2014～2020年中國臭氧濃度時空分布特征研究

姜澒月,鄭秀蘋,郝 菁,戴愛泉,蔣 楠

(青島市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，山東 青島 266003)

1 引言

大氣復(fù)合污染是我國生態(tài)環(huán)境面臨的主要環(huán)境問題，特別以顆粒物與臭氧為主的復(fù)合大氣污染給城市生態(tài)環(huán)境帶來了巨大的壓力[1，2],影響著公眾健康與生態(tài)環(huán)境安全。當(dāng)前，隨著國內(nèi)大氣污染防治行動計劃的不斷推進(jìn)，PM2.5濃度持續(xù)下降，污染得到了改善，但是O3污染逐步呈現(xiàn)惡化的態(tài)勢[3],尤其是O3的前體物-氮氧化物和揮發(fā)性有機物的增多，進(jìn)一步加劇了O3污染，使得O3逐步成為各城市的主要污染物[4]。人體長期暴露在O3污染環(huán)境中，對個體的呼吸和循環(huán)系統(tǒng)會造成嚴(yán)重的負(fù)面影響，并且還會導(dǎo)致農(nóng)作物的產(chǎn)量下降和動植物細(xì)胞的死亡。根據(jù)我國生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《2020年中國生態(tài)環(huán)境狀況公報》顯示，337個城市以臭氧為首要污染物的超標(biāo)天數(shù)占總超標(biāo)天數(shù)的37.1%，168個地級及以上城市O3濃度達(dá)到國家空氣質(zhì)量一級標(biāo)準(zhǔn)的百分比數(shù)量為0%，但是均達(dá)到二級及以上標(biāo)準(zhǔn)。

目前，學(xué)者對我國中大型城市及重大城市群 O3濃度的時空分布特征開展了大量研究。褚旸晰等[5]對2017～2020年期間河北、河南、陜西等地的大氣污染及O3污染進(jìn)行了分析，Gong等[6]對中國16個城市地面 O3濃度的空間分布進(jìn)行了研究，曹庭偉[7]、宋佳穎[8]、王琳琳[9]等對典型城市群臭氧濃度進(jìn)行了O3濃度分析，王宏[10]、楊溟鋆[11]、晏洋洋[12]、嚴(yán)文蓮[13]等對單一省份或城市進(jìn)行了O3的分析。但研究多僅局限于單點或地面基站的短時間的監(jiān)測，且地域代表性常受到制約，受制于數(shù)據(jù)量的收集、處理及分析因素，長時間、覆蓋廣且時間空間呈現(xiàn)連續(xù)性的O3濃度時空分布分析相對較少。因此，本文利用2014～2020年中國O3日最大8 h質(zhì)量濃度的月均值作為研究數(shù)據(jù)，采取統(tǒng)計分析及克里金插值(Kriging)分析了中國整體地表臭氧污染現(xiàn)狀及特征。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文主要研究了2014～2020年中國(中國香港、澳門和臺灣地區(qū)數(shù)據(jù)暫缺)337個地級及以上城市城市地表O3時空演變格局，O3濃度數(shù)據(jù)來源于中國國家環(huán)境監(jiān)測總站 ( http: / /106. 37.208.233: 20035/)發(fā)布的全國國控監(jiān)測站點數(shù)據(jù),為排除O3濃度數(shù)據(jù)偏離值在監(jiān)測過程中造成的數(shù)據(jù)波動，采用O3日最大8 h質(zhì)量濃度的月均值作為研究數(shù)據(jù)(O3濃度)，共統(tǒng)計獲得28897條數(shù)據(jù)。由于臭氧的評價指標(biāo)為日最大8 h平均值的第90百分位濃度，為評價當(dāng)前我國O3污染及質(zhì)量達(dá)標(biāo)情況，采取O3日最大8 h濃度平均值排序后，取第90百分位濃度值進(jìn)行討論。為了保障研究數(shù)據(jù)的可靠性與連續(xù)性，在數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理之前，對獲取的O3濃度數(shù)據(jù)按照大氣污染物濃度數(shù)據(jù)有效性規(guī)定( GB 3095-2012) 進(jìn)行了嚴(yán)格的數(shù)據(jù)質(zhì)量篩選、控制，用于剔除異常數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

研究通過ArcGIS 10.5軟件，采取普通克里金法對2014～2020年全國O3污染物年均濃度進(jìn)行空間擬合分析，同時以季度、月度數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析O3污染的時間變化特征，以討論近年來中國O3污染的整體變化。普通克里金法是一種基于變異函數(shù)理論和結(jié)構(gòu)分析的線性、無偏插值，在地理信息和氣象學(xué)方面有著廣泛的應(yīng)用，利用區(qū)域化變化為基礎(chǔ)，根據(jù)已知樣本點賦權(quán)重對未知樣點進(jìn)行無偏、最優(yōu)化估計，采取球狀模型作為克里金法的變異函數(shù)模型。計算公式為：

