重慶市沙坪壩區大氣臭氧濃度變化規律

張文斌　譚　麗　王贊春　文　圣　趙定梅

(1.重慶市沙坪壩區環境監測站，重慶 400038；2.中國環境監測總站，北京 100012；3.重慶市江北區環境監察支隊，重慶 400025)

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重慶市沙坪壩區大氣臭氧濃度變化規律

張文斌1譚麗2*王贊春1文圣1趙定梅3

(1.重慶市沙坪壩區環境監測站，重慶 400038；2.中國環境監測總站，北京 100012；3.重慶市江北區環境監察支隊，重慶 400025)

沙坪壩區屬于典型的平行嶺谷低山丘陵區，根據近3年沙坪壩區近地表面大氣中臭氧(O3)濃度的觀測數據，分析O3濃度的分布特征及時間變化規律。結果表明，沙坪壩區地面臭氧濃度呈現明顯的季節變化規律，在4～9月維持相對較高濃度，其他月份則維持較低濃度。O3濃度日小時值變化與近地面大氣光化學過程密切相關，呈明顯的單峰型變化規律，一般在16:00左右達到峰值。地面O3濃度隨空間而變化，高家花園和虎溪O3濃度較低，龍井灣O3濃度較高，這可能是因為龍井灣監測點周圍有家具企業排放揮發性有機物產生光化學反應生成了臭氧，導致局部地區臭氧濃度偏高。

臭氧城市大氣山地城市濃度變化

臭氧(O3)是氧氣(O2)的同素異形體，為一種氧化劑，是地球大氣中一種重要的微量氣體，大氣中90%以上的臭氧存在于大氣層的上部或平流層，只有10%存在于對流層[1]。從臭氧的性質來看，具有雙面性，一方面臭氧層是地球上一切生物包括人類在內的天然屏障。它幾乎完全吸收掉了來自太陽的致命的紫外線UV-C(波長小于295 nm)和紫外線UV-B(波長在295～320 nm之間)，而只透過對地球生命有益的紫外線UV-A(波長大于320 nm)，使得地球上的萬物繁衍生息，人類也在臭氧的關愛下自由健康地生活[2]，另一方面高濃度的地面O3將增加城市光化學煙霧的頻率，影響人類健康，導致農作物減產，對生態環境造成嚴重的危害，除此之外它還是溫室效應氣體之一，能助長氣候的變遷[3-6]。沙坪壩區位于長江經濟帶西部中心樞紐重慶市西南部，東濱嘉陵江，西抵縉云山，是重慶市科教文化區，城市人口和工業非常密集，認真研究沙坪壩區O3濃度的變化規律，對了解沙坪壩區局地氣候變化和大氣污染狀況是十分有利的。本文通過對2013年到2015年沙坪壩區三個環境空氣質量自動監測站 (高家花園、虎溪、龍井灣)O3濃度的分析，研究沙坪壩地區O3濃度的時空分布及其變化特征。

1　材料和方法

1.1站點分布

目前沙坪壩區設有2個國控環境空氣自動監測點—高家花園(北緯29°33'57.99",東經106°28'1.01",可以代表東部區域)和虎溪(北緯29°35'54.05",東經106°17'42.70",可以代表西部區域)，1個市控環境空氣自動監測點—龍井灣(北緯29°34'22.41",東經106°24'16.59",可以代表中部區域)，均屬于環境空氣功能區的二類區。臭氧監測數據由這3個環境空氣自動監測點獲得，沙坪壩區空氣自動監測站分布見圖1。

圖1　沙坪壩區空氣自動監測站分布

1.2監測儀器

對大氣中O3濃度24小時連續觀測，使用O3自動監測儀，原理為O3分子吸收波長為253.7nm的紫外光，該波段紫外光被吸收的程度直接與O3的體積分數相關，根據檢測樣品通過時紫外光時被吸收的程度來計算出O3體積分數。分析儀最低檢測限：0.4×10-9；零點漂移：小于0.5×10-9/24h，小于1×10-9/7天；跨度漂移：小于0.5 %/24h，小于 1%7天。

2　結果與討論

一般來說，生成O3的光化學過程可以用(R1)～(R3)來表示，同時，O3還可以由一些光化學反應去除，如(R4)～(R8)[7]。

HO2+NO→OH+NO2(R1)

RO2+NO→φNO2+HO2(R2)

NO2+hv→NO+O3(R3)

O3+NO→NO2+O2(R4)

O3+hv→O1D+H2O→2×OH(R5)

O3+OLE(烯烴)→products(R6)

O3+OH→HO2+O2(R7)

O3+HO2→OH+O2(R8)

NO2+OH→HNO3+O2(R9)

O3的生成過程中過氧自由基(HO2、RO2)氧化NO產生NO2(φ表示RO2氧化NO生成NO2的產率)，NO2隨后光解產生O3。受溫度、光照和太陽輻射等的影響，光化學反應在夏季節比較強烈，因此O3在夏季較高，冬季較低。

