攀枝花市区及盐边县城区城市臭氧污染状况研究

白 羽,唐 毅,殷晓梅,刘露云,韩道喜

(1.盐边县环境监测站，四川 盐边 617100;2.攀枝花市环境监测中心站，四川 攀枝花 617000)

引 言

攀枝花市位于中国西南川滇交界部，四川最南端，地理坐标介于北纬26°05′～27°21′，东经101°08′～102°15′之间，处于南亚热带干热河谷气候区，属典型的南亚热带半干旱季风气候，太阳辐射强，日照充沛，气温年差较小、日差较大，冬季低层逆温效应显著。盐边县城区位于攀枝花市区东北部，距攀枝花市区约9km，属典型市郊区城市。2017年～2019年间攀枝花市区和盐边县城区环境空气质量受臭氧污染的天数逐年增加，臭氧污染已成为环境空气污染的重要因素。

本文以2017年1月～2020年2月攀枝花市区和盐边县城区环境空气质量监测数据为依据，按照《环境空气质量标准》(GB3095-2012)[1]、《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行》(HJ633-2012)[2]以及《环境空气质量评价技术规范》(试行)(HJ663-2013)[3]，结合气象情况，对两地O3污染物的时空变化规律及影响因素进行分析，说明了城市臭氧污染对近郊的影响，为改善地区环境空气质量提供参考依据。

1 数据来源

本文攀枝花市环境空气质量数据来源于攀枝花市环境监测中心站发布数据，盐边县空气质量监测数据来源于盐边县环境监测站发布数据，其监测频率及方法见表1。气象数据采用天气网记录发布的攀枝花市[4]和盐边县[5]逐日历史气象资料。

表1 环境空气质量自动监测站监测频率及方法Tab.1 Monitoring frequency and method of ambient air quality automatic monitoring station

2 结果与分析

2.1 臭氧的时空变化及规律

2.1.1 各年度环境空气污染综合指数及各污染物污染负荷

按《环境空气质量标准》(GB3095—2012)二级标准评价，采用《环境空气质量评价技术规范》(试行)(HJ663-2013)环境空气质量状况比较评价方法，统计计算了2017～2019年攀枝花市区和盐边县城区年度环境空气质量综合指数、各污染物单项指数及各单项指数在综合指数中的负荷，统计结果见表2。

表2 年度空气质量污染物单项指数及污染负荷统计表Tab.2 Annual air quality pollutant single index and pollution load statistics

根据统计结果，盐边县2017年～2019年环境空气质量污染物年度综合指数呈现升高趋势，说明盐边县环境空气质量有变差的可能。从污染负荷来看，盐边县各年度O3污染负荷均高于20%，其中2019年污染负荷达到了25.3%，说明O3污染对盐边县环境空气质量影响最大，是导致盐边县环境空气质量变差的主要原因。攀枝花市区的O3污染物单项指数负荷逐年上升，和NO2污染物的单项指数负荷接近，说明O3污染对攀枝花市区环境空气质量的影响也是越来越大，已基本和NO2对攀枝花市区环境空气质量的影响持平。

2.1.2 各年度臭氧污染分布情况

统计2017～2019年攀枝花市区和盐边县城区各年度日O3-8h环境空气质量分指数(IAQIO3-8h)数据分布情况，结果见表3。

表3 臭氧日环境空气质量分指数分布情况Tab.3 Distribution of sub index of ambient air quality on ozone day

根据统计结果，盐边县2017、2018年日IAQIO3-8h为优、良的天数总计变化不大，且2018年IAQIO3-8h为优的天数较2017年略多，但是2018年有1天IAQIO3-8h轻度污染出现。到2019年，IAQIO3-8h为优的天数明显下降，IAQIO3-8h为良的天数明显增加，甚至出现8天轻度污染。而攀枝花市区IAQIO3-8h轻度污染的天数也逐年增加，O3污染已成为攀枝花地区环境空气污染的重要因素。

2.1.3 季节变化规律

本文季节划分采用气象划分法，以阳历3～5月为春季，6～8月为夏季，9～11月为秋季，12月～来年2月为冬季。统计2017年3月～2020年2月攀枝花市区和盐边县城区各季度日IAQIO3-8h数据，用wps表格绘制分指数折线图，结果见图1、图2。

