2015～2018年太原市臭氧污染特征分析

史政都，田晉平，李秉正

(太原科技大學 環境與安全學院，山西 太原 030024)

0 引言

人類向大氣排放著各種各樣的廢氣污染物，其中具有代表性和普遍性的主要污染物有6種，即TSP、CO、飄塵、SO2、NOx和光化學氧化劑(O3)。從近幾年環境質量監測的數據中不難看出，O3污染的趨勢在不斷加大，在某些地區已成為首要污染物。2012年新修訂的《環境空氣質量標準》(GB 3096—2012)中將臭氧日最大8小時平均濃度(O3-8 h)列為新增考核指標，這一規定的出臺也說明了現在臭氧所造成污染的嚴重性[1]。目前國內開展了大量的研究工作，包括臭氧反應機理、污染變化規律、相關氣象及排放條件、對生物體的影響和污染控制對策等。

臭氧(O3)又稱為超氧，是氧氣(O2)的同素異形體，它是一種淡藍色、有刺激性氣味的氧化性氣體。臭氧是組成天然大氣中一種重要的微量氣體，從空間的分布上，大氣中的臭氧可以分為兩部分，一部分存在于平流層中，占到臭氧總量的90%以上，它能夠吸收來自太陽的紫外線短波輻射，使地球生物免受其侵害[2]；另一部分則存在于近地層中，是典型的二次污染物。近地面臭氧是光化學煙霧污染的重要指示因子，主要由人類活動排放的VOCs、NOx、碳氧化物等經過一系列復雜的光化學反應而生成[3]。臭氧具有很強的氧化性，低濃度的臭氧是有益的，它可以起到消毒和殺菌的作用，但是臭氧濃度太高不僅會危及植物、農作物的生長，還會刺激人的呼吸道系統和神經系統，干擾人體機能，加快衰老，誘發各種疾病等，所以超標的臭氧是個無形殺手[4-8]。

太原市作為山西省的省會城市近年來隨著經濟的飛速發展，能源消耗量不斷增加，城市內機動車數量逐年上漲，使得工業企業、機動車等排放到大氣中的NOx、VOCs不斷增加，加之太原市三面環山的地形特點(其會導致的污染物不易擴散且在中心集聚)，各方面原因都加劇當地的空氣污染的發生頻次和程度[9]。目前，文獻對太原市臭氧污染相關研究報道尚不多見，其已滯緩臭氧污染防治措施的探索與開發。本文對太原市臭氧污染特征進行研究和分析，以期為臭氧污染防治措施提供相關科學依據。

1 資料與方法

1.1 資料來源

本次研究采用的太原市臭氧及其他污染物(PM2.5、NO2和CO)監測數據來源于全國城市空氣質量實時發布平臺，時間范圍為2015年1月1日至2019年2月28日。

1.2 評價方法

臭氧標準參照《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)，以環境保護監測部門公布的監測數據與標準中對應的濃度限值比較[1]。根據環境功能區分類和質量要求，太原市以臭氧濃度二級標準作為判定標準：O3-8 h 二級標準限值為160 μg/m3，O3-1 h二級標準限值為200 μg/m3。

2 結果分析

2.1 太原市臭氧濃度總體變化特征

對太原市2015～2018年臭氧日最大8 h滑動平均值進行數據統計，根據統計結果繪制了2015～2018年太原市各年臭氧濃度變化趨勢，如圖1所示。

2015～2018年太原市臭氧日最大8小時平均濃度逐日變化范圍為5～270 μg/m3，各年平均值分別為78.42、82.33、95.87和103.77 μg/m3，臭氧濃度平均值逐年遞增；臭氧日最大8小時平均濃度主要集中在20～140 μg/m3之間，占81.65%；臭氧日最大8小時平均濃度>160 μg/m3共出現181天，占總天數12.39%，其中2015～2018年中每年超標天數分別為31天、15天、65天和70天，分別占總超標天數的17.13%、8.29%、35.91%和38.67%。

2.2 太原市臭氧濃度日變化特征

通過對太原市2015～2018年臭氧1小時平均濃度(O3-1 h)進行統計計算，得到2015～2018年各月臭氧小時濃度平均值，根據統計結果繪制了2015～2018年太原市逐月臭氧小時濃度的日變化曲線，見圖2所示。

