大氣臭氧污染特征及氣象因素研究

文章編號：1674-6139（2025）08-0130-06

關鍵詞：大氣臭氧污染；采樣；時空特征分析；氣象因素；太原市

中圖分類號：X511文獻標志碼：B

Characteristics of Atmospheric Ozone Pollution and Analysis of Meteorological Factors

-ACaseStudyofTaiyuanCity

Han Xueying1，Han Chenhui2，Ren Ruizhi3，Han Xinyu4，Song Jinyao ⁵

（1.Shanxi Jiexiu Meteorological Bureau，Jinzhong O32O0o，China;2.Meteorological Service Center，Taiyuan O3OoOo，China；3.Shanxi Shouyang County Meteorological Bureau，Jinzhong O45499，China;4.Shanxi Ping'an Lightning Protection Test Co.，Ltd.，Taiyuan O3OoOO，China；5.Shanxi Lvliang Jiaokou County Meteorological Bureau，Lvliang O324Oo，China）

Abstract：Asanimporlantenergyandheavyindustrybase，ozonepolutionhasbecomeincreasinglyprominentinTaiyuan City，be comingthemainfactorafectingairqualityThispaperanalyzesthecharacteristicsofatmosphericozonepolltionandmeteorologicalfac torsbyolltinggassamplesanddetetingplltionconcentratiosTecharacteristicsofatmospericozoneplutioneeaalyd fromtwodimensionsoftimendspace.Thepaperanalyzedtheimpactoftreemeteorologicalconditions，namelywindspd，teperature，andhumdityonlltioconcentratioandcalculatedtheconcentrationxceedaneratentermsofti，zonepolutioniso centratedintefteontovegpdofsumr；Itsfsaczoeltioisoceratedinteastecetralan cludingthJancaopingDstrct，WanblinDtrict，XinghualingDstrict，YingeDistrict，XiaodianDistrict，tc.Ozoneplutiois particularly severe in weather conditions with wind speeds ranging from 3.0 to 5.5m/s ，high temperatures，and low humidity.

Keywordsatmosphericozonepollution；sampling；spatiotemporal featureanalysis；meteorologicalfactors；Taiyuan City

前言

在當今經濟社會高速發展的大背景之下，大氣污染問題猶如一片濃重的陰云，沉甸甸地籠罩在全球的上空。大氣臭氧污染。

臭氧（ ），這種呈現出淺藍色且帶有特殊臭味的氣體，在地球大氣層中有著截然不同的兩種角色定位。于高空平流層之中，它宛如一位忠誠的守護者，是地球的“保護層”。在那里，臭氧發揮著至關重要的作用，能夠有效地吸收來自太陽輻射的紫外線，就像一把巨大的保護傘，將地表生物穩穩地庇護在其之下，使眾多生物免受紫外線的侵害。然而，一旦來到近地面的對流層，臭氧就像是被施了魔法一般，從保護者變成了破壞者。高濃度的臭氧在這個層面成為了一種危害極大的有害氣體。它對人體健康造成的損害不容小，可能引發呼吸道疾病、心血管疾病等多種健康問題。對于生態系統而言，它會影響植物的光合作用，干擾植物的生長和發育，進而破壞整個生態平衡。從全球經濟的角度看，大氣臭氧污染導致的環境惡化會影響農業產量、增加醫療成本等，產生一系列連鎖反應，對全球經濟發展產生顯著的負面影響[1]。

研究的核心目的在于深入探討大氣臭氧污染所具有的特征，以及它與氣象因素之間那千絲萬縷、極為復雜的關系。

1 研究區概況

以太原市為研究區，進行大氣臭氧污染研究。太原市三面環山，中南部為河谷平原，整個地形呈簸箕形。這種地形條件可能對大氣擴散和臭氧污染物的分布產生一定影響。太原市屬于溫帶大陸性季風氣候區，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥。夏季是臭氧污染的高發期，這與高溫、強日照以及較低的濕度等氣象條件密切相關。此外，風向和風速的變化也會影響臭氧污染物的傳輸和擴散。太原市也是中國重要的能源和重工業基地。長期以來，太原市以煤焦、鋼鐵、電力等為主導產業，這些行業在生產過程中會排放大量的氮氧化物（ NO_x ）和揮發性有機物（VOCs），它們是臭氧生成的重要前體物。太原市的大氣污染源主要包括工業生產、燃煤消費、交通運輸、建筑裝修、噴涂作業等多個方面。以太原市為研究區進行大氣臭氧污染研究具有重要意義。一方面，太原市作為典型的能源和重工業城市，臭氧污染問題具有一定的代表性和普遍性；另一方面，通過深入研究太原市臭氧污染的成因、分布及防控策略，可以為其他類似城市提供有益的借鑒和參考。然而，研究過程中也面臨著諸多挑戰，如臭氧污染成因復雜、影響因素眾多、數據獲取難度大等。