2.1臭氧濃度的月變化規律

將沙坪壩區區域近3年觀測的O3日最大8小時平均濃度數據按月進行統計，得到的最大值、最小值、上四分位數、下四分位數和中位數均計算出平均值，應用箱線圖進行統計分析，如圖2所示，圖中直線代表O3日最大8小時平均濃度的二級標準限值。4月開始沙坪壩區O3濃度已經出現明顯的上升，7月O3平均濃度達到一年中的峰值，并在8～9月一直維持較高的濃度，10月O3濃度開始下降。

圖2　臭氧濃度月均變化曲線(2013-2015年)

2.2臭氧濃度的日變化規律

圖3為沙坪壩區2013～2015年期間觀測的O3日濃度的日變化規律。可以看出，O3濃度以1年為周期呈現明顯的季節變化規律，一般在夏季較高，而在冬季維持在較低水平，這主要是由該地區的太陽輻射、氣溫等氣象條件的季節變化造成的。沙坪壩區屬于老工業城區，汽車制造、電子工業、家具制造等工業較為發達，使得市區的一次污染物濃度較高，在適宜的氣象條件下很容易出現局部的光化學污染。另外，重慶市沙坪壩區處于四川盆地東部，地貌歸屬于盆東平行嶺谷低山丘陵區，自西向東分布有縉云山、中梁山兩列背斜低山，其間為寬緩的向斜丘陵臺地，同時常年處于中亞熱帶季風性濕潤氣候區，靜風多，風速較小，風力微弱，散熱能力差，不利于大氣污染物的水平輸送和擴散，使污染物容易在市區內積聚，造成高濃度污染。

圖3　沙坪壩區近3年臭氧濃度日變化規律(2013～2015)

2.3臭氧濃度日小時值變化特征

圖4為沙坪壩區2013～2015年期間觀測的O3濃度日小時值變化曲線。可以看出，O3濃度日小時值變化與近地面大氣光化學過程密切相關，呈明顯的單峰型變化規律。1天當中夜間臭氧濃度維持較低水平，主要是因為夜間生成的臭氧的化學反應較弱(R1～R3)，而NO通過反應(R4)不斷消耗O3。早晨08:00開始，隨著太陽輻射的增大和溫度的升高，生成O3的光化學反應強烈，濃度開始積累升高，在16:00左右達到峰值。當陽光變弱時O3濃度開始下降，到夜里O3即被NO消耗殆盡，23:00以后變化趨于平緩，并維持在一個較低水平直至第2天日出。

圖4　臭氧濃度O3濃度日小時值變化曲線(2013～2015年)

2.4地面臭氧濃度隨空間變化

圖5為2015年沙坪壩區地面臭氧濃度隨空間變化情況。可以看出，高家花園、虎溪、龍井灣監測點的O3年平均濃度分別為62、75、92μg/m3,高家花園、虎溪、龍井灣監測點的O3年小時最大濃度分別為232、263、343μg/m3。即高家花園和虎溪O3濃度較低，龍井灣O3濃度較高，這可能是因為龍井灣監測點周圍有家具生產企業，其使用的有機溶劑類揮發，而揮發性有機物是城市大氣光化學臭氧生成重要前體物[8-10]，在適當的條件下生成了臭氧，導致臭氧濃度偏高。

圖5　沙坪壩區地面臭氧隨空間濃度變化

3　結論

(1)沙坪壩區地面臭氧濃度呈現明顯的季節變化規律，在4～9月維持相對較高濃度，其他月份則維持較低濃度。

(2)O3濃度日小時值變化與近地面大氣光化學過程密切相關，呈明顯的單峰型變化規律，一般在16:00左右達到峰值。

(3)地面O3濃度隨空間而變化，高家花園和虎溪O3濃度較低，龍井灣O3濃度較高，這可能是因為龍井灣監測點周圍有家具企業排放揮發性有機物產生光化學反應生成了臭氧，導致局部地區臭氧濃度偏高。

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Variation of ozone concentration in Shapingba district of Chongqing.

Zhang Wenbin1,Tan Li2*,Wang Zanchun1,Wen Sheng1,Zhao Dingmei3

(1.Shapingba District Environmental Monitoring Center,Chongqing 400038,China;2.China National Environmental Monitoring Center,Beijing 100012,China;3.Jiangbei District Environmental Monitoring Detachment,Chongqing 400025,China)

Based on the observed data of atmospheric ozone concentration near the ground surface in the last three years,the distribution characteristics and temporal variations of ozone concentration in Shapingba area were analyzed.The results showed that the seasonal variation of surface ozone concentration in Shapingba area is obvious.

ozone;urban atmosphere;mountainous city;concentration change

國家高技術研究發展計劃(863計劃)(2013AA06A308)；重慶市沙坪壩區決策咨詢與管理創新項目 (PJ20140043)

張文斌，男，1981年出生，工程師，主要研究方向為環境化學，E-mail:171302464@qq.com。

譚麗，女，碩士，E-mail:tanli@cnemc.cn。

10.3936/j.issn.1001-232x.2016.04.021

2016-05-25