2016～2019年宿遷市中心城區臭氧污染特征分析

孫 丹

(江蘇省宿遷環境監測中心，江蘇 宿遷 223800)

1 引言

近年來，宿遷市大氣污染防治工作的深入開展，有效推動了環境空氣質量的持續改善。但隨著經濟的持續增長，能源消耗的持續增加，大氣污染治理的難度逐年遞增。特別是2016 年以來，宿遷市PM2.5改善幅度逐年放緩的同時，臭氧濃度出現大幅上升，超標現象明顯，導致優良天數比例同比不升反降，成為繼PM2.5后嚴重制約宿遷市環境空氣質量改善和達標的重要污染物。

臭氧(O3)是典型的二次污染物，是污染源(天然源和人為源)排放的氮氧化物(NOx)、揮發性有機物(VOCs)和一氧化碳(CO)等前體物在高溫、強輻射的條件下發生大氣光化學反應而生成[1]。當前，國內對臭氧污染的相關研究主要集中在京津冀、珠三角、長三角以及省會等中大型城市[2～10]，針對蘇北內陸城市研究相對較少。本文基于2016～2019年宿遷市國控大氣站點觀測數據，探討了臭氧及NO2濃度水平、時空分布特征，以期為地方臭氧污染防治、管控提供參考，為制定有效的大氣管控政策提供依據。

2 數據來源和分析方法

2.1 觀測數據來源

當前，宿遷市中心城區分布有4個國控大氣站點，分別為市供電局、宿遷學院、宿遷中學、宿豫區政府。各點位均按照規范要求，開展了SO2、NO2、PM10、CO、O3和PM2.5六項基本參數的連續自動監測。本文研究O3和NO2濃度數據采用2016～2019年期間國控站點的連續監測數據。

2.2 數據評價方法

O3評價指標為日最大8 h滑動均值(以下以“O3-8h”表示)，數據有效性、計算方法、統計方法按照《環境空氣質量標準》(GB3095-2012)[11]和《環境空氣質量指數(AQI)技術規定(試行)》(HJ633-2013)[12]執行。

3 結果與分析

3.1 宿遷市中心城區臭氧污染總體狀況

2016～2019年期間，宿遷中心城區O3-8h、O3-8h第90百分位數以及超標天數如圖1 所示。各年度O3-8h濃度分別為86、106、102、111 μg/m3；O3-8h第90百分位數分別為137、171、167、180 μg/m3，僅2016年達標，其余年份分別超出日最大8 h平均二級標準6.9%、4.4%、12.5%；臭氧超標天數分別為 20、51、45、71 d。從濃度及超標情況來看，2016年宿遷市中心城區臭氧污染程度最輕，2019年最為嚴重，雖然2018年較2017年有所改善，但整體而言，宿遷市中心城區臭氧污染呈加重趨勢。

圖1 2016～2019年宿遷中心城區O3-8h濃度以及超標天數

3.2 宿遷市中心城區臭氧污染時間變化特征

3.2.1 月度變化

宿遷市中心城區2016～2019 年臭氧逐月濃度水平變化如圖2所示。總體來看，宿遷市5月份和6月份臭氧濃度最高，尤其是6月份，除2016 年外，濃度均為全年最高，2016 年則是9月份臭氧濃度最高。2016年臭氧濃度月變化呈典型的“單峰”分布，但總體看：6～9月份臭氧濃度差異較小；2017～2019年，與2016年截然不同，臭氧呈“雙峰型”分布，第一個高值為6月份，第二個高值為9月份。2017年臭氧濃度相比2016年大幅上升，特別是在1～5月份，有3個月濃度達到同期最高；2018年臭氧濃度有所降低，但其10 月濃度為同期最高。相比于2018年，2019年臭氧濃度顯著上升，特別是6～9 月份濃度上升明顯，且高于同期；9月份為2016年最高，2017、2018、2019年則均為6月份最高。

