永泰县臭氧污染特征及影响因素分析

2021-02-21卓少玲

绿色科技 2021年24期

关键词：臭氧浓度风向臭氧

卓少玲

(福州市永泰环境监测站，福建永泰 350700)

1 引言

随着经济的发展，城市化进程加快和汽车尾气排放增加，排放至大气中的污染物总量日益增多，加剧了城市热岛效应，限制了大气污染物的扩散[1]。此外，污染物的空间传输，导致大气污染问题异常严峻，对我国构建可持续发展蓝图形成了巨大的挑战。

臭氧是大气中的二次污染物，是挥发性有机物(VOCs)和氮氧化物(NOx)等在高温光照的条件下发生光化学反应生成的[2]，随着全国多地臭氧逐渐取代颗粒物成为首要污染物，臭氧污染受到了公众的广泛关注和各级政府的高度重视。

靳少非[3]对福建省臭氧2015～2017年变化特征研究表明，各地级市臭氧逐日浓度均呈现增加趋势；钟雪芬[4]以福州空气中臭氧数据为基础，表明福州市的臭氧呈现夏季高，冬季低特征。陈艳[5]利用2015～2018年莆田市环境空气自动监测数据表明，臭氧超标主要出现在4～10月份。此外，在厦门[6]、泉州[7]等地也对臭氧的影响因素进行了相关研究。

定位为福州后花园的永泰县，获得了“中国天然氧吧”“国家级生态县”“国家生态文明建设示范县”“中国优秀旅游县”等称号。永泰县空气质量总体较好，但近年来臭氧浓度持续不断攀升，对永泰的绿色生态布局产生了重要影响。

本文以永泰县环境空气质量监测数据为基础，分析了环境空气质量总体状况、臭氧浓度的时间分布特征、超标日的原因及与气象因素的关系，并运用SPSS软件分析了臭氧与其它大气污染因子的相关性，以期为永泰县大气污染防治提供依据。

2 材料与方法

2.1 观测区域

永泰县为福州市管辖范围县城，是典型的亚热带季风气候区，常年温度位于14.6～20.1 ℃，常年主导风向为东风，静风频率高达41%。地貌呈西北高，东南低，两侧高，中间低的长廊形峡谷形态。

2.2 监测点位

永泰县城区上马路测点、城区城南小学测点为永泰县省控环境空气评价点位，位置如图1所示。

图1 永泰县城区监测点位示意

2.3 研究方法

根据HJ 663-2013《环境空气质量评价技术规范(试行)》、HJ 633-2012《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》、环办〔2014〕64 号《城市环境空气质量排名技术规定》的相关要求对永泰县2016～2020年环境空气质量监测数据进行分析。同时，采用Excel对臭氧年均浓度、季节浓度、月均浓度、日浓度进行统计分析，得出各污染物的时间变化趋势。通过SPSS 23.0软件，分析了臭氧与其它环境空气污染物因子之间的相关性。利用美国国际环境预报中心(NCEP)提供的全球气象资料同化资料(GDAS)格式的风向数据和MeteoInfo中TrajSata插件设定模拟轨迹所需参数，应用Hysplit模型分析了气团的后向轨迹。有效天数、年评价百分位数值、季节浓度、月均浓度、小时浓度、湿度、气温、风速、风向等是指剔除断电、接触问题、仪器掉线等原因导致数据缺失、监测时数不足以及明显有误的数据。

3 结果与讨论

3.1 十三五期间永泰县环境空气质量总体状况

由表1可见，十三五期间永泰县环境空气质量总体较好，2017～2020年综合指数均优于2016年，达标天数比率在99.7%以上，一级达标天数比率为62.7%～72.3%，二级达标天数比率为27.7%～37%，臭氧成为首要污染物的天数从2017年开始不断上升，2020年超标因子为臭氧，臭氧取代颗粒物成为制约永泰县环境空气质量的首要因素。

表1 十三五期间永泰县环境空气质量总体情况

3.2 臭氧的时间分布特征

3.2.1 臭氧浓度年度变化趋势

由图1显示，永泰县十三五期间臭氧日最大8小时滑动平均值的第90百分位数浓度值(简称O3-8h-90per)浓度值均低于GB3095-2012《环境空气质量标准》中的二级标准限值，O3-8h-90per呈现先下降后上升趋势，主要受永泰县机动车保有量增加、挥发性有机物排放增多、O3及其前体物的空间传输等因素影响。

