2015—2019 年汾渭平原臭氧污染狀況分析

解淑艷,霍曉芹,曾凡剛,王勝杰

1.中國環境監測總站,國家環境保護環境監測質量控制重點實驗室,北京 100012

2.中國人民大學環境學院,北京 100872

3.中國氣象工程咨詢中心,北京 100081

臭氧(O3)是大氣對流層光化學污染的產物,是大氣氧化能力的關鍵因子。 人類活動大量排放的氮氧化物(NOx)、揮發性有機物(VOCs),以及一氧化碳、甲烷等物質,在光照條件下發生反應生成O3,導致光化學污染[1-2]。 近地面O3污染會影響人體健康,對生態系統產生影響[3-5],還會加速細顆粒物(PM2.5)等污染物的轉化形成,進一步影響環境空氣質量[6-7]。 近年來,有學者對中國長三角[8]、成渝[9]、京津冀[10]等區域,以及深圳、廣州、上海、杭州、成都[11-15]等城市的O3污染趨勢及時空分布特征進行了分析,發現O3污染形勢日益嚴峻,O3在綜合空氣質量指數(AQI)中作為首要污染物的比例已經超過PM2.5[16]。 2015 年開始,全國338 個地級及以上城市全部開展了O3監測。監測結果顯示,2015 年以O3為首要污染物的超標天數占比為16.9%,超過PM10(15.0%),僅次于PM2.5(66.8%)[16]。 O3成為繼PM2.5之后困擾城市環境空氣質量的另一種重要的二次污染物[17]。 汾渭平原包括山西省呂梁、晉中、臨汾、運城,河南省洛陽、三門峽,陜西省西安、寶雞、渭南、咸陽、銅川等11 個地市,2018 年被列入國務院《打贏藍天保衛戰三年行動計劃》(國發〔2018〕22號),成為持續開展大氣污染防治行動的三大重點區域之一。

本文運用2015—2019 年國家環境空氣質量監測網O3監測數據,分析汾渭平原主要城市O3污染特征及變化趨勢,以期為加強區域O3污染防治提供參考。

1 資料與方法

本文數據來自中國環境監測總站國家環境空氣質量監測網2015—2019 年監測數據,監測過程嚴格執行《環境空氣氣態污染物(SO2、NO2、O3、CO)連續自動監測系統運行和質控技術規范》(HJ 818—2018)[18]和《環境空氣顆粒物(PM10和PM2.5)連續自動監測系統運行和質控技術規范》(HJ 817—2018)[19]等相關標準。 汾渭平原11 個城市共有63 個國控環境空氣質量監測點位,其中,6 個清潔對照點不參與分析評價。 數據有效性 按 照《 環 境 空 氣 質 量 標 準》 ( GB 3095—2012)[20]、《環境空氣質量評價技術規范(試行)》(HJ 663—2013)[21]的有關要求落實。 O3日評價采用O3日最大8 小時平均質量濃度(O3-8 h),年評價采用全年O3-8 h 第90 百分位濃度(O3-8 h-90PER)。 O3-8 h 二級標準限值為160 μg/m3,O3小時濃度二級標準限值為200 μg/m3。 汾渭平原環境空氣質量監測點位分布見圖1。

圖1 汾渭平原城市空氣質量監測點位分布示意圖Fig.1 Distribution of urban air quality monitoring points in Fenwei Plain

2 結果與討論

2.1 汾渭平原O3 污染狀況

2015—2019 年,汾渭平原各年度空氣質量優良天 數 比 例 分 別 為 75.5%、 66.0%、 60.7%、63.9%、61.7%,總體呈降低趨勢,表明汾渭平原空氣質量總體呈惡化趨勢。 大氣6 項常規污染物中(圖2),SO2、PM10、CO 第95 百分位濃度(CO-95PER)總體呈下降趨勢;PM2.5濃度略有下降;NO2濃度總體有所升高,但在2017—2019 年略有降低;各年度O3-8 h-90PER 分別為122、140、169、164、171 μg/m3,總體呈升高趨勢,年平均升高12.2 μg/m3,2017—2019 年連續3 年超過二級標準限值(160 μg/m3),是6 項污染物中年平均升高幅度最大的污染物。

