北京市大氣臭氧污染變化特征分析

王旺民,鄭尼娜,于攀文

(安徽新華學院 城市建設學院，安徽 合肥 230088)

1 引言

近些年來，我國的大氣污染由傳統的煤煙型污染轉變為PM10、PM2.5和O3污染為主的區域復合型污染。這種復合型大氣污染在我國城市群頻繁發生，尤其以長三角、珠三角和京津翼地區最具代表性[1]。因此，分析北京市O3的時間變化特征及其與其他污染物之間的聯系，找出形成污染可能的原因，這對北京市大氣O3污染的防治有著十分重要的意義。

2 研究區域概況

北京市雄踞華北大平原北端，其西、北和東北，群山環繞，東南是緩緩向渤海傾斜的大平原。常住人口2153.6萬人，城鎮人口1865萬人，城鎮化率86.6%，常住外來人口達794.3萬人。北京的氣候為暖溫帶半濕潤半干旱季風氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，春、秋短促。降水季節分配很不均勻，全年降水的80%集中在夏季6、7、8月份，7、8月份有大雨。年平均日照時數在2000～2800 h之間。

3 污染特征分析

本文所使用的數據來源于大氣環境監測數據共享平臺和天氣后報網站，其中2014～2020年的臭氧8 h的濃度數據來源于天氣后報網站， 2017～2020年臭氧24 h濃度數據來源于大氣環境監測數據共享平臺。

3.1 年際變化

如圖1所示，2014～2017年O3濃度呈現緩慢上升趨勢， 2015年O3濃度與2014年相比上升了13.3%，2017年O3濃度達到最高值(112 μg/m3)。自2017年開始，O3濃度開始下降，2018年相比2017年O3濃度降低了11%。這主要因為2018年北京市針對大氣污染出臺一系列政策。例如發布實施《北京市藍天保衛戰2018年行動計劃》《京津冀及周邊地區2017～2018年秋冬季大氣污染綜合治理攻堅行動方案》等[2]。2020年O3濃度達到94 μg/m3。

圖1 2014～2020年O3年均濃度變化

3.2 季節變化

從圖2可以看出，北京市O3濃度呈現出明顯的季節變化特征，夏季最為嚴重，其次是春季，再其次是秋季，最后是冬季。夏季O3濃度在180～140 μg/m3之間，2014～2017年夏季O3濃度逐漸上升，2017年夏季O3濃度達到峰值為171 μg/m3。而2018年夏季O3濃度降低了25 μg/m3，主要與國家出臺了一系列的政策(如《北京市藍天保衛戰2018年行動計劃》)有關。2019年夏季O3濃度為152 μg/m3，相對于2018年略有上升。2019、2020年夏季O3濃度變化不大。夏季O3濃度大幅上升，主要是因為持續高溫和強烈的太陽輻射有利于氮氧化合物和揮發性有機物發生光化學反應生成大量O3[3]。隨著冬季太陽輻射減弱，生成O3的光化學反應能力降低，另外冬季由于霧霾等空氣污染，導致紫外線輻射減少，O3濃度在秋冬季明顯降低[4]。此外，溫度也是關鍵因素，冬季溫度降低不利于O3的生成?？偟膩碚f,光化學反應受到氣溫和輻射量的季節性變化影響，而O3作為光化學反應產生的二次污染物，其季節月份變化規律與太陽輻射有明顯的正相關關系，導致O3濃度出現季節性變化。冬季最低、春季開始上升，夏季達到最高，秋季又開始下降，不斷循環往復[5]。

圖2 2014～2020年O3濃度季變化

3.3 日變化

O3的日變化呈現“單峰”結構。其分布規律可以表述為O3的積累階段、O3光化學反應階段、O3消耗階段，與大多城市O3日變化的趨勢有著一致性[6]。午夜至清晨處于低濃度階段，這是因為夜晚發生光化學反應較弱，其次大氣中的NO會與O3發生化學反應，從而導致O3的消耗，但是變化幅度不大，O3濃度最低出現在2:00～4:00。太陽升起后進入O3生成階段，由于人類生產以及生活活動，機動車尾氣排放，氣溫升高、太陽輻射增強，O3濃度開始上升，近年來O3均在15:00出現峰值，其中2019年臭氧濃度為90 μg/m3，相比2018年下降13 μg/m3，2019年和2020年基本持平。在12:00紫外輻射量出現日均最大值，而O3峰值略有滯后，這可能與光化學反應需要時間有關[7]。16:00至午夜是O3消耗階段，由于日落太陽光照減弱，光化學反應程度降低和新的O3前體物排放對O3的消耗，使得O3濃度逐漸下降到相對較低水平[8](圖3)。