根据折线图1，攀枝花市区和盐边县城区环境空气质量受O3影响最严重的季节均为春、夏季，从春季中下旬至整个夏季日IAQIO3-8h值较大，4月～8月日IAQIO3-8h值会出现峰值数据，较易出现分指数高于100(三级、轻度污染)的天数；秋、冬季日IAQIO3-8h值波动不大，且不易出现IAQIO3-8h值较高的情况，9月～10月趋于平稳，而后IAQIO3-8h值基本保持在50以下，2月后又逐步上升，这可能与四川省上空臭氧时空变化有关[6]。

图1 攀枝花市区和盐边县城区各季度日IAQIO3-8h值折线图Fig.1 Daily IAQIO3-8h variation curve of Panzhihua City and Yanbian City in each season

图2 攀枝花市区和盐边县城区月浓度折线图Fig.2 Variation of concentration in Panzhihua City and Yanbian County

使用SPSS软件，对攀枝花市区与盐边县城区2017年3月～2019年2月各季节日IAQIO3-8h值数据进行相关性统计，统计结果见表4。盐边县城区与攀枝花市市区各季度IAQIO3-8h值除2018年春季为中等程度正相关外，其余年度各季节Pearson相关性在显著水平0.01(双侧)均表现出强正相关，且2019年夏、秋季节表现为极强正相关，表明盐边县城区臭氧浓度与攀枝花市市区O3浓度变化趋势较一致。

表4 盐边县城区与攀枝花市区各季节IAQIO3-8h相关性统计表Tab.4 Statistical table of IAQIO3-8h correlation between Yanbian City and Panzhihua City in different seasons

2.1.4 月度变化规律

2.1.5 小时变化规律

按年度统计攀枝花市区和盐边县城区年度O3污染物各小时平均浓度值，用wps表格绘制浓度折线图，结果见图3。

图3 年度O3小时平均浓度变化曲线Fig.3 Hourly average concentration curve of O3 in the year

由图3可见，攀枝花市区和盐边县城区O3小时浓度均值呈现单峰型平滑曲线，O3小时浓度均值在清晨日出后一段时间内降低至谷值，而后迅速上升，直至下午16∶00左右达到峰值后又逐步下降。

进一步分季节统计了攀枝花市区和盐边县城区O3小时浓度均值，用wps表格绘制浓度折线图，结果见图4。

图4 季度O3小时浓度均值变化曲线Fig.4 Change curve of hourly mean concentration of O3 four seasons

由图4可见，攀枝花地区春、夏季O3小时浓度均值最低值出现在早上8∶00时，秋、冬季最低值出现在早上9∶00时，这应该与日出时间相关。在春季，太阳总辐射最强，日照射时间最长，O3累积阶段较快，O3小时浓度均值曲线左侧较陡右侧较平滑，O3浓度持续高值时数最多。在夏季，太阳散射辐射最强，日照射时间次之，O3累积阶段较平滑，O3小时浓度均值曲线左右两侧较平滑，O3浓度持续高值影响时数次之。秋、冬季季节太阳总辐射最弱，日照射时间最少，O3累积阶段较平滑，O3小时浓度均值曲线左右两侧较平滑，臭氧浓度持续高值时数最少。另外秋、冬季节夜间O3小时浓度均值盐边县城区较攀枝花市区偏高，昼间O3小时浓度均值相当，而春、夏季节夜间O3小时浓度均值盐边县区与攀枝花市区浓度相等，昼间O3小时浓度均值低于市区，这可能与光解产生的O3消耗物质相关，春、夏季节太阳总辐射相对较强，日照射时间长，光化学反应强烈持续时间长，O3累积较快，市区内O3消耗物质生成也较多，在逐步输送至县城区域过程中会加速O3的消耗，加之春、夏季大气扩散作用强烈，因此春、夏季节盐边县城区昼间O3浓度会较市区略低；而在秋、东季节，由于太阳总辐射相对较弱，日照射时间较短，光化学反应仅午间强烈且持续时间短，导致市区内O3消耗物质生成相对不足，在市区范围内消耗物质生成后很快被O3消耗，降低了市区的O3浓度，在输送至县城区域过程中，由于缺少足量的消耗物质，加之大气扩散作用较弱，O3消仅能通过氧化反应缓慢下降，致使夜间县城O3浓度相对市区较高。

