瀘州市臭氧污染特征分析

譚 捷,杜 濤,閆海全,何仁江

(1.四川省瀘州生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，四川 瀘州 646000；2.西南醫(yī)科大學(xué) 公共衛(wèi)生學(xué)院，四川 瀘州 646000)

前 言

O3是天然大氣中重要的微量成分，約90%的O3分布在平流層中[1]，起到抵擋紫外輻射、保護(hù)地表生物的作用。近地層(距地面1～2km)O3大部分是由氮氧化物(NOX)和可揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)在陽(yáng)光照下，經(jīng)過一系列復(fù)雜的光化學(xué)反應(yīng)生成，如果近地層O3超過一定濃度，則會(huì)對(duì)人類和動(dòng)植物健康產(chǎn)生危害[2～4]。我國(guó)的O3污染問題日益突出，部分地區(qū)的O3甚至有取代顆粒物成為首要污染物的趨勢(shì)[5]。然而，大量的O3觀測(cè)研究主要集中在經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的長(zhǎng)江三角洲、珠江三角洲和京津冀地區(qū)，在經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)的川南地區(qū)卻鮮有報(bào)道。瀘州市地處四川省東南部，近年來隨著城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的不斷推進(jìn)，瀘州市面臨的O3污染問題日益突出，O3已經(jīng)成為僅次于PM2.5外的第二大污染物，為減緩O3污染對(duì)瀘州市人體健康和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的負(fù)面影響，研究該地區(qū)O3污染特征及其影響因素變得尤為重要。本文基于2017～2019年環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)瀘州市環(huán)境空氣中O3污染的時(shí)間分布和污染特征進(jìn)行研究，為政府制定O3防治決策提供理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文涉及的O3和NO2的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為瀘州市主城區(qū)4個(gè)國(guó)控監(jiān)測(cè)點(diǎn)，即蘭田憲橋、小市上碼頭、市環(huán)監(jiān)站和九獅山(對(duì)照點(diǎn))2017年至2019年的自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。瀘州市地面氣溫?cái)?shù)據(jù)由天氣后報(bào)網(wǎng)址(www.tianqihoubao.com)提供，本文采用2017～2019年期間瀘州市日最高氣溫?cái)?shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

利用Origin2017進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、相關(guān)性分析及相關(guān)圖形的繪制。

2 結(jié)果與討論

2.1 年變化與日變化

2017～2019年瀘州市O3-8h第90百分位濃度及月超標(biāo)情況見表1和圖1所示。由表1和圖1可知，2017～2019年瀘州市O3-8h第90百分位濃度值分別為134、139、147μg/m3，O3濃度逐年上升，O3超標(biāo)天數(shù)分別為10、13、25天，超標(biāo)天數(shù)逐年增加。

表1 2017～2019年瀘州市O3-8h第90百分位濃度及月超標(biāo)情況Tab.1 The 90th percentile concentration of O3-8h and its monthly exceeding standard in Luzhou from 2017 to 2019

圖1 2017～2019年瀘州市O3-8h第90 百分位濃度年變化曲線Fig.1 Annual concentration variation curve of the 90th percentile concentration of O3-8h in Luzhou from 2017 to 2019

圖2為2017～2019年瀘州市各首要污染物造成的污染天數(shù)占總污染天數(shù)的百分比，分析得出2017～2019年O3作為首要污染物的比例分別為14.3%、30.2%、42.4%，占比呈明顯上升趨勢(shì)。

圖2 各首要污染物造成的污染天數(shù)占總污染天數(shù)的百分比Fig.2 Percentage of pollution days caused by each primary pollutant in total pollution days

圖3為2017～2019年瀘州市各月O3日最大8小時(shí)均值分布圖，由于4月至9月是瀘州市整體氣溫較高、光輻射較強(qiáng)、光輻射時(shí)間較長(zhǎng)的時(shí)段，因此該時(shí)段內(nèi)O3濃度較其他月份有所升高。以O(shè)3日最大8小時(shí)均值持續(xù)快速上升且連續(xù)3天超過100μg/m3作為O3污染季節(jié)的開始時(shí)間，以O(shè)3日最大8小時(shí)均值持續(xù)快速下降且不出現(xiàn)連續(xù)3天超過100μg/m3作為O3污染季節(jié)的結(jié)束時(shí)間[6]，統(tǒng)計(jì)得出2017年瀘州市O3污染季節(jié)起止時(shí)間為4月6日至9月15日(總計(jì)164天)，2018年瀘州市O3污染季節(jié)起止時(shí)間為3月13日至9月6日(總計(jì)178天)，2019年瀘州市O3污染季節(jié)起止時(shí)間為3月10日至10月3日(總計(jì)208天)。以O(shè)3日最大8小時(shí)均值大于160μg/m3記為O3超標(biāo)，2017年首次出現(xiàn)O3超標(biāo)的日期是5月19日，O3日最大8小時(shí)均值最大出現(xiàn)在7月11日，濃度為201μg/m3；2018年首次出現(xiàn)O3超標(biāo)的日期是5月14日，O3日最大8小時(shí)均值最大出現(xiàn)在6月7日，濃度為228μg/m3；2019年首次出現(xiàn)O3超標(biāo)的日期是4月7日，O3日最大8小時(shí)均值最大出現(xiàn)在8月17日，濃度為249μg/m3。從以上結(jié)果可知，2017～2019年瀘州市O3污染開始時(shí)間有提前的趨勢(shì)，O3污染季節(jié)持續(xù)時(shí)間逐年增長(zhǎng)，O3污染濃度逐年增大。

