宜昌市山區(qū)縣臭氧時空分布規(guī)律研究

湯維敏 周訓(xùn)宇 張帥 汪萬軍 張娟 萬一里

摘? 要：近地面臭氧是環(huán)境空氣污染的典型次生污染物，是重要的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測對象。通過監(jiān)測宜昌市5個山區(qū)縣與3個平原縣2017—2021年臭氧濃度，分析臭氧隨年、季度、月、日變化，總結(jié)臭氧時空分布規(guī)律，以期對宜昌市及類似區(qū)域臭氧污染防控提供參考。

關(guān)鍵詞：臭氧；宜昌市；山區(qū)縣；時空分布；污染防控

中圖分類號：X703? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）10-0098-04

Abstract： Near-surface ozone is a typical secondary pollutant of ambient air pollution and an important ecological monitoring object. By monitoring the ozone concentrations in five mountainous counties and three plain counties of Yichang City from 2017 to 2021， the annual， quarterly， monthly and daily changes of ozone were analyzed， and the temporal and spatial distribution of ozone was summarized， in order to provide reference for the prevention and control of ozone pollution in Yichang and other areas with the same situations.

Keywords： ozone; Yichang City; mountainous county; spatio-temporal distribution; pollution prevention and control

臭氧主要由氮氧化物、一氧化碳和揮發(fā)性有機(jī)物等在陽光下發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)生成，屬于強(qiáng)氧化劑，達(dá)到一定濃度后會對人體健康、農(nóng)作物生長、生態(tài)環(huán)境、城市建筑等造成極大危害[1-2]。20世紀(jì)40年代美國洛杉磯發(fā)生了最早的臭氧污染事件，之后西方發(fā)達(dá)地區(qū)和國家如歐洲、澳大利亞、日本等都出現(xiàn)了這種污染空氣的現(xiàn)象[3]。在防治臭氧污染方面歐美國家的實踐工作起步較早，歐美國家率先開展對臭氧污染防治的研究并開展監(jiān)測，在臭氧監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、標(biāo)準(zhǔn)制定、防治組織建立、環(huán)保政策制定執(zhí)行和評估等方面積累了大量有益的經(jīng)驗，對我國臭氧污染的科學(xué)應(yīng)對和防治具有較強(qiáng)的借鑒意義[4]。

近年來，我國對于近地面臭氧污染分析和防治工作越發(fā)重視，專家學(xué)者針對大型城市群開展了臭氧分析工作[5-7]。據(jù)報道，全國339個地級及以上城市2017年至2021年以臭氧為首要污染物的超標(biāo)天數(shù)比例分別為7.6%、8.4%、7.6%、4.9%和4.4%，2021年臭氧的超標(biāo)天數(shù)占總超標(biāo)天數(shù)的34.7%。為進(jìn)一步加強(qiáng)臭氧污染防控，研究區(qū)域性長時間臭氧時空分布規(guī)律十分有必要[8-10]。根據(jù)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，近幾年宜昌市近地面臭氧呈現(xiàn)出逐步上升的趨勢，成為了制約空氣質(zhì)量持續(xù)改善的重要因素[11]。本文主要研究宜昌市山區(qū)縣及平原縣區(qū)域長時間臭氧時空分布規(guī)律，以期發(fā)現(xiàn)山區(qū)縣與平原縣變化規(guī)律差別，為臭氧污染控制提供參考。

1? 材料與方法

1.1? 監(jiān)測點位

宜昌位于長江中上游結(jié)合部，地處鄂西山區(qū)與江漢平原交匯過渡地帶。山區(qū)占67.4%，丘陵占22.7%，平原占9.9%。宜昌地形復(fù)雜，高低相差懸殊，山區(qū)、丘陵、平原兼有。地勢自西北向東南傾斜。西部的興山、秭歸、長陽、五峰為山區(qū)，當(dāng)陽、遠(yuǎn)安、宜都等縣為丘陵，長江、清江和沮漳河交匯兩側(cè)的枝江、當(dāng)陽、宜都等縣的部分區(qū)域為平原。根據(jù)監(jiān)測站點所在位置，本文界定五峰、興山、遠(yuǎn)安、秭歸和長陽站點為山區(qū)站點，宜都、當(dāng)陽、枝江為平原區(qū)站點。各點位信息見表1。