綜上所述，太原市因特殊的地理位置、氣候條件、社會經濟與工業結構以及嚴峻的臭氧污染形勢而成為典型的大氣臭氧污染研究城市。通過對太原市臭氧污染的研究和治理，可以為其他類似城市提供有益的借鑒和參考。

2 實驗方法

2.1 氣象數據來源

研究中所需要的氣象因素一部分來自自動氣象站，包括溫度、相對濕度和風速等，另一部分來自太原市氣象局，與太原市氣象局建立數據共享協議，獲取降水量、光照時數、云量等歷史數據和實時數據。這些數據可能包括逐日、逐月或逐年的統計結果，以及特定時間點的觀測記錄。對來自兩個數據源的數據進行質量控制，包括檢查數據完整性、剔除異常值、修正錯誤等，確保數據的準確性和可靠性是后續分析的基礎[2]。對于自動氣象站數據，應定期檢查傳感器的工作狀態，進行校準和維護，以確保測量精度。

2.2 氣體樣本采樣

采集氣體樣本作為環境監測中不可或缺的一環，對于精確檢測空氣中污染物的種類、濃度及其變化趨勢具有至關重要的意義。鑒于空氣中污染物的獨特性質一濃度極低（往往處于微克每立方米至毫克每立方米之間，即 10^-6～10^-3g/m³ 范圍），加之易于擴散、空間分布不均且隨時間波動顯著的特點，采樣方法的科學選擇與精確執行成為了確保分析測量結果準確無誤的基石[3]。以下是關于大氣樣本采樣步驟的介紹。

2.2.1 采樣方法選擇

溶液吸收法是常用的一種富集采樣法，相比于其他采樣方法，溶液吸收法的設備相對簡單，操作容易掌握[4]。采樣步驟如下：

步驟1：根據所選的富集方法準備相應的采樣設備，如采樣泵、吸收瓶、電源等，并確保設備處于良好狀態。

步驟2：根據監測需求和現場條件設置采樣參數，如采樣流量、采樣時間、采樣頻率等。

步驟3：用采樣泵將待測空氣以一定流量抽入裝有吸收液（碘化鉀）的吸收管（瓶）。

步驟4：采樣結束后，進行有效的保存，靜待下一步的檢測。

2.2.2采樣點的布設

采用功能區布點法確定采樣點，它基于監測區域的功能分區來設置采樣點，以確保采樣點能夠代表不同功能區的污染狀況和特征。在每個功能區內，根據污染程度、人口密度、監測目的和監測力量等因素，確定采樣點的數量[5]。然后在各功能區內，按照均勻分布的原則布設采樣點。采樣點的布設應考慮到風向、地形、建筑物等因素對污染物擴散的影響。最后，在現場設置明顯的標識或標志，以便采樣人員能夠快速準確地找到采樣點并對每個采樣點進行編號和記錄[6]

2.2.3氣體樣本保存與運輸

利用低溫條件減緩氣體樣本中化學反應的速度，從而延長保存時間。適用于大部分氣體樣本，特別是易揮發、易分解的氣體。但需注意嚴格控制冷藏溫度，避免結冰[7]。在運輸過程中，確保氣體樣本的容器固定牢固，以防止因顛簸和震動導致的氣體泄漏或容器損壞。

大氣樣本采樣是一項復雜而精細的工作，需要根據具體的監測要求和現場情況選擇合適的采樣方法和采樣點布設方式，以確保采集到的樣品具有代表性和準確性。

2.3大氣臭氧污染檢測

臭氧 （0₃ ）是一種常見的大氣污染物，濃度過高會對人體健康和環境造成不利影響。針對臭氧污染，基于富集采樣法——溶液吸收法采集到的樣本，采用電化學法進行檢測。原理是利用電解池將臭氧轉化為可測量的電流，通過分析電流的變化來確定臭氧的濃度。該方法可以實現連續監測，并適用于對臭氧濃度進行精確測量的場合。

