佛山市近地面臭氧污染特征及相关气象因子分析

周雪玲，梁家权

(佛山市环境监测中心站，广东 佛山 528000)

·解析评析·

佛山市近地面臭氧污染特征及相关气象因子分析

周雪玲，梁家权

(佛山市环境监测中心站，广东 佛山 528000)

利用2014年佛山市8个国控大气自动监测点位的O3监测数据，分析了佛山市的O3污染特征，结果表明，2014年O3日最大8 h平均值的第90百分位数为167 μg/m3，O3为首要污染物的超标天数为43 d，占比46.7%；ρ(O3)区域变化不大；ρ(O3)月变化呈现“三峰型”，全年高ρ(O3)集中在6—10月份，其中7月份出现全年最高峰值；ρ(O3)日变化呈单峰型分布，夜间浓度较低且变化平缓，14：00—16：00左右达到峰值，并存在一定的“周末效应”，但并不明显；ρ(O3)与气温呈显著正相关，与湿度、气压、雨量呈显著负相关，与风向、风速的相关性相对较弱；总体上看，高温、低湿、微风、偏南风、低压、无雨的天气条件下高ρ(O3)更容易出现。

佛山市；臭氧；污染特征；气象因子；相关性

近地面的臭氧(O3)是光化学烟雾等大气污染物的重要组成成分之一，作为一种强氧化剂，O3对人类健康危害较大。ρ(O3)高时哮喘病人可能会出现严重的呼吸问题，长期接触高ρ(O3)可能会损伤人的免疫系统[1]。近年来，近地面环境空气的O3污染问题日益突出，尤其在珠三角区域的城市，夏季频频观测到高ρ(O3)，O3已经成为珠三角地区的主要污染物之一。

广东省环境监测中心和香港特别行政区环境保护署联合调查发布的《粤港珠江三角洲区域空气监控网络二○一四年监测结果报告》表明，与2006年启动监测网络时相比，2014年录得的SO2、NO2及PM10的年均值分别下降66%、20%和24%，呈明显下降趋势。可见区域内空气质量获得持续改善，但同期监测网络录得的ρ(O3)年均值则上升了19%，成为唯一上升的大气污染物指标。根据环保部2014年每月公布的全国74个环保重点城市空气质量监测情况报告，珠三角地区有近半年时间主要以O3污染为主。因此，开展近地面环境空气中O3污染规律的研究，降低ρ(O3)水平已迫在眉睫。现以珠三角地区的佛山市为例，对其近地面O3的污染变化特征及其与气象因子的相关性进行分析，以期为区域大气O3污染防治和研究提供参考。

1 研究方法

1.1 监测点位分布

佛山市国控大气自动监测点位共有8个，分别是湾梁、华材职中、南海气象局、顺德苏岗、容桂街道办、高明孔堂、三水监测站和三水云东海，涵盖5个区。监测项目为包括O3在内的《环境空气质量标准》(GB 3095—2012) 要求的6项基本污染物，各站点具体位置见图1。

图1 佛山市国控大气自动监测子站分布

1.2 监测方法和仪器

佛山市8个国控大气自动监测点位O3监测使用仪器为美国热电49i和美国API 400 E 2种型号的O3分析仪；采样方法均为紫外光度法；采样频率为24 h连续自动监测，周期为2014年全年。

1.3 质量控制和质量保证

项目监测过程中的质量控制和质量保证工作参照《珠江三角洲区域空气监控网络QA/QC手册》及佛山市环境空气质量自动监测标准操作程序的相关要求进行，主要包括零点/跨度检查及校准(每周1次)、精度检查(每2周1次)、多点校准(每半年1次)、O3标准和流量传递认证(每年1次)。

2 结果分析

2.1 空间变化特征

2014年佛山市8 个国控点位O3日最大8 h平均值的第90百分位分布为157～179 μg/m3，见图2。其中，辖区北部的三水监测站及三水云东海2个点位的值相对较低，其余点位的值较为相近，全市ρ(O3)分布差异较小。

