江津區城區大氣臭氧分布特征與相關影響因素研究

肖艷平，陳清莉，鄭森元，徐 燕 ，蘇 袁

(1.重慶市江津區生態環境監測站，重慶 402260; 2.重慶市江津區城鎮基礎設施建設服務中心，重慶 402260)

1 引言

隨著工業發展和機動車尾氣排放的增加，對流層中的NOx、VOCs和CO等臭氧前體物的排放呈逐年增加趨勢，臭氧主要由氮氧化物和揮發性有機物經過一系列復雜的光化學反應生成，是大氣中重要的污染物之一，影響區域和城市空氣質量[1，2]。目前，對城市環境空氣質量的研究成為近年來的研究熱點[2～5]，對于臭氧污染的研究也主要集中在大中城市的中心城區，對重慶直轄市而言，研究文獻報道主要集中于主城區域[6，7]。近年來，臭氧作為首要污染物對江津區環境空氣質量影響非常大。

江津區位于重慶市主城區西南側，地形為丘陵+河谷類型，位于成渝城市群的中部地帶，受區域傳輸和本地排放雙重影響，城區以O3和PM2.5污染為主的空氣質量狀況，一直處于重慶市較高的濃度水平，城區周邊有3個工業園區，是典型居民區與工業區結合的城市，區域內生活源、交通源、工業源排放密集。隨著經濟的快速發展，江津區機動車保有量逐漸增長，機動車快速增長對江津區大氣環境質量造成了顯著的負面影響[8]。為了盡快改善江津區環境空氣質量，因此，對江津區臭氧排放規律及影響因素進行研究，并有針對性的控制，降低大氣臭氧濃度，對江津區宜居及生態戰略的發展具有重要意義。

2 研究區域和方法

環境空氣質量自動監測站點位于重慶市江津區城區，具體觀測點位見圖1。自動監測數據來源于重慶市生態環境局官方網站重慶市空氣質量發布系統[重慶生態環境.重慶市空氣質量實時發布系統[http://113.204.96.36:3362/template/home.html.]，選取2017年1月1日至2018年12月30日江津區2個空氣自動監測站的數據(O3最大8 h滑動平均值)。所有數據采用SPSS19.0進行統計分析。

圖1 空氣自動監測站點位

3 結果與討論

2017年臭氧小時濃度范圍在1～304 μg/m3之間，臭氧日最大8 h滑動平均值90百分位數為178 μg/m3。2017 年、2018年全年中臭氧(O3～8 h)作為首要污染物的天數分別為53 d和27 d，分別占 14.5%和7.4%。臭氧污染問題比較突出，2017年臭氧為首要污染物天數同比增加，臭氧污染有加重趨勢。2018年因夏季雨水較多，氣溫較低，臭氧污染趨勢明顯減弱。

3.1 O3最大8 h滑動的均值年濃度變化規律

對2017年和2018年全年臭氧最大8 h滑動值進行統計分析，得到最大8 h滑動的均值年濃度變化規律，結果如圖2。江津區臭氧濃度變化呈“單峰型”結構，臭氧從9:00時開始上升，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，O3濃度開始積累升高，16:00時達到最高值，之后又隨著太陽照射的減少而降低，到22:00時以后濃度變化較小。究其原因，主要是臭氧受光照強度的影響，白天空氣中的氧氣在太陽照射情況下，與空氣中的氮氧化物及揮發性有機物相互作用，生成O3。由于夜間光化學反應較弱生成的O3少，而NO通過反應不斷消耗O3，在日出前使O3的濃度達到一天中的最低值[9]。

圖2 江津城區O3最大8 h滑動的均值年濃度變化曲線

3.2 O3最大8 h滑動的均值季濃度變化規律

對江津區城區臭氧最大8 h滑動值按照季進行統計分析，季節界定春季為3～5月、夏季為6～8月、秋季為9～11月、冬季為12月、1月和2月。臭氧1 h季節平均濃度變化規律如圖3。

由圖4可見，江津城區O3濃度峰值出現在15:00～16:00。夏季由于溫度高，日照時間長，O3濃度整體維持較高水平，9:00時O3濃度開始積累升高，21:00時才開始逐漸降低。夜間O3濃度與其他季節相比呈下降趨勢，這表明城區夜間消耗O3的光化學反應和白天生成O3的光化學反應強度要強于其他季節，可能是因為夜間溫度較高所致[10]。春季的日變化曲線跟夏季比較類似，較高O3濃度持續時間較夏季短。春、秋季10:00時O3濃度開始積累升高，19:00時開始逐漸降低。秋季的變化曲線相對平緩，峰值要明顯低于春季和夏季。冬季臭氧濃度明顯小于春季、夏季、秋季，和成都地區臭氧濃度變化類似[11]。冬季由于溫度較低，12:00時O3濃度開始積累升高，18:00時開始逐漸降低。冬季的日變化曲線跟秋季比較類似，但是全天平緩，整體保持較低的濃度水平，但是夜間受到低溫的影響，消耗O3的光化學反應明顯變弱，使得夜間O3濃度下降不明顯。從平均峰值來看，臭氧濃度由高到低的季節依次是夏季、春季、秋季和冬季。