图1 十三五期间永泰县O3-8h-90per浓度趋势

3.2.2 臭氧浓度季节变化特征

由图2显示，臭氧春季(3～5月)、夏季(6～8月)浓度较接近，春季略大，冬季(12月至次年2月)浓度最小。冬季臭氧浓度低是由于冬季日照时数较低，光化学反应弱。春季大气相对稳定，近地面较易出现逆温现象[8]，加上平流层输送的臭氧本底浓度在春季最高[9]和外来臭氧传输，导致永泰县臭氧春季浓度略高。

图2 2016年～2020年永泰县臭氧浓度季节变化趋势

3.2.3 臭氧浓度月度变化特征

如图3所示，永泰县臭氧月变化趋势呈M型，从1月开始臭氧浓度缓慢上升，6月出现最大值，8月突然下降，12月出现最小值。这和安阳市[10]情况类似，6月臭氧高原因可能是由于6月位于春季和夏季交界，由于低涡、西南急流、切变等天气系统，易产生丰沛降水，同时，副热带高压北移西伸，福建受其影响，温度回升。通过天气系统的交替转变，白天雨后温度回升，光化学反应剧烈；另外，6月的混合层高度比夏季其他月份低，不利于臭氧扩散[11]，所以6月臭氧浓度较高。

图3 2016年～2020年永泰县臭氧浓度与日照月变化关系

3.2.4 臭氧浓度日变化特征

由图4可知，臭氧小时浓度曲线体现明显的单峰型特征，早晨7点最低，下午4点出现波峰，早晨7点最低是由于夜晚生成臭氧较少，7点开始，由于紫外线增强、温度攀升，光化学反应逐渐增强，下午4点左右出现最高峰，4点后由于太阳辐射减弱，浓度也降低，夜晚后浓度处于较低水平，一方面由于臭氧被光化学反应的消耗，另一方面是近地面的沉积作用。

图4 2016年～2020年永泰县臭氧小时浓度日变化趋势

3.3 臭氧浓度与气象因素分析

本文选取臭氧作为首要污染物为研究日期(剔除数据不正常，共94 d)，绘制臭氧浓度与气温、湿度的散点图，探讨臭氧浓度与气温、湿度、风向、风速等气象因素的关系。

2016～2020年气温、日照时数、降雨量的月平均数据由永泰县气象局提供。

3.3.1 气温、日照时数、降雨量

臭氧浓度与温度之间关系见图5。结果表明，臭氧成为首要污染物当日，气温大多分布在16～32 ℃之间(占比87.2%)，温度为27～32 ℃时，臭氧浓度大于130 μg/m3的次数增多。

图5 臭氧成为首要污染物时日与气温关系

温度、日照时数是臭氧生成的重要条件，这是由于随着温度的升高、日照时数的增多，氧分子光解速度加快，臭氧生成速率也增快。降雨有湿清除作用，同时通过影响温度间接影响臭氧生成速率。

根据图6结果显示，2016～2020年气温月变化、日照时数变化月、降雨量月变化呈单峰型特征，O3浓度6月最高，降雨量6月最大，气温、日照时数7月出现最大值。O3浓度7月不是最高这说明，气温、日照时数、降雨量是臭氧生成的重要条件，同时还受其它条件的影响。

图6 臭氧浓度与气温、日照时数、降雨量月变化关系

3.3.2 相对湿度

臭氧超标日臭氧浓度与湿度关系日变化如图7所示，湿度在40%～60%区间，臭氧浓度总体较高，这表明湿度越低，越利于臭氧形成。图8结果显示，臭氧成为首要污染物的湿度集中在62%～78%之间(占比68.1%)，此区间臭氧浓度大于130 μg/m3的次数较多。这与超标日臭氧变化有所区别，原因可能是永泰县春夏多雨，加上植被较多，两个站点位于大樟溪边上，总体的相对湿度较高，而春夏臭氧总体生成又较多，故臭氧成为首要污染物的湿度较高。

图7 超标日臭氧浓度与湿度关系

图8 臭氧成为首要污染物时日与湿度关系

3.3.3 风向、风速

臭氧超标日上马路、城南小学臭氧浓度与风速、风向关系日变化如图9～10所示，从图中可以看出，风速与臭氧总体成正比关系，风速越大，臭氧浓度越大。当风向为SE、SSE、S(风向角130～190度)，风速为1.4～5.4 m/s之间时，区域臭氧浓度值较高，主要是由于城东南方向布设马洋工业园区，在东南风作用下，臭氧浓度增高。

