城區低空大氣臭氧污染特征及氣象影響因素研究

文章編號：1674-6139（2025）05-0117-06

中圖分類號：X511文獻標志碼：B

Characteristics of Low Altitude Atmospheric Ozone Pollution in Urban Areas and Analysis of Meteorological Factors

HuangGuizhen1，Xie Meifang2，Yang Zaiwei1，HuangJunhui （1.Meteorological Bureau of Baise City，Baise 533OOO，China； 2.Baise Ecological Environment Bureau，Baise 533ooo，China; 3.Baise Institute of Science and Technology Information，Baise 533Ooo，China）

Abstract：Ozone，asanatmosphericpolutant，haspotentialhazardstohumanhealthandthecologicalenvironment.Therefor，an analysiswasconductedonthecharacteristicsoflowaltitudeamosphericozonepolutionandmeteorologicalinfuencingfactorsinrban areas.Dataonlowlevelatmosphericozoneconcentrationsinurbanareasandmeteorologicaldataerecolectedinthestudyreaand thespatialandtemporaldistrbutioncharacteristicsoflowlevelatmosphericozonepolutioninurbanareaswereivestigatedhere searchresultsindicatethattheozoneconcentrationishighestinAprilanday.ThefstertephotochemicalreactionbetweeNOand VOCs，themreozonesiseeated，ndteoespodingoncentratioishgherTehertheelativeumidity，tetroert abilitytoabsorbultravioletrays，thelessozonegasisproduced，andthecoespondingconcentrationislower.Thehighertewind speed，the stronger the ability to transmit ozone，and the lowerthe ozone concentration in this urban area.

Key words：ozone concentration; NO_x gas；VOCs gas；temperature influence；relative humidity

前言

臭氧能夠與生物的蛋白質、氨基酸等發生化學反應，引發心肺功能減弱、視力降低、中樞神經系統損害及組織缺氧等問題。同時，臭氧污染物還會對農作物生長造成阻礙，導致區域作物死亡，降低作物生產效率。據相關各部門統計，當臭氧濃度達到40ppb時，會導致約500萬噸小麥減產，這相當于一個城市整年的小麥產量[1-2] 。

大量學者深入研究了城區低空大氣臭氧污染的特征及其氣象影響因素。劉玉等[3]收集關于臭氧污染資料，通過季風、臺風及陸風對臭氧濃度影響，得出臭氧與風之間存在強相關性。董昊等[4]先統計某區域的臭氧污染物濃度信息與氣象數據，得出臭氧與溫度、相對濕度分別呈正相關、負相關。楊芳園等[5]根據某區域歷史臭氧檢測數據與氣象數據，得出臭氧在高溫時污染程度大，與氣溫存在正相關。朱媛媛等通過臭氧的 濃度與氣象各因素的變化規律，了解臭氧濃度與溫度、相對濕度關聯性大。

為更好了解城區低空臭氧污染物遷移規律及變化特征，提出城區低空大氣臭氧污染特征及氣象影響因素分析。應用MIC-600-O3-Y、Vaisala氣象觀測系統獲取城區低空大氣臭氧濃度與氣象數據，并通過皮爾遜相關系數得出臭氧時間、空間維度的變化規律及其與氣象因素之間的相關關系。

1數據采集與分析方法

1.1 研究區域概況

研究區域位于中國南部的廣西壯族自治區西部，約在北緯 22^°51^′～25^°07^′. 東經 104^°28^′～107^°54^′ 之間，總面積3.63萬平方千米，為亞熱帶季風氣候，平均氣溫 19.0% 至 22.1^°C ，最高氣溫 36.0^°C～42.5^°C ，最低氣溫 -2.0%-5.3% ，年平均日照1906.6小時，年平均降雨量1114.9毫米，無霜期為357天。

1.2環境空氣質量檢測數據采集

1.2.1城區低空大氣臭氧監測方法

由于 MIC-600-03-Y 在線式臭氧檢測儀能夠實時顯示濃度、超標聲光報警以及遠程數據傳輸，且采用先進的電路設計和成熟的內核算法處理，從而確保了臭氧濃度監測的高可靠性和穩定性。為此，選用此儀器監測城區低空大氣臭氧濃度情況。