由于富集采樣時，使用的吸收液為碘化鉀溶液，臭氧與碘離子（I\"）反應會生成碘單質 [I₂ ），這個反應是定量的，因此在利用電化學法進行檢測時，可以通過測量生成的碘單質的量來推算出臭氧的濃度。具體過程如下：首先對樣本進行適當的處理，如稀釋、過濾等，以確保樣本適合電化學檢測。特別是當生成的碘單質濃度過高時，可能需要進行稀釋以避免超出電化學傳感器的檢測范圍。然后，構建一個電化學傳感器，其中包含一個工作電極和一個參比電極（或輔助電極），其中工作電極上涂覆有對碘單質敏感的催化劑或敏感材料。將處理好的樣本引入電化學檢測系統中，樣本中的碘單質會在工作電極上發生氧化還原反應，產生可測量的電流或電位變化。這個變化量與樣本中碘單質的濃度（即臭氧的濃度）成正比。最后，通過測量得到的電流或電位變化量，結合已知的校準曲線或數學模型，可以計算出樣本中臭氧的濃度。

ΔI=k?C_I2

式（1）中， 代表電流變化量； k 代表與電化學傳感器特性相關的常數（斜率）； C_I2 代表碘單質的濃度。

C_I2=α?C₀₃

式（2）中， α 代表化學計量系數，表示每單位臭氧濃度轉化為碘單質的濃度比例; C_o3 代表臭氧濃度。

將式（2）代入式（1）并轉換為式（3）：

上述公式是理想化的，實際情況中可能需要考慮更多的因素，如溫度、電解質溶液的pH值、電極的老化效應等，這些都可能影響電化學傳感器的性能和測量結果的準確性。因此，在實際應用中，需要通過一系列的實驗校準來建立校準曲線。在校準過程中，準備一系列已知臭氧濃度的標準樣本，使用相同的溶液吸收法（如碘化鉀溶液）進行采集，并隨后通過電化學法測量這些樣本產生的電流變化量。將記錄的電流或電位變化量與對應的臭氧濃度繪制成圖表，通過回歸分析等方法擬合出一條校準曲線。這條曲線描述了電流變化量與臭氧濃度之間的定量關系。在得到校準曲線后，就可以用它來計算未知臭氧濃度的樣本中的臭氧含量了。使用相同的溶液吸收法和電化學法采集并測量未知臭氧濃度樣本的電流或電位變化量。將測量得到的電流變化量代入校準曲線中，通過查找或計算來得到對應的臭氧濃度。

3大氣臭氧污染特征分析

基于檢測出來的臭氧濃度，進行大氣臭氧污染特征分析，包括時間和空間兩個分布特征。

3.1 時間特征

時間特征包括月特征和日特征兩種，結果見圖1。

從圖1中可以看出：

圖1（a）可以觀察到太原市臭氧濃度的年度變化趨勢。臭氧濃度的月均值呈現出季節性特征，這主要是由于太陽輻射強度、氣溫、風速等氣象因素的季節性變化所導致的。具體來說，夏季（尤其是6月至8月）由于太陽輻射強、氣溫高，有利于光化學反應的進行，臭氧濃度往往較高。而冬季則由于太陽輻射弱、氣溫低，臭氧濃度相對較低。因此，圖1（a）變化曲線顯示出一個明顯的“夏季高、冬季低”的波動趨勢。

圖1（b）可以進一步了解太原市臭氧濃度在一天中的變化情況，臭氧濃度在一天中有一個明顯的峰值，這個峰值出現在午后至傍晚時段，因為此時太陽輻射最強，有利于光化學反應的進行。而在清晨和夜間，由于太陽輻射較弱或消失，臭氧濃度相對較低。圖1展示出一個“日間高、夜間低”的日變化特征，其中峰值出現在下午時段。

圖1太原市臭氧污染時間特征分析結果

3.2 空間特征

基于各采樣點的臭氧檢測結果，采用距離加權插值法在太原市地圖上進行插值分析，得到臭氧污染的空間分布特征。太原市臭氧污染的空間分布呈現出顯著的區域差異。綠色區域代表空氣質量較好，臭氧濃度較低;而紅色、黃色和橙色區域則表明這些地區的臭氧濃度較高，空氣質量較差。從地圖上可以清晰地識別出臭氧污染的熱點區域主要集中在太原市東部中心區域，具體包括尖草坪區、萬柏林區、杏花嶺區、迎澤區和小店區等。這些區域成為臭氧污染的熱點，主要原因如下：

（1）工業活動集中：太原市東部中心區域是工業發展的重點區域，尤其是尖草坪區和萬柏林區，聚集了大量的工業企業。這些企業在生產過程中會產生大量的氮氧化物（ NO_x ）和揮發性有機化合物（VOCs）等臭氧前體物。這些前體物在陽光照射下容易發生光化學反應，生成臭氧。