图2 2014年各点位O3日最大8 h平均值第90百分位对比

2.2 月变化特征

近地面的O3是典型的大气二次污染物，主要是由大气中的NOx和VOCs等前体物在太阳照射下，经一系列光化学反应生成[2-3]。O3生成过程中过氧自由基氧化NO产生NO2，NO2光解产生O3，由于夏季温度较高，光照及太阳辐射均为全年最强，光化学反应在夏季也最为强烈，与光化学反应息息相关的ρ(O3)也有较明显的变化。各月份O3日最大8 h平均值第90百分位的变化见图3。

图3 2014年O3日最大8 h平均值第90百分位月均值变化

由图3可见，佛山市ρ(O3)变化呈现“三峰型”，第一次小高峰出现在3月，这可能与佛山市冬季时间短，气温在每年3月开始已逐步攀升至20℃以上，部分时间段光照较强有关；受4月和5月份雨水逐渐增多影响，其值逐渐下降，5月份日最大8 d平均第90百分位低至100 μg/m3以下。而同期观测的气象资料显示，5月份全市范围内录得出现降雨为22 d，可见降雨引起的太阳辐射的减弱和前体污染物的减少是该时间段ρ(O3)变化的重要影响因素；全年高ρ(O3)集中在6—10月份，并依次在7月和10月出现峰值，其中7月份出现全年最高峰值，该峰值出现估计与该月为全年光照总时数最长，近地面接收太阳辐射最多密不可分。

2.3 日变化特征

由于不同时节温度、光照等的变化情况有很大差异，ρ(O3)变化情况也相应有一定的差异，结合南方地区季节变化情况及图3中O3日最大8 h平均值第90百分位月均值变化情况，将全年划分为2—4月、5—7月、8—10月、11月—次年1月4个不同时节对O3的日变化情况进行分析。不同时节O3小时均值日变化曲线见图4。

图4 不同时节O3小时均值日变化曲线

由图4可见，不同时节里O3小时平均值在一天中均呈单峰型变化规律，夜晚较低且变化平缓，14：00—16：00达到峰值，该日循环规律与段玉森等[4]分析的珠三角城市(广州、惠州)、唐文苑等[5]分析的上海市、郑冬等[6]分析的大连市O3日循环规律大致相同，也存在前夜累计、O3抑制、O3光化学生成、O3消耗等4个阶段：(1)夜间至清晨，即日出前，ρ(O3)随着时间变化幅度较小，其值基本维持或呈缓慢的下降趋势，此时处于全日低值区，即前夜累计阶段；(2)日出后，O3开始形成，但此时太阳紫外线较弱，同时随着早晨上班、上学高峰带来的O3前体物(NOx、CO和VOCs等)浓度的逐渐升高，特别是还原物质NO的增加，消耗了部分O3，使得O3在07：00—08：00出现一天中的最低值，即O3抑制阶段；(3)08：00以后随着太阳辐射的增强和温度的升高，ρ(O3)逐步攀升，14：00—16：00出现一天中的最高值，即O3光化学生成阶段；(4)16：00后直至夜间，随着太阳辐射的逐渐变弱和O3被NO等还原物质消耗，其值开始下降至全日低值区，此为O3消耗阶段。

总ρ(O3)在8—10月份为全年较高，2—4月份为全年最低，为8—10月>5—7月>11—1月>2—4月，符合夏季高、冬季低的典型特征；日最大值出现时间为5—7月的14：00左右，8—10月为15：00左右，滞后约1 h，2—4月和11—次年1月为15：00—16：00。

“O3周末效应”指的是周末由于O3前体物(NOx、CO和VOCs等)浓度水平相比工作日有所降低，但ρ(O3)反而有所增加的现象。从20世纪70年代开始，这一现象就已经在许多城市的O3观测研究中得以验证，如美国的纽约[7]、华盛顿[8]以及加拿大[9]、法国[10]的一些城市，而国内研究中，上海[5]、北京[11]、济南[12]等城市也有类似现象。周末和工作日的O3日变化曲线见图5。