圖2 2015—2019 年汾渭平原各污染物濃度變化趨勢Fig.2 Trends of pollutant concentrations in Fenwei Plain in 2015-2019

2.2 O3 對汾渭平原空氣質量的影響

2015—2019 年,汾渭平原11 個城市各年度O3-8 h 超標天數之和分別為57、227、522、449、590 d,總體呈升高趨勢,其中2019 年O3-8 h 超標天數高于PM10(圖3),表明O3對空氣質量的影響越來越顯著。 2015—2019 年,汾渭平原11 個城市各年度O3單因子超標天數之和分別為55、217、521、447、577 d,O3-8 h 超標使汾渭平原各年度空氣質量優良天數比例分別減少了1.4、5.4、13.0、11.1、14.4 個百分點(表1),表明O3-8 h 超標對空氣質量優良天數比例的影響越來越顯著。

圖3 2015—2019 年汾渭平原11 個城市各污染物超標天數Fig.3 Days exceeding the standard of each pollutants in 11 cities of Fenwei Plain in 2015-2019

2.3 O3-8 h 時間分布

將11 個城市每日O3-8 h 平均,得到汾渭平原O3-8 h,其散點分布如圖4 所示。 由圖4 可以看出,O3-8 h 呈現春夏季高、秋冬季低的特點,O3-8 h 高值主要分布在5—9 月,11—12 月較低。2015—2019 年,各年度O3-8 h 最高值分別為152、176、224、195、202 μg/m3,均 出 現 在5—7 月。2016—2019 年,各年度O3-8 h 在5—9 月超過二級標準限值的天數分別為4、43、32、42 d,占全部超標天數的97%以上,表明該時段對全年O3-8 h-90PER 的影響最大。

圖4 2015—2019 年汾渭平原O3-8 h 分布Fig.4 Distribution of O3-8 h in Fenwei Plain in 2015-2019

對11 個城市每日O3-8 h 值在各區間出現的頻次進行統計。 結果顯示(圖5),2015—2019年,O3-8 h 出現頻次較高的區間主要是在10 ～180 μg/m3,各年度出現頻次最高的區間分別為40 ～50、40 ～50、60 ～70、70 ～80、50 ～60 μg/m3,對應的天數分別為434、407、393、316、293 d。 各年度O3-8 h 出現頻次最高的濃度區間總體向高濃度區間移動,最高頻次呈下降趨勢,低濃度O3出現的頻次呈減少趨勢,高濃度O3出現的頻次呈增加趨勢。 2015—2019 年,各年度 O3-8 h 大于160 μg/m3的頻次所占比例分別為1.4%、5.6%、13.0%、11.2%、14.7%,O3-8 h 超標比例逐漸升高。 2019 年,O3-8 h 介于50 ～90 μg/m3的頻次明顯低于前4 年,介于150 ～210 μg/m3的頻次明顯高于前4 年。

圖5 2015—2019 年汾渭平原11 個城市不同O3 濃度天數統計Fig.5 Statistics of different ozone concentration days in 11 cities of Fenwei Plain in 2015-2019

利用11 個城市每日O3-8 h 計算汾渭平原每日O3-8 h,并由小到大排列,每5 個百分位取值進行分析。 結果顯示(圖6),2015—2019 年,汾渭平原各年度O3-8 h 不同百分位濃度均呈升高趨勢,年均升高1.0 ～13.5 μg/m3,且百分位數越高,增幅越明顯。 從第70 百分位開始,年平均升高超過10 μg/m3。 其中,升幅最大的是第95 百分位濃度,年平均升高13.5 μg/m3;第90 百分位次之,年平均升高12.5 μg/m3。

圖6 2015—2019 年汾渭平原O3 不同百分位濃度變化Fig.6 Change of ozone percentile concentration in Fenwei Plain from 2015 to 2019

