臭氧濃度時空分布特征及其影響因素分析

陳育華，林建生

（1.韶關市生態環境監測站樂昌分站，廣東 韶關 512000；2.廣州大學，廣東 廣州 510000）

0 引言

21 世紀以來，隨著中國工業化進程的不斷完善和私家車等移動交通工具的不斷普及，大量的工業廢氣和汽車尾氣排放使得中國的空氣污染更加嚴重，特別是以臭氧（O3）為主的光化學霧霾污染和高濃度細顆粒物（PM2.5）的霧霾現象頻繁發生[1]。為了更加客觀合理地評價空氣質量，2012 年中華人民共和國生態環境部頒布的《環境質量標準》（GB 3095—2012）明確規定了臭氧的新標準濃度值——1 h 臭氧濃度值和8 h臭氧濃度值[2]。根據《廣東省城市環境空氣質量狀況》（2018 年8 月）公布的數據，與2017 年相比，臭氧已成為廣東省的首要污染物，占比達92.4%。不難看出，隨著廣東省經濟的不斷發展，煤化石燃料使用量的急劇增加和機動車的大量使用直接或間接導致了臭氧濃度的增加[3-5]。長期高濃度臭氧污染會對人體健康造成危害，尤其是對人體呼吸道和神經系統的危害。嚴重者會引起哮喘、胸悶、頭痛、思維能力下降等，這是真正的“隱形殺手”[6-7]。

本研究監測期為秋季8 月22 日—28 日。利用大氣運動監測系統，以韶關市樂昌市某區域為中心，對特定路線的運動進行監測，采集NO2和O3濃度等數據，利用數據統計分析軟件對監測路線沿線的O3濃度及O3濃度變化進行監測。對臭氧污染的時空分布特征、濃度變化與影響因素的相關性分析、來源分析進行了研究，為改善該市空氣質量、減少臭氧污染提供初步的數據參考。

1 研究方法

如圖1 所示，沿固定路線，從第五中學出發，經過南塔路到廣東省第二農機廠，然后到達長塘路，繞南塔公園到達殯儀館，最后回到第五中學。選擇上述路線的主要原因是：長塘路、南塔路和南塔公園在該區域可以很好的覆蓋，具有典型性。路線主要經過露天工地、學校和交通路口，監測數據具有代表性。

圖1 研究路線示意圖

使用Aeroqual S500 臭氧監測儀測量臭氧濃度。監測儀將周圍的空氣吸入一個外殼，在這個外殼中，臭氧分子通過其氧化傾向，改變感應材料（一種加熱的氧化鎢薄膜）的電狀態。薄膜被沉積在金屬電極上，電阻的變化可以反映臭氧濃度的變化。測量周期約為68 s，而數據每分鐘記錄為最近更新的值。對于步長增加，響應時間約為3 個采樣間隔（約3 min），對于步長減少，響應時間約為一個采樣間隔（約1 min）。該移動監測儀器是Sniffer4D 智能嗅覺超細網格大氣移動監測系統，使用世界領先的英國Alphasense 氣體傳感器。實時監控數據可通過4G 信號或數據線傳輸到配套的數據處理軟件Sniffer4D Mapper 數據可視化分析軟件。2019 年8 月22 日—28 日，為期7 d。根據中國空氣質量在線監測網數據，這段時間O3的平均質量濃度為62.8 μg/m3。移動抽樣每天3 次，時間分別為09：00—09：30、15：00—16：00 和21：00—21：30。

數據處理與分析采用儀器自帶的Sniffer4D Mapper 數據可視化分析軟件對采樣數據進行初步判斷與分析。利用軟件提供的二維網格圖和三維點云圖，可以查看垂直范圍的數據變化和不同地方的O3濃度，并對中國空氣質量在線監測發布的該市數據進行對比分析。

2 結果與分析

2.1 O3 濃度的時間分布特征

樂昌市臭氧濃度日變化特征如表1 所示。7 d 內O3濃度的日變化趨勢大致呈早晚低、下午高的“單峰”模式，04：00—08：00，O3濃度較低。O3濃度數據08：00 開始上升，16：00 左右達到峰值，之后整體數據開始下降。另外可以看到，20：00 時左右，該市臭氧質量濃度基本上都低于100 μg/m3。