圖3 2017～2019年瀘州市各月O3日最大8小時(shí)均值分布趨勢(shì)Fig.3 The trend of maximum 8-hour mean distribution of monthly O3 in Luzhou from 2017 to 2019

圖4為瀘州市各月份O3濃度日變化曲線，分析得出各月份O3的日變化趨勢(shì)類似，夜間光化學(xué)反應(yīng)較弱，O3生成速度慢，加上一氧化氮(NO)的消耗和地面沉積作用[7-8]，O3濃度呈下降趨勢(shì)。7:00～9:00伴隨早高峰的到來，機(jī)動(dòng)車排放的NO不斷消耗O3，而此時(shí)段太陽(yáng)輻射較弱，O3的消耗速度大于生成速度，因此O3濃度在該時(shí)段達(dá)到最低值；9:00之后隨著太陽(yáng)輻射增強(qiáng)，溫度升高，O3生成速度大于消耗速度，O3濃度開始持續(xù)升高，15:00～17:00達(dá)到最大值。隨后由于太陽(yáng)輻射減弱，溫度降低，O3濃度開始慢慢降低。從各月O3濃度日變化曲線可以看出，1～3月和10～12月兩個(gè)時(shí)段，O3濃度在9:00左右達(dá)到最低值，而5～9月O3濃度在8:00左右達(dá)到最低值，原因是1～3月和10～12月的日出時(shí)間較晚，太陽(yáng)輻射在9:00之后對(duì)O3累積有利；而5～9月日出時(shí)間提前，太陽(yáng)輻射在8:00之后便有利于O3的累積。

圖4 2017～2019年瀘州市1～12月份O3濃度日變化曲線Fig.4 Daily variation curve of O3 concentration from January to December in Luzhou from 2017 to 2019

2.2 O3和NO2相關(guān)性分析

圖5所示，從整體趨勢(shì)看，一年中隨著4～8月份O3濃度的緩慢升高，NO2濃度有所降低。對(duì)2017～2019年瀘州市各季節(jié)及全年O3小時(shí)濃度均值與NO2小時(shí)濃度均值進(jìn)行pearson相關(guān)性分析，得出O3小時(shí)濃度均值與NO2小時(shí)濃度均值均為負(fù)相關(guān)[9]，具體相關(guān)系數(shù)見表2?？傮w來看，2017～2019年瀘州市O3濃度與NO2濃度并無明顯的季節(jié)變化趨勢(shì)，主要原因是不同年份的各季節(jié)氣候、太陽(yáng)輻射等因素差異較大，無法做系統(tǒng)性對(duì)比，但從2017～2019年全年的O3濃度與NO2濃度相關(guān)系數(shù)比對(duì)可以看出，O3濃度與NO2濃度相關(guān)性呈逐年上升趨勢(shì)，NO2對(duì)O3的影響逐年增強(qiáng)。

表2 2017～2019年瀘州市各季節(jié)中O3小時(shí)濃度均值與NO2小時(shí)濃度均值相關(guān)性系數(shù)Tab.2 Correlation coefficient of mean hourly concentration of O3 and mean hourly concentration of NO2 in Luzhou in each season during 2017～2019

圖5 2017～2019年瀘州市O3日最大8小時(shí)均值與NO2濃度變化趨勢(shì)Fig.5 Daily variation trend of O3 maximum 8-hour mean and daily maximum temperature in Luzhou from 2017 to 2019

2.3 O3和溫度相關(guān)性分析

O3濃度變化在很大程度上受太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化的影響，而溫度又與太陽(yáng)輻射變化有一定的相關(guān)性[10-11]，因此，分析溫度變化對(duì)O3濃度的影響非常必要。圖6給出了瀘州市2017～2019年O3日最大8小時(shí)均值與日最高氣溫的逐日變化趨勢(shì)，從圖中可以看出，O3濃度總體隨著溫度的升高而升高。對(duì)O3與日最高氣溫進(jìn)行pearson相關(guān)性分析，2017～2019年瀘州市O3日最大8小時(shí)均值與日最高氣溫的pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.789、0.823和0.796，表明O3與日最高氣溫呈明顯的正相關(guān)[12]。

圖6 2017～2019年瀘州市O3日最大8小時(shí)均值與日最高氣溫的逐日變化趨勢(shì)Fig.6 The mean value of the maximum 8-hour O3 day in Luzhou from 2017 to 2019 diurnal trend of daily maximum temperature

3 結(jié) 論

3.1 2017～2019年瀘州市O3-8h第90百分位濃度值分別為134、139、147μg/m3，最高值分別為201、228、249μg/m3，O3污染情況逐年加重，O3污染季節(jié)提前，污染季節(jié)持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)。從日變化來看，O3變化曲線顯示出“單峰”型分布特征，一般在15:00～17:00達(dá)到最大值。

3.2 O3與前體物NO2呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與日最高溫度呈正相關(guān)關(guān)系。NO2對(duì)O3的影響作用逐年增大。

3.3 跟據(jù)臭氧污染特征，控制臭氧前體物排放，對(duì)本地區(qū)臭氧防治工作至關(guān)重要，同時(shí)建議瀘州市建立大氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)組分站，監(jiān)測(cè)本地其他O3前體物數(shù)據(jù)，為O3防控提供數(shù)據(jù)支撐。