江陰市空氣中臭氧污染變化特征研究與分析

潘辰熙，陸曉燕，徐 娜

(江陰職業技術學院 環境與材料工程系，江蘇 江陰 214405)

臭氧(O3)污染已是近年來最受人類關注的全球大氣環境問題之一。隨著政府對藍天保衛戰三年行動計劃的持續實施，我國大氣環境中的顆粒物(TSP)、二氧化硫(SO2)和氮氧化物(NOx)的濃度持續降低，但臭氧濃度總體不降反升，得不到有效的改善。

江陰為江蘇省省轄縣級市，屬于工業強市，經濟發達。近年來，通過產業結構調整，一定程度上優化了城市的產業結構，但是，工業的比重仍然過高，且紡織印染、化工、冶金等傳統污染產業比相對較高。目前，江陰的環境空氣質量一直是整個無錫地區最差的城市。本文主要分析江陰市地區臭氧污染控制現狀，了解臭氧污染狀況的時空分布變化特征。

1 數據來源與方法

1.1 數據來源

本次研究以江陰市2019年—2021年環境空氣質量監測數據為研究對象。監測數據包括PM2.5、PM10、O3、SO2、NO2和CO等六種基本污染物質，數據信息來源于中國城市空氣質量數據實時發布平臺(www.aqistudy.cn)。

1.2 評價方法

對于環境空氣中的臭氧，主要有一小時平均和日最大八小時平均的限值要求。本次研究采用指標為日最大 8 h 滑動平均質量濃度(以下以“O3-8 h”表示)，根據《環境空氣質量標準》(GB3095-2012)[1]和《環境空氣質量評價技術規范(試行)》(HJ663-2013)[2]統計出有效數據進行研究。城市每天的O3-8 h 由O3日最大 8 h 的算術平均質量濃度計算得出。

根據《環境空氣質量指數(AQI)技術規定(試行)》[3]可將O3-8 h 分為以下五個級別：重度污染(266～800 μg/m3)；中度污染(216～265 μg/m3)；輕度污染(161～215 μg/m3)；良(101～160 μg/m3)；優(1～100 μg/m3)。

2 結果與討論

2.1 O3質量濃度變化情況

2.1.1 O3年質量濃度變化情況

2019年以來，江陰市城市空氣中O3質量濃度略有下降。圖1為2019—2021年江陰市O3-8 h 年際變化。從圖1中看出，江陰市2019—2021年O3-8 h 年均值評價指標均達標，2019—2021年間O3-8 h 年均值呈緩慢下降趨勢。其質量濃度在二級標準限值范圍101～160 μg/m3。

圖1 2019—2021年江陰市O3-8 h 年度變化

近年來，江陰市總體環境空氣質量得到顯著改善，SO2、NO2、PM10與PM2.5均呈顯著下降的趨勢，而O3的下降趨勢不明顯，污染問題仍未得到改善。O3已經代替其他污染物成為最主要的大氣污染物。隨著我國大氣污染防治的推進，揮發性有機物污染防治工作的有效實施，O3污染的趨勢也得到了遏制，未繼續惡化，但其防治效果尚不明顯。

2.1.2 O3首要污染物變化

近年來，隨著空氣質量總體向好，江陰市環境空氣的優良率不斷提高。目前江陰市環境空氣中的首要污染物主要有：PM2.5、PM10、NO2與O3這四種污染物。從圖2中看出，2019—2021年，O3作為首要污染物的比例居高不下，2021年略有下降，但總體仍然偏高。

圖2 2019—2021年江陰市空氣中首要污染物變化情況

2.1.3 O3月質量濃度變化和季節變化規律

江陰市臭氧質量濃度月變化規律明顯。從圖3數據得到：2019年的1—6月，臭氧月均質量濃度逐漸升高，6月出現峰值，7—12開始出現回落狀態；2020年的1—5月，臭氧月均質量濃度逐漸升高，5月出現第一個峰值，6、7月開始回落，8月出現第二個峰值，然后持續開始回落；2021年的1—6月，臭氧月均質量濃度逐漸升高，6月出現第一個峰值，7月開始回落，8、9月重新開始上升，9月出現第二個峰值，然后開始回落。總體上，江陰市2019—2021年臭氧月均質量濃度以雙峰的形式呈現。從季節上看，臭氧污染主要集中在夏秋和冬初季，其中夏季和秋季污染最為嚴重。