2.2 臭氧污染与气象因素分析

2.2.1 臭氧污染与太阳辐射

根据李一平、杜成勋等研究整理的攀枝花各地太阳能相关气象数据及曲线，见图5[6]，攀枝花地区月太阳总辐射变化大，变化曲线呈单峰型，春季为一年中太阳能最丰富的季节，夏季次之，秋、冬季较少。攀枝花的散射辐射在雨季的比干季大得，极大值大部分地区出现在7～8月，极小值出现在12～1月。

图5 攀枝花各地太阳总辐射和散射辐射月变化曲线[6]Fig.5 Monthly variation curve of total and scattered solar radiation in Panzhihua

图6 太阳直接辐射和散射辐射对气体分子的照射影响对比Fig.6 Comparison of the effects of direct and scattered solar radiation on the irradiation of gas molecules

攀枝花市飞机场位于攀枝花市区东南部山巅，距攀枝花市中心直线距离9.5km，海拔1 976m，较攀枝花市区高约820m。地表空气受地面散热和地形强迫抬升等作用而有规则的垂直运动和无规则的乱流混合都相当强烈，由于地表空气垂直上升，城市地表空气中污染物在上空一定高度和区域内混合，当太阳散射辐射较强时，辐射在空气中形成大量漫反射和折射如图6，使城市上空混合污染物后的空气被同一辐射照射次数增加，增加了污染物吸收光能的量，在城市上空发生强烈光化学作用产生大量O3，最后随着大气垂直运动而降到地面，形成近地面臭氧污染。因此，城市上空一定高度和区域内太阳散射辐射强弱可能是形成O3污染的重要原因，还需进一步研究。

2.2.2 臭氧污染与紫外线照射强度分析

由天气网记录历史天气资料将紫外线日照射强度等级分为很弱、弱、中等、强、很强五个等级，按照《紫外线指数预报方法》(GB/T 36744-2018)[9]中紫外线照射强度等级划分规定，对应到达地面紫外线辐射强度强弱为<5W/m2、5～10W/m2、10～15W/m2、15～30W/m2、>30W/m2。根据到达地面紫外线辐射强度强弱范围，将2017～2019年攀枝花市区和盐边县城区日O3-8h浓度值进行统计分类，用WPS表格进行柱状分布统计，其分布情况见图7。

图7 攀枝花和盐边县不同紫外辐射强度下O3-8h浓度分布情况Fig.7 Distribution of O3-8h concentration under different UV radiation intensity in Panzhihua and Yanbian County

由图7可见，攀枝花市区和盐边县城区日O3-8h浓度值较高的天数几率随紫外辐射强度增强而上升，在紫外辐射强度小于15W/m2时，盐边县城区日O3-8h浓度值为优的几率在90%以上，攀枝花市区日O3-8h浓度值为优的几率在70%以上；在紫外辐射强度处于15W/m2至30W/m2之间时，盐边县城区日O3-8h浓度值为优的几率均在85%左右，攀枝花市区日O3-8h浓度值为优的几率在60%左右，且均有1%左右几率出现日O3-8h浓度值超标，形成O3污染；当紫外辐射强度大于30W/m2时，日O3-8h浓度值为优的几率急剧下降，攀枝花市区降到了11.6%，盐边县城区下降到了42.9%，O3污染的几率上升至5～8%。

使用SPSS软件，对攀枝花市区和盐边县城区2017年～2019年日紫外辐射强度等级与O3-8h浓度值相关性进行统计，统计结果见表4。

表4 日紫外辐射强度等级与O3-8h浓度值相关性统计表Tab.4 statistical table of correlation between daily UV radiation intensity level and O3-8h concentration value

根据表4可见，紫外辐射强度等级与O3-8h浓度通过0.01显著水平(双侧)检验，但相关性处于弱相关至中等程度相关之间，可以在一定程度上预判O3污染几率。相关性弱的原因可能是我国气象行业发布的紫外线辐射强度测量波长范围并未全覆盖NO2光解波长范围。气象行业发布的紫外线辐射强度为白天正午前后(一般为10∶00～14∶00)观测到地面水平面上接受波长范围280～400nm的太阳直接辐射量和太阳散射辐射量总和的最大值[7]。而事实上，波长小于700nm的光量子均可能引起光化学反应，NO2在日光照射下发生光解反应最终形成O3是O3在大气中主要的化学反应来源[8]。而根据魏合理，龚知本，马志军，等人对NO2紫外和可见光谱吸收截面测量，NO2在250～700nm波段都有吸收，差分吸收截面最大的渡段在400～450nm范围[9]。在下一步的工作中，为更加准确判断太阳辐射与O3浓度之间的关系，建议在开展O3监测的同时，增加波长小于700nm的太阳总辐射强度测量。

