昆明市官渡区臭氧污染特征及影响因子相关性分析

蔡 捷，郭治衡

(1.昆明市生态环境局官渡分局生态环境监测站，云南 昆明 650000；2.昆明理工大学 环境科学与工程学院，云南 昆明 650000)

0 引言

O3是挥发性有机物(VOCs)和氮氧化物(NOX)等在大气中通过一系列光化学反应生成的二次污染物，高浓度的臭氧会对人体健康产生较大影响，因此臭氧污染必须重视起来[1]。近年来，随着昆明市官渡区大气污染防治工作的不断强化，官渡区环境空气中的PM10、PM2.5等主要污染物得到有效控制，而臭氧(O3)浓度却逐年升高，并成为首要污染物。

根据文献检索，臭氧浓度的影响因子包括：气压、气温、相对湿度、风速、降水量、NO2、NO、PM10、CO、PM2.5等[2～3]。针对不同的影响因素，国内外学者已经做了大量的研究。但是由于研究实验之间的监测环境和气象条件千差万别，所得到的实验数据以及最终的结论也有不同程度的区别，本文就昆明市官渡区这一地点进行定点分析。

昆明市位于云南中部，三面环山、南临滇池，因此容易形成局地风，导致大气污染物积累。官渡区为昆明四个主城区之一，位于昆明主城区东南部、滇池北岸，全区海拔在1886.6～2731m，属低纬度高海拔地区。由于紫外线辐射强，容易导致光化学反应和一些污染物的生成，造成臭氧浓度升高[4]。官渡区年平均风速为2.1m/s。干、湿两季明显，其中5—10月降水量占全年的85%左右，11月—次年4月仅占全年的15%左右。降雨量分布不均衡，有效降雨天数较少且多单点暴雨，干季容易加重颗粒物污染[5]。

1 研究方法

1.1 监测点位分布

依据《环境空气质量监测点位布设技术规范》等国家标准要求，昆明市共设置了7个国控空气质量监测点，全部采用紫外荧光法进行连续自动监测。国控站点由生态环境部委托的专业单位按照相关规定和标准对检测设备进行维护校准，最大程度地降低检测误差。本次采用的数据为昆明市官渡区国控空气质量检测点。

1.2 判断依据

2012年国家颁布了新的《GB 3095-2012环境空气质量标准》，增设了臭氧8h平均浓度限值。同时，根据《HJ 663-2013环境质量评价技术规范》规定以及臭氧危害特性，臭氧浓度以日最大8h平均值进行日评价，以日最大8h平均值的第90百分位进行年评价。臭氧日最大8h滑动均值 (O3-8h) 的日超标标准值为 160μg/m3。

1.3 研究数据来源

以2019年1月1日—2019年12月31日共365d的监测数据对昆明市官渡区臭氧污染特征进行分析。

2 官渡区O3污染的特征

图1为2019年官渡区臭氧日浓度的月份均值变化趋势。按照月平均O3浓度分布来看，2019年官渡区O3浓度分布曲线呈现双峰型，4月份最大(132.77μg/m3)，其次是8月份(121.03μg/m3)，12月份最小(65.87μg/m3)。总体来看，臭氧浓度在1—4月、6—8月为快速增长过程，4—7月、8—12月为下降过程。从季节变化过程来看，如图2所示，官渡区的O3浓度春季最高，达到了122.93μg/m3，夏季略低，秋、冬季的浓度相当且最低。春夏季节官渡区天气以晴好为主，降雨天气较少，太阳紫外辐射强，温度较高，湿度较小，有利于臭氧生成；秋冬季节臭氧浓度较低，主要是由于冬季温度较低，紫外辐射较弱，不利于臭氧的生成。