2.4 O3 小時濃度變化趨勢

對汾渭平原不同月份O3日變化特征進行分析。 圖7 顯示,2015—2019 年,O3日變化在不同月份均呈單峰形,最高值出現在15:00—16:00,最低值出現在07:00 左右,總體呈逐年升高趨勢;4—6 月與7—9 月O3日變化水平相當,1—3 月O3濃度低于4—9 月,高于10—12 月。 2019 年各分析時段16:00 的O3濃度由高到低排序為7—9月、4—6 月、1—3 月、10—12 月,濃 度 值 分 別 為145、141、82、60 μg/m3,年變化量分別為10.7、11.1、6.6、3.0 μg/m3;2019 年各分析時段07:00的O3濃度由高到低排序為4—6 月、7—9 月、1—3 月、 10—12 月, 濃 度 值 分 別 為 40、 39、 21、14 μg/m3,年變化量分別為2.1、2.1、0.4、＜0.1 μg/m3。 以上分析表明,各分析時段O3濃度均有不同程度的升高,4—9 月O3濃度較高,且4—9 月高濃度時刻和低濃度時刻的平均升幅均明顯高于其他月份。

圖7 2015—2019 年汾渭平原不同時段O3 小時濃度變化趨勢Fig.7 Trend of hourly ozone concentration in different time periods of Fenwei Plain in 2015-2019

2.5 汾渭平原11 個城市O3 污染狀況分析

2019 年,汾渭平原11 個城市O3-8h-90PER介于138 ～204 μg/m3(圖8)。 其中,臨汾最高、寶雞最低,臨汾、晉中、洛陽等9 個城市超過二級標準,銅川(158 μg/m3)接近二級標準。 與2015 年相比,11 個城市2019 年O3-8 h-90PER 均有所升高。 其中:臨汾升幅最高,為96.2%;寶雞升幅最低,為13.1%;晉中、呂梁、洛陽升幅超過50%;渭南、銅川升幅超過30%。

圖8 2015—2019 年汾渭平原11 個城市O3-8 h-90PER 情況Fig.8 O3-8 h-90PER in 11 cities of Fenwei Plain in 2015-2019

通過分析汾渭平原11 個城市6 項污染物中O3單因子的超標情況,可以看出O3單項污染物對空氣質量優良天數比例的影響(表1)。 2019年,O3超標使汾渭平原優良天數比例減少了14.4個百分點,使11 個城市優良天數比例減少了1.9 ～28.4 個百分點。 其中,寶雞優良天數比例受O3超標影響較小,臨汾受O3超標影響最大。 O3超標使臨汾、洛陽、晉中優良天數比例分別減少了28.2、20.8、20.5 個百分點,使運城、渭南、西安、呂梁、咸陽優良天數比例減少了超過10 個百分點。 2015—2019 年,O3單項污染物超標比例年平均升高了3.3 個百分點。 11 個城市中,臨汾年平均升幅最高,為7.1 個百分點;洛陽、晉中、運城、渭南、呂梁年平均升幅超過3.0 個百分點。 以上分析表明,汾渭平原O3超標情況逐年加重,對優良天數比例的影響越來越大,如不能有效控制O3污染,臨汾、洛陽、晉中等城市的優良天數比例將難以達到80%。

表1 2015—2019 年汾渭平原及11 個城市O3 單因子超標天數比例Table 1 Proportionofdays exceeding the standard for single factor ozone in Fenwei Plain and 11 cities in 2015-2019%