图5 周末和工作日的O3日变化曲线

由图5可见，佛山市也存在一定的“O3周末效应”，从11：00—21：00，周末的ρ(O3)均略高于工作日，这与周末交通流量减少，汽车尾气排放量下降存在一定关系。但是，与国内学者在其他城市研究结果相比，佛山市的周末效应并不是特别明显，估计原因可能有以下2方面：佛山市货物运输的过境柴油机动车数量庞大，且不因周末的到来而有所减少；佛山市属于工业化城市，NOx、CO和VOCs等前体污染物有很大比例来源于工业污染源，而工业企业基本上全年无休。

3 O3与气象因子的相关性分析

近地面环境空气中的O3主要来源于人类活动，但是ρ(O3)的变化却与气象条件的变化关系密切。现利用2014年佛山市8个国控大气自动监测点位同步观测到的气温、湿度、风速、风向、气压、雨量等常规气象数据及软件SPSS13.0，考察O3与各气象因子的关系，相关系数计算结果见表1。

表1 O3日最大8 h平均值与各气象因子的相关系数①

①*表示在显著性水平为0.05(双侧)上显著相关；**表示在显著性水平为0.01(双侧)上显著相关。

3.1ρ(O3)与气温、湿度关系

由表1可知，气温、湿度与O3日最大8 h平均值分别呈显著正相关、负相关，相关系数分别为0.515(ɑ<0.01，N=360)，-0.525(ɑ<0.01，N=360)。O3日最大8 h平均值与气温、湿度的分布关系见图6(a)(b)。

图6 O3日最大8 h平均值与气温、湿度的分布关系

由图6可见，随着气温的升高和温度的降低，O3日最大8 h平均值有逐渐增大的趋势，其中，ρ(O3)>160 μg/m3情况绝大部分分布于温度28 ℃以上、相对湿度60%～70%的低湿范围。

为消除不同季节太阳辐射变化对ρ(O3)造成的影响，现选取了全年O3最高峰值的7月，统计分析O3日极大值数据与日最高气温、日平均湿度的变化情况，见图7(a)(b)。由图7可见，O3日极大值随着日最高气温的上升和平均湿度的降低而呈上升趋势，表明高温、低湿是产生高ρ(O3)的2个重要气象因素。

图7 7月份O3日极大值与日最高气温、

3.2ρ(O3)与风速、风向

由表1可见，风速、风向与O3日最大8 h平均值相关系数分别为-0.116(ɑ<0.05，N=360)和0.143(ɑ<0.01，N=360)，也存在一定的相关性，但相对较弱。臭氧日最大8 h平均值与风速的分布关系见图8(a)(b)(c)(d)。

由图8可见，当风速>2.0 m/s时，O3日最大8 h平均值均<160 μg/m3，这可能是由于风的稀释扩散作用，使得包括O3在内的各种污染物浓度降低；当风速为1.5～2.0 m/s时，也有部分ρ(O3)高值出现，但其值均<200 μg/m3；当风速为1.0～1.5 m/s及<1.0 m/s时，出现了>200 μg/m3的高值，此时可能是由于风速小，近地面污染物扩散条件差，容易导致O3的累积而出现O3峰值。

O3日最大8 h平均值与风向的分布关系见图9(a)(b)。

由图9可见，佛山市全年盛行风以东南至西南的偏南风为主，且在这一风向区间，容易产生高浓度O3，这与夏季盛行南风且ρ(O3)相对较高的现象也较为吻合。

图8 O3日最大8 h平均值与风速的分布关系

图9 O3日最大8小时平均值与风向的分布关系

3.3ρ(O3)与气压、雨量关系

由表1可见，气压、雨量与O3日最大8 h平均值均呈显著负相关。根据同步观测到的气压数据，全市年均气压值为1 011 hPa，其中属夏季时节的6—9月气压值均低于年均值，O3日最大8 h平均值与气压、降雨量的分布关系见图10(a)(b)。

