夏季城市臭氧浓度变化规律分析

姜　峰　王福伟

(大连市环境监测中心，大连　116023)



夏季城市臭氧浓度变化规律分析

姜峰王福伟

(大连市环境监测中心，大连116023)

【摘要】随着经济社会的发展，人们对环境质量更加重视，光化学烟雾成为影响城市环境空气质量的重要因素。本文利用北方某城市夏季臭氧监测的时间浓度，对臭氧污染的浓度时间以及季节变化特征进行了分析，以及与氮氧化物的浓度和太阳辐射强度的关系。

【关键词】臭氧；氮氧化物；辐射强度

1引言

近年来，我国经济快速发展，尤其是工业和交通行业的高速发展，造成了严重的空气污染，光化学污染开始威胁到越来越多的城市，空气中经常观测到高浓度的对人体健康有危害的臭氧。臭氧污染可以抑制植物的生长和加速植物的老化，导致农作物的减产和森林的衰退。对流层臭氧还会对人体健康产生威胁，臭氧几乎可以与任何生物组织反应，当臭氧被吸入呼吸道时，就会与呼吸道中的细胞、流体、和组织很快反应，导致肺功能减弱和组织损伤。臭氧作为光化学烟雾的主要成分，目前很多国家都把臭氧浓度作为光化学烟雾污染是我重要指标进行监测[1]，开展针对臭氧浓度的时间和空间变化规律以及影响臭氧含量因素的观测和研究，对大气污染的控制和治理有着重要的意义。

根据目前的研究发现，北半球环境空气中高浓度臭氧污染事件多发生在春夏季节。关于臭氧浓度的春季高峰现象产生的原因目前还没有统一定论，高浓度的对流层臭氧会对人体健康、农业生产以及生态系统产生影响[2]，多数研究者认为平流层臭氧向对流层的输送作用以及NOx、VOCs等前体物在春季的发生局地光化学反应相关。我们通过一年来对市区臭氧浓度的连续观测，发现夏季由于太阳辐射强度大以及气温高等条件有利于大气中光化学反应的进行，从而使夏季近地面环境空气中的臭氧浓度明显高于秋季和冬季臭氧的浓度。本文通过对前体物浓度和太阳辐射强度资料较全的6、7、8三个月份进行近地面臭氧浓度变化研究，这对于环境的维护和治理，尤其是预防夏季高温天气发生的光化学烟雾事件有着重要的现实意义。

2夏季臭氧浓度的时间变化规律

2012年夏季观测的市区臭氧小时浓度的统计特征见表1。从表中可见，夏季高温期的6、7、8月份臭氧小时浓度的最大值分别为0.201mg/m3，0.227mg/m3和0.220mg/m3，均超过了《环境空气质量标准》[3]二级标准规定的0.20mg/m3。另外，7月份臭氧小时浓度的标准差值较大，说明浓度值较为分散。由此可以得知市区夏季臭氧污染比较严重。

表1　2012年夏季臭氧浓度小时均值统计特征

图1是2012年夏季区臭氧浓度日均值的变化规律。从图中可以发现，6月份和7月份的臭氧浓度比较高，且变化幅度大；进入8月份，除个别日期外，臭氧浓度整体呈下降趋势。值得注意的是，6-10～6-13和7-21～7-28连续多日臭氧浓度日均值在0.09mg/m3左右，属于较高臭氧污染。一般来说，高浓度O3容易出现在强太阳辐射、高温、少风等气候条件下。

图1　2012年夏季臭氧浓度的日变化规律

图2　2012年夏季O3浓度的小时均值的日变化规律

图2为市区2012年夏季臭氧浓度的小时均值日变化规律图。从中可以看出，臭氧浓度的最大值出现在傍晚17时左右，然后臭氧浓度逐渐降低，在午夜23∶00以后趋于平缓，并在夜间一直维持的较低浓度水平，在早上8∶00左右出现浓度的最小值。在早上8∶00左右出现浓度最小值的原因可能是由于夜间无光照，NOx与O3的发生化学反应消耗了大量的O3，同时，另一个很重要的原因是近地面臭氧的沉积作用。日出以后由于光化学反应增强，O3的浓度也随之开始升高。

3臭氧与主要前体物氮氧化物的关系

臭氧是二次污染物，其浓度主要受环境空气中CO、NOx、VOCs等前体物浓度的高低以及光化学反应强弱的影响，而昼间的光化学反应又决定着全天臭氧浓度的变化趋势。下面图3是夏季高温期内的O3与NO和NO2的昼间12小时的变化规律。

图3　2012年7月O3、NO、NO2和NOx浓度的昼间12小时(7∶00～18∶00)变化规律

图3是2012年7月观测的O3、NO、NO2和NOx(NO+NO2)小时均值昼间12小时变化规律。观测期间氮氧化物的浓度处于较高的水平，这说明城市的能源结构以及燃料燃烧不完全造成了比较严重的大气污染。与O3浓度的变化趋势不同的是，NO和NO2浓度的最大值均出现在早晨，并且NO浓度峰值出现的时间要稍早于NO2浓度峰值出现的时间。由于夜间无光照，环境空气中的光化学反应停止，NO和NO2等一次污染物会不断积累并与O3发生化学反应而消耗环境空气中的臭氧，使臭氧浓度不断降低，并在日出前达到一日中的最小值。日出以后，随着人类活动的增加，尤其是交通量的增加，排放的NO量快速增加，因此率先出现了NO浓度的峰值，随着环境空气中光化学反应的加剧，臭氧的浓度也随之增大，NO与O3间化学反应的增强，大量的NO被氧化生成NO2，此时出现了NO2的峰值。随着昼间光化学反应的不断进行，臭氧的浓度呈逐渐升高的趋势，并在15∶00达到浓度的最大值，而NOx浓度呈逐渐降低的趋势。