1.2? 儀器設(shè)備

環(huán)境空氣自動監(jiān)測點位臭氧監(jiān)測使用儀器分別為美國熱電、武漢天虹臭氧分析儀，校準(zhǔn)儀器為武漢天虹的零氣發(fā)生器、儀器標(biāo)定動態(tài)氣體發(fā)生器，測量原理均為紫外吸收法，采樣頻率為24 h連續(xù)自動監(jiān)測，選擇的采樣周期為2017—2021年全年。臭氧分析儀每年定期由采購的有資質(zhì)的第三方進(jìn)行儀器校準(zhǔn)和溯源。

1.3? 分析方法

根據(jù)GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》和HJ 663—2013《環(huán)境空氣質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范（試行）》的相關(guān)規(guī)定，本文將日最大8 h滑動平均（MDA8）超過160 μg/m3定義為一個O3污染日。按照HJ 633—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）》的相關(guān)要求，依據(jù)MDA8，將空氣質(zhì)量劃分為5個級別：優(yōu)（0～100 ？滋g/m3）、良（101～160 ？滋g/m3）、輕度污染（161～215 ？滋g/m3）、中度污染（216～265 ？滋g/m3）、重度污染（266～800 ？滋g/m3）[5]。

2? 臭氧的時空分布特征

2.1? 各縣臭氧作為首要污染物的天數(shù)

對2017—2021年11個站點臭氧作為首要污染物天數(shù)分別進(jìn)行統(tǒng)計，并將五峰、興山、遠(yuǎn)安、秭歸和長陽5個站點數(shù)據(jù)作為山區(qū)縣總體分析，宜都、當(dāng)陽、枝江等6個站點數(shù)據(jù)作為平原縣總體分析（見表2）。結(jié)果顯示，從年度來看，山區(qū)縣及平原縣2019年臭氧為首要污染物天數(shù)均相對其他年份大幅上升，而平原縣2017年天數(shù)最少，山區(qū)縣2018年天數(shù)最少。平原縣6個站點除了輕度污染以外，均有中度污染天數(shù)，而山區(qū)縣均未發(fā)生臭氧中度污染天氣。從空間來看，宜都市楊守敬大道站超標(biāo)天數(shù)最多，興山縣豐邑大道站無超標(biāo)天數(shù)。

2.2? 臭氧濃度的年度變化情況

將2017—2021年11個站點的MDA8按年度進(jìn)行統(tǒng)計分析（如圖1所示，每一年份的柱狀圖從左至右依次為宜都市園林大道站、宜都市楊守敬大道站、當(dāng)陽市友誼路站、枝江市體育路站、枝江市江漢大道站、當(dāng)陽市錦屏大道站、平原縣均值、山區(qū)縣均值、五峰縣西北路站、長陽縣東峰嶺路站、興山縣豐邑大道站、秭歸縣屈原路站和遠(yuǎn)安縣嫘祖路站），按照HJ 633—2013《環(huán)境空氣質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范（試行）》中的評價方法，全年MDA8的第90百分位數(shù)為年評價值。從年度變化趨勢來看，整體呈現(xiàn)出2017—2019年逐年上升，2020年及2021年略微下降的趨勢。結(jié)果顯示，從空間變化趨勢來看，各個站點按濃度從低到高分別為興山縣、五峰縣、秭歸縣、遠(yuǎn)安縣、長陽縣、當(dāng)陽市、枝江市和宜都市，表現(xiàn)出山區(qū)縣濃度整體低于平原縣的情況。在山區(qū)縣中，興山縣5年濃度均值為95 ？滋g/m3，濃度明顯低于其他縣域。其次為五峰縣、秭歸縣，5年濃度均值分別為119、123 ？滋g/m3，第三梯隊為遠(yuǎn)安縣、長陽縣、當(dāng)陽市、枝江市和宜都市，5年濃度均值分別為135、137、138、140和143 ？滋g/m3。

2.3? 臭氧濃度季度變化特征

將2017—2021年MDA8按月季度進(jìn)行統(tǒng)計分析（圖2），結(jié)果顯示，所有縣域主要呈現(xiàn)出二季度＞三季度＞一季度＞四季度的趨勢。將興山縣、五峰縣、秭歸縣、遠(yuǎn)安縣和長陽縣5個站點作為山區(qū)縣總體分析，將陽市、枝江市、宜都市等6個站點作為平原縣總體分析，發(fā)現(xiàn)山區(qū)縣總體濃度低于平原縣，且對于山區(qū)縣而言，四季度明顯低于一季度，二季度與三季度相差幅度大于平原縣，而對平原縣來說，二、三季度濃度值比較接近，一、四季度相差較小。

