永泰縣臭氧污染特征及影響因素分析

卓少玲

(福州市永泰環境監測站，福建 永泰 350700)

1 引言

隨著經濟的發展，城市化進程加快和汽車尾氣排放增加，排放至大氣中的污染物總量日益增多，加劇了城市熱島效應，限制了大氣污染物的擴散[1]。此外，污染物的空間傳輸，導致大氣污染問題異常嚴峻，對我國構建可持續發展藍圖形成了巨大的挑戰。

臭氧是大氣中的二次污染物，是揮發性有機物(VOCs)和氮氧化物(NOx)等在高溫光照的條件下發生光化學反應生成的[2]，隨著全國多地臭氧逐漸取代顆粒物成為首要污染物，臭氧污染受到了公眾的廣泛關注和各級政府的高度重視。

靳少非[3]對福建省臭氧2015～2017年變化特征研究表明，各地級市臭氧逐日濃度均呈現增加趨勢；鐘雪芬[4]以福州空氣中臭氧數據為基礎，表明福州市的臭氧呈現夏季高，冬季低特征。陳艷[5]利用2015～2018年莆田市環境空氣自動監測數據表明，臭氧超標主要出現在4～10月份。此外，在廈門[6]、泉州[7]等地也對臭氧的影響因素進行了相關研究。

定位為福州后花園的永泰縣，獲得了“中國天然氧吧”“國家級生態縣”“國家生態文明建設示范縣”“中國優秀旅游縣”等稱號。永泰縣空氣質量總體較好，但近年來臭氧濃度持續不斷攀升，對永泰的綠色生態布局產生了重要影響。

本文以永泰縣環境空氣質量監測數據為基礎，分析了環境空氣質量總體狀況、臭氧濃度的時間分布特征、超標日的原因及與氣象因素的關系，并運用SPSS軟件分析了臭氧與其它大氣污染因子的相關性，以期為永泰縣大氣污染防治提供依據。

2 材料與方法

2.1 觀測區域

永泰縣為福州市管轄范圍縣城，是典型的亞熱帶季風氣候區，常年溫度位于14.6～20.1 ℃，常年主導風向為東風，靜風頻率高達41%。地貌呈西北高，東南低，兩側高，中間低的長廊形峽谷形態。

2.2 監測點位

永泰縣城區上馬路測點、城區城南小學測點為永泰縣省控環境空氣評價點位，位置如圖1所示。

圖1 永泰縣城區監測點位示意

2.3 研究方法

根據HJ 663-2013《環境空氣質量評價技術規范(試行)》、HJ 633-2012《環境空氣質量指數(AQI)技術規定(試行)》、環辦〔2014〕64 號《城市環境空氣質量排名技術規定》的相關要求對永泰縣2016～2020年環境空氣質量監測數據進行分析。同時，采用Excel對臭氧年均濃度、季節濃度、月均濃度、日濃度進行統計分析，得出各污染物的時間變化趨勢。通過SPSS 23.0軟件，分析了臭氧與其它環境空氣污染物因子之間的相關性。利用美國國際環境預報中心(NCEP)提供的全球氣象資料同化資料(GDAS)格式的風向數據和MeteoInfo中TrajSata插件設定模擬軌跡所需參數，應用Hysplit模型分析了氣團的后向軌跡。有效天數、年評價百分位數值、季節濃度、月均濃度、小時濃度、濕度、氣溫、風速、風向等是指剔除斷電、接觸問題、儀器掉線等原因導致數據缺失、監測時數不足以及明顯有誤的數據。

3 結果與討論

3.1 十三五期間永泰縣環境空氣質量總體狀況

由表1可見，十三五期間永泰縣環境空氣質量總體較好，2017～2020年綜合指數均優于2016年，達標天數比率在99.7%以上，一級達標天數比率為62.7%～72.3%，二級達標天數比率為27.7%～37%，臭氧成為首要污染物的天數從2017年開始不斷上升，2020年超標因子為臭氧，臭氧取代顆粒物成為制約永泰縣環境空氣質量的首要因素。

表1 十三五期間永泰縣環境空氣質量總體情況

3.2 臭氧的時間分布特征

3.2.1 臭氧濃度年度變化趨勢

由圖1顯示，永泰縣十三五期間臭氧日最大8小時滑動平均值的第90百分位數濃度值(簡稱O3-8h-90per)濃度值均低于GB3095-2012《環境空氣質量標準》中的二級標準限值，O3-8h-90per呈現先下降后上升趨勢，主要受永泰縣機動車保有量增加、揮發性有機物排放增多、O3及其前體物的空間傳輸等因素影響。