4臭氧与太阳辐射强度的关系

近地面大气O3的生成反应主要是由太阳光中的紫外线引起的，所以白天O3浓度的变化应该与太阳辐射强度存在一定的相关性。图4给出了2012年7月臭氧浓度和太阳辐射的昼间(7：00～18：00)变化规律。表2给出了2012年7月小时平均太阳辐射强度昼间(7∶00～18∶00)和O3浓度变化情况。从图中可以看出，O3浓度随着太阳辐射强度的变化而变化，二者变化趋势基本一致，O3浓度的最值滞后于太阳辐射强度最值约2小时。由表2可以得到臭氧浓度值与同时段的太阳辐射强度的相关系数R为0.336，这说明O3浓度值受同时段的太阳辐射强度影响不大，但是考虑到太阳辐射强度引起的环境空气中O3浓度监测结果滞后于辐射强度本身的变化，我们将每日9时到20时的O3浓度与7时到18时的太阳辐射强度相对应，求得其相关系数为0.7276，由此可见，O3浓度值受与其相对应的前2个小时的太阳辐射强度影响较大。实际上，O自由基的形成是NOx和易挥发性有机物(VOC)在强烈阳光照射下经过一系列大气化学反应形成和聚集的，而O自由基是形成O3的必须条件，从我们对市区太阳辐射的实测值来看，在每天7时到12时之间，由于太阳辐射强度逐渐增强，给O3的形成创造了更好的条件，所以在此期间O3浓度逐渐增大，在下午13点、14点以后随着太阳辐射强度的逐渐减弱，空气中O自由基的含量将会逐渐减少，从而O3含量随着空气的自净而逐渐减少，但是由于O3的浓度监测结果受扩散情况的影响，到15时左右达到最大值。

表2　2012年7月份太阳辐射强度和O3浓度小时变化情况表

图4　2012年7月臭氧浓度和太阳辐射的昼间(7∶00～18∶00)变化规律

5结论

市区夏季高温期的O3污染比较严重。6月份平均O3浓度最高，且日平均O3浓度变化幅度最大；7月份O3浓度大的天数最多，8月份开始逐渐降低。臭氧浓度的最大值出现在傍晚17时左右，然后臭氧浓度逐渐降低，在午夜23：00以后趋于平缓，并在夜间一直维持的较低浓度水平，在早上8∶00左右出现浓度的最小值。

2012年7月环境空气中氮氧化物的浓度处于较高水平，与O3浓度的变化趋势不同的是，NO和NO2浓度的最大值均出现在早晨，并且NO浓度峰值出现的时间要稍早于NO2浓度峰值出现的时间。随着昼间光化学反应的不断进行，臭氧的浓度呈逐渐升高的趋势，并在15∶00达到浓度的最大值，而NOx浓度呈逐渐降低的趋势。O3浓度与NO2/NO的比值具有较好的相关性，这也说明局地得光化学反应对O3浓度的影响占有重要作用。

对臭氧浓度和太阳辐射强度的相关分析表明，O3浓度随着太阳辐射强度的变化而变化，二者变化趋势基本一致，O3浓度的峰值滞后于太阳辐射强度的峰值约2小时。太阳辐射是市区近地面大气中O3浓度昼间变化最重要的影响因素之一。

参考文献：

[1]宗雪梅，王庚辰，陈洪滨，等.北京地区边界层大气臭氧浓度变化特征分析[J].环境科学，2007，28(11)：2615-2619.

[2]王雪松、李金龙，张远航，等.北京地区臭氧污染的来源分析[J].中国科学B辑：化学，2009，39(6)：548-559.

[3]GB 3095-2012，环境空气质量标准[S].

Analysis of the Changes of Urban Ozone Concentration in Summer

JIANG Feng WANG Fuwei

(Dalian Environmental Monitoring Centre，Dalian 116023)

Abstract：With the development of economy and society，people pay more attention to the quality of the environment，photo-chemical smog has become an important affecter of air urban quality. In this paper，the concentration of ozone pollution and the characteristics of seasonal variation in the concentration of ozone in a city in the north were analyzed，and the relationship between the concentration of ozone and nitrogen oxide and the intensity of solar radiation were analyzed.

Keywords：Ozone；Nitrogen oxide；Radiation intensity

中图分类号：X21

文献标识码：A

文章编号：1673-288X(2016)01-0062-03

通讯作者：王福伟，工程师，学士，从事环境监测质量管理方面的工作

作者简介：姜 峰，硕士，工程师，从事环境监测质量管理方面的工作

引用文献格式：姜峰等.夏季城市臭氧浓度变化规律分析[J].环境与可持续发展，2016，41(1)：62-64.