表1 該市8 月22 日—28 日臭氧濃度日變化過程

研究期間，該市上午O3質量濃度基本在14～147 μg/m3，下午O3質量濃度基本在32～147 μg/m3。晚上濃度較下午低，在7～97 μg/m3。根據《環境質量標準》（GB 3095—2012），O3濃度的1 h 平均水平為160 μg/m3，第二水平為200 μg/m3。從圖2 可以看到，研究區的臭氧濃度低于國家規定的二級，表明研究區臭氧在可接受范圍內。此外，根據監測路線的不同，個別區域的O3濃度在一定時間內出現“最大值”，判斷為O3濃度飆升，這與監測過程中的環境和人類活動有關。

圖2 O3 平均日變化箱形圖（上午—下午—晚上）

2.2 O3 質量濃度的空間變異特征

研究期間O3質量濃度的等值線分布如圖3 所示。顏色越深，該區域O3質量濃度越高。通過對比可以清楚地看到，下午的O3質量濃度等高線圖最暗，主要集中在南塔路和長塘路附近，晚上的區域圖次之，上午的區域圖最亮，符合O3質量濃度的單峰趨勢。與數據比較發現，上午、下午和晚上測得的O3平均質量濃度分別為25、89.5、39.0 μg/m3。

圖3 臭氧質量濃度等值線的時空分布

圖4 顯示了研究區內不同地點的O3濃度的日變化情況?？傮w而言，4 個地點南塔路、第五中學、南塔公園和長塘路濃度日變化均呈單峰分布。可以清楚地看到，南塔路的監測數據高于其他3 個地點，下午或夜間的O3質量濃度監測值均超過50 μg/m3。原因可能是南塔路車流量大，人流量大，機動車尾氣排放大，污染源集中。南塔公園的價值相對較低，相對而言，南塔公園和第五中學的O3濃度較4 個地點低，可能是因為人流量和車輛較少，說明人類排放源對特定地點O3濃度的影響較大。

圖4 各地點臭氧濃度的日變化

2.3 O3 污染來源分析

本研究移動監測結果顯示，該市8 月22 日—28 日O3日平均濃度基本低于本研究區（圖5）。所研究區域在樂昌市南塔公園附近，與市中心有一定距離。許多研究表明，城市郊區的O3濃度數據普遍高于市區，這可能是由于市區的O3污染或前體NOx的區域運輸。氮氧化物由城市向郊區輸送，在日照充足、溫度較高的天氣條件下，自然排放的揮發性有機化合物生成O3。

圖5 某市市區與研究區臭氧日平均濃度比較

圖6 不同NO2 濃度與臭氧濃度的相關性

因此，本研究比較了O3質量濃度和前體NO2質量濃度的數據，發現不同的NO2質量濃度與O3質量濃度存在不同的相關性（圖6）。當NO2質量濃度小于30 μg/m3時，NO2質量濃度與O3濃度呈負相關，而當NO2質量濃度大于40 μg/m3時，NO2質量濃度與O3質量濃度呈正相關。研究區南塔路日交通量巨大，機動車怠速時，釋放出大量未完全燃燒的CO，促進了O3質量濃度的升高。與南塔路相比，南塔公園車流量不大，午后O3質量濃度明顯低于南塔路等車流量較大的交叉口。此外，臭氧污染的區域傳輸明顯，秋季廣東省粵東北臭氧的區域輸送占臭氧污染的比重較大。因此，可以判斷NO2質量濃度與O3質量濃度呈正相關，NO2質量濃度與外部O3運輸存在一定的相關性，從而導致了NO2質量濃度局部上升，反而促進了O3生產的錯誤印象。結果發現，8 月25 日，O3質量濃度達到最大值，隨后下降至8 月28 日，在此期間，研究區前體NO2變化不明顯。研究期間該市氣象資料顯示，8 月22 日—25 日風向為東北，推測研究區高濃度O3污染可能在一定程度上被輸送。

3 結論

本文采用高精度氣體傳感器于2019 年8 月對樂昌市南塔公園周邊的O3質量濃度進行監測，并對其時空分布特征及影響因素進行分析研究。得到以下結論：研究區臭氧污染日變化特征呈單峰分布，下午15：00 左右達到峰值，1 h 內平均質量濃度低于國家200 μg/m3污染標準。對比該市與監測區O3質量濃度數據可以看出，中心城區O3質量濃度明顯低于本實驗監測區。研究區臭氧濃度污染存在明顯的空間分布特征，高濃度臭氧主要集中在南塔路、長塘路等交通量較大的區域，說明高濃度臭氧可能與機動車尾氣排放前體有關。結合風向條件，推測研究區可能存在一定程度的高濃度O3污染區域輸送。