近地面O3浓度变化特征分析
——以长沙市天心区为例
2021-08-05刘灿曾珊珊张伏中
刘灿 曾珊珊 张伏中
1. 长沙市天心区委员会办公室 湖南 长沙 410004；
2. 株洲市生态环境事务中心 湖南 株洲 412000；
3. 湖南省环境保护科学研究院 湖南 长沙 410004
引言
近年来，随着经济社会的快速发展，大气污染逐渐由颗粒物污染为主要因子的气溶胶污染向光化学污染过渡，引起了广泛关注[1]。O3是大气环境中重要的化学物质之一，是光化学烟雾的特征污染物之一[2-3]，具有非常强的氧化性，对大气辐射、生态环境和人体健康等具有重要影响[4-5]。研究表明近地面O3主要来源于大气中挥发性有机物（VOCs）和氮氧化物（NOx）在紫外线光照条件下发生反应生成的二次污染物[6]。随着社会经济的快速发展，机动车总量高速增长，O3污染问题日益凸显。2019年，全国337个城市中有30%的城市O3超标，其中京津冀和长三角区域O3污染尤为突出。2019年，全国以O3为首要污染物的超标天数占总超标天数的41.8%，仅次于占比45%的PM2.5[7]。
长沙市天心区国控站点位于天心区政府办公楼顶，为长沙市10个环境空气国控站点的最南端，受北边传输影响明显。文章利用2017-2020年天心区国控站点O3监测数据，分析了天心区近地面O3浓度变化特征，O3与风向、湿度气象因子的相关性以及空气质量综合指数各污染物占比情况。
1 实验部分
1.1 监测点位
监测点为长沙市天心区环境空气质量国控点，位于长沙市天心区湘府中路298号，天心区政府办公大楼南栋楼顶（东经112.9963 北纬28.1198）。
1.2 监测项目及方法
O3分析仪连续24小时工作，采样频率每分钟一次，监测数据由分析仪自动记录。日常检查维护按照《环境空气自动检测技术规范》（HJ/T193-2005）执行，确保分析数据的准确有效。
1.3 监测数据及统计方法
数据有效性按照《环境空气质量标准》（GB3095-2012）要求执行，选取2017-2020年长沙市天心区O3有效监测数据，采用excel软件进行数据处理和绘图。
2 结果与讨论
2.1 O3浓度的时间分布特征
2.1.1 O3小时平均浓度日变化规律。2017-2020年O3小时浓度在一天中呈明显的单峰变化规律，4年来的浓度变化幅度不大。夜间O3浓度变化平缓，一般在早上8：00达到全天的最低值，O3生成的前体物在夜间逐渐累积，日出后随着太阳辐射的逐渐增强，大气光化学反应逐渐加强，O3浓度逐渐升高，到15：00-17：00期间达到最高值，2017年-2020年O3最高值分别出现在16：00、15：00、15：00、17：00，分别为95μg/m3、100μg/m3、99μg/m3、97μg/m3。综上，近地面O3浓度与太阳辐射强度密切相关。
2.1.2 O3月浓度变化规律。2017-2020年O3浓度逐月变化如图1所示，2017年-2020年O3月浓度值最高值分别出现在5月、6月、9月、5月，分别为188μg/m3、187μg/m3、207μg/m3、191μg/m3，最低值分别出现在12月、12月、1月、12月，分别为87μg/m3、65μg/m3、69μg/m3、83μg/m3。
图1 2017-2020年O3月浓度变化图
2.2 O3污染等级分布情况
通过统计2017-2020年天心区O3为首要污染物的污染天数得知，4-10月为O3污染的高发期。2017-2020年O3超标污染天分别为24天、23天、54天、17天。2017年在4月28日首次出现O3污染天，2018年在3月31日首次出现O3污染天，2019年在5月10日首次出现O3污染天，2020年在4月9日首次出现O3污染天且O3污染天主要集中在4-5月，O3污染呈现了出现时间越来越早、浓度越来越高、污染越来越严重的趋势。
2.3 O3污染高发期（4月-10月）O3浓度与风向相关性分析
通过对2017-2020年O3污染高发期（4月-10月）O3浓度分布与风向相关性分析可知，2017年O3高值集中在西南方向和东方向，2018年O3高值主要集中在北方向，2019年O3高值集中在北方向、东北方向、东方向和南方向，2020年O3高值集中在西北方向和北方向。综上可知，近4年来天心区O3高值在刮北风向、西北风向出现频率较高。
2.4 O3污染高发期（4-10月）O3浓度与湿度相关性分析
通过对2017-2020年O3污染高发期O3浓度与湿度相关性分析可知，2017-2020年O3出现高值的湿度范围逐渐扩张，说明天心区O3前体物逐年增加，造成O3高值区域增加。同时，湿度在20%~60%之间O3高值分布较多，且湿度越低，O3值越高。
2.5 O3污染高发期（4-10月）空气质量综合指数分析
2017-2020年4月至10月期间，O3污染高发期天心区空气质量综合指数中O3的占比分别为26.42%、27.79%、29.52%、30.37%，且O3的综合指数占比在6项污染物中排名第一，占比呈逐年增长趋势，由2017年的26.42%上涨至2020年的30.37%，提升了3.95%，表明天心区O3污染逐年加重。
3 结束语
2017-2020年长沙市天心区O3小时平均浓度呈现明显的单峰变化规律，峰值出现在15：00-17：00；2017-2020年O3月浓度高值集中在4-10月，峰值出现在5月、6月和9月，低值出现在1月和12月。
2017-2018年长沙市天心区O3污染超标天数保持相对平稳，2019年爆发式增长，2020年受疫情和较多台风影响有所缓解。O3污染呈现了出现时间越来越早、浓度越来越高、污染越来越严重的趋势。
2017-2020年长沙市天心区O3高值在刮北风向、西北风向出现频率较高； O3高值出现的湿度范围逐年扩张，O3前体物逐年增加；湿度在20%~60%之间O3高值分布较多，湿度越低，O3值越高。
2017-2020年（4月-10月）长沙市天心区O3的综合指数占比在6项污染物中排名第一，占比逐年提升，O3污染逐年加重。
