2015～2018年太原市臭氧污染特征分析

史政都，田晋平，李秉正

(太原科技大学 环境与安全学院，山西 太原 030024)

0 引言

人类向大气排放着各种各样的废气污染物，其中具有代表性和普遍性的主要污染物有6种，即TSP、CO、飘尘、SO2、NOx和光化学氧化剂(O3)。从近几年环境质量监测的数据中不难看出，O3污染的趋势在不断加大，在某些地区已成为首要污染物。2012年新修订的《环境空气质量标准》(GB 3096—2012)中将臭氧日最大8小时平均浓度(O3-8 h)列为新增考核指标，这一规定的出台也说明了现在臭氧所造成污染的严重性[1]。目前国内开展了大量的研究工作，包括臭氧反应机理、污染变化规律、相关气象及排放条件、对生物体的影响和污染控制对策等。

臭氧(O3)又称为超氧，是氧气(O2)的同素异形体，它是一种淡蓝色、有刺激性气味的氧化性气体。臭氧是组成天然大气中一种重要的微量气体，从空间的分布上，大气中的臭氧可以分为两部分，一部分存在于平流层中，占到臭氧总量的90%以上，它能够吸收来自太阳的紫外线短波辐射，使地球生物免受其侵害[2]；另一部分则存在于近地层中，是典型的二次污染物。近地面臭氧是光化学烟雾污染的重要指示因子，主要由人类活动排放的VOCs、NOx、碳氧化物等经过一系列复杂的光化学反应而生成[3]。臭氧具有很强的氧化性，低浓度的臭氧是有益的，它可以起到消毒和杀菌的作用，但是臭氧浓度太高不仅会危及植物、农作物的生长，还会刺激人的呼吸道系统和神经系统，干扰人体机能，加快衰老，诱发各种疾病等，所以超标的臭氧是个无形杀手[4-8]。

太原市作为山西省的省会城市近年来随着经济的飞速发展，能源消耗量不断增加，城市内机动车数量逐年上涨，使得工业企业、机动车等排放到大气中的NOx、VOCs不断增加，加之太原市三面环山的地形特点(其会导致的污染物不易扩散且在中心集聚)，各方面原因都加剧当地的空气污染的发生频次和程度[9]。目前，文献对太原市臭氧污染相关研究报道尚不多见，其已滞缓臭氧污染防治措施的探索与开发。本文对太原市臭氧污染特征进行研究和分析，以期为臭氧污染防治措施提供相关科学依据。

1 资料与方法

1.1 资料来源

本次研究采用的太原市臭氧及其他污染物(PM2.5、NO2和CO)监测数据来源于全国城市空气质量实时发布平台，时间范围为2015年1月1日至2019年2月28日。

1.2 评价方法

臭氧标准参照《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)，以环境保护监测部门公布的监测数据与标准中对应的浓度限值比较[1]。根据环境功能区分类和质量要求，太原市以臭氧浓度二级标准作为判定标准：O3-8 h 二级标准限值为160 μg/m3，O3-1 h二级标准限值为200 μg/m3。

2 结果分析

2.1 太原市臭氧浓度总体变化特征

对太原市2015～2018年臭氧日最大8 h滑动平均值进行数据统计，根据统计结果绘制了2015～2018年太原市各年臭氧浓度变化趋势，如图1所示。

2015～2018年太原市臭氧日最大8小时平均浓度逐日变化范围为5～270 μg/m3，各年平均值分别为78.42、82.33、95.87和103.77 μg/m3，臭氧浓度平均值逐年递增；臭氧日最大8小时平均浓度主要集中在20～140 μg/m3之间，占81.65%；臭氧日最大8小时平均浓度>160 μg/m3共出现181天，占总天数12.39%，其中2015～2018年中每年超标天数分别为31天、15天、65天和70天，分别占总超标天数的17.13%、8.29%、35.91%和38.67%。

2.2 太原市臭氧浓度日变化特征

通过对太原市2015～2018年臭氧1小时平均浓度(O3-1 h)进行统计计算，得到2015～2018年各月臭氧小时浓度平均值，根据统计结果绘制了2015～2018年太原市逐月臭氧小时浓度的日变化曲线，见图2所示。