1.2.2城區氣象信息監測方法

通過Vaisala氣象觀測系統獲取氣象的降雨量、相對濕度、溫度、風向、風速、日照、能見度等數據，環境監測系統能夠測量的臭氧濃度范圍為0至120ppm. 分辨率為 0.1ppm_? 測量誤差在 ±3% 的范圍內、工作溫度需要在 5% 至 40% 之間、最低檢測限為 lt;0.6ppb 。

1.3 數據分析方法

因城區監測時間長且觀測點多，采集的低空大氣臭氧數據量極大，此時可應用計算機軟件實現監測數據分析及處理。MicrosoftExcel軟件的數據透視功能靈活，且統計分析能力強，而Origin軟件繪圖能力強，且自定義繪圖選項，便于操作，為此選用這兩款軟件分析城區監測數據。

使用Excel軟件中AVERAGF函數功能與數據統計工具，得出城區低空大氣臭氧的總平均值與小時、月份、季度等平均值數據，再通過趨勢分析方法得出濃度與時間、空間變換特征（以圖、表形式展示其隨時間、空間變化情況），并利用Origin軟件分析臭氧與氣象各影響因素之間相關性，此部分借助皮爾遜相關系數算法求解臭氧與氣象變量的線性相關程度[7]，計算過程為式（1）：

其中， X_i 表示臭氧變量； Y_i 表示氣象某一影響因素； i 表示樣本數量， 表示 X_i?Yi 的平均值； A_X?A_Y 表示 X_i?Yi 的標準差。

χ 取值范圍為[-1，1]，當 -1?χlt;0 時， ?_?X_i 與Y_i 呈負相關；當 χ=0 時， X_i 與 Y_i 無關；當 0lt;χ?1 時， X_i 與 Y_i 呈正相關，越靠近1，說明 X_i 與 Y_i 關聯性越強。

2城區低空大氣臭氧污染特征分析

2.1 空間分布特征分析

為了探究城區低空大氣臭氧污染物特征，在城區安置8個監測點，包含化工學校、職工醫院、世紀公園、高新園區、西北水源、教堂、商超、住宅區，各監測點2023年濃度情況如下。

化工學校臭氧濃度超標共有68天，臭氧年均濃度約為 103.18μg?m^-3 ；職工醫院臭氧濃度超標天數為51天，全年平均濃度約為 105.17μg?m^-3 ；世紀公園臭氧濃度超標共有28天，臭氧年均濃度約為79.17μg?m^-3 ；高新園區臭氧濃度超標天數為98天，年均濃度為 132.27μg?m^-3 ；西北水源臭氧濃度超標共有43天，約占總天數的 20% ；教堂臭氧濃度超標天數為11天，年均濃度為 61.38μg?m^-3 ：商超臭氧濃度超標天數為48天，年均濃度為118.38μg?m^-3 ；住宅區臭氧濃度超標天數為32天，年均濃度為 109.37μg?m^-3 ；教堂臭氧濃度超標天數為3天，年均濃度為 18.92μg?m^-3 。根據以上數據可知，城區低空大氣臭氧濃度分為四個等級：重度污染有高新園區監測點，中度污染有西北水源、職工醫院、商超、住宅區、化工學校，輕度污染有世紀公園，教堂為較輕度污染。

教堂的臭氧濃度最低，是因為此區域以居民文教為主，生產企業較少，生成的 NO_x 與VOCs氣體較少，形成的臭氧量就越少，對應的臭氧濃度就越少；世紀公園中綠化、植被覆蓋率較高，VOCs排放量較大，這有利于臭氧的光化學生成，此區域臭氧濃度高于教堂。職工醫院、商超、住宅區以商業、交通和工業為主，居民日常活動、汽車尾氣排放 NO_x 和VOCs較多，此區域臭氧污染相對嚴重；化工學校、西北水源地處城區下風向，受氣流、季風影響，臭氧濃度較高。高新園區屬于工業園區，產業結構包括電子、化工、制藥等，產品生產過程中會排放出大量的 NO_x 和VOCs的廢氣，這些物質在光照條件下加劇光化學反應生成臭氧，此區域臭氧污染最嚴重[8]

