江津区城区大气臭氧分布特征与相关影响因素研究

2020-10-13肖艳平陈清莉郑森元

绿色科技 2020年16期

肖艳平，陈清莉，郑森元，徐燕，苏袁

(1.重庆市江津区生态环境监测站，重庆 402260; 2.重庆市江津区城镇基础设施建设服务中心，重庆 402260)

1 引言

随着工业发展和机动车尾气排放的增加，对流层中的NOx、VOCs和CO等臭氧前体物的排放呈逐年增加趋势，臭氧主要由氮氧化物和挥发性有机物经过一系列复杂的光化学反应生成，是大气中重要的污染物之一，影响区域和城市空气质量[1，2]。目前，对城市环境空气质量的研究成为近年来的研究热点[2～5]，对于臭氧污染的研究也主要集中在大中城市的中心城区，对重庆直辖市而言，研究文献报道主要集中于主城区域[6，7]。近年来，臭氧作为首要污染物对江津区环境空气质量影响非常大。

江津区位于重庆市主城区西南侧，地形为丘陵+河谷类型，位于成渝城市群的中部地带，受区域传输和本地排放双重影响，城区以O3和PM2.5污染为主的空气质量状况，一直处于重庆市较高的浓度水平，城区周边有3个工业园区，是典型居民区与工业区结合的城市，区域内生活源、交通源、工业源排放密集。随着经济的快速发展，江津区机动车保有量逐渐增长，机动车快速增长对江津区大气环境质量造成了显著的负面影响[8]。为了尽快改善江津区环境空气质量，因此，对江津区臭氧排放规律及影响因素进行研究，并有针对性的控制，降低大气臭氧浓度，对江津区宜居及生态战略的发展具有重要意义。

2 研究区域和方法

环境空气质量自动监测站点位于重庆市江津区城区，具体观测点位见图1。自动监测数据来源于重庆市生态环境局官方网站重庆市空气质量发布系统[重庆生态环境.重庆市空气质量实时发布系统[http://113.204.96.36:3362/template/home.html.]，选取2017年1月1日至2018年12月30日江津区2个空气自动监测站的数据(O3最大8 h滑动平均值)。所有数据采用SPSS19.0进行统计分析。

图1 空气自动监测站点位

3 结果与讨论

2017年臭氧小时浓度范围在1～304 μg/m3之间，臭氧日最大8 h滑动平均值90百分位数为178 μg/m3。2017 年、2018年全年中臭氧(O3～8 h)作为首要污染物的天数分别为53 d和27 d，分别占 14.5%和7.4%。臭氧污染问题比较突出，2017年臭氧为首要污染物天数同比增加，臭氧污染有加重趋势。2018年因夏季雨水较多，气温较低，臭氧污染趋势明显减弱。

3.1 O3最大8 h滑动的均值年浓度变化规律

对2017年和2018年全年臭氧最大8 h滑动值进行统计分析，得到最大8 h滑动的均值年浓度变化规律，结果如图2。江津区臭氧浓度变化呈“单峰型”结构，臭氧从9:00时开始上升，随着太阳辐射的增大和温度的升高，生成O3的光化学反应强烈，O3浓度开始积累升高，16:00时达到最高值，之后又随着太阳照射的减少而降低，到22:00时以后浓度变化较小。究其原因，主要是臭氧受光照强度的影响，白天空气中的氧气在太阳照射情况下，与空气中的氮氧化物及挥发性有机物相互作用，生成O3。由于夜间光化学反应较弱生成的O3少，而NO通过反应不断消耗O3，在日出前使O3的浓度达到一天中的最低值[9]。

图2 江津城区O3最大8 h滑动的均值年浓度变化曲线

3.2 O3最大8 h滑动的均值季浓度变化规律

对江津区城区臭氧最大8 h滑动值按照季进行统计分析，季节界定春季为3～5月、夏季为6～8月、秋季为9～11月、冬季为12月、1月和2月。臭氧1 h季节平均浓度变化规律如图3。

