廈門市臭氧污染特征及其影響因子研究

潘萬藝

（福建省廈門環(huán)境監(jiān)測中心站，福建 廈門 361022）

1 概述

2021年是“十四五”規(guī)劃開局之年，在國家生態(tài)環(huán)境部的組織下，全國各城市進行了“十四五”國家環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測點位的優(yōu)化調(diào)整，城市的空氣質(zhì)量狀況和變化規(guī)律得到了更加客觀、全面的評價。臭氧是評價城市空氣質(zhì)量的重要污染指標(biāo)之一，近地面臭氧主要通過氮氧化物和揮發(fā)性有機物等前體物在一定條件下通過光化學(xué)反應(yīng)生成［1-3］。近年來，全國重點城市的臭氧污染呈現(xiàn)快速上升和蔓延的態(tài)勢，臭氧污染已成為制約我國空氣質(zhì)量持續(xù)改善的關(guān)鍵問題［4］。

本文基于2021年廈門市優(yōu)化調(diào)整后的“十四五”期間6個國家環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測點位的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析廈門市臭氧的時空變化特征及其與前體物二氧化氮濃度和溫度、相對濕度及風(fēng)速等氣象條件影響因子的相關(guān)性，以期為廈門市的臭氧污染防治、預(yù)警預(yù)報等工作提供參考。

2 數(shù)據(jù)來源和方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于2021年廈門市優(yōu)化調(diào)整后的“十四五”期間6個國控環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測站點，其中5個為空氣質(zhì)量評價點，1個為清潔對照點。5個評價點分別位于島內(nèi)的鼓浪嶼、洪文、湖里中學(xué)和位于島外的集美中學(xué)、同安二實小，清潔對照點溪東位于同安區(qū)溪東水庫管理所。監(jiān)測點位分布見圖1。

圖1 監(jiān)測點位分布圖

2.2 監(jiān)測儀器與分析方法

5個評價點臭氧監(jiān)測儀器采用的分析原理為差分吸收光譜法；清潔對照點臭氧監(jiān)測儀器采用的分析原理為紫外光度法，兩種分析方法均符合國 家規(guī)范《環(huán)境空氣氣態(tài)污染物（SO2、NO2、O3、CO）連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)安裝驗收技術(shù)規(guī)范》（HJ 193-2013）［5］的要求。

3 監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 臭氧濃度時空變化特征

本文利用2021年國控環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測站點的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析廈門市臭氧的時空變化特征，其中廈門市的臭氧濃度均值為5個評價點位的臭氧濃度均值。

3.1.1 季節(jié)變化特征

以1～2月、12月為冬季，3～5月為春季，6～8月為夏季，9～11月為秋季，如圖2所示，廈門市臭氧濃度季節(jié)變化特征表現(xiàn)為秋季和春季較高、冬季次之、夏季最低。廈門市夏季降水頻繁，不利于光化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，同時降雨對臭氧及其前體物的濕沉降增強，使臭氧濃度降低；此外，夏季盛行偏南風(fēng)，大氣擴散條件好，且海洋性氣團較清潔、污染物區(qū)域性輸送影響小，因此臭氧濃度達到全年最低。春秋季降雨量減少，天氣干燥、濕度小，太陽紫外輻射強，臭氧生成條件較好，且在東北風(fēng)影響下存在污染物區(qū)域性傳輸，導(dǎo)致臭氧濃度較高。

圖2 廈門市臭氧季節(jié)分布特征

3.1.2 月變化特征

如圖3所示，廈門市臭氧濃度月變化特征與季節(jié)變化特征趨于一致，臭氧濃度峰值主要出現(xiàn)在春季的4月和秋季的9月，其中4月為全年臭氧濃度最高的月份；濃度較低的月份為夏季的6月、7月、8月和冬季的12月，全年臭氧濃度最低值出現(xiàn)在7月。4月和9月為夏季風(fēng)環(huán)流和冬季風(fēng)環(huán)流交替的季節(jié)，除本地臭氧生成條件較好、污染物易于累積外，上風(fēng)向的省內(nèi)周邊相鄰地區(qū)和長三角、珠三角地區(qū)的大氣污染物也會傳輸至本地，從而影響廈門市的環(huán)境空氣質(zhì)量，導(dǎo)致臭氧濃度上升。

圖3 廈門市臭氧濃度月變化特征

3.1.3 日變化特征

如圖4所示，廈門市臭氧濃度日變化特征為單峰型分布，呈現(xiàn)明顯的日變化特點。上午7時，隨著溫度升高和太陽紫外輻射增強，光化學(xué)反應(yīng)速率加快，臭氧濃度開始累積并快速上升，在14時達到峰值；此后，隨著太陽輻射減弱，光化學(xué)反應(yīng)速率減慢，臭氧生成能力下降，同時氮氧化物的排放量在晚高峰時加大，夜間氮氧化物對臭氧的滴定作用占據(jù)主導(dǎo)地位，臭氧濃度持續(xù)下降，在次日7時達到最低值。值得注意的是，臭氧濃度的日變化受太陽輻射強度、區(qū)域傳輸、前體物濃度等因素影響，峰值一般出現(xiàn)在午后14時左右，在受區(qū)域傳輸影響較強時，峰值時間可能延后。

