攀枝花市區(qū)及鹽邊縣城區(qū)城市臭氧污染狀況研究

白 羽,唐 毅,殷曉梅,劉露云,韓道喜

(1.鹽邊縣環(huán)境監(jiān)測站，四川 鹽邊 617100;2.攀枝花市環(huán)境監(jiān)測中心站，四川 攀枝花 617000)

引 言

攀枝花市位于中國西南川滇交界部，四川最南端，地理坐標介于北緯26°05′～27°21′，東經(jīng)101°08′～102°15′之間，處于南亞熱帶干熱河谷氣候區(qū)，屬典型的南亞熱帶半干旱季風氣候，太陽輻射強，日照充沛，氣溫年差較小、日差較大，冬季低層逆溫效應顯著。鹽邊縣城區(qū)位于攀枝花市區(qū)東北部，距攀枝花市區(qū)約9km，屬典型市郊區(qū)城市。2017年～2019年間攀枝花市區(qū)和鹽邊縣城區(qū)環(huán)境空氣質量受臭氧污染的天數(shù)逐年增加，臭氧污染已成為環(huán)境空氣污染的重要因素。

本文以2017年1月～2020年2月攀枝花市區(qū)和鹽邊縣城區(qū)環(huán)境空氣質量監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，按照《環(huán)境空氣質量標準》(GB3095-2012)[1]、《環(huán)境空氣質量指數(shù)(AQI)技術規(guī)定(試行》(HJ633-2012)[2]以及《環(huán)境空氣質量評價技術規(guī)范》(試行)(HJ663-2013)[3]，結合氣象情況，對兩地O3污染物的時空變化規(guī)律及影響因素進行分析，說明了城市臭氧污染對近郊的影響，為改善地區(qū)環(huán)境空氣質量提供參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源

本文攀枝花市環(huán)境空氣質量數(shù)據(jù)來源于攀枝花市環(huán)境監(jiān)測中心站發(fā)布數(shù)據(jù)，鹽邊縣空氣質量監(jiān)測數(shù)據(jù)來源于鹽邊縣環(huán)境監(jiān)測站發(fā)布數(shù)據(jù)，其監(jiān)測頻率及方法見表1。氣象數(shù)據(jù)采用天氣網(wǎng)記錄發(fā)布的攀枝花市[4]和鹽邊縣[5]逐日歷史氣象資料。

表1 環(huán)境空氣質量自動監(jiān)測站監(jiān)測頻率及方法Tab.1 Monitoring frequency and method of ambient air quality automatic monitoring station

2 結果與分析

2.1 臭氧的時空變化及規(guī)律

2.1.1 各年度環(huán)境空氣污染綜合指數(shù)及各污染物污染負荷

按《環(huán)境空氣質量標準》(GB3095—2012)二級標準評價，采用《環(huán)境空氣質量評價技術規(guī)范》(試行)(HJ663-2013)環(huán)境空氣質量狀況比較評價方法，統(tǒng)計計算了2017～2019年攀枝花市區(qū)和鹽邊縣城區(qū)年度環(huán)境空氣質量綜合指數(shù)、各污染物單項指數(shù)及各單項指數(shù)在綜合指數(shù)中的負荷，統(tǒng)計結果見表2。

表2 年度空氣質量污染物單項指數(shù)及污染負荷統(tǒng)計表Tab.2 Annual air quality pollutant single index and pollution load statistics

根據(jù)統(tǒng)計結果，鹽邊縣2017年～2019年環(huán)境空氣質量污染物年度綜合指數(shù)呈現(xiàn)升高趨勢，說明鹽邊縣環(huán)境空氣質量有變差的可能。從污染負荷來看，鹽邊縣各年度O3污染負荷均高于20%，其中2019年污染負荷達到了25.3%，說明O3污染對鹽邊縣環(huán)境空氣質量影響最大，是導致鹽邊縣環(huán)境空氣質量變差的主要原因。攀枝花市區(qū)的O3污染物單項指數(shù)負荷逐年上升，和NO2污染物的單項指數(shù)負荷接近，說明O3污染對攀枝花市區(qū)環(huán)境空氣質量的影響也是越來越大，已基本和NO2對攀枝花市區(qū)環(huán)境空氣質量的影響持平。

2.1.2 各年度臭氧污染分布情況

統(tǒng)計2017～2019年攀枝花市區(qū)和鹽邊縣城區(qū)各年度日O3-8h環(huán)境空氣質量分指數(shù)(IAQIO3-8h)數(shù)據(jù)分布情況，結果見表3。