由图4可见，江津城区O3浓度峰值出现在15:00～16:00。夏季由于温度高，日照时间长，O3浓度整体维持较高水平，9:00时O3浓度开始积累升高，21:00时才开始逐渐降低。夜间O3浓度与其他季节相比呈下降趋势，这表明城区夜间消耗O3的光化学反应和白天生成O3的光化学反应强度要强于其他季节，可能是因为夜间温度较高所致[10]。春季的日变化曲线跟夏季比较类似，较高O3浓度持续时间较夏季短。春、秋季10:00时O3浓度开始积累升高，19:00时开始逐渐降低。秋季的变化曲线相对平缓，峰值要明显低于春季和夏季。冬季臭氧浓度明显小于春季、夏季、秋季，和成都地区臭氧浓度变化类似[11]。冬季由于温度较低，12:00时O3浓度开始积累升高，18:00时开始逐渐降低。冬季的日变化曲线跟秋季比较类似，但是全天平缓，整体保持较低的浓度水平，但是夜间受到低温的影响，消耗O3的光化学反应明显变弱，使得夜间O3浓度下降不明显。从平均峰值来看，臭氧浓度由高到低的季节依次是夏季、春季、秋季和冬季。

图3 江津城区O3最大8 h滑动的均值季浓度变化曲线

3.3 O3最大8 h滑动的均值月浓度变化规律

对2017年和2018年臭氧最大8 h滑动值逐月进行统计分析，江津区臭氧最大8h滑动的均值月浓度变化规律如图4和图5，从整体来看，江津区臭氧浓度月变化呈“单峰型”结构，受到环境温度的影响，1～6月臭氧月均浓度逐渐升高，到了7～8月为污染最严重的两个月份，7月是臭氧浓度最高的月份，随后从9月开始浓度逐渐下降。从臭氧超标天数来看，而臭氧超标天多集中在4～9月。1～3月、10～12月无臭氧超标天，超标天数的变化趋势与月浓度变化趋势一致。由图4可见，6月份O3浓度与4、5月份相比趋势略有变化，主要是受到特殊的气象条件的影响，6月份正值江津区阴天或下雨较多的月份，气温较低，湿度较大。太阳辐射强度的减小、温度降低和湿度的增加均不利于O3的生成。

图4 江津城区 O3最大8 h滑动的均值月浓度变化曲线(1～6月)

3.4 O3与主要气象要素的关系

臭氧是典型的二次生成产物，其浓度变化与气象要素的关系密切，因而有着较为典型的日变化趋势。太阳辐射、气温、风向、风速、相对湿度等是臭氧浓度变化比较重要的影响因素[12,13]。

臭氧夏季的峰值持续时间较长(图3)，14:00～18:00臭氧浓度维持一个较高的水平，主要原因是夏季炎热酷暑，高温低湿条件下臭氧生成过程快速进行，大气中的臭氧不断积累。从18:00开始到第二天早上8:00臭氧浓度在逐渐下降，8:00左右达到臭氧浓度谷值。臭氧浓度下降是因为太阳下山，缺少光照，臭氧的光化学生成反应停止，同时一氧化氮等还原剂与臭氧反应，反而消耗臭氧，降低臭氧浓度，18:00～22:00下降幅度最大。8:00之后，随着太阳紫外线辐射的增强，地面臭氧浓度又开始了新一轮的上升趋势，夏季因为紫外线辐射最强，所以臭氧浓度上升幅度最大，冬季则相反。

图5 江津城区 O3最大8 h滑动的均值月浓度变化曲线(7～12月)

风速风向影响近地面臭氧浓度的机制也较为复杂。刘萍等[12]发现风速风向对臭氧浓度有影响，风向对臭氧浓度的影响，决定了监测点位臭氧的来源方向。安俊琳分析了不同风速条件下的臭氧浓度分布情况[10]，在1.1～3.0 m/s时相比风速小于1 m/s时大幅增加，风速再增大，臭氧浓度增幅仅为3.8%，随着风速的加大，臭氧不断被稀释或者搬运，从而造成监测点臭氧浓度较低。对江津区夏季臭氧污染时段进行分析，发现本地的臭氧浓度高多发生在小风速下，说明臭氧污染以本地排放为主。

江津区温度、相对湿度与臭氧之间的关系，由图6中可以看出，臭氧浓度高值出现在圆形区域，处于高温低湿的大气环境中，温度主要集中在30～35 ℃，而相对湿度集中在60%以下。臭氧浓度不仅由光分解反应决定，而且与热化学反应关系密切。因此温度对臭氧浓度影响也比较大，随着温度的升高，热化学反应速率常数增大，氮氧化物的转化速率也相应增加，另外，自由基的浓度也会随着温度的增加而增加，这些因素会导致臭氧浓度的增加[13,14]。大气中的水汽通过影响太阳紫外辐射在光化学反应中扮演重要的角色，因此高相对湿度将不利于臭氧浓度的积累。综上所述，高温低湿有利于臭氧的形成[15]。