西宁市环境空气中臭氧浓度时空演变特征分析

索有芳，王娜

(青海省生态环境监测中心，青海 西宁 810007)

引言

高空中臭氧层是地球生态圈的重要组成部分，它吸收并阻隔了绝大部分的紫外线辐射，是生命的“保护伞”，但近地面O3浓度增加，对人体健康和植物生长的危害不容忽视[1-3]。近年来，随着经济快速增长和城市化进程的不断加速，我国大气环境正面临以PM2.5污染和O3污染共存的复合型污染问题。但今年来O3污染逐步显现，且开始呈现增长的趋势，成为继PM2.5之后的主要大气污染物[4]。

西宁市位于青海省人口集中的东部城市群的河湟谷地，因四面环山的不利地形，致使空气中污染物浓度不断积累增高，大气扩散稀释能力较差，从而整体影响环境空气质量。近年来西宁市环境空气中O3浓度逐年增加，日均值出现超标现象日益增加，O3污染已逐步显著。主要表现在超标天数增加，平均浓度升高，首要污染物中O3占比增加等方面。本文利用2016—2021年西宁市内4个国控空气质量监测站点数据，分析了西宁市O3污染的变化特征及规律，初步分析气象要素对O3的影响，为O3污染区域防控提供参考。

1 数据来源与分析方法

目前西宁市对外实时发布的空气质量国控监测站点共有4个，包括湟中区第五水厂(对照点)、城西区(青海师范大学城西校区)、城北区(城北区政府)和城东区(西宁市世纪职业技术学校)，监测指标包括SO2、NO2、CO、O3、PM10和PM2.5以及气象五参数，本文选取2016—2021年逐时O3浓度数据，采用统计学方法进行分析。气象数据来源于2015—2020年《青海统计年鉴》。

环境空气质量评价标准执行《环境空气质量标准》[5](GB3095-2012)和《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》[6](HJ633-2012)。

2 结果与讨论

2.1 首要污染物占比变化趋势

图1为西宁市2016—2021年环境空气中首要污染物占比较高的3项污染物变化趋势。从图中可以看出，2016—2021年西宁市环境空气中PM10作为首要污染物的占比呈下降趋势，从2016年的43.2%下降至2021年的31%，下降了12.2%。表示近年来全省开展“蓝天保卫战”的各项工作以及 “抑尘、减煤、控车、治企”等大气污染防治的措施效果显著。PM2.5占比从2016年的13.4%上升至2020年的22.7%，上升了9.3%，但2021年较2020年出现下降。O3占比远高于PM2.5，且呈上升趋势，从2016年的15.6%上升至2021年的35.1%，上升了19.5%，说明西宁市大气氧化性逐年升高，NOx和VOCs等O3前体物排放量大，在太阳光强烈辐射下，光化学反应更有利于O3的生成，空气中O3浓度上升，O3已逐渐取代颗粒物成为西宁市首要污染物占比最高的污染物之一。

图1 2016—2021年西宁市PM10、PM2.5和O3首要污染物占比变化趋势

2.2 O3浓度年变化趋势

图2为西宁市2016—2021年O3平均浓度和O3第90百分位日最大8h平均浓度(以“O3-8h-90per”表示)的变化趋势。从图2看出，2016—2021年西宁市环境空气中O3平均浓度和O3-8h-90per浓度均呈上升趋势，从2016—2021年，O3平均浓度上升26.4%，O3-8h-90per浓度上升26.8%。

图2 2016—2021年西宁市O3平均浓度、O3-8h-90per浓度变化趋势

2.3 O3浓度月变化趋势

分析2016—2021年西宁市O3-8h-90per浓度的月变化(图3)可以发现，自2月开始O3浓度逐渐升高，到每年6～8月(夏季)O3浓度达到峰值，O3污染的高发季节就出现在这一时段，其中2017年7月和2021年7月O3-8h-90per浓度高达170μg/m3以上，超过国家二级标准。进一步分析发现，西宁市每年6～8月处于平均气温最高，平均日照时数较多的时段，说明西宁市O3浓度受温度、光照和太阳辐射等气象因子的影响显著。10月以后气温偏低，不利于O3反应生成，浓度显著下降，O3最低浓度均出现在12月。

