盐城市大丰区臭氧污染特征及影响因素分析

赵玉敏

(盐城市大丰生态环境监测站，江苏 盐城 224100)

1 引言

臭氧是一种较强的氧化剂。自然界中的雷雨放电可以使氧气转化为臭氧；弧光放电也可以产生臭氧；人类活动，如汽车尾气的排放、工业污染气体的排放，所产生的氮氧化物和碳氢化合物等一次污染物在阳光作用下，发生光化学反应，所生成的二次污染物中也含有臭氧[1]。臭氧能有效阻挡紫外线，在一定程度上保护人类健康。但臭氧具有强烈的刺激性，人体吸入过量臭氧时，会对呼吸道和肺部造成严重伤害，甚至会扰乱中枢神经。此外，臭氧浓度的升高还会影响植物的生长，造成农作物减产[2]。近年来，随着我国工业化和城镇化进程加快，排放到大气中的臭氧前体物如挥发性有机物(VOCs)、氮氧化物(NOx)等在不断增加，臭氧污染也日益严重。根据盐城市大丰区2020年1月至2021年2月空气自动站的臭氧监测数据，对大丰区臭氧污染特征及其影响因素进行了分析，以期为当地臭氧污染的防治工作提供参考。

2 盐城市大丰区2020年臭氧污染状况

经统计，2020年盐城市大丰区大丰高级中学站和创意产业园站两个空气自动站站点的臭氧监测数据满足《环境空气质量评价技术规范(试行)》(HJ633-2013)中关于数据统计的有效性规定。根据两个站点的监测数据，2020年盐城市大丰区臭氧日最大8 h滑动平均值(MAD8)年均值为105 μg/m3，臭氧MAD8的第90百分位数为155 μg/m3，超标率为8.5%。2020年盐城市大丰区的污染天数为54 d，其中以臭氧为首要污染物的污染天数为31 d，占总污染天数的一半以上，为57.4%。

3 臭氧浓度的时空分布特征

3.1 时间变化特征

3.1.1 月变化特征

以臭氧日最大8 h滑动平均值(MAD8)月均值和每月臭氧MAD8的第90百分位数为考察对象，分析大丰区2020年臭氧浓度随月份变化的情况。结果如图1所示，臭氧MAD8和臭氧MAD8的第90百分位数的变化趋势一致。1～4月份臭氧浓度不断升高，4～6月份臭氧浓度均较高，7月份则有一次明显的回落，出现了一个低谷，8月份又开始回升，9月份又达到了一个峰值，10月份起又明显回落，呈下降趋势，直至12月份达到最低值。1～6月份期间，气温不断上升，日照时长和强度也增大，有利于臭氧的生成和累积，臭氧浓度也呈现出不断增大的趋势。由于地处江淮流域，大丰区 6月中、下旬到7月上、中旬处于梅雨天气。大量降雨不仅减弱了太阳辐射，而且对大气中臭氧的前体物有湿清除作用，这使得臭氧浓度在7月份出现了一个低谷。雨季过后，8月份臭氧浓度开始回升。而9～12月份，日照时长逐渐变短，气温不断下降，臭氧浓度也随之降低。

图1 2020年盐城市大丰区臭氧浓度月变化情况

3.1.2 季节变化特征

对2020年3月至2021年2月的12个月份进行季节划分，即3～5月为春季；6～8月为夏季；9～11月为秋季；10月至次年2月为冬季。大丰区臭氧MAD8各季节均值和各季节臭氧MAD8的第90百分位数浓度值呈现出明显的季节性变化特征，且二者变化趋势一致，为春季>夏季>秋季>冬季。春夏两季日照时间较长，气温较高，秋季日照时间缩短，气温也开始下降，冬季日照最少且气温最低，因而春夏两季的臭氧浓度较高，冬季最低。与春季相比，夏季雨天较多，缩短了日照时长，降雨的湿清除作用也不利于臭氧的生成和累积，导致臭氧浓度偏低[3]。这也是夏季的气温和日照强度均高于春季，而臭氧的平均浓度却低于春季的主要原因(图2)。

图2 2020年3月至2021年2月盐城市大丰区各季节臭氧浓度情况

3.1.3 日变化特征

取全年每一天同一时刻的臭氧小时浓度均值为该时刻的臭氧浓度，分析臭氧浓度的日变化特征，结果如图3所示。大丰区2020年度两站点臭氧浓度日变化情况完全一致，呈现出显著的单峰形特征[4]。臭氧浓度在昼间较高，在夜间较低。1:00～6:00臭氧浓度呈逐渐下降的趋势，6:00达到最低值。6:00后人类活动逐渐增加，排入到大气中的臭氧前体物增多，太阳辐射逐渐增强，同时伴随着气温的升高，光化学反应越来越激烈，臭氧的生成和累积较多，浓度开始逐渐上升，至14:00达到峰值。此后至24:00，太阳辐射强度逐渐减弱，气温不断降低，人类活动也慢慢减少，臭氧浓度呈现出下降趋势。

图3 2020年盐城市大丰区臭氧浓度日变化情况

3.2 空间分布特征

如图3所示，从2020年盐城市大丰区全年臭氧小时均值来看，大丰高级中学站整体上高于创意产业园站。与创意产业园站所处区域相比，大丰高级中学站周边区域生活小区和学校较为密集，人类活动频繁，车流量较大，排放到大气中的臭氧前体物也较多。此外，由于“城市热岛效应”，大丰高级中学站所处区域的气温会略高于创意产业园站。这些条件都有利于臭氧的生成和积累，因而会导致臭氧浓度偏高。而创意产业园站远离“闹市”，周边生活设施较少，车流量少，且空气流通较好，对臭氧有一定的稀释作用，因而臭氧浓度会偏低。