圖2 宿遷市2016～2019年臭氧逐月濃度水平變化

宿遷市中心城區2016～2019年臭氧逐月超標天數如圖3所示，2016～2019年全年分別超標20 d、51 d、45 d和71 d，2019年顯著高于歷史同期。從超標出現時間來看，2016年集中在6～9月份，2017年集中在4～9月份，2018年集中在3～10月份，2019年則集中在2～10月份；臭氧超標出現時間逐年提前，結束時間則有所延遲。

圖3 宿遷市2016～2019年臭氧超標天數逐月變化

臭氧濃度最高的6月份超標最為嚴重，2019年6月份宿遷市超標22 d，高于歷史同期，2017年和2018年分別超標19 d和16 d；其次是5月份，2017年5月份臭氧濃度最高，且超標13 d，再次是2019年，超標12 d；4月份2018年超標最多，為9 d，2017年和2019年分別超標8 d和4 d； 2019年7月份和8月份均超標10 d，高于其他年份；9月份則是2016年超標最多。2019年5～9月份臭氧超標嚴重，表明臭氧污染形勢更為嚴峻。

3.2.2 日變化

從2016～2019年臭氧逐日濃度變化來看，2016年僅有6～9月份的臭氧有超標，高濃度值集中在9月份，其中9月1～5日連續超標。2017年污染程度相對較重，高值集中在5月份和6月份，且超標天連出現。2018年高濃度值主要集中在6月份，6月1～8日連續8 d超標，其中6月8日和6月6日臭氧日最大8 h滑動平均值分別高達252 μg/m3和225 μg/m3。2019年5～9月份臭氧濃度較高，5月份和6月份分別連續超標5 d和10 d，其中6月15日臭氧日最大8 h滑動平均值達到254 μg/m3；7月、8月均出現連續4 d超標。

圖4 2016～2019年宿遷市臭氧逐日的變化特征

3.2.3 小時變化

2016～2019年臭氧超標天和非超標天情況下的臭氧及NO2的小時濃度變化統計情況如圖5所示，臭氧小時濃度均呈單峰型分布。臭氧超標日，從8時開始臭氧生成速率很快，濃度快速升高，峰值時間則隨著年份變化由2016～2017年的15時向后延遲至2018～2019年的17時，14時至夜間凌晨的臭氧濃度也呈逐年上升趨勢，2019年與2018年較為接近，夜間濃度居高不下；非超標天自7～8時開始抬升較為緩慢，達到峰值時間與超標天類似，且夜間濃度也逐年上升。從臭氧日變化的谷值來看，超標日的臭氧初始濃度要顯著高于非超標天，這可能導致大氣氧化性增強，有利于臭氧污染的持續發生[13,14]。

圖5 2016～2019年超標天(a)和非超標天(b)O3和NO2的日變化

超標天和非超標天的主要區別在于光化學反應初始時刻臭氧的初始濃度和臭氧的抬升速率(主要是8～12時)，對比NO2的日變化規律可以發現，非臭氧超標日NO2日變化的峰值和谷值濃度均高于超標日，尤其是臭氧濃度較高的中午，超標天的NO2濃度明顯低于非超標天，總的來看日變化趨勢一致。

臭氧超標天濃度區間統計情況如圖6所示，從圖中可以看出，2016年臭氧超標濃度主要集中在160～170和170～180 μg/m3之間，占2016年總超標天的80.0%，其次是180～190 μg/m3之間，占15.0%，190～200 μg/m3之間僅占5%。2017年臭氧超標在160～170 μg/m3之間最多，為14 d，占27.5%；其次為超過200 μg/m3和170～180 μg/m3區間，各有11 d，均占17年總超標天的21.6%；180～190 μg/m3之間有9 d，占比為17.6%；190～200 μg/m3區間為6 d，占17年總超標天的11.8%。2018年臭氧超標濃度主要集中在170～180 μg/m3區間內，占2018年總超標日的31.1%；其次是160～170 μg/m3區間，占超標天的28.9%。2019年臭氧超標顯著增多，有19 d臭氧濃度超過200 μg/m3，占超標天的26.8%，頻次在歷年中最高；160～170 μg/m3區間的超標天數達22 d，占超標天的31.0%，頻次也顯著高于其他年份。

