永泰縣域臭氧時(shí)空分布特征及其相關(guān)因素分析

邱黎清

(福州市永泰環(huán)境監(jiān)測(cè)站， 福建 福州 350000)

1 引言

永泰縣位于福州市西南部，是福州“后花園”。長(zhǎng)久以來(lái)，立足“生態(tài)+”發(fā)展，以豐富的旅游資源、良好的環(huán)境質(zhì)量聞名，是首批國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)示范縣、首批國(guó)家全域旅游示范區(qū)、國(guó)家農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展先行區(qū)。但隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，汽車保有量增加，工業(yè)企業(yè)增多等原因，近年來(lái)雖然空氣質(zhì)量總體仍處于較高水平，但顆粒物、臭氧引起的污染事件不容忽視，尤其臭氧，已成為影響永泰縣域空氣質(zhì)量的主要因子。

謝祖欣等[1]研究了氣象條件對(duì)O3濃度的影響，認(rèn)為氣溫、太陽(yáng)輻射、云量、降水、風(fēng)向等與福州市O3濃度密切相關(guān)，并為 O3污染控制提出針對(duì)性建議。王宏等[2]分析了福建省O3時(shí)空分布規(guī)律與超標(biāo)成因，表明沿海地區(qū)O3濃度均值高于內(nèi)陸地區(qū)，不同地區(qū)四季O3濃度分布存在差異，臭氧超標(biāo)常為多種因素共同作用導(dǎo)致。張?jiān)品糩3]探討了太原市NO2、CO與O3的關(guān)系，認(rèn)為NO2、CO與O3變化趨勢(shì)相反，CO、NO2具有同源性，NO2與O3受太陽(yáng)輻射和光化學(xué)反應(yīng)共同影響，相關(guān)性較差。

本文以2019～2021年永泰縣域3個(gè)空氣站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及氣象局提供的同期氣象數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，運(yùn)用Excel、Origin、SPSS等軟件，分析O3時(shí)空分布特征及其與氣象條件、前體物(CO、NO2)的關(guān)系，并結(jié)合Hysplit模型分析O3超標(biāo)原因，為永泰縣環(huán)境空氣質(zhì)量持續(xù)改善提供參考。

2 永泰空氣自動(dòng)站概況

永泰縣域共設(shè)有3個(gè)空氣自動(dòng)站，詳細(xì)信息見表1。

表1 永泰縣各空氣站點(diǎn)位信息

3 永泰縣域大氣環(huán)境狀況

2019～2021年永泰城區(qū)AQI范圍為44～48，空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)率均為99.7%以上，各項(xiàng)污染物年評(píng)價(jià)指標(biāo)均符合《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB3095-2012中二級(jí)濃度限值要求。從單項(xiàng)污染物對(duì)環(huán)境空氣的貢獻(xiàn)率來(lái)看[4]，位居前3的PM2.5、PM10、O3貢獻(xiàn)率范圍分別為21.8%～24.0%、22.0%～24.9%、28.2%～29.5%，詳見表2。其中O3為貢獻(xiàn)率最大的污染物，環(huán)境空氣質(zhì)量最大指數(shù)對(duì)應(yīng)的污染物也從早年的PM10轉(zhuǎn)變?yōu)镺3，可見O3對(duì)永泰城區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量影響重大。

表2 2019～2021年永泰縣域大氣環(huán)境狀況

4 永泰縣域O3時(shí)間分布特征

4.1 O3年變化趨勢(shì)

永泰城區(qū)2019及2020年AQI>50的天數(shù)中，首要污染物為O3的天數(shù)占比最高(表3)，2020年7月24日臭氧日最大8 h滑動(dòng)平均值(簡(jiǎn)稱O3-8h)達(dá)162 μg/m3，為近年來(lái)首次因O3導(dǎo)致的空氣質(zhì)量超標(biāo)。總體上看，2021年臭氧日最大8 h滑動(dòng)平均值的第90百分位數(shù)(簡(jiǎn)稱O3-8h-90per)比2019年下降7.1%，O3污染狀況有所改善，這與永泰縣及時(shí)出臺(tái)“臭氧污染應(yīng)對(duì)辦法”“打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)工作方案”等有關(guān)。