图10 O3日最大8 h平均值与气压、降雨量的分布关系

由图10可见，>160 μg/m3的高ρ(O3)绝大部分分布于气压<1 011 hPa的低压范围，这与夏季时节ρ(O3)高的现象相吻合。当出现中雨(降雨量>10 mm)时，O3日最大8 h平均值大都<100 μg/m3，这可能是因为出现雨水天气时，云量相对较多，云层会吸收部分太阳辐射，同时由于雨水的冲刷作用，部分前体物浓度下降，使得ρ(O3)也相对降低；而当无雨天气条件下(降雨量为0 mm)，>160 μg/m3的高ρ(O3)则更容易出现。

4 结论

(1)根据2014年全年监测结果，佛山市O3日最大8 h平均值的第90百分位数为167 μg/m3，全年超标天数为92 d，其中O3为首要污染物的天数为43 d，占比46.7%；ρ(O3)空间变化特征表现为辖区北部较低，但总体差异较小，O3日最大8 h平均值的第90 百分位为157～179 μg/m3；月变化呈现“三峰型”，3月出现第一次峰值，全年高ρ(O3)集中在6—10月份，7月和10月又相继出现峰值，其中7月份出现全年最高峰值；在不同时节，小时平均值在一天中均呈单峰型变化规律，夜间较低且变化平缓，下午14：00—16：00左右达到峰值，日循环规律存在前夜累计、O3抑制、O3光化学生成、O3消耗等4个阶段；存在一定的“O3周末效应”，即周末略高于工作日，但该效应并不明显；

(2)佛山市ρ(O3)与气温、湿度分别呈显著正、负相关，相关系数分别为0.515，-0.525，ρ(O3)>160 μg/m3绝大部分分布于温度28 ℃以上、相对湿度60%～70%的低湿范围；与风速、风向的相关系数分别为-0.116，0.143，相关性相对较弱，当风速处于1.0～1.5 m/s及<1.0 m/s的微风范围，盛行东南至西南的偏南风时，容易出现高值；与气压、雨量均呈显著负相关，相关系数分别为-0.330，-0.269，当气压处于1 011 hPa以下的较低范围，无雨天气条件下，>160 μg/m3的ρ(O3)更容易出现。

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Pollution Characteristics of Ozone in Urban Area of Foshan and Correlation Between Ozone and Meteorological Factors

ZHOU Xue-ling，LIANG Jia-quan

(FoshanEnvironmentalMonitoringCentralStation，Foshan，Guangdong528000，China)

Ozone monitoring datas from eight state-controlled automatic air monitoring stations in Foshan of 2014 were analyzed to investigate the ozone pollution characteristics. The result showed that the 90th percentile of daily maximum 8-hourly average ozone concentration was 167μg/m3. The numbers of day for exceeding the standards were 43 when ozone was the primary pollutant， with the proportion of 46.7%. The concentration in Foshan area was nearly and the monthly variations presented “three-peaks”， the annual high concentration of ozone concentrated in June to October， of which the highest peak appeared in July throughout the year. Ozone diurnal variation showed a single peak distribution， low concentration and changed slowly at night， the peak of which appeared at 14 to 16 o'clock in the afternoon. Ozone concentration showed some weekend effect but not obvious. Meanwhile， the correlation between ozone concentration and some meteorological factors such as temperature， humidity， wind speed， wind direction， air pressure， rainfall was analyzed. The result showed that the correlation between ozone concentration and temperature was significant， the same as the negative correlation between ozone concentration and humidity， air pressure， rainfall. On the other hand， the correlation between ozone concentration and wind speed， wind direction was weak relatively. Overall， high ozone concentration was observed easily in high temperature， low humidity， gentle breeze， southerly wind， low pressure， rain-free weather.

Foshan；Ozone；Pollution characteristics；Meteorological factors；Correlation

2015-07-27;

2015-12-10

周雪玲(1986—)，女，工程师，硕士，从事环境空气质量自动监测工作。

X832

B

1674-6732(2016)02-0039-06