中山市臭氧与相关因素的关系分析

徐迅宇

(中山市环境监测站,广东中山528403)

1 引言

环境空气中的臭氧(O3),不是由污染源直接排放的污染物,它是氮氧化物(NOx)和碳氢化合物(HC)等一次污染物在紫外光照射下,发生化学反应生成的二次污染物,是光化学烟雾污染的主要污染物之一。目前,许多国家都把臭氧浓度作为光化学烟雾污染的重要指标来实施监测[3]。光化学烟雾具有很强的氧化性和刺激性,它降低能见度,对人体的眼、喉、鼻,对动物、植物、各种材料都由很大的危害。

20世纪90年代之后,随着工业的迅猛发展,中国汽车油耗增高,污染控制水平较低,以致造成汽车污染日益严重。部分大城市交通干道氮氧化物(NOx)严重超过国家标准,汽车污染已成为主要的空气污染物,一些城市汽车排放浓度严重超标,已具有发生光化学烟雾的潜在危险。随着中国汽车拥有量的激增,大城市氮氧化物污染逐渐加重,发生光化学烟雾的可能性越来越大。中山市也面临同样的情况,因此,有必要对中山市O3的监测结果进行分析,并研究它与前体物NOx和相关气象因素(主要是气温和日照)的关系。

2 中山市空气质量数据统计

中山市有4个空气质量自动监测站点,均配有O3和NOx等项目的监测仪器,还配有各气象参数的监测系统,O3和NOx采用美国TE公司的49C型和42C型监测仪,气象参数采用METONE气象监测系统,根据4个站点每天的监测数据统计全市各项目的小时值和日均值。本研究统计了2009年各项目的小时平均值共24组数据,日均值共365组数据。

3 结果与分析

3.1 各项目的变化特征

3.1.1 月变化特征

从图1、图2和图 3可以看出O3、NOx、气温和日照的月变化趋势,各个项目都有明显的季节变化规律,气温和日照的四季变化比较突出,都是夏季较高,冬季较低,这也可以证明气温与日照有直接的关系。NOx的浓度在夏季较低,冬季较高,这与一般的污染物浓度的季节变化是一致的,因为夏季的气象条件有利于污染物的扩散,而冬季则反之;O3的浓度变化则刚好相反,在气温较高、日照较强的夏季较高,冬季较低,这现象可能与O3作为二次污染物的生成过程有关[2]。

图1 2009年中山市O3和NOx浓度的月变化

图2 2009年中山市O3浓度和气温的月变化

图3 2009年中山市O3浓度和日照的月变化

3.1.2 时间变化特征

从图4、图5和图6可以看出 O3、NOx、气温和日照的时间变化趋势,各项目也有明显的日变化规律：气温和日照都有白天高夜间低的特点,正午12点,太阳辐射最强烈,日照达到最高值,气温也在午后14点达到最高值,只是比日照最大值出现的时间滞后了2h,这是因为大气需要时间加热才可升温;NOx的浓度白天较低,夜间较高,这与白天的扩散条件比较好,夜间的扩散条件比较差有关;O3的浓度日变化规律与气温和日照的日变化规律相似,与NOx的浓度的日变化规律相反,夜间比较低,从0点到7点处于浓度较低的阶段,只有轻微的波动,在7点后O3浓度开始大幅上升,在午后的14点到15点出现1天的峰值,随后O3浓度又逐渐降低,日变化趋势与气温的日变化趋势基本一致,日变化规律与其他研究结果一致[1,4～6]。O3浓度峰值比日照最大值出现时间也滞后了2h,这说明O3的产生与太阳辐射密切相关,白天浓度高,夜间浓度低,而且O3是由于太阳辐射而形成的二次污染物,只是反应同样需要时间。

图4 2009年中山市O3和NOx浓度的日变化

图5 2009年中山市O3浓度和气温的日变化

图6 2009年中山市O3浓度和日照的日变化

3.2 各项目的相关关系

3.2.1 O3与NOx的相关性分析

从图1和图7可见,O3与NOx浓度的季节变化存在很好的负相关性,相关系数为-0.8079,相关性可以用方程y=-1.0454x+0.1737来表示。在季节变化规律中,NOx的最高值所对应的O3浓度最低,出现在12月(冬季期间),而O3的最高值对应的NOx浓度最低,出现在7月(夏季期间),说明夏季7月份前体物NOx生成二次污染物O3的反应比较强烈,发生光化学烟雾的可能性比较大,冬季12月份反应比较弱,发生光化学烟雾的可能性较小。