表3 2019～2021年O3變化情況

4.2 O3月變化趨勢(shì)

由圖1可知，2019～2021年各月份O3-8h-90per變化呈多峰型，最高值分別出現(xiàn)在5月、7月和4月份，最低值分別出現(xiàn)在7月、12月和6月份，最高值與最低值出現(xiàn)的月份在不同年份間差異明顯。總體上，最高值出現(xiàn)在春、夏兩季，最低值出現(xiàn)在夏、冬兩季，可見O3高值并不總出現(xiàn)在夏季。原因主要有：春季“對(duì)流層折疊”使O3濃度上升；冬季顆粒物濃度升高， 減少紫外輻射，削弱光化學(xué)反應(yīng)[5]；夏季雖氣溫高、輻射強(qiáng)，利于O3生成，但大氣垂直擴(kuò)散能力強(qiáng)，不利于O3累積[6]。此外還應(yīng)綜合考慮其他氣象條件、污染源排放及外來(lái)輸入等因素的共同影響。O3與氣象要素的相關(guān)性詳見第6部分。

圖1 2019～2021年永泰縣域O3月變化

4.3 O3日變化趨勢(shì)

2019～2021年永泰縣各年度O3小時(shí)值(簡(jiǎn)稱O3-1h)均值日變化幅度相似(圖2)，呈現(xiàn)單峰型變化趨勢(shì)。O3濃度分布大致為：22:00～7:00處于低值區(qū)，后隨著日照增強(qiáng)、氣溫升高、交通高峰等人類活動(dòng)增加等原因，濃度升高，14:00～18:00處于高值區(qū)。隨著太陽(yáng)輻射減弱、溫度降低、人類活動(dòng)減少等因素共同作用，濃度開始降低。

圖2 2019～2021年O3-1h均值日變化趨勢(shì)

5 O3空間分布特征

2019～2021年期間，青云山站O3超標(biāo)天數(shù)明顯多于上馬路及城南小學(xué)站(表4)。各年度O3-8h-90per，除2020年青云山站略低于城南小學(xué)站外，其他年份均高于其余站點(diǎn)，而城南小學(xué)站均高于上馬路站。以O(shè)3-1h進(jìn)行對(duì)比，3個(gè)站點(diǎn)變化幅度基本一致，其中城南小學(xué)與青云山站點(diǎn)O3濃度較為接近，均明顯高于上馬路站點(diǎn)(圖3)。呈現(xiàn)上述特征的原因有:①青云山站位于永泰青云山風(fēng)景名勝區(qū)，城南小學(xué)西南側(cè)分布有聯(lián)奎公園、塔山公園及小湯山生態(tài)公園且南側(cè)多為農(nóng)田，兩個(gè)站點(diǎn)植被覆蓋率高，生物揮發(fā)性有機(jī)物(BVOCS)參與光化學(xué)反應(yīng)，使O3濃度上升[7,8]；②青云山站海拔明顯高于其余2個(gè)站點(diǎn)，更易受到平流層O3向下輸送的影響[9]；③上馬路站為臨街站點(diǎn)，汽車尾氣排放的VOCS、NOX等擴(kuò)散至近地面，雖整體上會(huì)提升O3濃度，但其中的NO有可能在站點(diǎn)附近匯集，產(chǎn)生滴定作用，從而降低站點(diǎn)O3濃度。總體而言，各站點(diǎn)O3濃度有所差異，與站點(diǎn)地理環(huán)境、前體物種類及濃度大小等有關(guān)。