表3 臭氧日環(huán)境空氣質量分指數(shù)分布情況Tab.3 Distribution of sub index of ambient air quality on ozone day

根據(jù)統(tǒng)計結果，鹽邊縣2017、2018年日IAQIO3-8h為優(yōu)、良的天數(shù)總計變化不大，且2018年IAQIO3-8h為優(yōu)的天數(shù)較2017年略多，但是2018年有1天IAQIO3-8h輕度污染出現(xiàn)。到2019年，IAQIO3-8h為優(yōu)的天數(shù)明顯下降，IAQIO3-8h為良的天數(shù)明顯增加，甚至出現(xiàn)8天輕度污染。而攀枝花市區(qū)IAQIO3-8h輕度污染的天數(shù)也逐年增加，O3污染已成為攀枝花地區(qū)環(huán)境空氣污染的重要因素。

2.1.3 季節(jié)變化規(guī)律

本文季節(jié)劃分采用氣象劃分法，以陽歷3～5月為春季，6～8月為夏季，9～11月為秋季，12月～來年2月為冬季。統(tǒng)計2017年3月～2020年2月攀枝花市區(qū)和鹽邊縣城區(qū)各季度日IAQIO3-8h數(shù)據(jù)，用wps表格繪制分指數(shù)折線圖，結果見圖1、圖2。

根據(jù)折線圖1，攀枝花市區(qū)和鹽邊縣城區(qū)環(huán)境空氣質量受O3影響最嚴重的季節(jié)均為春、夏季，從春季中下旬至整個夏季日IAQIO3-8h值較大，4月～8月日IAQIO3-8h值會出現(xiàn)峰值數(shù)據(jù)，較易出現(xiàn)分指數(shù)高于100(三級、輕度污染)的天數(shù)；秋、冬季日IAQIO3-8h值波動不大，且不易出現(xiàn)IAQIO3-8h值較高的情況，9月～10月趨于平穩(wěn)，而后IAQIO3-8h值基本保持在50以下，2月后又逐步上升，這可能與四川省上空臭氧時空變化有關[6]。

圖1 攀枝花市區(qū)和鹽邊縣城區(qū)各季度日IAQIO3-8h值折線圖Fig.1 Daily IAQIO3-8h variation curve of Panzhihua City and Yanbian City in each season

圖2 攀枝花市區(qū)和鹽邊縣城區(qū)月濃度折線圖Fig.2 Variation of concentration in Panzhihua City and Yanbian County

使用SPSS軟件，對攀枝花市區(qū)與鹽邊縣城區(qū)2017年3月～2019年2月各季節(jié)日IAQIO3-8h值數(shù)據(jù)進行相關性統(tǒng)計，統(tǒng)計結果見表4。鹽邊縣城區(qū)與攀枝花市市區(qū)各季度IAQIO3-8h值除2018年春季為中等程度正相關外，其余年度各季節(jié)Pearson相關性在顯著水平0.01(雙側)均表現(xiàn)出強正相關，且2019年夏、秋季節(jié)表現(xiàn)為極強正相關，表明鹽邊縣城區(qū)臭氧濃度與攀枝花市市區(qū)O3濃度變化趨勢較一致。

表4 鹽邊縣城區(qū)與攀枝花市區(qū)各季節(jié)IAQIO3-8h相關性統(tǒng)計表Tab.4 Statistical table of IAQIO3-8h correlation between Yanbian City and Panzhihua City in different seasons

2.1.4 月度變化規(guī)律

2.1.5 小時變化規(guī)律

按年度統(tǒng)計攀枝花市區(qū)和鹽邊縣城區(qū)年度O3污染物各小時平均濃度值，用wps表格繪制濃度折線圖，結果見圖3。

圖3 年度O3小時平均濃度變化曲線Fig.3 Hourly average concentration curve of O3 in the year

由圖3可見，攀枝花市區(qū)和鹽邊縣城區(qū)O3小時濃度均值呈現(xiàn)單峰型平滑曲線，O3小時濃度均值在清晨日出后一段時間內(nèi)降低至谷值，而后迅速上升，直至下午16∶00左右達到峰值后又逐步下降。

進一步分季節(jié)統(tǒng)計了攀枝花市區(qū)和鹽邊縣城區(qū)O3小時濃度均值，用wps表格繪制濃度折線圖，結果見圖4。

圖4 季度O3小時濃度均值變化曲線Fig.4 Change curve of hourly mean concentration of O3 four seasons