图9 超标日上马路臭氧浓度与风速、风向关系

由上可知，臭氧形成的机理十分复杂，气象因素是影响臭氧浓度的重要条件，臭氧浓度高低是多种因素共同作用的结果。

3.4 永泰县大气中臭氧与其它污染物浓度的相关性分析

通过SPSS软件进行单样本柯尔莫戈洛夫-斯米诺夫检验显示，O3、PM10、PM2.5、CO、SO2和NO2均不符合正态分布，不适用Pearson相关性分析，因此采用Spearman秩相关系数对2016～2020年臭氧与其它污染物浓度日均值进行了相关性进行了分析，结果如表2显示。

表2 永泰县O3与其它污染因子浓度的相关性分析

臭氧与一氧化碳为正相关，相关系数为0.127，可能因为O3受其它前体物的作用关系[4]36。O3与SO2、PM10、PM2.5相关性可能还受到污染源、气象因素等条件影响。O3与NO2呈负相关，相关系数为0.215，表明永泰县O3浓度与NO2相关性较弱，可能是由于永泰县O3浓度主要受一氧化氮NO、挥发性有机物VOCs等前体物的影响更敏感。由于这两个站点暂未进行一氧化氮NO、挥发性有机物VOCs监测，与其影响有待进一步研究。永泰县应重点加强对氮氧化物NOx、挥发性有机物VOCs的防治，同时在控制前体物的同时，空气中的其它污染因子的防治也不容忽视。

3.5 臭氧超标日影响分析

2020年7月24日永泰县臭氧超标，超标日与湿度、风向、风速的关系图见图7、图9、图10。同时，绘制O3与NO2、气温的关系如图11。

图10 超标日城南小学臭氧浓度与风速、风向关系

图11 臭氧与二氧化氮、气温的关系

从图中可以看出，NO2总体变化不大，气温呈明显的单峰型，O3呈明显的双峰型。O3浓度在11点出现第一个小高峰，NO2未出现明显下降，气温于15点达到最高，17点NO2达到最小值，风速为最大值，17点O3达到最高峰。

利用Hysplit模式得到的距地500 m高度的48 h后向轨迹(城区两个测点距离近，经纬度取超标日臭氧浓度较大的上马路测点)，轨迹显示气团由广东沿海一路北上，经漳州、泉州、莆田最后到达永泰县。

7月24日受副热带高压控制，天气晴热，温度升高，紫外辐射增强，利于污染物二次反应生成臭氧并持续累积，臭氧出现双峰，17点～22点臭氧浓度较高，结合Hysplit后向轨迹，推测本次超标可能是本地累积+外地传输的影响。

4 永泰县臭氧污染防治建议

根据永泰县臭氧的时间变化特征、与气象因素及与其它污染因子的相关性分析、超标日的原因，建议从以下几个方面采取有针对性的防控措施，降低臭氧浓度：

(1)加强审批准入门槛。对产生VOCs、NOX企业严格审批，尽量布置在远离城市主要风向的工业园，尤其是东南方向的马洋工业园。

(2)制定涉及VOCs、NOX重点管控企业清单，实行“一企一策”，加强锅炉综合整治、机动车尾气污染防治、生活面源污染控制，推进VOCs治理，开展VOCs治理与验收工作[12]。

(3)加强全县重点企业的NOX、VOCs排放监管，严肃查处涉及NOX、VOCs企业超标排放、稀释排放、处理设施停用等违法违规行为。

(4)加强区域间的合作，协同减排。永泰处于福州市西南，易受各方向传输影响，应与周边省市县进行合作，深化区域联防联控，防止O3、NOX、VOCs及其它污染因子远距离传输超标。

(5)强化臭氧应对措施。根据永泰县臭氧季变化、月变化特征，重点企业在臭氧浓度较高的4～11月应妥善安排生产计划，根据需要实施调度控制。当启动臭氧污染应急响应时，涉及VOCs、NOX重点管控企业错峰生产。气象因素对臭氧形成起重要的作用，根据臭氧日变化特征及与气象因素的关系，尽量避开12～19时、温度27 ℃以上情况进行生产。同时，严格加强永泰县城主导风向重点工业污染源管控，以期降低臭氧的浓度。