夏季城市臭氧濃度變化規律分析

姜　峰　王福偉

(大連市環境監測中心，大連　116023)

?

夏季城市臭氧濃度變化規律分析

姜峰王福偉

(大連市環境監測中心，大連116023)

【摘要】隨著經濟社會的發展，人們對環境質量更加重視，光化學煙霧成為影響城市環境空氣質量的重要因素。本文利用北方某城市夏季臭氧監測的時間濃度，對臭氧污染的濃度時間以及季節變化特征進行了分析，以及與氮氧化物的濃度和太陽輻射強度的關系。

【關鍵詞】臭氧；氮氧化物；輻射強度

1引言

近年來，我國經濟快速發展，尤其是工業和交通行業的高速發展，造成了嚴重的空氣污染，光化學污染開始威脅到越來越多的城市，空氣中經常觀測到高濃度的對人體健康有危害的臭氧。臭氧污染可以抑制植物的生長和加速植物的老化，導致農作物的減產和森林的衰退。對流層臭氧還會對人體健康產生威脅，臭氧幾乎可以與任何生物組織反應，當臭氧被吸入呼吸道時，就會與呼吸道中的細胞、流體、和組織很快反應，導致肺功能減弱和組織損傷。臭氧作為光化學煙霧的主要成分，目前很多國家都把臭氧濃度作為光化學煙霧污染是我重要指標進行監測[1]，開展針對臭氧濃度的時間和空間變化規律以及影響臭氧含量因素的觀測和研究，對大氣污染的控制和治理有著重要的意義。

根據目前的研究發現，北半球環境空氣中高濃度臭氧污染事件多發生在春夏季節。關于臭氧濃度的春季高峰現象產生的原因目前還沒有統一定論，高濃度的對流層臭氧會對人體健康、農業生產以及生態系統產生影響[2]，多數研究者認為平流層臭氧向對流層的輸送作用以及NOx、VOCs等前體物在春季的發生局地光化學反應相關。我們通過一年來對市區臭氧濃度的連續觀測，發現夏季由于太陽輻射強度大以及氣溫高等條件有利于大氣中光化學反應的進行，從而使夏季近地面環境空氣中的臭氧濃度明顯高于秋季和冬季臭氧的濃度。本文通過對前體物濃度和太陽輻射強度資料較全的6、7、8三個月份進行近地面臭氧濃度變化研究，這對于環境的維護和治理，尤其是預防夏季高溫天氣發生的光化學煙霧事件有著重要的現實意義。

2夏季臭氧濃度的時間變化規律

2012年夏季觀測的市區臭氧小時濃度的統計特征見表1。從表中可見，夏季高溫期的6、7、8月份臭氧小時濃度的最大值分別為0.201mg/m3，0.227mg/m3和0.220mg/m3，均超過了《環境空氣質量標準》[3]二級標準規定的0.20mg/m3。另外，7月份臭氧小時濃度的標準差值較大，說明濃度值較為分散。由此可以得知市區夏季臭氧污染比較嚴重。

表1　2012年夏季臭氧濃度小時均值統計特征

圖1是2012年夏季區臭氧濃度日均值的變化規律。從圖中可以發現，6月份和7月份的臭氧濃度比較高，且變化幅度大；進入8月份，除個別日期外，臭氧濃度整體呈下降趨勢。值得注意的是，6-10～6-13和7-21～7-28連續多日臭氧濃度日均值在0.09mg/m3左右，屬于較高臭氧污染。一般來說，高濃度O3容易出現在強太陽輻射、高溫、少風等氣候條件下。

圖1　2012年夏季臭氧濃度的日變化規律

圖2　2012年夏季O3濃度的小時均值的日變化規律

圖2為市區2012年夏季臭氧濃度的小時均值日變化規律圖。從中可以看出，臭氧濃度的最大值出現在傍晚17時左右，然后臭氧濃度逐漸降低，在午夜23∶00以后趨于平緩，并在夜間一直維持的較低濃度水平，在早上8∶00左右出現濃度的最小值。在早上8∶00左右出現濃度最小值的原因可能是由于夜間無光照，NOx與O3的發生化學反應消耗了大量的O3，同時，另一個很重要的原因是近地面臭氧的沉積作用。日出以后由于光化學反應增強，O3的濃度也隨之開始升高。

3臭氧與主要前體物氮氧化物的關系

臭氧是二次污染物，其濃度主要受環境空氣中CO、NOx、VOCs等前體物濃度的高低以及光化學反應強弱的影響，而晝間的光化學反應又決定著全天臭氧濃度的變化趨勢。下面圖3是夏季高溫期內的O3與NO和NO2的晝間12小時的變化規律。

圖3　2012年7月O3、NO、NO2和NOx濃度的晝間12小時(7∶00～18∶00)變化規律

圖3是2012年7月觀測的O3、NO、NO2和NOx(NO+NO2)小時均值晝間12小時變化規律。觀測期間氮氧化物的濃度處于較高的水平，這說明城市的能源結構以及燃料燃燒不完全造成了比較嚴重的大氣污染。與O3濃度的變化趨勢不同的是，NO和NO2濃度的最大值均出現在早晨，并且NO濃度峰值出現的時間要稍早于NO2濃度峰值出現的時間。由于夜間無光照，環境空氣中的光化學反應停止，NO和NO2等一次污染物會不斷積累并與O3發生化學反應而消耗環境空氣中的臭氧，使臭氧濃度不斷降低，并在日出前達到一日中的最小值。日出以后，隨著人類活動的增加，尤其是交通量的增加，排放的NO量快速增加，因此率先出現了NO濃度的峰值，隨著環境空氣中光化學反應的加劇，臭氧的濃度也隨之增大，NO與O3間化學反應的增強，大量的NO被氧化生成NO2，此時出現了NO2的峰值。隨著晝間光化學反應的不斷進行，臭氧的濃度呈逐漸升高的趨勢，并在15∶00達到濃度的最大值，而NOx濃度呈逐漸降低的趨勢。

