蘭州市O3污染特征及氣象因子相關性研究

楊燕萍 王莉娜 楊麗麗 陶會杰

摘要：為研究蘭州市臭氧污染特征及與氣象因子相關性，對 2016-2018年蘭州市5個國控環境空氣監測站點O3連續小時監測數據進行分析研究。結果表明： 近3年蘭州市臭氧污染日趨嚴重，其作為首要污染物從2016年75d發展為2018年112d，O3-8h 90百分位年均濃度值從2016年125.71μg/m3增長為146.58μg/m3。夏季污染天數最多，表現為夏季>春季>秋季>冬季的特征，臭氧濃度日變化特征呈明顯單峰型分布，15： 00左右出現峰值，同時存在周末效應。O3與氣象因子相關性研究表明：與溫度呈現正相關，相關系數為0.52，與相對濕度、氣壓呈顯著負相關，與風速相關性較低，與風向存在正相關，但相關性不明顯。

關鍵詞：臭氧;蘭州;氣象因子;污染特征

中圖分類號：X512 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2019）11-00-02

Abstract：In order to study the relevance between pollution characteristics of O3 and meteorological factor in LanZhou， The O3 hourly monitoring data of the national atmospheric environment monitoring network system from 2016 to 2018 were analyzed.The results show that in recent three years， O3 pollution in lanzhou is becoming increasingly serious. As the primary pollutant， it has developed from 75d in 2016 to 112d in 2018， and the 90% annual average annual concentration of O3-8h has increased from 125.71μg/m3 in 2016 to 146.58μg/m3 in 2018.The number in summer is the most， which is characterized by summer> spring > autumn > winter.The diurnal variation of O3 concentration shows an obvious single-peak distribution， with a peak around 15：00， and weekend effect.Research on the relevance between O3 and meteorological factors shows that O3 is positively correlated with temperature， with the relevance of 0.52， significantly negatively correlated with relative humidity and air pressure， slightly correlated with wind speed， and positively correlated with wind direction， but not significantly correlated.

Keywords：ozone; Lanzhou; meteorological factors; pollution characteristics

隨著我國經濟的快速發展，城市化進程不斷加快，城市空氣污染日趨嚴重，呈現出以細顆粒物和臭氧污染為主的區域性、復合性污染特征，環境空氣質量改善刻不容緩。近幾年，隨著大氣污染防治攻堅戰和藍天保衛戰實施，我國PM2.5污染狀況逐步好轉，臭氧卻出現不降反升的趨勢，成為城市和區域特定時間段大氣首要污染物[1]。臭氧作為二次污染物，是主要大氣污染物之一，臭氧污染對大氣輻射、動植物生長、人體健康有顯著影響，產生很多方面生態環境效應[2]。近地面臭氧濃度的升高受多方面因素的影響，如氣象因素、臭氧前體物（氮氧化物和揮發性有機物）排放增加、臭氧背景濃度的升高及區域傳輸等，不同城市臭氧污染特征和影響因素各有差異。

20世紀80年代前后，蘭州光化學污染曾引起人們的廣泛關注。近年來，隨著經濟快速發展和機動車保有量不斷增加，蘭州市臭氧污染問題也愈發嚴重，其作為首要污染物從2016年75d發展為2018年112d，超標率也逐年上升。目前國內外學者針對臭氧污染問題開展了多方面的研究，如安俊琳等人通過對氣象要素及臭氧前體物研究，探討了臭氧不同季節、時段的產生機制[3]，胡子梅等人對蚌埠市臭氧污染及持續性污染過程分析研究[4]。而針對蘭州 O3污染特征及氣象因子相關性研究較少?；诖耍狙芯恳罁?2016年1月1日-2018年12 月31日蘭州市5個國控環境空氣質量監測站點臭氧逐時監測數據等資料進行分析研究，以期為蘭州市臭氧污染治理及管控措施提供數據和理論支撐。

