染3年內(nèi)全部發(fā)生在4—9月，但統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，重度污染并不完全發(fā)生在城市O3濃度最高的月份，例如2016年8月25日南京O3濃度8 h滑動(dòng)均值最高值達(dá)到280，但是9月才是南京O3濃度均值最高值月份，再例如2017年5月11日和27日、6月1日和9日、7月22日，南通市臭氧8 h滑動(dòng)均值最大值均超過265，但南通市月均值濃度排序?yàn)?月、6月、4月和7月，即O3重度污染與O3濃度最大月并不完全重合。

關(guān)于O3濃度小時(shí)超標(biāo)狀況，統(tǒng)計(jì)O3濃度小時(shí)均值超過200的時(shí)刻，2016—2018年污染總小時(shí)數(shù)分別為1 768 h、2 722 h、2 250 h，2017年O3濃度小時(shí)超標(biāo)數(shù)尤其明顯。從污染出現(xiàn)時(shí)刻上看，超標(biāo)最多的時(shí)刻與O3濃度小時(shí)分布基本一致，集中在14時(shí)至16時(shí)，其中2016年16時(shí)O3濃度超標(biāo)次數(shù)最多，2017年和2018年15時(shí)O3濃度超標(biāo)次數(shù)最多，3年中3時(shí)至8時(shí)均未出現(xiàn)O3濃度小時(shí)超標(biāo)現(xiàn)象，2017年和2018年0時(shí)和1時(shí)出現(xiàn)O3濃度超標(biāo)現(xiàn)象?？傮w上，O3濃度超標(biāo)小時(shí)數(shù)是先增加再減少，O3濃度超標(biāo)現(xiàn)象主要發(fā)生在12時(shí)至19時(shí)(圖5)。

圖5 O3濃度小時(shí)超標(biāo)在各時(shí)段次數(shù)分布Fig.5 Times of over O3 concentration standard in each hour

3.3 O3濃度超標(biāo)空間分布特征

上海市2016—2018年90百分位O3濃度均超標(biāo)，2018年為164 μg/m3，是3年中最低值；安徽省3年中分別為135.83 μg/m3、158.18 μg/m3、167.71 μg/m3，年均增長7.8%，在安徽省研究的6個(gè)城市中，所有城市90百分位O3濃度均處于上升狀態(tài)，其中蕪湖市增長最快，3年間增長了72 μg/m3，年均增長率達(dá)21.24%，除此之外，池州、安慶、馬鞍山市年均增長率也均在6%～8%之間，銅陵市增長較為緩慢。

2016—2018年江蘇省臭氧90百分位濃度均值分別為169.33 μg/m3、167.78 μg/m3、164.56 μg/m3，3年均值整體呈下降狀態(tài)，年均降幅為1.4%，在研究的9個(gè)城市中，僅蘇州、鎮(zhèn)江和揚(yáng)州的臭氧90百分位濃度是上升的，并且增長緩慢，2018年與2016年的均值差均在15以內(nèi)，剩余6個(gè)城市的臭氧90百分位濃度均處于下降狀態(tài)，其中常州市3年間下降了44 μg/m3，尤其在2017年城市O3濃度值普遍較高的情況下，其臭氧90百分位濃度僅122 μg/m3，在2017是研究的24個(gè)城市中90百分位的最低值。江蘇省內(nèi)部城市高值區(qū)由南部向西部轉(zhuǎn)移。

圖6 2016—2018年臭氧90百分位濃度分布Fig.6 90th percentile distribution of O3 concentration from 2016 to 2018

2016—2018年浙江省臭氧90百分位均值分別為150.75 μg/m3、153.63 μg/m3、152.50 μg/m3，90百分位濃度變化較小，相比于2016年，浙江省的O3濃度略有增長，年均漲幅僅0.7%。而且2017年和2018年相比于安徽省和江蘇省濃度值最低，8個(gè)城市中僅杭州、嘉興、金華和紹興4個(gè)城市的O3濃度上升，東部沿海和北部地區(qū)城市均為下降狀態(tài)。

2016年O3濃度超標(biāo)城市為上海、杭州、嘉興、南京、無錫、常州、南通、蘇州、泰州、鎮(zhèn)江、揚(yáng)州市；2017年，常州市不再是O3濃度年超標(biāo)城市，新增了金華、合肥、蕪湖、馬鞍山市;2018年南通市不再是O3濃度超標(biāo)城市，但是安慶市新增成為年O3濃度超標(biāo)城市。由此，2016年O3濃度超標(biāo)城市主要分布在江蘇省南部和浙江省北部，2017年和2018年O3濃度超標(biāo)城市數(shù)量處于上升趨勢(shì)，新增的城市大多位于長三角西部的安徽省內(nèi)，即O3濃度超標(biāo)城市分布由長三角中東部向西部地區(qū)擴(kuò)展。