2.2.3 臭氧污染与日最大温度

根据天气网记录发布的历史天气日最高气温，将2017～2019年攀枝花市区和盐边县城区日O3-8h浓度值进行统计分类，用WPS表格绘制两者关系散点图，其分布情况见图8。

图8 攀枝花和盐边县不同温度下O3-8h浓度分布情况Fig.8 Distribution of O3-8h concentration at different temperatures in Panzhihua and Yanbian County

根据图8可知，将攀枝花城区和盐边县城区各日最高气温值对应的日O3-8h浓度最大值顶点连线，各图均呈现一条随最大气温上升的O3-8h浓度值曲线，日O3-8h浓度最大值随着气温的升高而升高，顶点均出现在35℃左右，然后随着温度的升高日O3-8h浓度最大值呈下降趋势。根据臭氧散点分布情况，当日最高气温值在29℃～36℃之间时出现日O3-8h浓度值超标的现象，在日最高气温值在低于29℃和高于36℃时日O3-8h浓度值均未出现超标现象。

2.2.4 臭氧污染与风向

根据天气网记录发布的历史天气主导风向，将2017～2019年攀枝花市区和盐边县城区日O3-8h浓度值进行统计分类，用WPS表格绘制两者关系散点图，其分布情况见图9。根据散点图10可见，当出现日O3-8h浓度值超标时，攀枝花市区主导风向分别为西北风、西南风和东南风，各风向占比分别为55.6%、33.3%和11.1%；盐边县城区主导风向分别为西南风、东南风、东北风和南风，各风向占比分别为44.4%、22.2%、22.2%和11.1%。当出现日O3-8h浓度值为良时，攀枝花市区主导风向占比前三的风向分别为西南风、东南风和西北风，各风向占比分别为26.7%、21.1%和16.4%；盐边县城区主导风向占比前三的风向分别为东南风、东北风和西南风南风，各风向占比分别为23.6%、22.8%和20.3%。

图9 攀枝花和盐边县不同风向下日O3-8h浓度值分布情况Fig.9 Distribution of daily O3-8h concentration in different wind directions of Panzhihua and Yanbian County

根据攀枝花市区和盐边县城区臭氧污染主导风向，结合地区地形图，绘制攀枝花地区地形及布置和污染主导风向图，如图10。

图10 攀枝花地区地形及布置和污染主导风向影响示意图Fig.10 Topography and layout of Panzhihua area and influence of pollution dominant wind direction

3 结 论

3.1 攀枝花市区和盐边县城区O3污染对环境空气质量影响较大，O3轻度污染的天数逐年增加，有继续增加的趋势。两地春、夏季较易出现IAQIO3高于100的天数，秋季IAQIO3趋于平稳，冬季IAQIO3基本保持在50以下，两地各季度IAQIO3有强正相关性。

3.2 攀枝花地区春季O3浓度持续高值时数最多，夏季O3浓度持续高值影响时数次之，秋、冬季O3浓度持续高值时数最少。秋、冬季节夜间O3小时平均浓度盐边县城区较攀枝花市区偏高，昼间O3小时平均浓度值相当，而春、夏季节夜间O3小时平均浓度值盐边县区较攀枝花市区相当，昼间O3小时平均浓度值偏低。

3.3 攀枝花市区和盐边县城区日O3-8h浓度值较高的天数几率随紫外辐射强度增强而上升，在紫外辐射强度小于15W/m2时，不会出现日O3-8h浓度值超标现象；在紫外辐射强度处于15W/m2至30W/m2之间时，有1%几率出现日O3-8h浓度值超标，形成O3污染；当紫外辐射强度大于30W/m2时，O3污染的几率上升至5%～8%。

3.4 攀枝花市区和盐边县城区O3-8h浓度污染易发生在最高日气温值29℃～36℃之间时，在日最高气温值在低于29℃和高于36℃时O3-8h浓度均未出现O3-8h浓度超标的现象。

3.5 根据不同风向下O3-8h浓度最大值分布情况，攀枝花市区O3污染受西向气流影响最重，盐边城区O3污染受南向气流影响最重，主要是攀枝花市区污染物随风向扩散所致，盐边县若要进行O3污染防治，除减少本地O3前体物的排放外，还需攀枝花市协同开展相关防治工作。