表4 2019～2021年各站點(diǎn)O3超標(biāo)天數(shù)及O3-8h-90per分布情況

圖3 2019～2021年O3-1h各站點(diǎn)變化

6 O3與氣象因子、O3前體物的相關(guān)性

評(píng)價(jià)變量間是否具有相關(guān)性，常使用Pearson和Spearman分析法。Pearson分析法使用前提較多，要求2個(gè)變量滿足正態(tài)分布、沒(méi)有離群值等，而Spearman分析法則用秩來(lái)統(tǒng)計(jì)，不考慮變化幅度，能減少離群值對(duì)相關(guān)系數(shù)的影響[10]，故本文采用Spearman非參數(shù)分析方法,并結(jié)合SPSS軟件，主要以O(shè)3-8h代表O3濃度與相應(yīng)的氣象因子、O3前體物展開相關(guān)性分析。

6.1 O3與氣象因子的相關(guān)性

6.1.1 O3與氣溫、日照的相關(guān)性

由表5、表6可知，O3濃度與日照時(shí)數(shù)四季均呈正相關(guān)，O3濃度隨日照時(shí)數(shù)增多明顯上升。氣溫與O3濃度在春、秋季，無(wú)顯著相關(guān)性，夏、冬季呈正相關(guān)，可見永泰縣氣溫并不總與O3濃度呈正相關(guān)，這與魏海茹等的研究不同[11]。這是由于氣溫升高雖能起到催化作用，提高光化學(xué)反應(yīng)速率[12]，但O3濃度還與其他因素相關(guān)。當(dāng)與O3負(fù)相關(guān)的因子發(fā)揮主要作用時(shí)，如降水量、濕度等，就會(huì)削弱氣溫與O3的正相關(guān)性。

6.1.2 O3與相對(duì)濕度的相關(guān)性

由表5、表6可知，O3與相對(duì)濕度四季均呈負(fù)相關(guān)，O3濃度大致隨相對(duì)濕度的升高而降低。這主要有三方面原因：一是水汽光解產(chǎn)生的自由基，能與O3和O反應(yīng)；二是水汽有利于O3與有機(jī)物反應(yīng)，形成微顆粒[9]；三是當(dāng)濕度較高時(shí)，利于成云，從而降低紫外輻射，影響O3生成[9]。但相對(duì)濕度從[50%，60%)到[60%，70%)時(shí)，O3濃度隨相對(duì)濕度升高而略有增大，考慮是受到其他氣象因子或前體物濃度變化等影響，削弱了相對(duì)濕度與O3的負(fù)相關(guān)性。總體上，高濕度利于O3的消除，這與黃偉等的觀點(diǎn)相似[9]。

6.1.3 O3與氣壓的相關(guān)性

由表5、表6可知，夏、秋、冬三季O3與氣壓無(wú)顯著相關(guān)性。在樣本數(shù)量最大的[990hPa，1020hPa)區(qū)間內(nèi)，O3濃度分布缺乏相關(guān)性。可見，永泰縣的氣壓與O3濃度關(guān)系并不密切。

表5 O3-8h與氣象因子四季相關(guān)系數(shù)匯總

表6 各氣象因子不同區(qū)間范圍內(nèi)O3-8h的平均值及樣本個(gè)數(shù)

6.1.4 O3與降水的相關(guān)性

由表5、表6可知，一年四季降水量均與O3呈負(fù)相關(guān)。非降水日O3濃度較降水日高，但隨著降水量的增加，O3濃度降低不明顯。當(dāng)降水量處于 [50 mm，100 mm)，[100 mm,190 mm]區(qū)間時(shí)，O3濃度隨降雨量增加而升高。其原因：一是降水能消減O3前體物[16]，且降水常伴隨太陽(yáng)輻射減弱，從而間接降低O3濃度；二是雷雨天氣與臭氧濃度升高存在一定時(shí)空聯(lián)系,可提高O3濃度[17]。