從圖6看到，O3濃度超標(biāo)天數(shù)在江蘇省內(nèi)一直維持較高狀態(tài)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，城市O3濃度超標(biāo)率在2016—2018年分別為0.27%～16.76%、0.55%～18.18%和1.37%～18.68%，其中2016年浙江省、江蘇省(包含上海市)和安徽省城市O3濃度超標(biāo)率分別為6.37%、13.22%、3.96%；2017年分別為8.71%、13.42%、9.59%，2018年分別為7.43%、11.92%、11.43%。從省際O3濃度超標(biāo)天數(shù)變化情況看，浙江省在2016—2018年污染天數(shù)處于小幅波動(dòng)狀態(tài)，在3個(gè)區(qū)域間2017和2018年均是O3濃度超標(biāo)天數(shù)占比最少的區(qū)域；江蘇省O3濃度超標(biāo)天數(shù)占比較為穩(wěn)定，2018年有微弱下降；安徽省O3濃度超標(biāo)天數(shù)占比迅速升高，2018年與江蘇省城市幾乎持平。

從圖7看到2016年24個(gè)城市中輕度污染超過30 d的城市為11個(gè)，主要是浙江省杭州市和嘉興市、上海、江蘇省除鹽城外的8個(gè)城市，2017年和2018年則均達(dá)到了15個(gè)城市，O3輕度污染超過45 d的城市2016—2018年分別為5個(gè)、7個(gè)和7個(gè)；O3中度污染2017年和2018年城市相同，城市數(shù)量均超過2016年，但2017年天數(shù)多于2018年；O3重度污染在2016年僅在南京出現(xiàn)1 d，2017年則有5個(gè)城市出現(xiàn)O3重度污染，分別是嘉興、馬鞍山、南通、上海、泰州市，其中南通市達(dá)到6 d，2018年O3重度污染城市數(shù)量增長到6個(gè)，分別是嘉興、上海、泰州、無錫、揚(yáng)州市，O3重度污染出現(xiàn)城市有向太湖[5]西北部轉(zhuǎn)移的傾向。

4 結(jié)論

2016—2018年長三角區(qū)域O3濃度年均值先升高再下降，O3濃度高值區(qū)由長三角東部向北部和西部轉(zhuǎn)移；2017年長三角整體O3濃度高，且相對(duì)于2016年升高；2018年江蘇省和浙江省大部分城市O3濃度下降，安徽省城市O3濃度升高。

圖7 城市O3濃度超標(biāo)天數(shù)及月份占比分布Fig.7 Proportion of days and months of over O3 concentration standard

2016—2018年城市O3濃度超標(biāo)天數(shù)先增加再減少，O3輕度、中度和重度污染天數(shù)也均是先增加后減少，但是城市O3濃度年評(píng)價(jià)為超標(biāo)的城市數(shù)量由2016年的11個(gè)增加到2017和2018年的14個(gè)，城市O3濃度最大8h滑動(dòng)均值極大值由2016年的220.63 μg/m3增長到2018年的244.17 μg/m3，無減小趨勢(shì)。

城市O3濃度超標(biāo)時(shí)間在2—11月均有發(fā)生，其中O3中度和重度污染均只發(fā)生在了4—9月，O3濃度超標(biāo)小時(shí)總小時(shí)數(shù)先增加再減少，O3濃度小時(shí)超標(biāo)與O3濃度日分布一致，除3—8時(shí)未有O3濃度小時(shí)超標(biāo)現(xiàn)象，14—16時(shí)O3濃度超標(biāo)出現(xiàn)頻率比例最高。

臭氧90百分位濃度3年均超標(biāo)的城市有上海、杭州、嘉興、南京、無錫、蘇州、泰州、鎮(zhèn)江、揚(yáng)州市，臭氧90百分位濃度均值在安徽省年均增長率為21.24%，浙江省也處于微弱上升，年均漲幅為0.6%，江蘇省處于下降狀態(tài)，年均降幅1.4%，其中杭州、嘉興、鎮(zhèn)江、蘇州、揚(yáng)州5個(gè)城市2016年以來均為O3濃度超標(biāo)城市，且臭氧90百分位濃度仍然處于上升狀態(tài)，還是O3重度污染出現(xiàn)頻率較高的城市，O3污染形勢(shì)最為嚴(yán)峻。