2015～2018年太原市臭氧浓度日变化均呈单峰型分布，早晨6∶00～7∶00出现谷值，14∶00～16∶00出现峰值，具有明显的日变化特征。在白天，随着人类活动的开始和太阳辐射逐步增强，光化学反应速度逐渐加快，臭氧浓度开始迅速上升，中午太阳辐射最强，温度最高，为光化学反应提供了最有利的条件，臭氧产生速率加快，12∶00左右太阳辐射达到最大值，但是因为反应平衡有一定的延迟，所以地面臭氧浓度一般在14∶00～16∶00时达到最大值；随着太阳辐射的减弱，臭氧转化速率逐渐下降；在夜间没有太阳辐射，光化学反应速度缓慢，臭氧转化率低，并且一氧化氮等还原剂还会与臭氧反应，消耗部分臭氧，使得臭氧浓度不断降低，直到第二天太阳辐射的增强，臭氧浓度才再一次上升。说明臭氧浓度变化受太阳辐射的影响很大，与各地区城市典型臭氧浓度日变化规律一致[10-13]。

从峰值的平均浓度来看，2015～2016年逐月臭氧小时浓度峰值主要在20～140 μg/m3之间，而2017～2018年逐月臭氧小时浓度峰值则主要在40～200 μg/m3之间，峰值明显上升。此外臭氧小时浓度表现出明显的季节差异，4～8月份臭氧浓度较高，因为受温度、光照和太阳辐射等的影响，光化学反应在夏季较为强烈。以2018年为例，太原市臭氧浓度日变化呈明显的“单峰型”特点，臭氧浓度峰值出现在14∶00～16∶00，6月臭氧小时浓度峰值最高，6月(194.17 μg/m3)>7月(164.29 μg/m3)>5月(162.83 μg/m3)>8月(161.73 μg/m3)>4月(143.43 μg/m3)>3月(121.42 μg/m3)>9月(97.92 μg/m3)>10月(94 μg/m3)>2月(93.46 μg/m3)>11月(55.97 μg/m3)>1月(54.52 μg/m3)>12月(38.28 μg/m3)。

2.3 太原市臭氧浓度月变化特征

太原市臭氧浓度月变化情况以及臭氧平均浓度月超标情况见图3。

可以看出，2015、2016和2018年太原市臭氧平均浓度月变化规律为：1～6月呈上升趋势，6～12月呈下降趋势，6月份臭氧平均浓度分别达到151.00 μg/m3、151.47 μg/m3和180.93 μg/m3；2017年臭氧平均浓度月变化规律为：1～7月呈上升趋势，7～12月呈下降趋势；6～7月份臭氧平均浓度较高，分别达到了168.90 μg/m3和175.87 μg/m3，均超过了国家臭氧浓度二级标准160 μg/m3。

2015～2018年太原市总超标天数为181天，臭氧平均浓度超标情况发生在3～9月份，主要集中在5～8月份，占总超标天数的92.82%。6月份超标天数为66天(2015年16天、2016年13天、2017年19天、2018年20天)，占到总超标天数的36.46%；7月份超标天数为47天(2015年7天、2016年2天、2017年22天、2018年16天)，占到总超标天数的25.97%；5月份超标天数为35天(2015年10天、2017年11天、2018年14天)，占到总超标天数的19.34%；8月份超标天数为20天(2017年11天、2018年9天)，占到总超标天数的11.05%；4月份超标天数为9天(2018年9天)，占到总超标天数的4.97%；9月份超标天数为3天(2017年2天、2018年1天)，占到总超标天数的1.65%；3月份超标天数为1天(2018年1天)，占到总超标天数的0.55%。

2.4 太原市臭氧浓度季节变化特征

太原市臭氧浓度季节变化情况如图4所示。

2015～2018年太原市臭氧浓度均呈现出明显的季节变化规律。夏季浓度最高，各年平均值为120.8、124.4、159.91、157.38 μg/m3；春季次之，各年平均值为88.16、102.49、105.77、132.29 μg/m3；然后是秋季，各年平均值为62.39、60.29、72.33、68.33 μg/m3；冬季浓度最低，各年平均值为43.54、39.45、60.52、46.75 μg/m3。夏季气温高、太阳紫外辐射强度大；春季风力大利于污染物扩散，但是气温略高且干燥又有利于化学反应达到平衡；秋季气温凉爽、冬季温度过低，都不利于化学反应的进行。因此，臭氧浓度变化呈现出明显的季节变化特征[14]。

2.5 太原市臭氧与其他污染物的关系

对太原市2015～2018年各年每日每小时的O3、NO2、CO、PM2.5浓度平均值进行了统计计算，得到2015～2018年各年每小时的O3、NO2、CO、PM2.5浓度平均值，根据统计结果绘制了2015～2018年太原市各年臭氧小时平均浓度与NO2、CO、PM2.5浓度的日变化关系图，见图5所示。