(1)

式(1)中，Z(si) 是第i個位置處的測量值，λi是第i個位置處的測量值的權(quán)重，s0是預(yù)測位置，N是測量值數(shù)，取默認(rèn)值12。基于普通克里金法對全國O3污染物濃度空間擬合結(jié)果，采用ArcGIS 10.5軟件中區(qū)域統(tǒng)計分析工具，統(tǒng)計各省O3污染物濃度用以探究全國臭氧濃度的分布特征。

3 結(jié)果與分析

3.1 臭氧濃度現(xiàn)狀與達(dá)標(biāo)情況

據(jù)中國環(huán)境監(jiān)測總站《2021年1～10月份全國城市空氣質(zhì)量報告》顯示，全國339個地級及以上城市O3日最大8 h第90百分位濃度值均優(yōu)于國家空氣質(zhì)量臭氧二級標(biāo)準(zhǔn)，處于85～157 μg/m3之間。1月份O3日最大8 h第90百分位濃度值最低為85 μg/m3，達(dá)到國家空氣質(zhì)量一級標(biāo)準(zhǔn)；2～10月份O3日最大8 h第90百分位濃度值處于104～157μg/m3之間，達(dá)到國家空氣質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)，最高值出現(xiàn)在6月份，達(dá)到157 μg/m3。O3月度變化趨勢呈現(xiàn)倒U型，1～6月份O3月度變化呈直線增長趨勢，隨后波動下降，整體來看，5～9月份為年中O3濃度偏高月度區(qū)間，整體處于約140 μg/m3及以上范圍。

與2020年同期相比，1月、3～5月O3日最大8 h第90百分位濃度值與去年相比呈降低趨勢，同比降幅分別為3.4%、0.9%、11.6%、6.5%，其他月份增幅為0.9%～10.6%之間，其中6月份增幅達(dá)到10.6%，不僅是年內(nèi)最高值，也是同比增幅最高的月份，可能與2020年受特殊形勢影響，國內(nèi)各類企業(yè)復(fù)工生產(chǎn)受到影響，令揮發(fā)性有機物及顆粒物等排放較少[14]，使得2021年O3濃度最高月份增幅明顯(圖1)。

圖1 2021年1～10月全國臭氧日最大8 h第90百分位濃度值

3.2 2014～2020年臭氧濃度時間變化趨勢

根據(jù)O3濃度季度變化顯示，全國春季、夏季臭氧濃度偏高，秋季、冬季臭氧濃度較低，冬季臭氧濃度明顯低于前三季度，這與臭氧的生成與溫度、光照強度密切相關(guān)結(jié)論一致，溫度越高、光照越強，就越有利于氮氧化物、揮發(fā)性有機物等前體物生成臭氧，冬季溫度較低，并且伴隨著雨雪、大風(fēng)天氣，不利于臭氧的生成與集聚，因此呈現(xiàn)夏季臭氧污染最多、冬季臭氧污染最小的季度變化趨勢。鑒于臭氧的評價指標(biāo)為日最大8 h平均值的第90百分位濃度，而非日均值的平均值，因此根據(jù)臭氧濃度顯示，春季與夏季整體濃度相對鄰近，且均高于秋季與冬季的臭氧濃度情況。

2014～2020年全國臭氧濃度年內(nèi)月度變化呈現(xiàn)倒U型濃度變化趨勢，1～4月份呈現(xiàn)直線上升趨勢，5～6月份出現(xiàn)本年O3濃度最高峰值，隨后7～9月份O3濃度逐步下降但仍然維持偏高濃度，10月份后與1～5月份趨勢相反，大幅降低。3～4月份、9～10月份濃度變化最為明顯，4～9月份O3濃度均高于99.6 μg/m3。其中，5～7月份數(shù)值基本高于同年其他月份O3濃度，成為年內(nèi)O3濃度第一梯隊，4、8、9月份O3濃度略低于5～7月份數(shù)據(jù)，是年內(nèi)濃度第二梯隊。根據(jù)4～9月份年際變化特征可見，2016、2017、2019年增幅趨勢明顯，尤其在2017年4～9月份增幅均值達(dá)到8.3%。溫度高、光照強的月份臭氧濃度較高，2015、2016、2017、2020年O3濃度最高值為5月份，其他年度峰值出現(xiàn)在6月份，整體峰值達(dá)到108～131 μg/m3之間。最低值位于12至次年1月份之間，2016、2019年O3濃度最低值出現(xiàn)在1月份，其他年度最低值為12月份，最低值為38.1～57.3 μg/m3(圖2～3)。

