云南省16個城市主城區大氣O3污染特征研究

鄧 聰

( 云南省環境監測中心站，云南 昆明 650034)

云南省16個城市主城區大氣O3污染特征研究

鄧 聰

( 云南省環境監測中心站，云南 昆明 650034)

分析了云南省16個城市2015年全年O3質量濃度變化特征，結果表明，云南省O38h濃度超標天數達62d，主要發生在3—5月，除了云南地處高原強紫外線照射及干旱氣象因素外，東南亞國家森林區域密集火點煙氣排放也是重要原因之一。從地域分布看，芒市和景洪等城市O3超標現象最為嚴重，形成了區域型O3污染特征。 相關性分析表明，NO2與O3成顯著負相關，說明NO2參與的光化學反應形式是O3生成的重要方式，日照時數較多的5月份促進了大氣氧化能力，局地NO2對O3生成的貢獻加強，導致這個時期O3污染現象頻發。

O3；污染特征；季節變化；NO2相關性；云南

O3污染已成為我國城市空氣污染的主要問題之一。人類活動排放的NOX和揮發性有機物引起的大氣光化學反應是導致近地面O3污染的重要原因。較高的大氣O3濃度會加快材料老化，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。O3作為重要的溫室氣體之一，在地球輻射平衡中扮演著重要角色，可以對全球氣候變化造成影響[1-10]。

云南省地處我國西南云貴高原，近年來工業快速發展及汽車保有量的迅速增加，促使該區域空氣污染特征由煤煙型向煤煙型-汽車尾氣型混合污染轉化，主要體現在以高細顆粒物濃度和高O3濃度為代表的大氣光化學污染幾率增大，嚴重影響城市空氣質量和人體健康。云南高原輻射強烈，存在較長時間的旱季(尤其是11月—次年5月)，O3污染特征研究較少，尤其是對長時間序列O3及其前體物的相關性研究較少。本研究采用2015年云南省16個城市的O3和NO2濃度的連續在線觀測數據，分析了O3時空分布及相關性，重點對春季較高的臭氧濃度進行分析，以期為云南省制定有效的大氣污染控制政策提供科學依據。

1 實驗部分

大氣O3采樣點位共計40個，即云南省16個城市的環境空氣自動監測站點，包括昆明(7個點位)、玉溪(3個點位)、麗江(3個點位)、紅河(3個點位)、曲靖(2個點位)、保山(2個點位)、昭通(2個點位)、思茅(2個點位)、臨滄(2個點位)、楚雄(2個點位)、文山(2個點位)、西雙版納(2個點位)、大理(2個點位)、德宏(2個點位)、怒江(2個點位)和迪慶(2個點位)。采樣點均能代表各個城區的空氣質量，采樣點設在離地高約3m，觀測時間為2015 年1月1日—12月31日。主要觀測儀器采用美國熱電公司生產的49i型紫外光度法O3分析儀，最低檢測限1.0μg/m3；42i 型化學發光法NO-NO2-NOX分析儀，最低檢測限1.0μg/m3。兩臺儀器均為每天連續24h采樣監測，每5min記錄1次數據，每隔15d都進行氣體流量校正及目標物標定1次，O3分析儀采用儀器自帶的O3發生器進行標定。數據處理采用Microsoft Excel及Origin軟件，剔除因儀器維護和標定、設備故障等原因造成的異常值后，對5min 數據進行算術平均，得到小時均值，在此基礎上計算日均值和月均值等。氣象資料均來自當地氣象部門數據，所有數據均通過數據訂正。

2 結果與討論

2.1 濃度水平

基于2015年環境空氣污染物小時均值質量濃度數據序列，計算了云南省16個城市O38h濃度均值，40個監測點位全年O38h平均濃度為76.37±33.21μg/m3。16個城市8hO3濃度超標天數總計達62d(O3標準值為160μg/m3)，主要發生在干燥少雨的3—5月及紫外輻射較強的6—8月，發生O3超標污染天氣的9個城市為：昆明(6d)、紅河(4d)、曲靖(9d)、保山(2d)、昭通(3d)、思茅(8d)、臨滄(3d)、西雙版納(12d)、德宏(15d)。

