济南城区夏季近地面臭氧浓度分析

刘　芳，孙明虎

（1. 山东省冶金设计院股份有限公司，山东济南250101；2. 济南市环保局，山东济南250101）



济南城区夏季近地面臭氧浓度分析

刘芳1，孙明虎2*

（1. 山东省冶金设计院股份有限公司，山东济南250101；2. 济南市环保局，山东济南250101）

摘要：为研究城市近地面臭氧浓度变化特征及臭氧浓度高值与气象因素的关系，于2015年夏季对济南城区近地面臭氧进行了观测与分析。结果表明：夏季大气中臭氧小时平均浓度为0.161 mg/m3。臭氧具有明显的日变化特征，且晴天时臭氧浓度要比多云天气和阴雨时的浓度更高。高浓度臭氧的产生是多个气象因子共同作用的结果。一般晴天少云，气温较高，相对湿度较低，风速较小时，容易产生高浓度臭氧污染。

关键词：臭氧浓度；气象因子；变化特征；济南

10.13358/j.issn.1008-813x.2016.03.14

随着人们环保意识的提高，空气质量问题引起越来越多的关注。在我国，导致环境空气质量恶化的主要污染因子是细颗粒物（PM2.5），但在夏季，臭氧的污染程度往往比颗粒物更为严重。一般认为，20世纪40年代的洛杉矶光化学烟雾事件，使得人们第一次认识到近地面臭氧的危害。自此之后，臭氧成为了大气环境方面的研究热点［1］。

我国对臭氧的研究开始于20世纪70年代中后期。进入21世纪后，随着我国城市规模日益扩大，能源消耗迅速增加，部分城市夏季臭氧污染相当严重，这使得国内大量开展对臭氧的观测研究和理论研究［2-3］。研究发现［4］，城市近地面的臭氧是由汽车尾气等排放的氮氧化物（NOx）和挥发性有机物（VOCs）在太阳光的作用下经过一系列光化学反应而形成的。臭氧浓度除了与其前体物的光化学反应有关外，在很大程度上还受到气象条件的影响［5］。

近年来，随着我国城市的不断发展，能源结构的转变，城市中机动车保有量的快速增长，近地面的臭氧污染问题已经成为了我国部分城市大气污染中的突出问题。济南作为经济大省——山东的省会城市，经济规模在全省名列前茅，大量的工业和机动车等点源、流动源排放了相当数量的污染物，这使得济南市大气中臭氧浓度的超标率一直保持在较高水平，尤其是在夏季更是成为空气中的首要污染物。本研究于2015年夏季在济南城区进行了近地面臭氧连续在线监测，通过结合同期获得的气象资料，分析了臭氧浓度的变化特征及其相关因素，以期为当地制定相关污染防治政策提供参考。

1　研究方法

1.1观测站点和采样时间

观测时间为2015年6月1日至8月31日。观测点位于济南市区东北部山东大学中心校区内，在市区主导风向的下风向，附近无工业排放源，观测数据能够代表济南城区大气环境。观测仪器设置在环境学院四楼楼顶，海拔高度约51 m，采样口距地面约14 m。样品的采集与输送分析均采用聚四氟乙烯材料，尽量避免外环境对样品造成污染。该观测点南北两侧为教学楼，西侧80 m为校园内道路，东侧为住宅区，观测点周围植被为法国梧桐、冬青及普通草皮。同步的温度、气压、湿度、风向、风速、降水量等气象资料由济南市气象台提供。

1.2实验仪器

观测中使用的O3观测仪器为美国热电环境仪器公司（TEI）生产的Model 49C型O3分析仪。该仪器是根据朗伯—比尔定律，利用紫外分光光度法进行O3测量。其最低检出限为2×10-9（体积分数），精度为2×10-9（体积分数），响应时间为20 s。观测为24 h连续进行，利用观测仪器自带的软件每分钟记录一次O3浓度数据。浓度数据的处理以及作图分别用Microsoft Excel和Origin两个软件进行。

2　结果与讨论

2.1臭氧浓度的时间变化

济南市区6～8月份大气中O3小时浓度值范围为0.026～0.413 mg/m3，夏季期间O3平均浓度为0.161 mg/m3。与国内其他城市相比，济南市区夏季O3浓度均值显著高于西安市区（0.066 mg/m3）、北京市区（0.073 mg/m3）和深圳（0.057 mg/m3）同期O3浓度［6-8］。