1 研究區概況

蘭州市位于中國西北部黃河河谷盆地內，地形呈狹長狀，地勢自西南向東北傾斜，地貌復雜多樣，形成峽谷與盆地相間的串珠形河谷，是典型的西北河谷型城市。

2 實驗數據獲取與評價

2.1 環境空氣質量監測數據獲取

蘭州市環境監測站自動監測室是國家大氣環境監測網絡系統的組成部分，全部環境空氣質量自動監測子站共計21個，其中國控子站5個，本次研究所使用的環境空氣質量濃度數據來源全國環境空氣質量實時發布平臺（http：//106.37.208.233：20035/）公布的蘭州市5個國控點24 h連續監測資料，分別位于：a蘭煉賓館（西固區）、b職工醫院（七里河區）、c生物制品所（城關區）、d鐵路設計院（城關區）、e榆中蘭大校區（榆中縣），監測時間2016年1月1日-2018年12月31日。觀測期間應獲取有效監測數據樣本為131400h， 因儀器維修維護、斷電、校準等意外原因，造成小時數據缺失而剔除的數據異常值總計2315h，剔除后數據有效獲取率為98.24%，滿足《環境空氣質量標準》（GB3095-2012）有關污染物監測數據統計有效性要求，同時采用監測站點的氣象數據進行臭氧與其相關性分析。

2.2 觀測儀器

蘭州市環境監測站自動監測站點O3監測采用澳大利亞O3分析儀ECOTECHEC9831，利用臭氧在波長253.7nm紫外條件下通過時，具有最大吸收系數且會發生衰減，依據其衰減程度確定濃度。監測設備每周開展一次巡檢，保證具有良好運行狀態，確保數據的有效性和可靠性。

3 結果與討論

3.1 蘭州市O3年變化特征分析

2016年O3-8h 90百分位年均濃度值為125.71μg/m3，作為首要污染物為75d，占比為21.13%，超標20d，超標率為5.5%，綜合污染指數為0.9;2017年O3-8h 90百分位年均濃度值為135.92μg/m3，作為首要污染物為103d，占比為28.69%，超標44d，超標率為12.1%，綜合污染指數為1.02;2018年O3-8h 90百分位年均濃度值為146.58μg/m3，作為首要污染物為112d，占比為31.91%，超標54d，超標率為14.8%，綜合污染指數為1.08。分析表明2016-2018 年蘭州市O3-8h 90百分位濃度呈現出逐年上升趨勢，同時臭氧作為首要污染物及其超標率也上升明顯。

3.2 蘭州市O3季節變化特征分析

蘭州市四季分明，考慮臭氧的光化學反應對不同的氣象條件反饋突出，因此其在各季節的變化特征也有所不同，據此對不同季節變化加以分析。2018年，蘭州市春、夏、秋、冬不同季節O3-8h 90百分位平均濃度分別為167μg/m3，202μg/m3、138μg/m3和80μg/m3，秋季和冬季O3-8h 90百分位低于《環境空氣質量標準》（GB3095-2012）二級濃度限值，夏季和春季O3-8h 90百分位分別超出二級標準限值0.26倍和0.04倍。夏季污染天數最多，表現為夏季>春季>秋季>冬季的特征，這與崔蕾等對我國成都市臭氧污染季節特征研究結果一致。春季 O3的高峰現象可能由春季多發“對流層頂折疊”現象及對流層上部高濃度 O3通過沉降和平流作用向下輸送所造成[5-6]。

3.3 蘭州市O3月度變化特征分析

分析2018年蘭州市O3濃度月變化表明，污染主要集中在4-9月，6-8月O3污染日最多，其中7月達到最高月濃度218μg/m3，最低月12月63μg/m3濃度之比為達到3.46。

3.4 蘭州市O3日變化特征分析

統計觀測期間2018年所有日期各時刻的 O3濃度平均，發現蘭州市O3日變化特征呈現明顯單峰型，夜間至日出（00：00-08：00）前，O3濃度相對較低，從08：00開始，在太陽光持續照射下，紫外輻射增強，O3濃度呈現出逐漸上升趨勢，至15：00出現峰值，15：00過后，隨著光照和紫外輻射減弱，O3濃度逐漸降低。造成O3 典型濃度日變化的主要原因可能為夜間無太陽輻射，NO等還原性物質與其發生氧化反應，消耗了一部分O3。這與其他研究人員如朱毓秀等所述臭氧日變化特點基本一致[7]。