圖1給出了云南16個城市2015年O3濃度的日均值變化曲線，可見16個城市在3月(24d)、4月(7d)、5月(23d)、6月(1d)、7月(5d)、8月(2d)均出現明顯的O3濃度超標污染，明顯高于其他月份。從云南省氣象特征分析可知，6—11月是云南地區的多雨季節，雨量充沛，日照天數少，在一定程度上減少了O3光化學反應產生速率，導致整體O3濃度水平不高，本研究過程中2015年7月晴天數較多，日照充足，氣溫較高，因此從圖1可以明顯看出7月及8月絕大多數城市O3濃度出現高峰值。3—5月屬于云南地區的干燥少雨季節，持續的強烈日照為大氣光化學反應形成O3創造了有利條件，是導致此期間云南16城市O3濃度升高的重要原因。

2.2 空間及季節分布特征

圖2給出了16個城市O3的季節平均濃度變化， 16個城市O3濃度均值的季節分布表明，春季( 3—5月)O3濃度季節平均值較高，為100.81μg/m3；其次是冬季(12月—2月)，為70.52μg/m3；再次是夏季(6—8月)69.65μg/m3，與冬季相差不多；O3濃度最低的季節是秋季(9—11月)，為61.13μg/m3。出現這種季節分布特征的主要原因可能與氣象因素相關，氣溫、大氣穩定度及紫外輻射強度都對城市區域大氣O3濃度的分布有重要影響。春季氣候干燥少雨，日照充足，而7、8 月間較多的云量和陰雨天氣造成日照不足，短波輻射通量較常年平均值減少，短波輻射通量的這種季節差異是導致O3濃度季節變化特征的重要原因。云南夏季多雨，日照時數低于春季，且氣溫隨降雨而降低，導致夏季云南大部分城市O3濃度低于春季O3濃度。其次外來源傳輸對區域O3濃度分布也有重要影響。春季東南亞毀林造田采用火燒森林方式，排放了大量煙氣及O3污染物，對下風向的云南省大部分區域都有可能造成影響。O3的日變化主要受制于太陽短波輻射的日變化，正午太陽短波輻射通量達到最大，大氣光化學反應增強，O3峰值一般在14∶00—15∶00到來，2～3h的滯后一般歸因于前體物的消耗和光化學反應所必須的時間，有NOX參與的光化學反應是O3生成的主要方式。

2.3 相關性分析

對流層O3與NO 、NO2的相互關系可簡要概括為：人類活動排放的NOX，進入對流層大氣中，在太陽光照射下，生成原子氧和NO，原子氧和O2結合生成O3，同時大氣中的VOCS和CO等還原態物質迅速消耗NO，O3與NO 、NO2處于動態平衡[11]。氣象條件是影響近地面O3濃度的最主要因素之一，是造成O3濃度晝夜變化、日際變化、季節變化、年際變化的主要原因，大氣光化學反應能量來源于太陽輻射中的紫外線，因此O3濃度一般在紫外線充足的晴好天氣下的白晝較高。由于陰雨天氣太陽輻射通量容易發生劇烈波動，以及大量水汽的存在可能對O3、NO和NO2的相互關系產生較為復雜的影響，因此本文在討論O3與NOX的相互關系時，僅使用晴天和多云天氣下白晝的觀測資料。

采用Pearson相關分析法，進一步分析氣象參數—溫度(Temperature)和太陽紫外輻射強度(UV)對污染物濃度的影響。表1中，給出了云南典型城市昆明的氣象參數與O3、NO、NO2的相關性，溫度和O3在0.05水平上顯著相關，即置信區間在95%，紫外指數和O3則在0.01水平上顯著相關，即置信區間在99%，可見紫外指數與O3的聯系相對于溫度更加緊密，紫外輻射強度與O3顯著正相關。紫外指數與NOx的相關性不顯著，主要原因是影響NOx濃度的不僅僅是光化學反應的進行，還與機動車尾氣NOx的持續排放有關，但紫外指數與NOx整體仍呈現正相關性。