由圖4可見，攀枝花地區(qū)春、夏季O3小時濃度均值最低值出現(xiàn)在早上8∶00時，秋、冬季最低值出現(xiàn)在早上9∶00時，這應該與日出時間相關。在春季，太陽總輻射最強，日照射時間最長，O3累積階段較快，O3小時濃度均值曲線左側較陡右側較平滑，O3濃度持續(xù)高值時數(shù)最多。在夏季，太陽散射輻射最強，日照射時間次之，O3累積階段較平滑，O3小時濃度均值曲線左右兩側較平滑，O3濃度持續(xù)高值影響時數(shù)次之。秋、冬季季節(jié)太陽總輻射最弱，日照射時間最少，O3累積階段較平滑，O3小時濃度均值曲線左右兩側較平滑，臭氧濃度持續(xù)高值時數(shù)最少。另外秋、冬季節(jié)夜間O3小時濃度均值鹽邊縣城區(qū)較攀枝花市區(qū)偏高，晝間O3小時濃度均值相當，而春、夏季節(jié)夜間O3小時濃度均值鹽邊縣區(qū)與攀枝花市區(qū)濃度相等，晝間O3小時濃度均值低于市區(qū)，這可能與光解產(chǎn)生的O3消耗物質相關，春、夏季節(jié)太陽總輻射相對較強，日照射時間長，光化學反應強烈持續(xù)時間長，O3累積較快，市區(qū)內(nèi)O3消耗物質生成也較多，在逐步輸送至縣城區(qū)域過程中會加速O3的消耗，加之春、夏季大氣擴散作用強烈，因此春、夏季節(jié)鹽邊縣城區(qū)晝間O3濃度會較市區(qū)略低；而在秋、東季節(jié)，由于太陽總輻射相對較弱，日照射時間較短，光化學反應僅午間強烈且持續(xù)時間短，導致市區(qū)內(nèi)O3消耗物質生成相對不足，在市區(qū)范圍內(nèi)消耗物質生成后很快被O3消耗，降低了市區(qū)的O3濃度，在輸送至縣城區(qū)域過程中，由于缺少足量的消耗物質，加之大氣擴散作用較弱，O3消僅能通過氧化反應緩慢下降，致使夜間縣城O3濃度相對市區(qū)較高。

2.2 臭氧污染與氣象因素分析

2.2.1 臭氧污染與太陽輻射

根據(jù)李一平、杜成勛等研究整理的攀枝花各地太陽能相關氣象數(shù)據(jù)及曲線，見圖5[6]，攀枝花地區(qū)月太陽總輻射變化大，變化曲線呈單峰型，春季為一年中太陽能最豐富的季節(jié)，夏季次之，秋、冬季較少。攀枝花的散射輻射在雨季的比干季大得，極大值大部分地區(qū)出現(xiàn)在7～8月，極小值出現(xiàn)在12～1月。

圖5 攀枝花各地太陽總輻射和散射輻射月變化曲線[6]Fig.5 Monthly variation curve of total and scattered solar radiation in Panzhihua

圖6 太陽直接輻射和散射輻射對氣體分子的照射影響對比Fig.6 Comparison of the effects of direct and scattered solar radiation on the irradiation of gas molecules

攀枝花市飛機場位于攀枝花市區(qū)東南部山巔，距攀枝花市中心直線距離9.5km，海拔1 976m，較攀枝花市區(qū)高約820m。地表空氣受地面散熱和地形強迫抬升等作用而有規(guī)則的垂直運動和無規(guī)則的亂流混合都相當強烈，由于地表空氣垂直上升，城市地表空氣中污染物在上空一定高度和區(qū)域內(nèi)混合，當太陽散射輻射較強時，輻射在空氣中形成大量漫反射和折射如圖6，使城市上空混合污染物后的空氣被同一輻射照射次數(shù)增加，增加了污染物吸收光能的量，在城市上空發(fā)生強烈光化學作用產(chǎn)生大量O3，最后隨著大氣垂直運動而降到地面，形成近地面臭氧污染。因此，城市上空一定高度和區(qū)域內(nèi)太陽散射輻射強弱可能是形成O3污染的重要原因，還需進一步研究。