圖2? 2017—2021年各站臭氧季度變化

2.4? 臭氧濃度月度變化特征

將2017—2021年MDA8按月進(jìn)行統(tǒng)計分析，并且將山區(qū)縣、平原縣分別進(jìn)行總體統(tǒng)計（圖3）。結(jié)果顯示，各縣域月均濃度變化主要呈“M”型雙峰值變化，這與湖北省或南方許多地方的趨勢基本一致。一般在1—5月臭氧濃度隨溫度的升高而升高，第一個峰值出現(xiàn)在6月，受季風(fēng)氣候影響7月進(jìn)入梅雨季節(jié)，降雨量增加，導(dǎo)致7月臭氧濃度出現(xiàn)明顯下降，8—9月臭氧濃度開始上升，達(dá)到第二個峰值，之后隨著溫度的降低而降低?？傮w來看，臭氧濃度高值主要集中在4—9月。

圖3? 2017—2021年各區(qū)縣臭氧月度變化

2.5? 臭氧濃度日變化特征

將2017—2021年山區(qū)縣站點（秭歸縣屈原路站、長陽縣東峰嶺路站、遠(yuǎn)安縣嫘祖路站、興山縣豐邑大道站、五峰縣西北路站）、平原縣站點（宜都市園林大道站、宜都市楊守敬大道站、枝江市江漢大道站、枝江市體育路站、當(dāng)陽市友誼路站和當(dāng)陽市錦屏大道站）的臭氧小時濃度按各時刻進(jìn)行匯總?cè)【担▓D4和圖5）。結(jié)果顯示，山區(qū)縣站點和平原縣站點呈現(xiàn)出相同的單峰型，從早上7時或8時隨著氣溫、太陽輻射強(qiáng)度的增加、人為活動的增多而開始迅速上升，于15時或16時達(dá)到最高峰值，隨著輻射強(qiáng)度以及溫度的下降，臭氧濃度開始下降，直至次日7時或8時再次達(dá)到最低值。同時，低值區(qū)間各年度都比較相近，而高值區(qū)間卻相差較大。

3? 結(jié)論

通過分析宜昌市5個山區(qū)縣與3個平原縣2017—2021年臭氧濃度年、季度、月、日變化，發(fā)現(xiàn)山區(qū)縣臭氧年均濃度整體低于平原縣，季度規(guī)律呈現(xiàn)出二季度＞三季度＞一季度＞四季度的趨勢；月均濃度變化主要呈“M”型雙峰值變化，峰值主要在6月及9月；日變化均呈現(xiàn)出相同的單峰型。

圖4? 2017—2021年山區(qū)縣臭氧濃度日變化

圖5? 2017—2021年平原縣臭氧濃度日變化

參考文獻(xiàn)：

[1] 明小燕，李燕，楊勇，等.宜昌市臭氧對人群死亡急性效應(yīng)[J].環(huán)境衛(wèi)生學(xué)雜志，2018，8（5）：423-428.

[2] 陳仁杰，陳秉衡，闞海東.上海市近地面臭氧污染的健康影響評價[J].中國環(huán)境科學(xué)，2010（5）：603-608.

[3] 林麗欽，陳婧瑜，吳明言，等.2017-2018年閩近地面臭氧污染對人群健康的影響[J].福建醫(yī)藥雜志，2020，42（1）：141-145.

[4] 陳浪，趙川，關(guān)茗洋，等.我國大氣臭氧污染現(xiàn)狀及人群健康影響[J].環(huán)境與職業(yè)醫(yī)學(xué)，2017，34（11）：1025-1030.

[5] 裴軒，毛節(jié)泰，李建國，等.大氣物理學(xué)[M].2版.北京：北京大學(xué)出版社，2013.

[6] 孔琴心，劉廣仁，李桂忱.近地面臭氧濃度變化及其對人體健康的可能影響[J].氣候與環(huán)境研究，1999，4（1）：63-65.

[7] 王春乙，白月明，鄭昌玲，等.CO2和O3濃度倍增對作物影響的研究進(jìn)展[J].氣象學(xué)報，2004，62（5）：875-878．

[8] 李會，于躍芹.臭氧的基礎(chǔ)研究及應(yīng)用進(jìn)展[J].廣州化工，2009， 37（7）：12-14

[9] 任萬輝.沈陽地區(qū)臭氧污染日時空變化特征及天氣分型研究[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2021，37（4）：75-82.

[10] 張淼，丁椿，李彥，等.山東省O3時空分布及影響因素分析[J].環(huán)境科學(xué)，2021，42（12）：5723-5735.

[11] 衛(wèi)尤文.安徽省臭氧污染形成機(jī)制與改善路徑研究[D].合肥：合肥學(xué)院，2020.