圖1 十三五期間永泰縣O3-8h-90per濃度趨勢

3.2.2 臭氧濃度季節變化特征

由圖2顯示，臭氧春季(3～5月)、夏季(6～8月)濃度較接近，春季略大，冬季(12月至次年2月)濃度最小。冬季臭氧濃度低是由于冬季日照時數較低，光化學反應弱。春季大氣相對穩定，近地面較易出現逆溫現象[8]，加上平流層輸送的臭氧本底濃度在春季最高[9]和外來臭氧傳輸，導致永泰縣臭氧春季濃度略高。

圖2 2016年～2020年永泰縣臭氧濃度季節變化趨勢

3.2.3 臭氧濃度月度變化特征

如圖3所示，永泰縣臭氧月變化趨勢呈M型，從1月開始臭氧濃度緩慢上升，6月出現最大值，8月突然下降，12月出現最小值。這和安陽市[10]情況類似，6月臭氧高原因可能是由于6月位于春季和夏季交界，由于低渦、西南急流、切變等天氣系統，易產生豐沛降水，同時，副熱帶高壓北移西伸，福建受其影響，溫度回升。通過天氣系統的交替轉變，白天雨后溫度回升，光化學反應劇烈；另外，6月的混合層高度比夏季其他月份低，不利于臭氧擴散[11]，所以6月臭氧濃度較高。

圖3 2016年～2020年永泰縣臭氧濃度與日照月變化關系

3.2.4 臭氧濃度日變化特征

由圖4可知，臭氧小時濃度曲線體現明顯的單峰型特征，早晨7點最低，下午4點出現波峰，早晨7點最低是由于夜晚生成臭氧較少，7點開始，由于紫外線增強、溫度攀升，光化學反應逐漸增強，下午4點左右出現最高峰，4點后由于太陽輻射減弱，濃度也降低，夜晚后濃度處于較低水平，一方面由于臭氧被光化學反應的消耗，另一方面是近地面的沉積作用。

圖4 2016年～2020年永泰縣臭氧小時濃度日變化趨勢

3.3 臭氧濃度與氣象因素分析

本文選取臭氧作為首要污染物為研究日期(剔除數據不正常，共94 d)，繪制臭氧濃度與氣溫、濕度的散點圖，探討臭氧濃度與氣溫、濕度、風向、風速等氣象因素的關系。

2016～2020年氣溫、日照時數、降雨量的月平均數據由永泰縣氣象局提供。

3.3.1 氣溫、日照時數、降雨量

臭氧濃度與溫度之間關系見圖5。結果表明，臭氧成為首要污染物當日，氣溫大多分布在16～32 ℃之間(占比87.2%)，溫度為27～32 ℃時，臭氧濃度大于130 μg/m3的次數增多。

圖5 臭氧成為首要污染物時日與氣溫關系

溫度、日照時數是臭氧生成的重要條件，這是由于隨著溫度的升高、日照時數的增多，氧分子光解速度加快，臭氧生成速率也增快。降雨有濕清除作用，同時通過影響溫度間接影響臭氧生成速率。

根據圖6結果顯示，2016～2020年氣溫月變化、日照時數變化月、降雨量月變化呈單峰型特征，O3濃度6月最高，降雨量6月最大，氣溫、日照時數7月出現最大值。O3濃度7月不是最高這說明，氣溫、日照時數、降雨量是臭氧生成的重要條件，同時還受其它條件的影響。

圖6 臭氧濃度與氣溫、日照時數、降雨量月變化關系

3.3.2 相對濕度

臭氧超標日臭氧濃度與濕度關系日變化如圖7所示，濕度在40%～60%區間，臭氧濃度總體較高，這表明濕度越低，越利于臭氧形成。圖8結果顯示，臭氧成為首要污染物的濕度集中在62%～78%之間(占比68.1%)，此區間臭氧濃度大于130 μg/m3的次數較多。這與超標日臭氧變化有所區別，原因可能是永泰縣春夏多雨，加上植被較多，兩個站點位于大樟溪邊上，總體的相對濕度較高，而春夏臭氧總體生成又較多，故臭氧成為首要污染物的濕度較高。

圖7 超標日臭氧濃度與濕度關系

圖8 臭氧成為首要污染物時日與濕度關系

3.3.3 風向、風速

臭氧超標日上馬路、城南小學臭氧濃度與風速、風向關系日變化如圖9～10所示，從圖中可以看出，風速與臭氧總體成正比關系，風速越大，臭氧濃度越大。當風向為SE、SSE、S(風向角130～190度)，風速為1.4～5.4 m/s之間時，區域臭氧濃度值較高，主要是由于城東南方向布設馬洋工業園區，在東南風作用下，臭氧濃度增高。

圖9 超標日上馬路臭氧濃度與風速、風向關系

由上可知，臭氧形成的機理十分復雜，氣象因素是影響臭氧濃度的重要條件，臭氧濃度高低是多種因素共同作用的結果。

3.4 永泰縣大氣中臭氧與其它污染物濃度的相關性分析

通過SPSS軟件進行單樣本柯爾莫戈洛夫-斯米諾夫檢驗顯示，O3、PM10、PM2.5、CO、SO2和NO2均不符合正態分布，不適用Pearson相關性分析，因此采用Spearman秩相關系數對2016～2020年臭氧與其它污染物濃度日均值進行了相關性進行了分析，結果如表2顯示。