時間 圖3 2018～2020年O3濃度日變化

4 臭氧與其他污染物之間的相關性

4.1 NO2與O3的關系

NO2主要來源于汽車尾氣、燃煤、石油化工等排放，還有一些來自土壤、雷電、生物排放等，它是O3形成過程中重要的介質之一。由圖4可知，夏季O3濃度高，NO2濃度低，主要是因為夏季溫度高、陽光充足等是光化學反應最佳時候，NO2作為前體物參與反應不斷消耗，故隨著O3濃度升高NO2濃度不斷下降。冬季由于NO2不斷排放和積累，加上光化學反應受到限制，所以NO2濃度上升，O3濃度下降[9]。2020年NO2和O3月均濃度相關系數R=-0.844，均呈現明顯的負相關。但NO2作為O3的前體物，與O3之間并非簡單的線性關系[10]。

圖4 2020年NO2與O3的濃度月均變化及相關性

4.2 CO與O3的關系

由圖5可知：O3濃度在6～8月份出現高值，而CO在其期間是低值；在CO濃度在12月份、1月份、2月份，出現高值，而O3濃度卻出現低值。O3濃度低值時對應CO濃度高值，表明CO濃度在較高時可以抑制O3的生成。CO濃度變化規律與NO2類似，也呈現出與O3相反的變化特征[11]。CO主要來源于人為活動的影響[12]。O3濃度與CO濃度的相關性比較差，原因可能是由于CO在大氣中化學反應中惰性相對比較大，對O3濃度變化影響不及其他前體物[13]。

4.3 PM2.5與O3的關系

O3濃度的高值出現在6～8月份，而PM2.5濃度的高值出現在12月份、1月份、2月份。2020年6月份O3月均濃度為174 μg/m3最高，PM2.5月均濃度最低為24 μg/m3，相關系數R=-0.7769，呈現負相關。當大氣中PM2.5濃度升高時，O3濃度會降低；PM2.5濃度降低時，O3濃度升高。雖然顆粒物與O3雖然是不同類型的大氣污染物，但是顆粒物本身具有消光作用，可以吸收和散射太陽輻射，改變大氣中自由基濃度，從而降低光化學反應生成O3以及顆粒物表面的非均相過程對大氣中O3的吸收和消除作用，影響O3的濃度[14，15](圖6)。

圖5 2020年CO與O3濃度關系

圖6 2020年PM2.5與O3濃度月均變化以及相關性分析

5 結論

北京市O3污染年均變化顯示2014～2017年O3濃度逐年上升，其中2015～2017年之間O3濃度上升的幅度很小。自2018年開始O3濃度出現3年的連續下降。表明北京市大氣污染防治及O3污染治理取得一定的成效。此外，O3濃度呈現一定季節變化特征。夏季O3濃度最高，其次春季，秋冬季濃度較低。O3濃度在夏季出現高峰主要由于夏季陽光充足、溫度高，有利于氮氧化合物和揮發性有機物發生光化學反應生成大量O3。O3日變化呈現出“單峰”變化，通常在白天14:00～16:00之間O3濃度達到高峰，進入夜晚O3濃度開始逐漸降低。與其余污染物相關性分析顯示O3與NO2、CO、PM2.5的濃度均呈現不同程度的負相關性。6～8月份O3濃度最高，而NO2的濃度最低。夏季NO2光解速率快，將NO2轉化為O3，故NO2濃度降低，O3濃度上升。PM2.5濃度在冬季污染最嚴重，而O3污染主要發生在夏季。因為PM2.5顆粒物本身具有消光作用，可以吸收和散射太陽輻射，改變大氣中自由基濃度，從而降低O3的濃度。