图7 中山市O3和NOx浓度的季节相关性

进一步从图4和图8可见,O3与NOx浓度的日变化存在较好的负相关性,相关系数为-0.6502,相关性可以用方程y=-4.064 x+0.3069来表示。在日变化规律中,O3与NOx浓度的最高、最低值的反对应关系不如季节变化规律中的明显,但大致还是相互对应的,特别是O3浓度的最高值基本对应NOx浓度的最低值,出现在一天的14点左右,说明一天中的14点左右前体物NOx生成二次污染物O3的反应比较强烈,发生光化学烟雾的可能性比较大。

图8 中山市O3和NOx浓度的日变化相关性

3.2.2 O3与气温、日照的相关性分析

O3的形成过程,除了与NOx有关,还与太阳辐射等条件有明显的关系。从图2、图3、图9和图10可见,O3浓度与气温、日照的季节变化存在非常好的正相关性,相关系数分别是0.9538和0.9104,都在0.9以上,相关性分别可以用方程y=0.0051x-0.0089和y=0.0007 x+0.0297来表示。在季节变化规律中,O3浓度与气温、日照的升降趋势非常一致,特别是最高值都出现在7月份左右(夏季期间),最低值都出现在12月份左右(冬季期间),这进一步说明了夏季7月份前体物NOx生成二次污染物O3的反应比较强烈,而这强烈的反应是在夏季较强的太阳辐射下进行的,冬季由于太阳辐射比较弱,因此反应也较弱,二次污染物O3的浓度也就比较低。

图9 中山市O3浓度和气温的季节相关性

图10 中山市O3浓度和日照的季节相关性

再从图5、图6和图11分析O3浓度与气温、日照的相关性,可见O3浓度与气温的日变化同样存在非常好的正相关性,相关系数为0.9268,相关性可用方程y=0.0213x-0.4095来表示。在日变化规律中,O3浓度随着气温的升高而增加,当气温达到日最高值时,O3浓度也达到极值。O3的生成是前体污染物(NOx等)在太阳辐射的照射下,发生光化学反应而产生,而气温也随着太阳辐射的增加而升高,只是气温的增加较太阳辐射滞后了2 h,因此气温和O3浓度的日变化规律非常相似,气温可以作为衡量O3污染水平的重要指标[1]。

图11 中山市O3浓度和气温的日相关性

3 结论

O3浓度、NOx浓度、气温和日照呈现明显的季节变化趋势。夏季O3浓度最高,气温和日照也最高,NOx浓度则最低;冬季O3浓度最低,气温和日照也最低,NOx浓度则最高。O3浓度、NOx浓度、气温和日照小时值变化呈现明显的日变化规律。O3浓度、气温和日照白天高,夜间低,NOx浓度则反之,O3浓度在午后的14点到15点出现峰值。O3与NOx浓度的季节变化存在很好的负相关性,日变化也存在较好的负相关性,一年当中夏季7月份和一天当中的14点左右的时间前体物NOx生成二次污染物O3的反应比较强烈,发生光化学烟雾的可能性比较大。O3浓度与气温、日照的季节变化存在非常好的正相关性,O3浓度与气温的日变化同样存在非常好的正相关性,无论是一年当中还是一天当中的时间,生成二次污染物O3的比较强烈的反应与较强的太阳辐射有直接的关系,日照强度高,气温就高,O3浓度也高,而气温可以作为衡量O3污染水平的重要指标。

[1]陈 魁,郭胜华,董海燕,等.天津市臭氧浓度时空分布与变化特征研究[J].环境与可持续发展,2010(1)：17～19.

[2]徐 莲,马民涛,金 毓,等.北京地区O3与 NO2的偏相关分析[J].城市环境与城市生态,2003,16(2)：67～71.

[3]唐孝炎.大气环境化学[M].北京：高等教育出版社,1990.

[4]洪盛茂.杭州主城区大气臭氧对空气污染指数API的影响[J].中国环境监测,2010,26(1)：46～52.

[5]张予燕,张 群,薛光璞.南京地区空气NO2与O3污染分析[J].江苏环境科技,2007,20(2)：20～22.

[6]陈世俭,童俊超,Kazuhiko KOBAYASH I等.气象因子对近地面层臭氧浓度的影响[J].华中师范大学学报：自然科学版,2005,39(2)：273～ 277.