6.1.5 O3與風(fēng)速、風(fēng)向的相關(guān)性

由表5、表6可知，O3與風(fēng)速四季均呈正相關(guān)。當(dāng)風(fēng)速在[0.5 m/s，2.5 m/s)時(shí)，不同區(qū)間范圍的O3濃度均值與風(fēng)速成正比。當(dāng)風(fēng)速在[2 m/s，4.5 m/s]時(shí)，二者變化趨勢(shì)相反。原因主要有：風(fēng)對(duì)O3具有垂直輸送、水平擴(kuò)散等作用，風(fēng)速大小影響著兩種作用的強(qiáng)弱。當(dāng)垂直輸送大于水平擴(kuò)散作用時(shí)，O3濃度上升，反之則下降[18]。同時(shí)從圖4可知，O3-1h高值區(qū)出現(xiàn)在風(fēng)向?yàn)闁|南或南期間，這主要與兩評(píng)價(jià)點(diǎn)位對(duì)應(yīng)方向上分布有馬洋工業(yè)區(qū)、青云山景區(qū)及福清產(chǎn)業(yè)園等相關(guān)。

圖4 風(fēng)向-污染物玫瑰圖

6.2 O3與其前體物的相關(guān)性

SPSS軟件計(jì)算結(jié)果顯示，O3與CO、NO2的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。由圖5可知，永泰縣CO、NO2時(shí)均值變化小，尤其CO時(shí)均值基本相同，且二者長(zhǎng)期處于低值。其中NO2日變化呈M型，6:00～9:00，隨早高峰等人類活動(dòng)增加，NO2濃度開始上升，在溫度升高、光照增強(qiáng)的條件下，利于O3生成；9:00后，NO2濃度下降，O3濃度繼續(xù)抬升至17：00，期間NO2濃度下降至14：00后開始上升，至19：00處于第二次峰值，推斷與光化學(xué)反應(yīng)消耗NO2以及晚高峰等人類活動(dòng)相關(guān)，19：00后隨著光化學(xué)反應(yīng)減弱，O3濃度維持在較低值。總體上，永泰縣O3與CO、NO2的相關(guān)性并不密切，這主要源于CO在大氣反應(yīng)中活躍性較差[19]，且光化學(xué)反應(yīng)屬于鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，其他前體物如NO、VOCS等對(duì)O3的貢獻(xiàn)，影響了O3與CO、NO2的相關(guān)性。

圖5 2019～2021年O3、NO2、CO時(shí)均值變化

7 O3污染日分析

2020年6月24日上馬路AQI為105，為輕度污染，超標(biāo)因子為O3，最大超標(biāo)倍數(shù)為0.13，O3濃度呈雙峰型變化，18:00 O3濃度達(dá)到當(dāng)日最高值203 μg/m3。

從氣象條件看，期間永泰縣處于副高控制，日平均氣溫30.8 ℃，相對(duì)濕度71.1%，日照時(shí)數(shù)6.2 h，風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，風(fēng)速1.4 m/s，降雨量為0，總體上氣象條件有利于O3生成積累。分站點(diǎn)看，僅上馬路站O3超標(biāo)，原因是上馬路為中心繁華地段，附近高層建筑多，而城南小學(xué)周邊多為低矮民房及農(nóng)田，擴(kuò)散條件更優(yōu)。以上馬路站為起點(diǎn)，運(yùn)用Hysplit 24 h后向軌跡圖模擬氣團(tuán)軌跡(以500 m為例)，可知?dú)鈭F(tuán)由站點(diǎn)西南方向沿廣東、泉州、莆田進(jìn)入永泰縣。此外，24日為端午節(jié)小長(zhǎng)假前一天，當(dāng)日下午車流量顯著增多，結(jié)合污染日前后O3日變化情況，可知除該時(shí)段O3出現(xiàn)異常高值外，其余時(shí)段O3變化趨勢(shì)相似。故綜合上述分析，推斷本次上馬路站O3超標(biāo)主要受本地生成累積影響，外來(lái)輸送作用較弱。詳見圖6、圖7。