表2 永泰縣O3與其它污染因子濃度的相關性分析

臭氧與一氧化碳為正相關，相關系數為0.127，可能因為O3受其它前體物的作用關系[4]36。O3與SO2、PM10、PM2.5相關性可能還受到污染源、氣象因素等條件影響。O3與NO2呈負相關，相關系數為0.215，表明永泰縣O3濃度與NO2相關性較弱，可能是由于永泰縣O3濃度主要受一氧化氮NO、揮發性有機物VOCs等前體物的影響更敏感。由于這兩個站點暫未進行一氧化氮NO、揮發性有機物VOCs監測，與其影響有待進一步研究。永泰縣應重點加強對氮氧化物NOx、揮發性有機物VOCs的防治，同時在控制前體物的同時，空氣中的其它污染因子的防治也不容忽視。

3.5 臭氧超標日影響分析

2020年7月24日永泰縣臭氧超標，超標日與濕度、風向、風速的關系圖見圖7、圖9、圖10。同時，繪制O3與NO2、氣溫的關系如圖11。

圖10 超標日城南小學臭氧濃度與風速、風向關系

圖11 臭氧與二氧化氮、氣溫的關系

從圖中可以看出，NO2總體變化不大，氣溫呈明顯的單峰型，O3呈明顯的雙峰型。O3濃度在11點出現第一個小高峰，NO2未出現明顯下降，氣溫于15點達到最高，17點NO2達到最小值，風速為最大值，17點O3達到最高峰。

利用Hysplit模式得到的距地500 m高度的48 h后向軌跡(城區兩個測點距離近，經緯度取超標日臭氧濃度較大的上馬路測點)，軌跡顯示氣團由廣東沿海一路北上，經漳州、泉州、莆田最后到達永泰縣。

7月24日受副熱帶高壓控制，天氣晴熱，溫度升高，紫外輻射增強，利于污染物二次反應生成臭氧并持續累積，臭氧出現雙峰，17點～22點臭氧濃度較高，結合Hysplit后向軌跡，推測本次超標可能是本地累積+外地傳輸的影響。

4 永泰縣臭氧污染防治建議

根據永泰縣臭氧的時間變化特征、與氣象因素及與其它污染因子的相關性分析、超標日的原因，建議從以下幾個方面采取有針對性的防控措施，降低臭氧濃度：

(1)加強審批準入門檻。對產生VOCs、NOX企業嚴格審批，盡量布置在遠離城市主要風向的工業園，尤其是東南方向的馬洋工業園。

(2)制定涉及VOCs、NOX重點管控企業清單，實行“一企一策”，加強鍋爐綜合整治、機動車尾氣污染防治、生活面源污染控制，推進VOCs治理，開展VOCs治理與驗收工作[12]。

(3)加強全縣重點企業的NOX、VOCs排放監管，嚴肅查處涉及NOX、VOCs企業超標排放、稀釋排放、處理設施停用等違法違規行為。

(4)加強區域間的合作，協同減排。永泰處于福州市西南，易受各方向傳輸影響，應與周邊省市縣進行合作，深化區域聯防聯控，防止O3、NOX、VOCs及其它污染因子遠距離傳輸超標。

(5)強化臭氧應對措施。根據永泰縣臭氧季變化、月變化特征，重點企業在臭氧濃度較高的4～11月應妥善安排生產計劃，根據需要實施調度控制。當啟動臭氧污染應急響應時，涉及VOCs、NOX重點管控企業錯峰生產。氣象因素對臭氧形成起重要的作用，根據臭氧日變化特征及與氣象因素的關系，盡量避開12～19時、溫度27 ℃以上情況進行生產。同時，嚴格加強永泰縣城主導風向重點工業污染源管控，以期降低臭氧的濃度。

5 結論

(1)十三五期間永泰縣環境空氣質量趨勢總體較好，2017～2020年綜合指數均優于2016年，達標天數比率在99.7%以上，臭氧取代顆粒物成為制約永泰縣環境的首要因素。

(2)O3-8h-90per由2017年開始呈上升趨勢，O3春季、夏季數值較接近，春季略大。從月變化來看，O3月變化呈M型，6月出現最大值，12月出現最小值。從日變化來看，臭氧的小時濃度曲線呈明顯的單峰型，體現晝夜明顯的波動特征。

(3)氣象因素是影響臭氧濃度的重要條件，臭氧濃度是多種因素共同作用的結果。

(4)臭氧和其它污染因子日均濃度的相關性分析顯示，相關性與其污染來源、是否是其前體物及氣象因素存在關系。

(5)十三五期間唯一的一次臭氧超標原因可能是本地累積+外地傳輸的影響。