表1 云南城市昆明大氣污染物與氣象因素相關性

2.4 臭氧傳輸來源分析

一般來說，每年3—5月云南西南側的東南亞國家進行春種燒荒，會導致森林火災，出現大量密集起火點(如圖3所示)，大量生物質燃燒導致顆粒物和O3濃度急劇上升，同時，印度洋西南方向進入云南的暖濕氣流，將這些大氣污染物輸送進入云南境內，造成云南省自西南方向的昆明(6d)、紅河(4d)、曲靖(9d)、保山(2d)、昭通(3d)、思茅(8d)、臨滄(3d)、西雙版納(12d)、德宏(15d)等城市地區均出現O3污染現象。同時，昆明大氣重金屬在線監測數據顯示，鉀元素作為生物質燃燒的標識性物質，在3月和4月濃度遠高于其他月份，證明了昆明地區存在生物質燃燒源顆粒物排放的外來傳輸源對本地大氣顆粒物的貢獻，從而間接說明了臭氧污染在春季存在大量的外來傳輸貢獻。從圖4可以看出，3月典型近地氣團均經過東南亞火點密集區域，污染物可以在近地面進行穩定的傳輸，從而造成云南多數城市較高的顆粒物和臭氧超標現象。2015年春季云南省部分城市出現不同天數的臭氧超標現象主要是由于極端不利的氣象條件和大量污染物隨大氣遠程輸送進入云南境內造成的。

3 結論

(1)對云南40個監測點位O3觀測結果進行分析發現，2015年云南16個城市的O38h平均濃度為76.37±33.21μg/m3。

(2)16個城市8hO3濃度超標天數總計達62d(O3標準值為160 μg/m3)，主要發生在干燥少雨的3—5月及紫外輻射較強的6—8月，發生O3超標污染天氣的9個城市為：昆明(6d)、紅河(4d)、曲靖(9d)、保山(2d)、昭通(3d)、思茅(8d)、臨滄(3d)、西雙版納(12d)、德宏(15d)。

(3)2015年云南16城市大氣地面O3濃度的季節變化表現為春夏季較高，秋冬季較低：春季( 3—5月)O3濃度季節平均值較高為100.81μg/m3；其次是冬季(12月—2月)為70.52μg/m3；再次是夏季(6—8月)69.65μg/m3，與冬季相差不多；O3濃度最低的季節是秋季(9—11月)為61.13μg/m3。

(4) 相關性研究表明，氣象因素中的紫外輻射與O3區域污染密切相關，夏季大氣光化學反應最為強烈，大氣氧化能力最強，局地NOx對O3生成的貢獻最大；春季O3背景值最高，區域污染最重，可能與東南亞生物質燃燒等外來源有關。

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Research on Pollution Characteristics of Ozone in the Urban Areas of Sixteen Cities in Yunnan

DENG Cong

(Yunnan Environmental Monitoring Center, Kunming Yunnan 650034 ,China)

The changes of Ozone in the year of 2015 in sixteen cities in Yunnan were analyzed. The results showed that there were 62 days when their eight-hour ozone concentrations could not meet the national standard, which mainly occurred from March to May. Besides the dry weather conditions and strong ultraviolet radiation in plateau area in Yunnan, the exhaust gases due to the fire in the forests of east-Asian counties were the vital causes. Spatially, Mangshi and Jinghong were the areas with the highest ozone concentrations, which intended toformtypical regional ozone pollution. The correlation analysis indicated that O3was significantly negatively related to NO2showing that ozone was generated because NO2was involved in the chemical reaction. The long sunlight time in May improved the oxidizing ability of the air. Regional NO2strengthened the chemical reaction of producing ozone, which resulted in frequently occurrence of ozone pollution in some particular regions.

ozone; pollution characteristics; seasonal changes; correlation of NO2; Yunnan

2016-07-05

X51

A

1673-9655(2017)01-0036-06