2.2.2 臭氧污染與紫外線照射強度分析

由天氣網(wǎng)記錄歷史天氣資料將紫外線日照射強度等級分為很弱、弱、中等、強、很強五個等級，按照《紫外線指數(shù)預報方法》(GB/T 36744-2018)[9]中紫外線照射強度等級劃分規(guī)定，對應到達地面紫外線輻射強度強弱為<5W/m2、5～10W/m2、10～15W/m2、15～30W/m2、>30W/m2。根據(jù)到達地面紫外線輻射強度強弱范圍，將2017～2019年攀枝花市區(qū)和鹽邊縣城區(qū)日O3-8h濃度值進行統(tǒng)計分類，用WPS表格進行柱狀分布統(tǒng)計，其分布情況見圖7。

圖7 攀枝花和鹽邊縣不同紫外輻射強度下O3-8h濃度分布情況Fig.7 Distribution of O3-8h concentration under different UV radiation intensity in Panzhihua and Yanbian County

由圖7可見，攀枝花市區(qū)和鹽邊縣城區(qū)日O3-8h濃度值較高的天數(shù)幾率隨紫外輻射強度增強而上升，在紫外輻射強度小于15W/m2時，鹽邊縣城區(qū)日O3-8h濃度值為優(yōu)的幾率在90%以上，攀枝花市區(qū)日O3-8h濃度值為優(yōu)的幾率在70%以上；在紫外輻射強度處于15W/m2至30W/m2之間時，鹽邊縣城區(qū)日O3-8h濃度值為優(yōu)的幾率均在85%左右，攀枝花市區(qū)日O3-8h濃度值為優(yōu)的幾率在60%左右，且均有1%左右?guī)茁食霈F(xiàn)日O3-8h濃度值超標，形成O3污染；當紫外輻射強度大于30W/m2時，日O3-8h濃度值為優(yōu)的幾率急劇下降，攀枝花市區(qū)降到了11.6%，鹽邊縣城區(qū)下降到了42.9%，O3污染的幾率上升至5～8%。

使用SPSS軟件，對攀枝花市區(qū)和鹽邊縣城區(qū)2017年～2019年日紫外輻射強度等級與O3-8h濃度值相關性進行統(tǒng)計，統(tǒng)計結果見表4。

表4 日紫外輻射強度等級與O3-8h濃度值相關性統(tǒng)計表Tab.4 statistical table of correlation between daily UV radiation intensity level and O3-8h concentration value

根據(jù)表4可見，紫外輻射強度等級與O3-8h濃度通過0.01顯著水平(雙側)檢驗，但相關性處于弱相關至中等程度相關之間，可以在一定程度上預判O3污染幾率。相關性弱的原因可能是我國氣象行業(yè)發(fā)布的紫外線輻射強度測量波長范圍并未全覆蓋NO2光解波長范圍。氣象行業(yè)發(fā)布的紫外線輻射強度為白天正午前后(一般為10∶00～14∶00)觀測到地面水平面上接受波長范圍280～400nm的太陽直接輻射量和太陽散射輻射量總和的最大值[7]。而事實上，波長小于700nm的光量子均可能引起光化學反應，NO2在日光照射下發(fā)生光解反應最終形成O3是O3在大氣中主要的化學反應來源[8]。而根據(jù)魏合理，龔知本，馬志軍，等人對NO2紫外和可見光譜吸收截面測量，NO2在250～700nm波段都有吸收，差分吸收截面最大的渡段在400～450nm范圍[9]。在下一步的工作中，為更加準確判斷太陽輻射與O3濃度之間的關系，建議在開展O3監(jiān)測的同時，增加波長小于700nm的太陽總輻射強度測量。

2.2.3 臭氧污染與日最大溫度

根據(jù)天氣網(wǎng)記錄發(fā)布的歷史天氣日最高氣溫，將2017～2019年攀枝花市區(qū)和鹽邊縣城區(qū)日O3-8h濃度值進行統(tǒng)計分類，用WPS表格繪制兩者關系散點圖，其分布情況見圖8。

圖8 攀枝花和鹽邊縣不同溫度下O3-8h濃度分布情況Fig.8 Distribution of O3-8h concentration at different temperatures in Panzhihua and Yanbian County

