成都市O3浓度的时间变化特征及相关因子分析

2015-04-26倪长健谢雨竹胡淑萍甘小玲

中国环境监测 2015年6期

崔蕾，倪长健，王超，谢雨竹，2，胡淑萍，甘小玲

1．成都信息工程学院大气科学学院，高原大气与环境四川省重点实验室，四川成都 610225

2．中国科学院大气物理研究所，大气边界层物理和大气化学国家重点实验室，北京 100029

臭氧在全球和区域大气环境变化中扮演着重要角色，它不仅对地-气辐射收支系统产生重要影响，而且有着显著的环境效应［1］。作为大气中一种重要的微量气体，近地面过量的O3不但有损于人体的健康，还会对植被、农作物以及生态环境造成直接或间接的伤害［2-4］。近年来，O3污染问题日益受到了人们的广泛关注，并成为学术界研究的热点。姜允迪等［5］依据兰州市环境监测站1985—1996年大气O3的监测资料，研究了兰州城区O3浓度的时空变化特征;袁野等［6］对2001年6月成都市大气O3分布现状、污染水平以及污染特征进行分析，揭示了成都市不同天气背景下O3浓度的时空分布规律;LU K D等［7］通过对O3和NOx浓度数据的分析，深入探究了2006年夏天珠三角地区光化学污染的产生及关键控制因素;BarLow M等［8］在分析南加州地区O3与大尺度大气环流之间潜在联系的基础上，也对O3浓度进行了预测。与此相关的研究成果还有很多，这在丰富了O3研究内容的同时，也推进了这一领域研究的进程。

四川盆地西邻青藏高原，独特的自然特征使其成为空气污染的易发和高发区。近年来，成都机动车保有量持续增加，污染类型已逐渐由煤烟型向复合型转变［9-10］，O3浓度居高不下。针对这一现状，本文依据2013年1月1日—12月31日市区站点(人民南路)O3的逐时监测资料以及成都市气象站(温江站)的气象数据逐时观测资料，从不同的时间尺度上探究该区域O3浓度时间变化特征及其影响因子，为O3污染治理及防控措施提供科学依据。

1 数据资料来源

1.1 监测站点

研究所使用的数据资料来自于人民南路四段成都市环境监测中心站所提供的2013年1月1日—12月31 日 24 h O3、NO、NO2、NOx连续监测数据以及成都市温江站逐时气象观测数据。人民南路四段位于成都市中轴线南半轴上，集中了各大企事业单位以及商铺住宅，是人口、车流量稠密的交通、商业、行政区。

1.2 监测设备

成都市中心城区国控子站O3监测仪器全部采用MODEL400E紫外吸收O3分析仪(美国)。该仪器基于Beer-Lambert定律，在一定的压力、温度条件下，测得气体在超过某一特定距离范围内对特定波长的光吸收量，再通过微处理器系统对所测气体的温度、吸收管内样品气体的紫外线吸收程度、校正数值、压力数据进行处理，从而计算最终的O3浓度。该仪器具有量程范围大、微处理器控制功能多、监测参数查看方便和具有报警功能等特点。

2 结果与讨论

2.1 成都市O3的季变化特征分析

由于O3的光化学生成受制于不同的气象条件，其在各季节的变化特征也有所不同，据此对O3浓度逐日变化、月均变化以及季均变化做了统计分析，见图1。

图1 臭氧浓度随时间变化

从图1(a)可见，O3浓度总体偏高，年均值为0.06 mg/m3。结合图 1(b)、图(c)可得，8月(0.157 mg/m3)、1月(0.05 mg/m3)分别为浓度最高、最低月，并在季节时间尺度上表现为夏季＞春季＞秋季＞冬季的特点，四季均值分别为0.084、0.088、0.044、0.035 mg/m3，夏季约为冬季的2.5倍。观测期间超过国家二级标准小时均值(0.2 mg/m3)的天数(有小时超标则记为超标日)有 32 d，超标率为 8.8%。高于重庆的13 d［2］，低于北京昌平的 58 d［11］。夏季超标率最大，为21.7%，大于北京(超标率10%)，小于保定和石家庄(超标率分别为 25%、65%)［12］，其次为春季，超标率为8.7%，秋季、冬季相当，为4.4%。

2.2 成都市O3的日变化特征分析

O3的日变化特征见图2。各时刻的O3浓度为对应观测期间内所有日期同时刻的浓度平均，从图2可以看出，成都市O3日变化特征呈现明显的单峰型，夜间至日出(00：00～08：00)前，O3浓度较低，从08：00开始，在紫外线或太阳光的持续照射下，O3浓度逐渐上升，至16：00出现峰值，峰值为0.089 mg/m3，16：00过后，随着日落O3浓度又逐渐降低。造成O3典型浓度日变化的原因可能是由于夜间无太阳辐射，NO等还原物质与其发生氧化反应消耗部分O3。这与朱毓秀等［13］所述日变化特点基本一致。

图2 O3浓度24 h变化

各季节O3日变化特征见图3。从图3可以看出，四季平均日变化均呈现出明显的单峰变化规律，但波动程度夏季＞春季＞秋季＞冬季。峰值出现时刻夏季最早，在15：00左右，春季峰值出现时刻在16：00，落后夏季1 h，冬季峰值出现时刻较秋季峰值出现时刻晚1 h左右。这是由于太阳辐射和温度是引起O3浓度日变化的关键气象因素［14］，总体上夏、秋季相较于冬、春季太阳辐射更强、温度更高，使得光化学反应速率加快，从而浓度达到峰值时刻更早［15］。由此可得，O3浓度出现峰值的时刻在各季节也有所不同，夏季最早，冬季最晚。