4臭氧與太陽輻射強度的關系

近地面大氣O3的生成反應主要是由太陽光中的紫外線引起的，所以白天O3濃度的變化應該與太陽輻射強度存在一定的相關性。圖4給出了2012年7月臭氧濃度和太陽輻射的晝間(7：00～18：00)變化規律。表2給出了2012年7月小時平均太陽輻射強度晝間(7∶00～18∶00)和O3濃度變化情況。從圖中可以看出，O3濃度隨著太陽輻射強度的變化而變化，二者變化趨勢基本一致，O3濃度的最值滯后于太陽輻射強度最值約2小時。由表2可以得到臭氧濃度值與同時段的太陽輻射強度的相關系數R為0.336，這說明O3濃度值受同時段的太陽輻射強度影響不大，但是考慮到太陽輻射強度引起的環境空氣中O3濃度監測結果滯后于輻射強度本身的變化，我們將每日9時到20時的O3濃度與7時到18時的太陽輻射強度相對應，求得其相關系數為0.7276，由此可見，O3濃度值受與其相對應的前2個小時的太陽輻射強度影響較大。實際上，O自由基的形成是NOx和易揮發性有機物(VOC)在強烈陽光照射下經過一系列大氣化學反應形成和聚集的，而O自由基是形成O3的必須條件，從我們對市區太陽輻射的實測值來看，在每天7時到12時之間，由于太陽輻射強度逐漸增強，給O3的形成創造了更好的條件，所以在此期間O3濃度逐漸增大，在下午13點、14點以后隨著太陽輻射強度的逐漸減弱，空氣中O自由基的含量將會逐漸減少，從而O3含量隨著空氣的自凈而逐漸減少，但是由于O3的濃度監測結果受擴散情況的影響，到15時左右達到最大值。

表2　2012年7月份太陽輻射強度和O3濃度小時變化情況表

圖4　2012年7月臭氧濃度和太陽輻射的晝間(7∶00～18∶00)變化規律

5結論

市區夏季高溫期的O3污染比較嚴重。6月份平均O3濃度最高，且日平均O3濃度變化幅度最大；7月份O3濃度大的天數最多，8月份開始逐漸降低。臭氧濃度的最大值出現在傍晚17時左右，然后臭氧濃度逐漸降低，在午夜23：00以后趨于平緩，并在夜間一直維持的較低濃度水平，在早上8∶00左右出現濃度的最小值。

2012年7月環境空氣中氮氧化物的濃度處于較高水平，與O3濃度的變化趨勢不同的是，NO和NO2濃度的最大值均出現在早晨，并且NO濃度峰值出現的時間要稍早于NO2濃度峰值出現的時間。隨著晝間光化學反應的不斷進行，臭氧的濃度呈逐漸升高的趨勢，并在15∶00達到濃度的最大值，而NOx濃度呈逐漸降低的趨勢。O3濃度與NO2/NO的比值具有較好的相關性，這也說明局地得光化學反應對O3濃度的影響占有重要作用。

對臭氧濃度和太陽輻射強度的相關分析表明，O3濃度隨著太陽輻射強度的變化而變化，二者變化趨勢基本一致，O3濃度的峰值滯后于太陽輻射強度的峰值約2小時。太陽輻射是市區近地面大氣中O3濃度晝間變化最重要的影響因素之一。

參考文獻：

[1]宗雪梅，王庚辰，陳洪濱，等.北京地區邊界層大氣臭氧濃度變化特征分析[J].環境科學，2007，28(11)：2615-2619.

[2]王雪松、李金龍，張遠航，等.北京地區臭氧污染的來源分析[J].中國科學B輯：化學，2009，39(6)：548-559.

[3]GB 3095-2012，環境空氣質量標準[S].

Analysis of the Changes of Urban Ozone Concentration in Summer

JIANG Feng WANG Fuwei

(Dalian Environmental Monitoring Centre，Dalian 116023)

Abstract：With the development of economy and society，people pay more attention to the quality of the environment，photo-chemical smog has become an important affecter of air urban quality. In this paper，the concentration of ozone pollution and the characteristics of seasonal variation in the concentration of ozone in a city in the north were analyzed，and the relationship between the concentration of ozone and nitrogen oxide and the intensity of solar radiation were analyzed.

Keywords：Ozone；Nitrogen oxide；Radiation intensity

中圖分類號：X21

文獻標識碼：A

文章編號：1673-288X(2016)01-0062-03

通訊作者：王福偉，工程師，學士，從事環境監測質量管理方面的工作

作者簡介：姜 峰，碩士，工程師，從事環境監測質量管理方面的工作

引用文獻格式：姜峰等.夏季城市臭氧濃度變化規律分析[J].環境與可持續發展，2016，41(1)：62-64.