4 臭氧影响因素分析

4.1 二氧化氮的影响

图4为2020年盐城市大丰区某日二氧化氮与臭氧小时浓度的变化趋势。二氧化氮与臭氧浓度的变化整体上呈现出完全相反的趋势。这是因为大气中的二氧化氮在光照的条件下能光解生成臭氧，二者是反应物与生成物的关系，因而呈现出“此消彼长”的变化趋势[5]。1:00～6:00由于太阳辐射较弱，光化学反应不强烈，臭氧的生成和积累速率很低，因而浓度呈下降趋势。同时二氧化氮不断积累，浓度逐渐增大。6:00～10:00，随着人类活动的增加，如机动车尾气和工业废气的排放，大气中的二氧化氮增多，但太阳辐射强度也不断增强，光化学反应越来越激烈，二氧化氮的消耗量大于排放量，导致二氧化氮浓度降低。而臭氧的生成速率增大，积累得越来越多，浓度大幅增加。10:00～14:00，二氧化氮浓度达到最低值，臭氧浓度逐渐增大达到最大值。14:00～18:00随着太阳辐射逐渐减弱，臭氧浓度不断降低，二氧化氮浓度不断升高至18:00达到最大值，18:00后由于人类活动的减少，二氧化氮的排放量减少，浓度开始下降，而后又慢慢积累，浓度开始增大。臭氧浓度的变化趋势则相反。二氧化氮与臭氧浓度呈显著的负相关关系。

图4 二氧化氮与臭氧小时浓度变化趋势

4.2 气象因素的影响

4.2.1 温度的影响

温度是影响臭氧浓度的重要因素。如图5所示，1:00～24:00臭氧浓度与温度的变化趋势一致。1:00～5:00随着气温的降低，臭氧浓度也变小；6:00～11:00气温不断上升，臭氧浓度也随之增大。12:00～15:00为一天中气温最高的时段，臭氧浓度也在此时段达到一天中的最大值。15:00以后至24:00，气温逐渐下降，臭氧浓度也相应呈下降趋势。又如图1，1～6月份期间，气温不断上升，臭氧浓度也呈现出不断增大的趋势；9～12月份期间，气温不断下降，臭氧浓度也随之不断降低。且臭氧浓度均值和高分位值(臭氧MAD8的第90百分位数)的3个峰值，浓度分别为173.5 μg/m3、180 μg/m3和176 μg/m3，分别出现在4月份、6月份和9月份，均为气温较高的月份。此外，臭氧浓度超标的天数中，有93.5%出现在4～9月份。而臭氧浓度的最低值则出现在气温最低的12月份。由此可见，温度的升高对臭氧浓度增加的作用较为明显。臭氧浓度与温度为正相关关系，且相关性较大。这是因为温度会影响生成臭氧的光化学反应效率，温度高时，光化学反应剧烈，臭氧的生成速率也会加快，臭氧的浓度就会增加[5～7]。

4.2.2 相对湿度的影响

选取相对湿度变化较明显的某日，对该日臭氧浓度的小时均值进行分析，结果如图6所示。一天之中，臭氧浓度的变化呈现出与相对湿度变化完全相反的趋势，这说明臭氧浓度与相对湿度负相关。相对湿度的增大对臭氧浓度有显著的减弱作用。这是因为相对湿度较高时大气中的水汽较多，而水汽一方面会减弱太阳辐射，从而降低臭氧的光化学反应生成速率，另一方面会形成湿沉降，对臭氧及其前体物有湿清除作用[8]。

图5 温度与臭氧浓度小时变化情况

图6 相对湿度与臭氧浓度小时变化情况

5 结论与展望

(1)在2020年盐城市大丰区大气总污染天数中，以臭氧为首要污染物的污染天数占比最大，为57.4%，且臭氧浓度超标日集中在气温较高的4～9月份。

(2)2020年盐城市大丰区臭氧浓度在1～4月不断上升，4～6月均保持在较高水平，7月份由于受降水影响，出现一次明显的回落，9月份又回升到峰值，10～12月则不断下降，至12月达到最低值。季节上，臭氧浓度呈现出春季>夏季>秋季>冬季的变化特征。臭氧浓度的日变化趋势呈现出显著的单峰形特征，1:00～6:00臭氧浓度呈逐渐下降的趋势，6:00达到最低值；6:00后不断上升，至14:00达到峰值。15:00～24:00臭氧浓度不断下降。

(3)在空间上，人类活动量较大、周边建筑较密集区域的臭氧浓度高于远离“闹市”、地势较为开阔的区域。

(4)臭氧与二氧化氮为光化学反应中的生成物与反应物的关系，二者的浓度变化呈现出“此消彼长”的趋势，为显著的负相关。

(5)臭氧浓度与气温呈明显的正相关关系，与相对湿度呈明显的负相关关系。臭氧浓度的变化是多种因素共同作用的结果，单一的因素无法全面地说明对臭氧浓度的影响，因而应对臭氧浓度的多种影响因素进行更加深入、全面的研究，引入合理的模型，对相关性进行量化，以更加全面、准确地把握各种因素的影响机制和程度，为臭氧的污染防治工作提供更有利的参考。