2015—2019 年,汾渭平原11 個城市中,各年度出現O3小時濃度超標的城市數量分別為5、9、10、11、11 個,超標小時總數分別為44、270、1 352、908、1 298 h,總體呈升高趨勢。 其中,2017年超標小時數最多,且臨汾和咸陽各出現了7 h和1 h 中度污染。 11 個城市中(表2),臨汾O3污染最重,2017—2019 年出現的超標小時數最多,分別為324、290、393 h,2019 年超標小時數占全部小時數的4.5%,各年度最高小時濃度分別為338、282、291 μg/m3。 2015—2019 年,11 個城市各年度最早出現O3小時超標的日期分別是3 月16 日(咸陽,204 μg/m3)、4 月2 日(銅 川,208 μg/m3)、4 月30 日(臨汾,217 μg/m3)、4 月3 日(西 安, 206 μg/m3)、 3 月 26 日 ( 臨 汾,207 μg/m3),其中2017—2019 年各年度首次出現O3小時濃度超標的日期有逐漸提前的趨勢。

表2 2015—2019 年汾渭平原各城市O3 超標小時數及最大小時濃度統計Table 2 Statistics of excess hours and maximum hourly concentration of ozone in cities of Fenwei Plain in 2015-2019

O3-8 h 在二級標準附近時,可認為屬于O3達標敏感天。 2019 年各城市O3-8 h 介于150 ～160 μg/m3的天數為11 ～25 d,占有效天數的比例為3.0%～6.8%。 如管控不當,這些達標天數容易轉變為超標天數。 2019 年各城市O3-8 h 介于160 ～170 μg/m3的天數為5 ～19 d,占有效天數的比例為1. 4%～5. 2%。 如管控得當,這些超標天數可以轉變為達標天數。 從達標敏感天數時間分布來看,11 個城市 O3-8 h 介于150 ～160 μg/m3的天數共184 d,主要集中在6—8月,3 個月份分別占17. 9%、22. 8%、15. 8%;O3-8 h 介于160 ～170 μg/m3的天數主要集中在5—7 月, 3 個 月 份 分 別 占 16. 1%、 17. 5%、25. 2%。 具體情況如表3、圖9 所示。

表3 2019 年汾渭平原11 個城市O3 濃度介于150 ～170 μg/m3 分布統計Table 3 Distribution statistics of ozone concentration between 150-170 μg/m3 in 11 cities of Fenwei plain in 2019d

圖9 2019 年汾渭平原11 個城市O3-8 h 統計Fig.9 Statistics of O3-8 h in 11 cities of Fenwei Plain in 2019

3 結論和建議

1)2015—2019 年,汾渭平原O3-8 h-90PER平均濃度年均升高了12.2 μg/m3,且連續3 年超過二級標準限值。 O3超標使汾渭平原各年度空氣質量優良天數比例分別減少了1.4、5.4、13.0、11.1、14.4 個百分點,O3對汾渭平原空氣質量的影響越來越顯著。 汾渭平原O3-8 h 呈現夏季高、秋冬季低的特點。 2016—2019 年,97%以上的O3-8 h 超標日發生在5—9 月,5—9 月O3-8 h 對全年O3-8 h-90PER 的影響最大。

2)2015—2019 年,汾渭平原各年度O3-8 h 大于160 μg/m3的頻次占比分別為1.4%、5.6%、13.0%、11.2%、14.7%,O3-8 h 超標比例逐漸升高;出現O3小時濃度超標的城市數量也逐漸增多,小時超標總數總體呈升高趨勢,其中2017—2019 年各年度首次出現O3小時污染的日期逐漸提前。

3)2017—2019 年,汾渭平原各年度O3最高小時濃度均出現在臨汾。 臨汾是汾渭平原O3污染最重的城市,出現的超標小時數也最大。 2019年,臨汾、洛陽、晉中、運城、渭南、西安、呂梁、咸陽8 個城市的O3污染較重,O3超標使其優良天數比例減少了超過10 個百分點。

4)O3-8 h 介于160 ～170 μg/m3的日期主要集中在5—7 月,因此,做好5—7 月O3污染防控可有效降低O3超標對空氣質量優良天數比例的影響。 研究表明,空氣中的VOCs 對O3生成潛勢具有較大貢獻。 建議在汾渭平原各城市,尤其是臨汾、晉中等O3污染較重的城市,開展VOCs 監測,確定城市VOCs 優控物種,從而減輕O3污染影響。