2015～2018年太原市臭氧濃度日變化均呈單峰型分布，早晨6∶00～7∶00出現谷值，14∶00～16∶00出現峰值，具有明顯的日變化特征。在白天，隨著人類活動的開始和太陽輻射逐步增強，光化學反應速度逐漸加快，臭氧濃度開始迅速上升，中午太陽輻射最強，溫度最高，為光化學反應提供了最有利的條件，臭氧產生速率加快，12∶00左右太陽輻射達到最大值，但是因為反應平衡有一定的延遲，所以地面臭氧濃度一般在14∶00～16∶00時達到最大值；隨著太陽輻射的減弱，臭氧轉化速率逐漸下降；在夜間沒有太陽輻射，光化學反應速度緩慢，臭氧轉化率低，并且一氧化氮等還原劑還會與臭氧反應，消耗部分臭氧，使得臭氧濃度不斷降低，直到第二天太陽輻射的增強，臭氧濃度才再一次上升。說明臭氧濃度變化受太陽輻射的影響很大，與各地區城市典型臭氧濃度日變化規律一致[10-13]。

從峰值的平均濃度來看，2015～2016年逐月臭氧小時濃度峰值主要在20～140 μg/m3之間，而2017～2018年逐月臭氧小時濃度峰值則主要在40～200 μg/m3之間，峰值明顯上升。此外臭氧小時濃度表現出明顯的季節差異，4～8月份臭氧濃度較高，因為受溫度、光照和太陽輻射等的影響，光化學反應在夏季較為強烈。以2018年為例，太原市臭氧濃度日變化呈明顯的“單峰型”特點，臭氧濃度峰值出現在14∶00～16∶00，6月臭氧小時濃度峰值最高，6月(194.17 μg/m3)>7月(164.29 μg/m3)>5月(162.83 μg/m3)>8月(161.73 μg/m3)>4月(143.43 μg/m3)>3月(121.42 μg/m3)>9月(97.92 μg/m3)>10月(94 μg/m3)>2月(93.46 μg/m3)>11月(55.97 μg/m3)>1月(54.52 μg/m3)>12月(38.28 μg/m3)。

2.3 太原市臭氧濃度月變化特征

太原市臭氧濃度月變化情況以及臭氧平均濃度月超標情況見圖3。

可以看出，2015、2016和2018年太原市臭氧平均濃度月變化規律為：1～6月呈上升趨勢，6～12月呈下降趨勢，6月份臭氧平均濃度分別達到151.00 μg/m3、151.47 μg/m3和180.93 μg/m3；2017年臭氧平均濃度月變化規律為：1～7月呈上升趨勢，7～12月呈下降趨勢；6～7月份臭氧平均濃度較高，分別達到了168.90 μg/m3和175.87 μg/m3，均超過了國家臭氧濃度二級標準160 μg/m3。

2015～2018年太原市總超標天數為181天，臭氧平均濃度超標情況發生在3～9月份，主要集中在5～8月份，占總超標天數的92.82%。6月份超標天數為66天(2015年16天、2016年13天、2017年19天、2018年20天)，占到總超標天數的36.46%；7月份超標天數為47天(2015年7天、2016年2天、2017年22天、2018年16天)，占到總超標天數的25.97%；5月份超標天數為35天(2015年10天、2017年11天、2018年14天)，占到總超標天數的19.34%；8月份超標天數為20天(2017年11天、2018年9天)，占到總超標天數的11.05%；4月份超標天數為9天(2018年9天)，占到總超標天數的4.97%；9月份超標天數為3天(2017年2天、2018年1天)，占到總超標天數的1.65%；3月份超標天數為1天(2018年1天)，占到總超標天數的0.55%。

2.4 太原市臭氧濃度季節變化特征

太原市臭氧濃度季節變化情況如圖4所示。

2015～2018年太原市臭氧濃度均呈現出明顯的季節變化規律。夏季濃度最高，各年平均值為120.8、124.4、159.91、157.38 μg/m3；春季次之，各年平均值為88.16、102.49、105.77、132.29 μg/m3；然后是秋季，各年平均值為62.39、60.29、72.33、68.33 μg/m3；冬季濃度最低，各年平均值為43.54、39.45、60.52、46.75 μg/m3。夏季氣溫高、太陽紫外輻射強度大；春季風力大利于污染物擴散，但是氣溫略高且干燥又有利于化學反應達到平衡；秋季氣溫涼爽、冬季溫度過低，都不利于化學反應的進行。因此，臭氧濃度變化呈現出明顯的季節變化特征[14]。

2.5 太原市臭氧與其他污染物的關系

對太原市2015～2018年各年每日每小時的O3、NO2、CO、PM2.5濃度平均值進行了統計計算，得到2015～2018年各年每小時的O3、NO2、CO、PM2.5濃度平均值，根據統計結果繪制了2015～2018年太原市各年臭氧小時平均濃度與NO2、CO、PM2.5濃度的日變化關系圖，見圖5所示。