图3 2016—2021年西宁市O3-8h-90per浓度月变化趋势

2.4 O3浓度日变化趋势

图4 2020—2021年西宁市O3平均浓度日变化趋势

2.5 O3超标分析

按照《环境空气质量指数(AQI)技术规定》(HJ633-2012)，统计2016—2021年西宁市主城区及西宁市4个国控站点O3各个级别分布情况，统计结果如表1所示。西宁市主城区O3超标率从2016年未出现超标，到2021年超标率达到4.11%，期间除2017年超标率较高外，O3超标呈上升趋势。从4个国控站点的平均值来看，青海师范大学城西校区O3超标率最高，为2.05%；西宁市世纪职业技术学校和城北区政府次之，分别为1.73%和1.60%；第五水厂(对照点)最小，为1.4%。从年际变化来看，4个站点的超标率2016—2021年基本表现为上升的变化趋势，其中2021年O3污染最为严重，城北区政府、第五水厂(对照点)、西宁市世纪职业技术学校和青海师范大学城西校区4个站点空气质量等级达到三级的天数分别为18d、14d、13d、10d，西宁市世纪职业技术学校还出现了1d四级(中度污染)的空气质量。2021年超标率从大到小的排列顺序依次为城北区政府(5.16)>第五水厂(对照点)(3.90)>西宁市世纪职业技术学校(3.66)>青海师范大学城西校区(2.83)。

表1 2016—2021年西宁市及4个国控站点O3-8h各级别天数统计

2.6 O3浓度分布

图5为2016—2021年西宁市O3-8h浓度分布情况。O3-8h日均浓度分布频率相对较高区间在60～120μg/m3，峰值频率和浓度小于40μg/m3的频率逐年下降，但谱宽逐年加宽，2019年O3-8h浓度大于110μg/m3出现的频率明显增多，特别是120～180μg/m3频率增幅较为明显。说明西宁市O3-8h浓度有向高浓度区间发展的趋势。

图5 2016—2021年西宁市O3-8h浓度分布

2.7 气象要素对O3的影响

2015—2020年西宁市月O3-8h平均月浓度与平均气象要素的关系见图6所示。从图6可以看出，O3-8h浓度与气温大致呈正相关，高温伴随着高强度的太阳辐射，就会产生较高的光化学反应，冬季太阳辐射较弱，O3光化学反应处于较低效率的状态。在不同季节，O3浓度与降雨量的相关性有所变化，春季、秋季和冬季O3-8h浓度与降雨量大致呈正相关，夏季基本呈负相关，降雨量多相对湿度就高，通过湿度清除作用降低O3浓度。夏季O3-8h浓度与风速负相关性显著，低风速下污染物浓度的积累效应导致O3浓度反而升高，其他3个季节呈正相关，不同季节，风速大小对污染物浓度的影响不同。O3-8h浓度与日照时数夏季呈正相关，秋冬季呈负相关，其他季节影响不明显。由于西宁市特殊的地理位置及气候原因，春、冬气温低、降雨少，夏季气温高、日照强，因此西宁市夏季O3光化学反应受气温、降雨、风速、日照时数等因子的影响更为显著，其他3个季节影响不明显。

图6 2015—2020年西宁市O3-8h平均月浓度与平均气象要素的关系

3 结论

(1)自2016年以来，西宁市以O3为首要污染物的占比逐年增加，2021年达到近年内最高值35.1%。

(3)从2016—2021年O3超标情况看，西宁市主城区O3超标率呈上升趋势，到2021年超标率达到最高4.11%。4个国控站点中青海师范大学城西校区O3超标率最高(2.05%)，西宁市世纪职业技术学校和城北区政府次之(分别为1.73%和1.60%)，第五水厂(对照点)最小(1.4%)，另外4个站点超标率年际变化基本表现为上升的趋势。从O3-8h日均浓度分布频率看，O3浓度较高区间在60～120μg/m3，谱宽逐年加宽，浓度在120～180μg/m3出现的频率明显增多，说明西宁市O3浓度有向高浓度区间发展的趋势。

(4)因西宁市特殊的地理位置及气候原因，夏季O3受气温、降雨、风速、日照时数等因子的影响更为显著，其他3个季节影响不明显。