3.5 蘭州市O3周末效應和節假日特征分析

本次研究中將觀測數據劃分為周末（星期六和星期天）、工作日（星期一至星期五）兩類數據，由觀測期間所有工作日相同時刻平均濃度得出O3 的工作日小時濃度，同時采用相同方法得到周末數據。統計發現周末O3濃度 24 h 均高于對應時刻工作日濃度，蘭州市兩者日濃度曲線變化呈現單峰型，峰值出現在15：00左右，比成都地區早1h左右，與其他研究人員針對北京市周末、工作日 O3 日變化曲線出現2次峰值的結論有所不同[8]。蘭州市周末臭氧濃度峰值比工作日濃度峰值高1.06%，峰值出現時刻與工作日無明顯差異。初步表明，蘭州市區存在 O3“周末效應”。

同時統計分析了五一、中秋節、十一國慶假期等各節假日與其所在月份工作日的臭氧濃度變化特征，由于各個節假日所處時段的氣象條件不同，光化學反應過程及區域輸送等條件均存在差異性，不同節假日人們的出行需求和交通工具等也存在隨機性，各個假期 O3濃度日變化特征與該假期所在月工作日O3濃度日變化特征差異無明顯規律性。

3.6 O3濃度與氣象因素相關性分析

分析臭氧濃度與溫度的相關性，溫度越高，越有利于臭氧生成，O3濃度與溫度呈顯著正相關，相關系數達到0.52;相對濕度直接反映了大氣中的水汽含量，具有明顯的晝夜變化和日變化差異，對O3與相對濕度進行線性相關分析，其整體呈負相關，相關系數為-0.17，相對濕度越大，臭氧濃度越低，尤其是陰雨天氣，無太陽光照，且相對濕度較高，不有利于臭氧生成;O3與氣壓進行線性相關分析，呈顯著負相關，相關系數為-0.35;與風向進行線性相關性分析，臭氧濃度與風向存在正相關性，同時與風速進行線性相關性分析，臭氧濃度與風速相關性較低，蘭州受臭氧局地生成和區域傳輸影響。

4 結論

（1） 蘭州市2016-2018年環境空氣中臭氧濃度和超標率均呈現明顯上升趨勢，為夏季>春季>秋季>冬季特點。7月達到最高月濃度218μg/m3，與最低月12月63μg/m3濃度之比達到3.46，其日變化特征呈現明顯單峰型，峰值主要出現在15：00左右。（2） 蘭州市 O3的周末濃度高于工作日濃度，存在“周末效應”，但相比于北京市區等發達城市，蘭州市周末效應不明顯。同時“節假日效應”受多重因素影響，表現出隨機無規律性。（3） O3濃度與溫度呈現正相關，相關性系數為0.52，與相對濕度、氣壓呈顯著負相關，與風速相關性較低，與風向存在正相關，相關性不明顯。

參考文獻

[1]張遠航，邵可聲，唐孝炎，等.中國城市光化學煙霧污染研究[J].北京大學學報（自然科學版），1998，34（2）.

[2]劉峰，朱永官，王效科.我國地面臭氧污染及其生態環境效應[J].生態環境學報，2008（4）.

[3]安俊琳.北京大氣臭氧濃度變化特征及其形成機制研究[D].南京信息工程大學，2007.

[4]胡子梅，周國柱，葛朝軍，等.蚌埠市臭氧污染評價及一次持續性污染過程分析[J].環境科學學報，2019，39（05）：34-43.

[5]Monks P S . A review of the observations and origins of the spring ozone maximum[J]. Atmospheric Environment， 2000， 34（21）：3545-3561.

[6]Kalabokas P ， Hjorth J ， Foret G ， et al. An investigation on the origin of regional springtime ozone episodes in the western Mediterranean[J]. Atmospheric Chemistry and Physics， 2017， 17（6）：3905-3928.

[7]朱毓秀，徐家騮.秋季典型光化學污染過程的分析[J].環境科學，1996（3）.

[8]石玉珍，徐永福，王庚辰，等.北京市夏季O3、NOx等污染物“周末效應”研究[J].環境科學，2009，30（10）：2832-2838.

收稿日期：2019-08-23

作者簡介：楊燕萍（1989-），女，碩士，工程師，研究方向為環境空氣質量預報預警研究。