NO2、CO、PM2.5質量濃度的日變化曲線呈雙峰型分布，首個峰值出現的時刻為9∶00～10∶00，而后濃度不斷降低，在15∶00～16∶00降低至谷值，第二個濃度峰值出現在夜晚的21∶00～23∶00。可以看出NO2、CO、PM2.5濃度與O3濃度呈現負相關關系。

臭氧主要由NOx、CO和VOCs等前體物在合適的氣象條件下反應生成，早晨7∶00開始，人類活動開始增強，汽車排放的NOx、CO等的濃度開始增加，隨著太陽輻射的增強，光化學反應不斷進行，使得臭氧濃度不斷上升，而NOx、CO等被不斷消耗。傍晚下班后NOx、CO等前體物再次不斷累積，同時還會消耗臭氧。另外有研究分析表明，高濃度的臭氧可以促進細顆粒物的二次生成，但是PM2.5有消光的作用，可以吸收和散射太陽輻射，而紫外線輻射是產生臭氧的關鍵因素，所以當PM2.5濃度高時臭氧濃度會下降[15]。

3 太原市臭氧污染防治措施

太原市是國家能源重化工基地，以焦化、鋼鐵、電力等行業為主導行業，近年來城市規模不斷擴大，機動車保有量大幅提升，造成臭氧污染逐年加重，因此，制定科學有效的臭氧污染防治策略成為首要工作。針對太原市臭氧污染防治，建議采取以下措施：

(1)持續優化產業結構，加大整治力度。以太原市綜改區、不銹鋼園區為重點，加快推進重點企業去產能和淘汰落后的工作，對裝備制造、家具制造、溶劑涂料生產等涉及VOCs排放的企業進行嚴格監管，未安裝VOCs治理設施或安裝未運行的企業依法整治。

(2)建立太原市VOCs人為源排放清單，在春、夏季臭氧污染較高時對太原市內焦化、鋼鐵、水泥、鑄造等重點行業進行限產減排、錯峰生產等措施，對機動車進行限號限行等措施，以此減少大氣污染物的排放。

(3)進一步加大對機動車尾氣治理和檢測力度，未達標的車輛安裝凈化裝置或淘汰，加速完成太原市公交車、出租車全部純電動化進程，鼓勵市民購買使用新能源汽車。

(4)鼓勵市民綠色出行，太原市已完成公共自行車的租賃系統，自行車網點遍布全城，使用極為方便，在短途出行時可以選擇乘坐公交車和自行車出行。

(5)以太原市臭氧污染特征為基礎，聯合各大高校、科研機構等技術力量，建立全市分區域、分行業的污染治理技術和體系，提出差別化污染防治策略。

4 結論

本文通過對太原市2015年1月到2019年2月的空氣質量監測數據進行分析對比，得出以下結論：

(1)2015～2018年太原市臭氧濃度逐日變化范圍為5～270 μg/m3，各年平均濃度為78.42、82.33、95.87和103.77 μg/m3，呈逐年遞增狀態，超過國家臭氧濃度二級標準限制160 μg/m3共181 d，占總天數12.39%，主要集中在5～8月份；

(2)2015～2018年太原市臭氧濃度日變化呈單峰型分布，峰值出現在14∶00～16∶00，各年逐月臭氧小時濃度峰值變化范圍為22.9～194.17 μg/m3，谷值出現在早晨的6∶00～7∶00，各年逐月臭氧小時濃度谷值變化范圍為5.6～49.39 μg/m3；

(3)2015～2018年太原市臭氧濃度有明顯的月變化規律，在6～7月達到最大，平均濃度變化范圍為122.19～180.93 μg/m3，1月、12月降到最低，平均濃度變化范圍為27.74～50.42 μg/m3；

(4)2015～2018年太原市臭氧濃度表現出顯著的季節變化規律，大小依次為夏季、春季、秋季、冬季，其中春季臭氧濃度最高值出現在2018年，為132.29 μg/m3，夏季、秋季、冬季臭氧濃度最高值都出現在2017年，分別為159.91、72.33、60.52 μg/m3；

(5)2015～2018年太原市臭氧濃度與NO2、CO、PM2.5濃度呈現負相關關系，在14∶00～16∶00，臭氧濃度達到最大值，濃度變化范圍為70.35～112.22 μg/m3，此時NO2、CO、PM2.5濃度為最低值，濃度變化范圍分別為26.68～37.7 μg/m3、0.87～1.44 mg/m3、45.3～59.5 μg/m3。