表1　济南夏季O3小时浓度时间变化情况

对观测期间O3浓度变化趋势进行分析，发现O3浓度无论是平均值、最大值，还是超标率，均呈现明显的下降趋势。出现这种现象的原因，主要是各个月份气象状况差异较大。2015年6月，济南市多云或阴雨天共有17 d，7月份有25 d为多云或雨水天气，8月份有27 d为雨水或多云天气。这也反映出了不同天气条件会对臭氧浓度造成较大影响。

2.2不同天气条件下臭氧浓度日变化

图1　不同天气条件下臭氧浓度日变化情况

为研究不同天气条件下臭氧浓度的日变化情况，根据观测期间的云量和降水等情况，将天气划分为晴天、多云、阴雨3种情况。当总云量小于3时，将其定义为晴天；当总云量为10或者有降水时，将其定义为阴雨天；介于二者的情况定义为多云天气。选取能够代表三种天气条件的典型日期，汇总同一天气状况的臭氧日计算各小时的臭氧浓度均值，计算了晴天、多云和阴雨3种天气状况下每小时的臭氧浓度均值，绘制了臭氧浓度日变化曲线，如图1所示。从图1中可以看出，在晴天、多云和阴雨天气下，虽然天气条件不同，但臭氧浓度的日变化趋势基本一致。夏季臭氧小时浓度曲线呈现出明显的单峰形式。午夜至清晨，这个时间段内城市大气中臭氧浓度呈现出下降趋势，臭氧浓度达到全天最低值。7∶00之后，由于太阳辐射强度逐渐增加，NO2大量光解，臭氧浓度快速增长，到13∶00达到最大值。而后由于太阳辐射强度减弱，臭氧浓度逐渐降低。虽然臭氧日变化趋势大致一样，但稍有不同。多云及阴雨天气下，臭氧浓度最低值出现时间相较于晴天时，推迟了1 h；另外臭氧浓度也出现降低趋势，其中阴雨天气下臭氧浓度最低。这一结果与谈建国［9］在上海的研究发现是一致的。

2.3臭氧日最大浓度与气象因子的关系

因为臭氧呈现出明显的日变化规律，因此笔者将臭氧小时浓度最大值（13∶00的浓度）作为臭氧日最大浓度指标，以研究各气象要素对臭氧日最大浓度的影响程度。

臭氧日最大浓度与13∶00的温度呈现出正相关关系（样本数n=91，相关系数r=0.41，下同），与13∶00相对湿度呈显著负相关（n=91，r= -0.789）。由图2可见，超出《环境空气质量标准》（GB 3095-2012）二级标准（臭氧1 h平均浓度为0.2 mg/m3）的高浓度臭氧大多出现在气温28℃以上，相对湿度小于68%的日子。由此可见，相对湿度较低、气温较高是产生高浓度臭氧的两个气象要素。这与其他研究的结果是一致的［10］。研究认为，温度高在一定程度上反映出太阳辐射强度较高，另外受温度升高影响，大气中具有氧化性的OH自由基的浓度也会增加，这有利于光化学反应的进行；而空气湿度较大时，水蒸气光解可以产生较多的活性自由基，它们可以与臭氧以及原子氧反应，消耗对流层中的臭氧，从而导致大气中臭氧浓度降低［11］。

图2　臭氧日最大浓度与温度的关系

图3　臭氧日最大浓度均值与相对湿度的关系

图4　臭氧日最大浓度与风速的关系

臭氧日最大浓度与风速的关系如图4所示。臭氧日最大浓度与13∶00地面风速相关系数为-0.091，二者呈现出不明显的负相关关系。这说明近地面风速较大时，臭氧易于扩散。但2015年夏季期间济南大多数时间风速小于3 m/s，属于静风，对近地面臭氧的吹散作用有限。另外从图4中观察发现，超过国家二级标准的高浓度臭氧日大多出现在风速小于3 m/s时，也就是静风时。