圖6 臭氧超標天濃度區間

3.3 宿遷市中心城區臭氧污染的空間差異

圖7為宿遷市2016～2019年臭氧空間分布情況。如圖所示，整體來看，4個站點臭氧濃度均逐年升高，年際變化一致。從各站點來看，2016～2017年，宿遷學院臭氧濃度均為4個國控點中最高，2018年宿豫區政府站點濃度與2017年接近，但在2018年卻高于其他站點，這是由于2017年濃度較高的宿遷中學和市供電局站點濃度均有所下降，而宿豫區政府濃度保持穩定；2019年宿豫區政府站點臭氧濃度最高，為207 μg/m3，2019年4個站點之間濃度相差較小。

圖7 宿遷市2016～2019年臭氧空間分布

2016～2019年宿遷市不同站點臭氧日變化如圖8所示，整體來看，不同年份不同站點的臭氧日變化均呈同樣的“單峰”變化趨勢，從早上7時開始顯著上升，下午顯著下降。具體來看，2016年宿遷學院為所有站點中臭氧濃度最高的站點，市供電局和宿豫區政府基本相同，宿遷中學在光化學劇烈反應的時段相對較低。宿遷學院和宿遷中學在中午14時達到峰值，市供電局和宿豫區政府在15時達到峰值。2017年4個站點濃度均高于2016年，其中宿遷學院、市供電局和宿豫區政府站點臭氧濃度基本相同，且宿遷中學依舊濃度較低。市供電局、宿遷學院和宿遷中學在15時達到峰值，宿豫區政府在14時達到峰值。2018年臭氧濃度較2017年有所降低，其中市供電局站點為4個站點中濃度最高的站點，市供電局、宿遷中學和宿豫區政府在16時達到峰值，宿遷學院在15時達到峰值。2019年1～10月4個站點濃度基本相同，站點間在光化學劇烈反應時段的差距基本沒有，表明站點間的區域污染更為顯著。此外，4個站點均在16時達到峰值。總體而言，不同站點的臭氧峰值時刻均不斷延后，而臭氧濃度在不斷增加。

圖8 宿遷市2016～2019年不同站點臭氧日變化

4 結論

(1)2016～2019年，宿遷市中心城區臭氧污染程度整體呈上升態勢。僅2016年臭氧濃度達標，2017年、2018年、2018年分別超出日最大8 h平均二級標準6.9%、4.4%、12.5%；臭氧超標天數分別為20、51、45、71 d。

(2)2016年臭氧濃度月變化呈典型的“單峰”分布，峰值出現在6月份；2017～2019年，臭氧則呈“雙峰型”分布，第一個峰值出現在6月份，第二個峰值則在9月份。從臭氧超標出現時間來看，2016年在6～9月份，2017年在4～9月份，2018年在3～10月份，2019年在2～10月份。整體而言5、6月份臭氧污染最為嚴重，6月份超標最多，其次為5月份，高值也主要集中在以上兩個月份。

(3)臭氧超標天和非超標天的小時濃度變化趨勢均呈單峰型分布，濃度峰值出現在15～17時之間。此外，宿遷市中心城區臭氧超標區間主要為160～170 μg/m3，其次為170～180 μg/m3和超出200 μg/m3的區間。

(4)2016～2017年臭氧高值均出現在宿遷學院、中心城區的南部區域，2018年中心城區的東南部即宿豫區政府站點臭氧污染凸顯，2019年則是城區中心的供電局站點污染最為嚴重。