圖3 江津城區O3最大8 h滑動的均值季濃度變化曲線

3.3 O3最大8 h滑動的均值月濃度變化規律

對2017年和2018年臭氧最大8 h滑動值逐月進行統計分析，江津區臭氧最大8h滑動的均值月濃度變化規律如圖4和圖5，從整體來看，江津區臭氧濃度月變化呈“單峰型”結構，受到環境溫度的影響，1～6月臭氧月均濃度逐漸升高，到了7～8月為污染最嚴重的兩個月份，7月是臭氧濃度最高的月份，隨后從9月開始濃度逐漸下降。從臭氧超標天數來看，而臭氧超標天多集中在4～9月。1～3月、10～12月無臭氧超標天，超標天數的變化趨勢與月濃度變化趨勢一致。由圖4可見，6月份O3濃度與4、5月份相比趨勢略有變化，主要是受到特殊的氣象條件的影響，6月份正值江津區陰天或下雨較多的月份，氣溫較低，濕度較大。太陽輻射強度的減小、溫度降低和濕度的增加均不利于O3的生成。

圖4 江津城區 O3最大8 h滑動的均值月濃度變化曲線(1～6月)

3.4 O3與主要氣象要素的關系

臭氧是典型的二次生成產物，其濃度變化與氣象要素的關系密切，因而有著較為典型的日變化趨勢。太陽輻射、氣溫、風向、風速、相對濕度等是臭氧濃度變化比較重要的影響因素[12,13]。

臭氧夏季的峰值持續時間較長(圖3)，14:00～18:00臭氧濃度維持一個較高的水平，主要原因是夏季炎熱酷暑，高溫低濕條件下臭氧生成過程快速進行，大氣中的臭氧不斷積累。從18:00開始到第二天早上8:00臭氧濃度在逐漸下降，8:00左右達到臭氧濃度谷值。臭氧濃度下降是因為太陽下山，缺少光照，臭氧的光化學生成反應停止，同時一氧化氮等還原劑與臭氧反應，反而消耗臭氧，降低臭氧濃度，18:00～22:00下降幅度最大。8:00之后，隨著太陽紫外線輻射的增強，地面臭氧濃度又開始了新一輪的上升趨勢，夏季因為紫外線輻射最強，所以臭氧濃度上升幅度最大，冬季則相反。

圖5 江津城區 O3最大8 h滑動的均值月濃度變化曲線(7～12月)

風速風向影響近地面臭氧濃度的機制也較為復雜。劉萍等[12]發現風速風向對臭氧濃度有影響，風向對臭氧濃度的影響，決定了監測點位臭氧的來源方向。安俊琳分析了不同風速條件下的臭氧濃度分布情況[10]，在1.1～3.0 m/s時相比風速小于1 m/s時大幅增加，風速再增大，臭氧濃度增幅僅為3.8%，隨著風速的加大，臭氧不斷被稀釋或者搬運，從而造成監測點臭氧濃度較低。對江津區夏季臭氧污染時段進行分析，發現本地的臭氧濃度高多發生在小風速下，說明臭氧污染以本地排放為主。

江津區溫度、相對濕度與臭氧之間的關系，由圖6中可以看出，臭氧濃度高值出現在圓形區域，處于高溫低濕的大氣環境中，溫度主要集中在30～35 ℃，而相對濕度集中在60%以下。臭氧濃度不僅由光分解反應決定，而且與熱化學反應關系密切。因此溫度對臭氧濃度影響也比較大，隨著溫度的升高，熱化學反應速率常數增大，氮氧化物的轉化速率也相應增加，另外，自由基的濃度也會隨著溫度的增加而增加，這些因素會導致臭氧濃度的增加[13,14]。大氣中的水汽通過影響太陽紫外輻射在光化學反應中扮演重要的角色，因此高相對濕度將不利于臭氧濃度的積累。綜上所述，高溫低濕有利于臭氧的形成[15]。

圖6 江津區溫度、相對濕度與臭氧之間的關系

4 結論

(1)2017 年、2018年，江津區臭氧作為首要污染物的天數分別為53 d和27 d，臭氧污染問題比較突出。

(2)2017年、2018年江津城區臭氧最大8 h滑動值日、月及季節平均濃度變化規律均呈“單峰型”結構，一般在15:00～16:00達到峰值，臭氧最大8 h滑動值在4～8月份維持相對較高濃度，其他月份則維持較低濃度，從四個季節平均峰值來看，臭氧濃度由高到低的季節依次是夏季、春季、秋季和冬季。

(3)臭氧濃度與氣象因素的關系密切，臭氧濃度隨太陽輻照、溫度增高有明顯的增加趨勢，風速、風向對臭氧的生成和移動有影響，高溫低濕有利于臭氧的形成。