图1 官渡区臭氧日浓度的月份均值变化趋势

图2 官渡区臭氧日浓度的季节均值变化趋势

根据统计可得，臭氧超标天数最多的为8月，有7d超标；4月份超标5d，7月略低，为1d，其他月份没有超标，见表1。全年仅4、7、8月份超标，超标天数占全年总超标天数的100%，这也是官渡区春季和夏季空气质量较差的原因。官渡区臭氧污染除了由于所处的春、夏季节是污染高发季节外，其可能与春夏、夏秋季节转换期间不同主导气流相互影响导致污染物累计不易扩散也有一定的关系。

表1 臭氧超标天数各月分布情况

3 影响因子相关性分析

3.1 数据分析方法

本文采用相关性分析法，相关系数是定量评价相关性大小的指标，常用的相关性系数有Pearson相关系数、Kendall 相关系数以及Spearman 相关系数。本次研究采用Pearson相关系数[6]。

本文进行相关性分析的是臭氧浓度的影响因子：气压、气温、相对湿度、风速、降水量、NO2、NO、PM10、CO、PM2.5。根据GB 3095-2012的规定，将得到的臭氧数据以160μg/m3为界限分为超标、不超标两组数据进行相关性分析。因此，本文将处理后的数据筛选为：低于160μg/m3的数据为低浓度段，高于160μg/m3的数据为高浓度段，然后运用SPSS软件分析臭氧浓度与各个因子之间的相关性。

3.2 相关性数据

选用2019年1月1日—2019年12月31日共365d的数据进行筛选，最终得出358组有效数据。臭氧浓度、气压气温和相对湿度的均值见表2。

表2 臭氧及影响因子的均值

利用SPSS 软件计算得到Pearson相关系数的R值，详见表3。

表3 臭氧与影响因子之间相关性系数

4 数据分析结果

(1)昆明市官渡区臭氧浓度在4月份达到最高，8月份次之，11月份最低。

(2)臭氧浓度超标主要是在4、7、8月份，占到了总超标天数的100%。

(3)根据相关性数据来看，在高浓度臭氧情况下，仅有风速P值>0.05，为有效数据。风速与高浓度臭氧之间的R值为-0.581，为强负相关性，即风速越高，臭氧浓度越小。全部臭氧与风速的数据相关性为0.196，低浓度臭氧与风速之间相关性为0.275，都为正相关性，而且为弱相关。由此可知，臭氧浓度超标时，风速是导致其超标的主要因素。在低浓度臭氧情况下，风速对臭氧浓度影响较低。

(4)气温与低浓度臭氧情况下，相关性达到0.431，为中等程度相关，而臭氧高浓度情况下为无效数据。全部气温与臭氧的数据相关性为0.475，为正相关。说明气温升高是导致低浓度臭氧升高的关键因素；从理论方面解释，高温条件下，氮氧化物和碳氢化合物会在光照辐射的催化作用下产生臭氧，温度越高产生臭氧的速率就越大；另一方面，高温也会导致异戊二烯的大量产生(主要由植物排放)，异戊二烯被·OH氧化后形成RO2，RO2与NO 反应形成NO2，同时促使·OH的循环，最后NO2在光照的情况下形成臭氧。

(5)全部相对湿度与臭氧的数据相关性为-0.602，为弱相关，说明相对湿度越低，臭氧浓度越高；在低浓度情况下，相关性达到-0.636，都呈现强负相关。纵看整个相关性列表发现，相对湿度应该是影响臭氧浓度最关键的因素，提高相对湿度，是解决目前臭氧浓度过高最优的办法。初步估计是湿度高的情况下，部分臭氧溶解于空气的水分中，导致臭氧浓度下降。

(6)低浓度臭氧条件下，气压、风速、降水量、NO2、NO、PM10、PM2.5可以影响臭氧浓度，但不是主要影响因子。

5 结论

根据姚青[7]等人对天津市夏季O3浓度影响因子的研究，气温与臭氧浓度呈现正相关，风速、相对湿度与臭氧浓度之间都呈现负相关性。这与我们在昆明官渡区所得到的结论一致。说明云贵高原与平原地区，影响臭氧浓度变化的因子以及这些因子的正负相关性是一致的，即影响因子对臭氧浓度的作用不受海拔高度的影响。