NO2、CO、PM2.5质量浓度的日变化曲线呈双峰型分布，首个峰值出现的时刻为9∶00～10∶00，而后浓度不断降低，在15∶00～16∶00降低至谷值，第二个浓度峰值出现在夜晚的21∶00～23∶00。可以看出NO2、CO、PM2.5浓度与O3浓度呈现负相关关系。

臭氧主要由NOx、CO和VOCs等前体物在合适的气象条件下反应生成，早晨7∶00开始，人类活动开始增强，汽车排放的NOx、CO等的浓度开始增加，随着太阳辐射的增强，光化学反应不断进行，使得臭氧浓度不断上升，而NOx、CO等被不断消耗。傍晚下班后NOx、CO等前体物再次不断累积，同时还会消耗臭氧。另外有研究分析表明，高浓度的臭氧可以促进细颗粒物的二次生成，但是PM2.5有消光的作用，可以吸收和散射太阳辐射，而紫外线辐射是产生臭氧的关键因素，所以当PM2.5浓度高时臭氧浓度会下降[15]。

3 太原市臭氧污染防治措施

太原市是国家能源重化工基地，以焦化、钢铁、电力等行业为主导行业，近年来城市规模不断扩大，机动车保有量大幅提升，造成臭氧污染逐年加重，因此，制定科学有效的臭氧污染防治策略成为首要工作。针对太原市臭氧污染防治，建议采取以下措施：

(1)持续优化产业结构，加大整治力度。以太原市综改区、不锈钢园区为重点，加快推进重点企业去产能和淘汰落后的工作，对装备制造、家具制造、溶剂涂料生产等涉及VOCs排放的企业进行严格监管，未安装VOCs治理设施或安装未运行的企业依法整治。

(2)建立太原市VOCs人为源排放清单，在春、夏季臭氧污染较高时对太原市内焦化、钢铁、水泥、铸造等重点行业进行限产减排、错峰生产等措施，对机动车进行限号限行等措施，以此减少大气污染物的排放。

(3)进一步加大对机动车尾气治理和检测力度，未达标的车辆安装净化装置或淘汰，加速完成太原市公交车、出租车全部纯电动化进程，鼓励市民购买使用新能源汽车。

(4)鼓励市民绿色出行，太原市已完成公共自行车的租赁系统，自行车网点遍布全城，使用极为方便，在短途出行时可以选择乘坐公交车和自行车出行。

(5)以太原市臭氧污染特征为基础，联合各大高校、科研机构等技术力量，建立全市分区域、分行业的污染治理技术和体系，提出差别化污染防治策略。

4 结论

本文通过对太原市2015年1月到2019年2月的空气质量监测数据进行分析对比，得出以下结论：

(1)2015～2018年太原市臭氧浓度逐日变化范围为5～270 μg/m3，各年平均浓度为78.42、82.33、95.87和103.77 μg/m3，呈逐年递增状态，超过国家臭氧浓度二级标准限制160 μg/m3共181 d，占总天数12.39%，主要集中在5～8月份；

(2)2015～2018年太原市臭氧浓度日变化呈单峰型分布，峰值出现在14∶00～16∶00，各年逐月臭氧小时浓度峰值变化范围为22.9～194.17 μg/m3，谷值出现在早晨的6∶00～7∶00，各年逐月臭氧小时浓度谷值变化范围为5.6～49.39 μg/m3；

(3)2015～2018年太原市臭氧浓度有明显的月变化规律，在6～7月达到最大，平均浓度变化范围为122.19～180.93 μg/m3，1月、12月降到最低，平均浓度变化范围为27.74～50.42 μg/m3；

(4)2015～2018年太原市臭氧浓度表现出显著的季节变化规律，大小依次为夏季、春季、秋季、冬季，其中春季臭氧浓度最高值出现在2018年，为132.29 μg/m3，夏季、秋季、冬季臭氧浓度最高值都出现在2017年，分别为159.91、72.33、60.52 μg/m3；

(5)2015～2018年太原市臭氧浓度与NO2、CO、PM2.5浓度呈现负相关关系，在14∶00～16∶00，臭氧浓度达到最大值，浓度变化范围为70.35～112.22 μg/m3，此时NO2、CO、PM2.5浓度为最低值，浓度变化范围分别为26.68～37.7 μg/m3、0.87～1.44 mg/m3、45.3～59.5 μg/m3。