根據(jù)圖8可知，將攀枝花城區(qū)和鹽邊縣城區(qū)各日最高氣溫值對應的日O3-8h濃度最大值頂點連線，各圖均呈現(xiàn)一條隨最大氣溫上升的O3-8h濃度值曲線，日O3-8h濃度最大值隨著氣溫的升高而升高，頂點均出現(xiàn)在35℃左右，然后隨著溫度的升高日O3-8h濃度最大值呈下降趨勢。根據(jù)臭氧散點分布情況，當日最高氣溫值在29℃～36℃之間時出現(xiàn)日O3-8h濃度值超標的現(xiàn)象，在日最高氣溫值在低于29℃和高于36℃時日O3-8h濃度值均未出現(xiàn)超標現(xiàn)象。

2.2.4 臭氧污染與風向

根據(jù)天氣網(wǎng)記錄發(fā)布的歷史天氣主導風向，將2017～2019年攀枝花市區(qū)和鹽邊縣城區(qū)日O3-8h濃度值進行統(tǒng)計分類，用WPS表格繪制兩者關系散點圖，其分布情況見圖9。根據(jù)散點圖10可見，當出現(xiàn)日O3-8h濃度值超標時，攀枝花市區(qū)主導風向分別為西北風、西南風和東南風，各風向占比分別為55.6%、33.3%和11.1%；鹽邊縣城區(qū)主導風向分別為西南風、東南風、東北風和南風，各風向占比分別為44.4%、22.2%、22.2%和11.1%。當出現(xiàn)日O3-8h濃度值為良時，攀枝花市區(qū)主導風向占比前三的風向分別為西南風、東南風和西北風，各風向占比分別為26.7%、21.1%和16.4%；鹽邊縣城區(qū)主導風向占比前三的風向分別為東南風、東北風和西南風南風，各風向占比分別為23.6%、22.8%和20.3%。

圖9 攀枝花和鹽邊縣不同風向下日O3-8h濃度值分布情況Fig.9 Distribution of daily O3-8h concentration in different wind directions of Panzhihua and Yanbian County

根據(jù)攀枝花市區(qū)和鹽邊縣城區(qū)臭氧污染主導風向，結合地區(qū)地形圖，繪制攀枝花地區(qū)地形及布置和污染主導風向圖，如圖10。

圖10 攀枝花地區(qū)地形及布置和污染主導風向影響示意圖Fig.10 Topography and layout of Panzhihua area and influence of pollution dominant wind direction

3 結 論

3.1 攀枝花市區(qū)和鹽邊縣城區(qū)O3污染對環(huán)境空氣質量影響較大，O3輕度污染的天數(shù)逐年增加，有繼續(xù)增加的趨勢。兩地春、夏季較易出現(xiàn)IAQIO3高于100的天數(shù)，秋季IAQIO3趨于平穩(wěn)，冬季IAQIO3基本保持在50以下，兩地各季度IAQIO3有強正相關性。

3.2 攀枝花地區(qū)春季O3濃度持續(xù)高值時數(shù)最多，夏季O3濃度持續(xù)高值影響時數(shù)次之，秋、冬季O3濃度持續(xù)高值時數(shù)最少。秋、冬季節(jié)夜間O3小時平均濃度鹽邊縣城區(qū)較攀枝花市區(qū)偏高，晝間O3小時平均濃度值相當，而春、夏季節(jié)夜間O3小時平均濃度值鹽邊縣區(qū)較攀枝花市區(qū)相當，晝間O3小時平均濃度值偏低。

3.3 攀枝花市區(qū)和鹽邊縣城區(qū)日O3-8h濃度值較高的天數(shù)幾率隨紫外輻射強度增強而上升，在紫外輻射強度小于15W/m2時，不會出現(xiàn)日O3-8h濃度值超標現(xiàn)象；在紫外輻射強度處于15W/m2至30W/m2之間時，有1%幾率出現(xiàn)日O3-8h濃度值超標，形成O3污染；當紫外輻射強度大于30W/m2時，O3污染的幾率上升至5%～8%。

3.4 攀枝花市區(qū)和鹽邊縣城區(qū)O3-8h濃度污染易發(fā)生在最高日氣溫值29℃～36℃之間時，在日最高氣溫值在低于29℃和高于36℃時O3-8h濃度均未出現(xiàn)O3-8h濃度超標的現(xiàn)象。

3.5 根據(jù)不同風向下O3-8h濃度最大值分布情況，攀枝花市區(qū)O3污染受西向氣流影響最重，鹽邊城區(qū)O3污染受南向氣流影響最重，主要是攀枝花市區(qū)污染物隨風向擴散所致，鹽邊縣若要進行O3污染防治，除減少本地O3前體物的排放外，還需攀枝花市協(xié)同開展相關防治工作。