日照市環境空氣中氮氧化物及氣象因子對臭氧污染的影響

文_張濤 張振華

1.日照市生態環境局; 2.日照職業技術學院

臭氧（O3）主要分布在平流層中，能吸收紫外線，保護地球上的生物不被強烈的紫外線照射，然而近地面的臭氧對生活在地面上的人類、動物、植物卻有極大危害。對流層中的O3主要由前體物，如NOx以及揮發性有機物(VOCs)等，在一定的氣象條件下通過光化學反應生成，且各前體物及氣象條件對O3的生成具有不同的作用。本文利用日照市空氣質量監測數據，分析了氮氧化物、氣象因子對臭氧濃度影響，為后期的臭氧污染治理及預報提供一定的理論支撐。

1 O3與NOx的污染狀況與討論

本文利用日照市近年空氣質量監測數據，根據我國《環境空氣質量標準》，將O3逐時濃度超過160.0ug/m3定義為超標。

圖1 O3、NOx月均濃度變化

圖2 O3、NOx日均濃度變化

如圖1所示，O3月變化表現出弱雙峰結構，其中臭氧濃度4～9月濃度均高于70ug/m3，5月濃度平均濃度最高，為95.9mg/m3，高于年度平均值36.4%；而1～2月，11～12月的O3濃度明顯低于年度平均值，其中1月份濃度最低，為33.5ug/m3。受輻射強度、溫度等影響，夏半年光化學反應較強，同時夏半年邊界層高度較高，大氣湍流強，O3的垂直輸送過程也明顯，總體表現為O3夏半年濃度高于冬半年。5、6月份溫度升高，降水較少，輻射強度較大，其中5月份受邊界層條件影響O3平均濃度達到峰值。7、8月份為日照市雨季，降水集中，影響了光照和輻射強度，導致該時期O3低于5、6月份；10月份處于夏秋交界，降水較為頻繁，同時溫度開始下降，因此O3迅速下降。NOx主要來自于工業企業和移動源等排放， 排放量較為穩定，大氣邊界層擴散條件對其污染物濃度起決定性作用。故4～9月的濃度相對較低，均低于年度平均值，其中7月的濃度最低，僅為29.4ug/m3；1月、12月的NOx濃度明顯高于全年均值，均超過80ug/m3，分別為80.2ug/m3、84.4ug/m3。

如圖2所示，O3和NOx的日變化也具有不同的特征。O3表現出明顯的單峰分布的日變化特征，受日照強弱以及邊界層抬升后的O3向下輸送的影響，其白天的濃度明顯高于夜間，11：00～20：00的濃度均要高于80.0ug/m3，于15：00達到峰值，為108.5ug/m3。對于NOx，變化主要取決于機動車的尾氣排放和工業企業污染排放，日變化表現出弱峰深谷結構，NOx濃度8時出現峰值，18至19時濃度有較明顯的增長過程，與早晚下班高峰有密切關系。22至23時濃度快速增長，之后一直維持至較高濃度，一方面夜間高度較低的邊界層甚至逆溫層的出現，夜間大氣擴散能力不如白天，另一方面部分工業企業利用峰谷電價夜間生產，導致污染物排放量有所增加。使得夜間的NOx濃度處于較高濃度值，相反白天時，特別在正午時的NOx濃度要明顯低于夜間。

圖3 NOx與O3日均濃度變化

2 結果分析

2.1 NOx對O3的影響

NOx(NO+NO2) 其參與光化學反應的過程有：

NO2+hv→NO+O

O+ O2+M→O3+M

O +NO→NO2+ O2

圖4 溫度與O3的關系圖

NOx對O3具有一定滴定作用，較低濃度的NOx往往伴隨著較高濃度的O3(如圖3)。總體表現出低濃度NOx對應著高濃度O3，其中是在O3超標基本均發生在NOx濃度為20～50ug/m3這個區間。因此，當預測NOx濃度為0～50ug/m3可以作為加強O3污染防控的參考依據。

2.2 氣象因子對O3的影響

關于氣象條件對O3形成的影響已有了較多的研究結果。本文利用溫度、相對濕度以及風場數據，研究日照市O3污染形成時主要氣象因子變化。

2.2.1 溫度對O3的影響

太陽輻射強度對大氣光化學反應具有重要影響，由于缺少相應的太陽輻射，而大氣溫度的變化能較好的反映出太陽輻射強度的變化，所以本文中利用大氣溫度數據代替太陽輻射強度。

如圖4所示，隨著溫度的增加，O3濃度基本以線性形式增大。O3濃度超標現象均出現在溫度超過10℃以上。

2.2.2 相對濕度對O3的影響

如圖5所示，日照市O3濃度與相對濕度關聯度較低，除極低相對濕度（低于20%）外，其余部分均有O3的超標現象分布。可能與日照市地處北方沿海地區，降水集中，高溫與高濕同時出現，且高溫起決定性作用，削弱了濕度的影響。

圖5 相對濕度與O3的關系圖

2.2.3 風場對O3的影響

風場對污染物的輸送具有重要的影響，不同的風向決定了污染物輸送的不同來向，而風速大小則能反映污染物的輸送效率或者污染物的清除效率。圖6、圖8表明，日照市在東南風控制時，下風向地區的O3濃度明顯較高，且風速越大，O3濃度也越大，最高時能達90.0ug/m3左右。而當受偏西風影響，特別是西北風影響時，其對應的O3濃度明顯低于其他風向。NOx的分布情況與O3呈反相位變化（圖7、圖9）。風速越低，NOx濃度越高，其主要是NOx主要是由局地源（工業企業、機動車船）排放產生，風速越大，越有利于其的擴散。

圖6 風向與O3濃度的關系

圖7 風向與NOx濃度的關系

圖8 風速與O3濃度的關系

圖9 風速與NOx濃度的關系

3 結論

（1）日照市O3濃度隨著NOx的濃度增長而降低，且當NOx在20～50ug/m3時O3超標率和O3平均濃度均達到峰值。該濃度范圍是日照市控制光化學污染發生的關鍵濃度。

（2）高溫環境有利于日照市O3污染的發生，O3濃度分別隨著溫度和增加線性增大和降低。相對濕度對日照市O3濃度影響較小。當日照市受東南控制時，下風向地區的O3濃度最高，而受偏西風作用下， 特別是西北風影響時，由于NOx的滴定作用，其對應的O3濃度明顯低于其它風向。

（3）從日照市NOx對O3有滴定作用的顯著性來看，當前氮氧化物是日照市臭氧關鍵前體物，需要繼續加大氮氧化物減排力度，以控制光化學污染。