（2）交通繁忙：太原市東部中心區域也是交通繁忙的地區，包括迎澤區和小店區等。這些區域的道路網絡發達，車流量大，車輛尾氣排放是臭氧污染的重要來源之一。尤其是在高溫和陽光強烈的條件下，車輛尾氣中的 NO_x 和VOCs會加速臭氧的生成。

（3）排放源集中：這些熱點區域位于工業集中區、交通繁忙地帶或排放源附近，導致臭氧污染物的累積效應明顯。

綜上所述，太原市東部中心區域的尖草坪區、萬柏林區、杏花嶺區、迎澤區和小店區等區域是臭氧污染防控的重點。這些區域的工業活動、交通排放以及排放源的集中分布，共同導致了臭氧濃度的升高，需采取針對性的防控措施以改善空氣質量。

4氣象因素影響分析

氣象因素對太原市臭氧污染的形成、傳輸和擴散過程中起著至關重要的作用。通過研究氣象條件與臭氧污染之間的關系，可以建立更為精準的臭氧污染預警系統。當預測到不利的氣象條件時，可以提前采取措施減少污染物的排放，從而避免或減輕臭氧污染的發生。在這一研究中，選擇三個氣象因素進行分析，即風速、溫度和濕度。另外，針對不同影響因素下的 O₃ 濃度，計算濃度超標率，它是一個衡量大氣中臭氧污染程度的重要指標，指的是在特定時間段內，大氣中臭氧濃度超過國家或地方規定標準的天數所占的比例。

式（4）中， P 代表 0₃ 濃度超標率； n 代表臭氧濃度超標的天數，是指大氣中臭氧的日最大8小時平均濃度超過國家或地方環境空氣質量標準中規定的限值 （?100μg/m³ ）的天數； N 代表監測的總天數（365天），是指統計時間段內的總天數。三個氣象因素影響分析結果見表1－表3。

4.1 風速影響分析

風速影響分析結果見表1。

表1不同風速下的 0₃ 平均濃度及濃度超標率

從表1中可以看出，隨著風速的增加， O₃ 平均濃度逐漸上升，當風速超過 5.0m/s 后， 0₃ 平均濃度反而開始降低。同時，當風速超過 3.0m/s 后， 0₃ 平均濃度開始超標，并隨著風速的增大，濃度超標率反而下降，直至風速 5.5～6.0 時，濃度超標率 % 又開始下降到0。這是因為隨著風速的增加，促進了臭氧前體物的擴散和混合，從而有利于臭氧的生成，之后下降是因為較高的風速促進了臭氧的擴散和稀釋，使得局部地區的臭氧濃度下降。

4.2 溫度影響分析

溫度影響分析結果見表2。

表2不同溫度下的 0₃ 平均濃度及濃度超標率

從表2中可以看出，隨著溫度的升高， O₃ 平均濃度也在逐漸升高，尤其當溫度超過 0^° 時， 0₃ 平均濃度增長幅度達到。當溫度達到 22～24^qC 時， 0₃ 濃度開始超標，標志著高溫條件下臭氧污染的開始，隨著溫度的進一步升高，濃度超標率也逐漸增加。在24^°C～34^°C 的范圍內，濃度超標率上升到 4.36% ，顯示出高溫對臭氧污染加劇的顯著影響。一方面是因為高溫條件下，太陽輻射增強，這促進了臭氧前體物（如氮氧化物 NO_x 和揮發性有機物VOCs）的光化學反應，從而加速臭氧的生成；二是在高溫條件下，大氣層結往往更加穩定，垂直混合減弱，這有利于臭氧在近地面的累積；三是在高溫季節，植物的生長旺盛，通過光合作用和呼吸作用釋放的揮發性有機物也會增加。這些生物源VOCs是臭氧生成的重要前體物之一，它們的增加會進一步促進臭氧的生成。

5 結束語

太原市作為研究區域，臭氧污染狀況不僅受到本地污染源排放的直接影響，還深受復雜多變的氣象因素所調控。通過分析不同季節、不同氣象條件下臭氧濃度的變化規律，揭示了溫度、相對濕度、風速等關鍵氣象因子在臭氧生成、累積與擴散過程中所扮演的重要角色。特別值得注意的是，太原市在高溫低濕、晴朗少云且風速較小的天氣條件下，臭氧污染尤為嚴重。這些氣象條件為臭氧前體物的光化學反應提供了有利條件，促進了臭氧的生成與累積，進而加劇了空氣污染程度。因此，在制定臭氧污染防控策略時，必須充分考慮氣象因素的影響，實現污染源控制與氣象條件優化的有機結合。

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