2.2 時間特征分析

實驗數據不變，從時間維度分析臭氧濃度變化特征，城區低空大氣濃度月均濃度取8個監測區域的濃度均值，月濃度變化情況見圖1。

通過圖1可知，城區低空大氣臭氧月平均濃度與超標日數量變化態勢基本相同。4月－5月臭氧月均濃度及超標天數相對秋冬季較多，但從整體上看臭氧污染形勢嚴峻，此季節臭氧污染是因為夏季紫外線強烈，部分地區晴空少云，導致氧氣光解離反應增加，加快臭氧生成，臭氧濃度上升；城區低空大氣臭氧污染主要也集中在夏季（4月和5月），這是因為這兩月受季風、氣流影響導致的。

3氣象分析對大氣臭氧污染影響分析

通過城區低空大氣污染空間維度、時間維度特征分析可知，臭氧污染與氣象條件存在密切相關性，為此，分析氣象（溫度、相對濕度、風速）因素對臭氧濃度影響分析，找出濃度升高原因，以保護城區環境[9-10]

3.1溫度對臭氧污染影響

實驗分別從臭氧污染的四個等級中選取4個監測點作為研究對象，即高新園區、職工醫院、世紀公園、教堂，分析各氣象的溫度城區低空臭氧污染影響規律，結果見圖2。

根據高新園區、職工醫院、世紀公園、教堂的臭氧濃度超標天數及月均濃度變化情況可知，臭氧濃度變化分為溫度低于 至 27% 以及27% 至 33^°C 三個階段。在 ∠9^°C 范圍內，四個區域的臭氧濃度含量均未超標，因較低的溫度不利于臭氧的光化學反應，此階段生成臭氧較少，濃度未超標；在 9^°C～27^°C 范圍內，隨著氣溫不斷升高，臭氧濃度逐漸上升，超標天數也越來越多，由于高溫會增加分子之間的碰撞頻率，進而加快 NO_x 和VOCs的光化學反應速率，生成的臭氧就越多，臭氧的濃度越高；在 27^°C～33^°C 范圍內，由于此階段溫度較高，排放VOCs和 NO_x 的量也較高，但這些污染物可以與臭氧反應，以消耗臭氧，臭氧濃度略微下降。但從整體上看，氣溫升高，臭氧濃度增加，溫度與臭氧生成存在正相關。

3.2相對濕度對臭氧污染影響

進一步對4個監測點進行相對濕度測試，研究城區低空臭氧污染影響規律，結果見圖3。

從圖3可以看出，城區低空臭氧濃度與相對濕度呈負相關，相對濕度越大，對應臭氧濃度越小。在較高的相對濕度情況下，大氣中的水汽會吸收部分紫外線，降低溫度，減少了紫外線對臭氧生成的促進作用。進而減少臭氧的生成量。同時，一些污染物可能會以液態或固態形式存在，這會影響它們與臭氧的反應速率和程度。

3.3 風速對臭氧影響

城區低空大氣臭氧污染物受風場影響顯著，實驗從風速角度來分析臭氧變化特征，詳情見圖4。

從圖4可知，四個區域風速對臭氧濃度影響情況基本相同，都是隨著風速增加城區低空大氣臭氧濃度逐漸降低，反之異同，這說明風速與臭氧濃度呈負相關。也就是說，當日均風速較小時，城區低空大氣臭氧在局部區域累積，導致臭氧濃度升高。而當日均風速較大時，臭氧隨風運動擴散到遠離源頭的地方，這有助于降低局部地區的臭氧濃度。

4結束語

由于中國工業化進程的加快，臭氧的濃度逐漸上升，對生態環境與人體健康造成威脅。因此，提出對城區低空大氣臭氧污染特征分析的研究。實驗結果證明：居民活動少、植被綠化少的區域排放的NO，與VOCs氣體少，生成的臭氧氣體少，此類區域的臭氧濃度相對較低；夏季臭氧濃度較高，因夏季高溫和強烈的陽光照射有利于光化學反應的進行，從而加速了臭氧的生成；氣象溫度與臭氧濃度呈正相關，因為溫度升高會加快 NO_x 和VOCs的光化學反應速率，生成臭氧氣體越多；而相對濕度、風速與臭氧濃度呈負相關，相對濕度和風速越大，臭氧濃度越小。

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