圖4 廈門市臭氧濃度日變化特征

3.1.4 空間分布特征

本文以各站點2021年臭氧日最大8小時滑動平均值的90%分位來分析廈門市臭氧的空間分布特征，如表1所示，廈門市臭氧濃度值最高的點位為溪東，最低的點位為洪文，各點位臭氧濃度值從高到低排序為溪東＞集美中學(xué)＞同安二實小＞鼓浪嶼＞湖里中學(xué)＞洪文，臭氧污染程度總體上呈現(xiàn)出島外山區(qū)＞島外城區(qū)＞島內(nèi)的分布狀況。清潔對照點溪東位于廈門島外的山區(qū)，周邊植被覆蓋率高，植物排放的揮發(fā)性有機物濃度高，有助于近地層光化學(xué)反應(yīng)后生成臭氧；另外，在城郊風(fēng)作用下，島內(nèi)上風(fēng)向和島外城區(qū)的臭氧及臭氧前體物易傳輸?shù)较嘛L(fēng)向累積聚集，導(dǎo)致下風(fēng)向的溪東點位臭氧濃度較高。集美中學(xué)和同安二實小站點分別位于集美區(qū)和同安區(qū)的建成區(qū)，周邊工業(yè)企業(yè)較多，且離主要交通干道近，與島內(nèi)3個站點相比，受工業(yè)尾氣和機動車尾氣排放的氮氧化物、揮發(fā)性有機物等前體物影響較大，臭氧濃度較高。

表1 廈門市各國控點位臭氧監(jiān)測結(jié)果

3.2 臭氧濃度與影響因子的關(guān)系分析

利用Pearson相關(guān)系數(shù)分析廈門市臭氧濃度與二氧化氮濃度、溫度、相對濕度、風(fēng)速等影響因子的相關(guān)關(guān)系，其中氣象數(shù)據(jù)采用2021年島內(nèi)洪文國控環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測站點的氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)。臭氧濃度與各影響因子的Pearson相關(guān)系數(shù)如表2所示。

表2 臭氧濃度與各影響因子的Pearson相關(guān)系數(shù)

從表2可看出，廈門市臭氧濃度與二氧化氮濃度、溫度、相對濕度、風(fēng)速均有較強的相關(guān)性，其中，與二氧化氮濃度、相對濕度呈較強的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與溫度、風(fēng)速呈較強的正相關(guān)關(guān)系。

3.2.1 二氧化氮濃度

二氧化氮作為臭氧的前體物，當(dāng)太陽輻射較強時，其參與光化學(xué)反應(yīng)生成臭氧占主導(dǎo)作用；當(dāng)太陽輻射較弱時，其對臭氧的分解作用較明顯，因此臭氧濃度與二氧化氮濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3.2.2 溫度

當(dāng)溫度升高時，光化學(xué)反應(yīng)速率也加快，臭氧濃度上升，臭氧濃度與溫度為正相關(guān)關(guān)系。

3.2.3 相對濕度

相對濕度越低，越有利于光化學(xué)反應(yīng)生成臭氧；而相對濕度越高，說明云量和雨量越高，越不利于臭氧的生成和積累，且相對濕度較高時，大氣中的水分子會迅速分解臭氧，從而降低臭氧濃度，所以臭氧濃度與相對濕度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3.2.4 風(fēng)速

風(fēng)速較大時，有利于臭氧的水平擴散和稀釋，起到清除臭氧的作用，同時也會產(chǎn)生對流，使上層臭氧向下輸送混合，且上風(fēng)向周邊地區(qū)的臭氧和前體物也會傳輸至本地，起到臭氧輸入作用，根據(jù)Pearson相關(guān)系數(shù)，廈門市臭氧濃度與風(fēng)速表現(xiàn)為較強的正相關(guān)性。

4 結(jié)論

通過分析廈門市2021年優(yōu)化調(diào)整后的“十四五”期間6個國家環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測點位的臭氧濃度，發(fā)現(xiàn)廈門市臭氧污染呈現(xiàn)較為明顯的時空分布特征。春季和秋季臭氧污染程度較嚴(yán)重，夏季臭氧濃度處于較低水平；月變化特征與季節(jié)變化特征趨于一致，春季的4月和秋季的9月臭氧濃度較高，4月為全年臭氧濃度最高的月份，夏季的6月、7月、8月和冬季的12月臭氧濃度較低，7月為全年臭氧濃度最低的月份；日變化特征為單峰型分布，白天隨著光化學(xué)反應(yīng)速率加快，臭氧濃度快速上升，在14時達到最高值，隨后光化學(xué)反應(yīng)速率減慢和氮氧化物的滴定作用增強，臭氧濃度在夜間時段呈下降趨勢，在7時達到最低值。

廈門市臭氧濃度最高的點位為溪東，最低的點位為洪文，總體上，臭氧污染較嚴(yán)重的區(qū)域為島外山區(qū)，其次為島外城區(qū)，島內(nèi)區(qū)域臭氧污染程度相對較輕。根據(jù)Pearson相關(guān)系數(shù)，臭氧濃度與前體物二氧化氮濃度和溫度、相對濕度、風(fēng)速等影響因子有較顯著的相關(guān)性：與溫度、風(fēng)速呈正相關(guān)關(guān)系，與二氧化氮濃度、相對濕度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。