圖3 江陰市2019—2021 O3質量濃度月變化規律

江陰市因地處我國北亞熱帶季風氣候，每年的6—7月份以梅雨天氣較多、降水量增大、持續時間較長等原因，導致空氣中的NOx和VOCs得不到充足的光照，以及溫度下降等氣象條件的改變[4]，從而出現了江陰市的臭氧質量濃度在6—7月逐漸下降的情況。符合光照減少及溫度降低等氣象條件的改變是導致O3濃度下降的重要因素這一現象[5]。

2.2 O3與其他污染物的關系

2.2.1 O3與顆粒物

臭氧與顆粒物之間的關系極為復雜，容易受到外界氣候因素的影響，如雨水、風級等。由于O3是通過CO、NOx和VOCs發生光化學反應而生成，光的通量直接決定了O3的生成能力。當大氣中的懸浮顆粒物的濃度增高時，氣溶膠光學厚度也在相應增加，這也直接導致了達到近地面的光量被相對減弱，使光化學反應速率降低，從而也就削弱了臭氧的生成。

圖4、圖5、圖6分別為江陰市2019、2020、2021年顆粒物月均質量濃度和O3月均質量濃度的關系。通過對數據的整理分析，發現了臭氧質量濃度與顆粒物質量濃度之間的關系一般呈相反的趨勢變化。在冬春季節，臭氧質量濃度較低，顆粒物質量濃度較高；在夏秋季，臭氧質量濃度較高，顆粒物質量濃度較低[6]。

圖4 江陰市2019年O3與顆粒物月均質量濃度分布

圖5 江陰市2020年O3與顆粒物月均質量濃度分布

圖6 江陰市2021年O3與顆粒物月均質量濃度分布

2.2.2 O3與其前體物NO2和CO

NOx、CO和VOCs作為O3的前體物，濃度發生改變時也會對O3的濃度產生一定的影響。當O3通過NOx、CO和VOCs發生光化學反應生成較多時，O3的濃度上升，而NOx、CO和VOCs的濃度則會相對下降。圖6、圖7、圖8分別為江陰市2019、2020、2021年NO2、CO月均質量濃度與O3月均質量濃度的關系。

圖7 江陰市2019年O3與NO2、CO月均質量濃度分布

圖8 江陰市2020年O3與NO2、CO月均質量濃度分布

從圖7、圖8、圖9中看出，在太陽輻射弱的冬春季，光化學反應的速率較低，前體物消耗較少，導致NO2、CO月均質量濃度較高，臭氧質量濃度較低；在太陽輻射強的夏秋季，光化學反應的速率較高，前體物消耗較多，導致NO2、CO月均質量濃度較低，臭氧質量濃度較高。

圖9 江陰市2021年O3與NO2、CO月均質量濃度分布

3 結論

1)江陰市2019—2021年O3為首要污染物、年均質量濃度大致呈現緩慢下降的趨勢。

2)從季節上看，臭氧污染主要集中在夏秋和冬初季，其中夏季和秋季污染最為嚴重。從月份上來看，江陰市O3質量濃度在5、6月出現第一個峰值；在8、9月出現第二個峰值；7月因梅雨氣候較多，導致光照不夠充足，前體物通過光化學反應生成O3的速率較低，O3的質量濃度也就有所下降

3)O3與其他污染物因受江陰市的氣候條件影響，兩者之間的關系較為復雜。通過對江陰市3年間O3與其他污染物的關系分析發現，在冬春兩季江陰市的溫度較低、雨量較小，致使顆粒物濃度較高，到達近地面的通光量較小，導致生成O3的光化學反應受到的日照較弱，O3的質量濃度也相應較低；在夏秋兩季江陰市的溫度較高、雨量較大，致使顆粒物質量濃度較低，到達近地面的通光量較大，導致生成O3的光化學反應受到的日照較強，O3的質量濃度也相應較高。由于NO2、CO作為 O3的前體物，在冬春兩季 O3生成較少，NO2、CO的消耗也較小，也就導致NO2、CO的質量濃度較高；在夏秋兩季 O3生成較多，NO2、CO的消耗也較大，也就導致NO2、CO的質量濃度較低。總體看來，江陰市2019—2021年間臭氧與其他污染物的規律大致都呈反比。