圖2 2014～2020年全國臭氧日最大8 h質(zhì)量濃度季度變化

圖3 2014～2020年全國臭氧日最大8 h質(zhì)量濃度月度變化

3.3 臭氧濃度分布特征

探究全國臭氧濃度的分布特征，有助于為制定大氣污染防治和制定環(huán)境保護(hù)政策等提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。2014～2020年臭氧濃度克里金插值空間分布分省統(tǒng)計結(jié)果顯示，臭氧濃度高的區(qū)域集中在西北、華北、華中、華東地區(qū)，而西南、東北地區(qū)受海拔、地形、溫度等因素綜合影響，臭氧濃度低于其他地區(qū)，O3濃度顯示出明顯的區(qū)域差異。從年際變化的角度，2014年華東沿海地區(qū)、華南地區(qū)為全國臭氧濃度高值地區(qū)，其后2015～2016年華北地區(qū)中部與西北地區(qū)，尤其是河北省、甘肅省、寧夏回族自治區(qū)臭氧濃度逐步升高，與山東省、河南省、江蘇省成為我國臭氧濃度高值省份，2017年起西北、華北、華中、華東地區(qū)，共同組成我國臭氧濃度的高值地區(qū)，基本形成沿緯度分布的格局，高值集中在北緯25°～40°之間，且東部沿海區(qū)域比內(nèi)陸區(qū)域濃度更高。這種空間格局與我國人口分布的情況相近，可能是由于該區(qū)域人口密集，城市化水平較高，工業(yè)發(fā)達(dá)，因此在在生產(chǎn)與生活過程中所排放的揮發(fā)性有機物、氮氧化物等臭氧前體物較多，而甘肅省、寧夏回族自治區(qū)等西北地區(qū)由于光照時間長、海拔相對較高的影響，有利于臭氧前體物經(jīng)過化學(xué)變化產(chǎn)生臭氧，因此，形成了我國臭氧濃度分布的基本空間格局，且后續(xù)年份基本維持該特征的空間分布情況。從各個省份的穩(wěn)定程度來看，山東省、江蘇省、河南省、山西省、河北省等省份均穩(wěn)定保持高水平的臭氧濃度，黑龍江、貴州省等省份一直維持相對較低水平的臭氧濃度。結(jié)合以上分析研究，人口密集、城市化水平高、光照時間長等綜合因素導(dǎo)致了部分地區(qū)臭氧濃度偏高，未來需要在這些城市化水平高、工業(yè)發(fā)達(dá)、人口密度大的地區(qū)加強臭氧排放的監(jiān)管力度，利于穩(wěn)定性、持續(xù)性地減少臭氧污染，從而減少臭氧污染人體暴露及患病的風(fēng)險(圖4)。

圖4 2014～2020年全國各省份臭氧日最大8 h年均濃度

4 結(jié)論

(1)2021年1～10月份O3日最大8 h第90百分位濃度值均優(yōu)于國家空氣質(zhì)量臭氧二級標(biāo)準(zhǔn)，處于85～157 μg/m3之間，1月份達(dá)到國家空氣質(zhì)量一級標(biāo)準(zhǔn)，其他月份達(dá)到國家空氣質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)。全年濃度與增幅最高值均出現(xiàn)在6月份，達(dá)到157 μg/m3，同比增長11.6%。O3月度變化趨勢呈現(xiàn)倒U型，上半年O3濃度呈直線增長趨勢，下半年波動下降。

(2)2014～2020年O3濃度季度變化顯示，全國春季、夏季臭氧濃度偏高，秋季、冬季臭氧濃度較低，冬季臭氧濃度明顯低于前三季度；年內(nèi)1～4月份呈現(xiàn)直線上升趨勢，5～6月份出現(xiàn)本年O3濃度峰值，整體峰值達(dá)到108～131 μg/m3之間，隨后7～9月份O3濃度逐步下降但仍然維持較高濃度，10月份后大幅降低，最低值位于12至次年1月份之間；4～9月份區(qū)間是年內(nèi)的O3濃度偏高月份，濃度均高于99.6 μg/m3，且與鄰近月份呈顯著差異變化，應(yīng)是臭氧污染治理的重點關(guān)注月份。

(3)臭氧濃度克里金插值分省統(tǒng)計結(jié)果顯示，臭氧濃度高的區(qū)域集中在西北、華北、華中、華東地區(qū)，基本形成北緯25°～40°之間高值分布格局，且東部沿海區(qū)域比內(nèi)陸區(qū)域濃度更高，與我國人口分布的情況基本一致。人口密集、城市化水平較高、光照時間長等綜合因素導(dǎo)致了部分地區(qū)臭氧濃度偏高，后期將是臭氧污染防控的重點關(guān)注區(qū)域。