综上所述，通过分析臭氧浓度与温度、相对湿度以及风速、云量、降雨等气象因素的关系，发现产生高浓度臭氧的气象条件特征可以表述为，较少的云量（无降雨）、较高的气温（＞28℃）、较低的相对湿度（＜68%）、较小的风速（＜3 m/s）。

3　结论

（1）济南城区夏季大气中臭氧小时平均浓度为0.161 mg/m3，平均超标率为27.45%。

（2）济南近地面臭氧浓度日变化呈现出明显的单峰形式，峰值一般出现在午后13∶00左右。比较不同天气条件对臭氧浓度的影响，发现晴天时臭氧平均浓度最高，多云天气下次之，阴雨天浓度最低。

（3）通过分析各气象要素与臭氧浓度的关系，发现臭氧浓度与温度呈正相关，与相对湿度呈明显负相关，与近地面的低风速关系不大。综合对比发现高浓度臭氧一般出现在云量少、气温高、相对湿度低、风速较小的天气下。

参考文献

［1］CHAMEIDES W L，LINDSAY R W，RICHARDSON J，et al.The role of biogenic hydrocarbons in urban photochemical smog：Atlanta as a case study［J］.Science，1988，241（4872）：1473-1475.

［2］WANG T，KWOK J Y H.Measurement and analysis of a multiday photochemical smog episode in the Pearl River Delta of China［J］.Journal of Applied Meteorology，2003，42（3）：404-416.

［3］任丽红，胡非，王玮.北京夏季O3垂直分布与气象因子的相关研究［J］.气候与环境研究，2005，10（2）：166-174.

［4］杨昕，李兴生.近地面O3变化化学反应机理的数值研究［J］.大气科学，1999，23（4）：427-438.

［5］ROHLI R，RUSSO M M.Tropospheric ozone in Louisiana and synoptic circulation［J］.J Appl Meteor，2004，43（10）：1438-1451.

［6］马文静，张承中，韩德明，等.西安城区夏季地面臭氧浓度变化特征分析［J］.环境工程，2015（10）：47-49，65.

［7］张红星，孙旭，姚余辉，等.北京夏季地表臭氧污染分布特征及其对植物的伤害效应［J］.生态学报，2015，34（16）：4756-4765.

［8］颜敏，尹魁浩，梁永贤，等.深圳市夏季臭氧污染研究［J］.环境科学研究，2012，25（4）：411-418.

［9］谈建国，陆国良，耿福海，等.上海夏季近地面臭氧浓度及其相关气象因子的分析和预报［J］.热带气象学报，2007，23（5）：515-520.

［10］李昕，安俊玲，王跃思，等.北京气象塔夏季大气臭氧观测研究［J］.中国环境科学，2003，23（4）：353-357.

［11］钟学才，张溥亮，胡希，等.株洲市臭氧污染状况及相关气象因子分析［J］.中国环境管理干部学院学报，2014，24（4）：43-49.

（编辑：程俊）

Analysis on Surface Ozone Concentration in Urban Area of Jinan in Summertime

Liu Fang1，Sun Minghu2*
（1. Shandong Provincial Metallurgical Engineering Co.，Ltd，Jinan Shandong 250101，China；2. Jinan Environmental Protection Bureau，Jinan Shandong 250101，China）

Abstract：Observation of surface ozone was performed in Jinan in the summer of 2015 to study the variation characteristics of ozone and the relationship of ozone with meteorological factors. The results showed that the hourly average concentration of ozone in the summer was 0.161 mg/m3. The ozone concentration showed an obvious diurnal variation. The average ozone concentration in sunny days was higher than those in overcast days and rainy days. The high concentration of ozone was attributed to the combined effects of multiple meteorological factors. When such weather occurred，such as low cloud cover，high temperature，low relative humidity and slow wind speed，it was prone to have high concentration of ozone pollution.

Key words：ozone concentration，meteorological factors，variation characteristics，Jinan

中图分类号：X515

文献标识码：A

文章编号：1008-813X（2016）03-0047-04

收稿日期：2016-04-09

作者简介：刘芳（1985-），女，山东青岛人，毕业于内蒙古大学微生物学专业，硕士研究生，工程师，主要从事环境影响评价、环境监测等工作。

*通讯作者：孙明虎（1986-），男，山东济南人，毕业于山东大学环境工程专业，博士，主任科员，主要从事环境行政管理工作。