圖6 上馬路站點(diǎn)O3-1h與部分影響因素變化趨勢(shì)

圖7 上馬路站點(diǎn)24 h后向軌跡

8 結(jié)論與建議

8.1 結(jié)論

從年際變化看，2021年較2019年，O3污染明顯好轉(zhuǎn)。從月份看，受氣象條件、污染源排放及外來(lái)輸入等因素疊加影響，O3最高值、最低值出現(xiàn)的時(shí)間不固定。永泰縣O3日變化趨勢(shì)為單峰型，主要與氣象條件、人為活動(dòng)相關(guān)。

(2)總體上，各站點(diǎn)O3濃度差異主要與地理環(huán)境、前體物種類及濃度大小等相關(guān)。

(3)O3與氣象因素中的氣壓相關(guān)性不大；與日照、氣溫、風(fēng)速呈正相關(guān)；與相對(duì)濕度、降水呈負(fù)相關(guān)。總體上，日照時(shí)數(shù)、氣溫、日均風(fēng)速、相對(duì)濕度分別處于[7 h，12.1 h]、[20 ℃，25 ℃)或[30 ℃，32.9 ℃] 、[2 m/s，2.5 m/s]、[42.3%，70%)區(qū)間，風(fēng)向?yàn)闁|南或南，或無(wú)降水時(shí)，需注意防治O3污染。

(4)永泰縣O3與CO、NO2的相關(guān)性符合光化學(xué)反應(yīng)的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)特征，且還與NO、VOCS等相關(guān)。

(5)O3污染成因極其復(fù)雜，需考慮諸多因素開展分析。總體而言，當(dāng)有利O3濃度提升的因素起主要作用時(shí)，極易出現(xiàn)O3超標(biāo)。

8.2 建議

(1)提升監(jiān)測(cè)能力，開展污染物協(xié)同治理。以O(shè)3主要前體物協(xié)同減排為主攻方向，開展VOCS、NOX監(jiān)測(cè)，運(yùn)用EKMA曲線、PMF模型等深化數(shù)據(jù)分析[20]，科學(xué)制定動(dòng)態(tài)污染控制方案，為有效治理O3污染提供數(shù)據(jù)支撐。

(2)實(shí)施VOCS、NOX專項(xiàng)整治行動(dòng)。鼓勵(lì)企業(yè)升級(jí)改造生產(chǎn)工藝和設(shè)備；加大不達(dá)標(biāo)工業(yè)爐窯淘汰力度，鼓勵(lì)使用清潔能源；逐步推進(jìn)餐飲服務(wù)單位安裝油煙凈化設(shè)施及在線監(jiān)控，全面取締露天燒烤攤位；加快新能源汽車、純電動(dòng)化機(jī)動(dòng)車推廣應(yīng)用進(jìn)程；采用大氣污染熱點(diǎn)網(wǎng)格等技術(shù)，提高執(zhí)法效率。

(3)強(qiáng)化聯(lián)防聯(lián)控，完善O3污染應(yīng)對(duì)辦法。明確政府、部門、企業(yè)主體的應(yīng)急責(zé)任，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)、無(wú)縫銜接、有效應(yīng)對(duì)。科學(xué)制定管控措施，落實(shí)到具體環(huán)節(jié)，并結(jié)合永泰縣O3污染特征及其影響因素，采取相應(yīng)措施。如在風(fēng)向?yàn)闁|南或南期間，鼓勵(lì)和指導(dǎo)企業(yè)調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃，錯(cuò)鋒生產(chǎn)；高溫時(shí)段加密中心城區(qū)灑水頻率，增加霧炮車噴霧降溫，避免噴涂作業(yè)；提倡夜間加油等。