图3 O3四季小时变化

从超标率时刻分布看(图4)，15：00(超标22次)、16：00(超标21次)出现超标次数最多，14：00、17：00 次之，晚于天津市［16］超标峰值时刻约1 h。

图4 O3超标率时刻分布

2.3 成都市O3与NOx的相关性分析

城市污染地区的O3浓度变化受其前体物(如VOCs、NOx)的浓度变化影响，其产生和消耗决定于光化学反应［15］。NO、NO2、NOx、O3的全年平均24 h浓度变化如图5所示。各时刻的污染物浓度为该年内所有日期同时刻的浓度平均，可以看出，NO、NO2、NOx均呈现出 W型变化规律，其中NO、NOx在09：00左右出现峰值，NO2的峰值较NO延迟1 h，这主要是由于早高峰出行交通排放使得NO浓度增加且被大气中的氧化剂氧化为NO2。但随着太阳辐射的增强，光化学反应程度增加，各前体物的浓度不断减小，午后16：00左右出现O3浓度峰值时，3者均处于谷值状态，之后随着太阳辐射的减小，光化学反应也随之减弱，各前体物消耗减少，并由于晚高峰出行交通排放开始累积，在夜间00：00左右达到第2个峰值。

图5 NO、NO2、NOx、O3的24 h 浓度变化

统计分析并比较O3及其前体物浓度的相关性(显著性水平 α =0.05)得到，当 NO、NO2、NOx、O3浓度均呈现出明显的负相关，相关系数分别为－0.896、－0.738、－0.947。

2.4 成都市O3浓度与气象条件的相关性

气象条件的变化也会引起O3明显的日变化，依据2013年全年相对湿度、温度以及风速数据，将其与成都市区O3浓度的相关性(显著性水平α=0.05)进行分析，如表1所示。O3浓度与相对湿度呈负相关，与温度和风速呈正相关，相关系数分别高达－0.966、0.946、0.757。这在一定程度上说明了在晴朗干燥的天气条件下，O3污染更加严重。

表1 气象要素与臭氧的线性相关性

此外，由于大气中的一些气体污染物能够溶解在水中，因而降水对气态污染物能起到清除和冲刷作用，影响其浓度。为研究降水对O3浓度变化的影响，定义日降水量大于等于0.1 mm为降水日［17］，由此得到，观测期间降水日、非降水日的O3浓度日变化图如图6所示。可以看出，O3浓度在降水日与非降水日有很大差异，其最高浓度分别为0.072、0.099 mg/m3。这是因为，降水日一般伴随阴云密布的天气，因此光化学反应生成较弱。此外，降水也会清除掉一些O3前体物，使其浓度比非降水日低［18］。

图6 降水日、非降水日O3浓度的日变化

2.5 成都市O3的周末及节假日效应分析

2.5.1 周末效应分析

O3日观测浓度数据可分为2类：周末(周六、日)数据、工作日(周一至周五)数据，O3的工作日小时浓度由其对应的观测期间所有工作日在相同时刻的浓度平均得到，周末小时浓度通过同样方法获得。图6表示成都市周末、工作日O3的日变化特征曲线，表2为O3周末与工作日、节假日与当月非假日小时浓度的偏差，偏差计算公式为Dev= ［(C非工作日－C工作日)/C工作日］ × 100%，式中，C非工作日、C工作日分别表示非工作日的 O3浓度、工作日的O3浓度。结合图7、表2可见，周末O3浓度24 h均高于对应时刻工作日浓度，成都市两者日变化曲线均呈现单峰型，峰值出现在16：00左右，比上海徐家汇地区［19］峰值出现时刻晚3 h，也与北京市周末、工作日O3日变化曲线出现2次峰值［20］不同。周末峰值浓度比工作日峰值浓度高2.05%，峰值出现时刻无明显差异。可见，成都市区存在O3“周末效应”。

图7 时间O3浓度周末、工作日浓度变化

表2 周末与工作日、节假日与当月所在月工作日污染物浓度相对偏差 %

2.5.2 节假日效应分析

由表2可以看出，由于各节假日所处时段气象条件不同、局地光化学过程、区域输送过程不同以及节假日出行特点的随机性［21-22］，每个假期O3浓度日变化与该假期所在月工作日O3浓度日变化特征差异无显著规律，但节假日O3峰值浓度均大于工作日O3峰值浓度。

3 结论

1)成都市夏季O3浓度明显高于冬季，呈现出夏季＞春季＞秋季＞冬季的特点。夏季均值最大为0.084 mg/m3，是冬季的2.5倍。其日变化呈现明显单峰型，O3白天浓度高于夜晚，峰值(0.089 mg/m3)出现在16：00左右。小时浓度均值在四季也呈现为单峰型，但峰值高低与出现时刻不同，夏季峰值最大，冬季峰值最小，且夏季峰值出现时刻早于冬季1 h。

2)成都市O3的周末浓度高于工作日浓度，存在“周末效应”，但相比于北京市区、上海中心城区，成都市周末效应不太明显。“节假日效应”受气象条件以及人为活动等多种随机因素的影响，表现出复杂多变性，但节假日O3峰值浓度均大于其所在月工作日O3峰值浓度。

3)O3日平均浓度与 NO、NO2、NOx、相对湿度呈明显负相关，与温度、风速呈现明显正相关。

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