2016～2019年宿迁市中心城区臭氧污染特征分析

孙 丹

(江苏省宿迁环境监测中心，江苏 宿迁 223800)

1 引言

近年来，宿迁市大气污染防治工作的深入开展，有效推动了环境空气质量的持续改善。但随着经济的持续增长，能源消耗的持续增加，大气污染治理的难度逐年递增。特别是2016 年以来，宿迁市PM2.5改善幅度逐年放缓的同时，臭氧浓度出现大幅上升，超标现象明显，导致优良天数比例同比不升反降，成为继PM2.5后严重制约宿迁市环境空气质量改善和达标的重要污染物。

臭氧(O3)是典型的二次污染物，是污染源(天然源和人为源)排放的氮氧化物(NOx)、挥发性有机物(VOCs)和一氧化碳(CO)等前体物在高温、强辐射的条件下发生大气光化学反应而生成[1]。当前，国内对臭氧污染的相关研究主要集中在京津冀、珠三角、长三角以及省会等中大型城市[2～10]，针对苏北内陆城市研究相对较少。本文基于2016～2019年宿迁市国控大气站点观测数据，探讨了臭氧及NO2浓度水平、时空分布特征，以期为地方臭氧污染防治、管控提供参考，为制定有效的大气管控政策提供依据。

2 数据来源和分析方法

2.1 观测数据来源

当前，宿迁市中心城区分布有4个国控大气站点，分别为市供电局、宿迁学院、宿迁中学、宿豫区政府。各点位均按照规范要求，开展了SO2、NO2、PM10、CO、O3和PM2.5六项基本参数的连续自动监测。本文研究O3和NO2浓度数据采用2016～2019年期间国控站点的连续监测数据。

2.2 数据评价方法

O3评价指标为日最大8 h滑动均值(以下以“O3-8h”表示)，数据有效性、计算方法、统计方法按照《环境空气质量标准》(GB3095-2012)[11]和《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》(HJ633-2013)[12]执行。

3 结果与分析

3.1 宿迁市中心城区臭氧污染总体状况

2016～2019年期间，宿迁中心城区O3-8h、O3-8h第90百分位数以及超标天数如图1 所示。各年度O3-8h浓度分别为86、106、102、111 μg/m3；O3-8h第90百分位数分别为137、171、167、180 μg/m3，仅2016年达标，其余年份分别超出日最大8 h平均二级标准6.9%、4.4%、12.5%；臭氧超标天数分别为 20、51、45、71 d。从浓度及超标情况来看，2016年宿迁市中心城区臭氧污染程度最轻，2019年最为严重，虽然2018年较2017年有所改善，但整体而言，宿迁市中心城区臭氧污染呈加重趋势。

图1 2016～2019年宿迁中心城区O3-8h浓度以及超标天数

3.2 宿迁市中心城区臭氧污染时间变化特征

3.2.1 月度变化

宿迁市中心城区2016～2019 年臭氧逐月浓度水平变化如图2所示。总体来看，宿迁市5月份和6月份臭氧浓度最高，尤其是6月份，除2016 年外，浓度均为全年最高，2016 年则是9月份臭氧浓度最高。2016年臭氧浓度月变化呈典型的“单峰”分布，但总体看：6～9月份臭氧浓度差异较小；2017～2019年，与2016年截然不同，臭氧呈“双峰型”分布，第一个高值为6月份，第二个高值为9月份。2017年臭氧浓度相比2016年大幅上升，特别是在1～5月份，有3个月浓度达到同期最高；2018年臭氧浓度有所降低，但其10 月浓度为同期最高。相比于2018年，2019年臭氧浓度显著上升，特别是6～9 月份浓度上升明显，且高于同期；9月份为2016年最高，2017、2018、2019年则均为6月份最高。

图2 宿迁市2016～2019年臭氧逐月浓度水平变化

宿迁市中心城区2016～2019年臭氧逐月超标天数如图3所示，2016～2019年全年分别超标20 d、51 d、45 d和71 d，2019年显著高于历史同期。从超标出现时间来看，2016年集中在6～9月份，2017年集中在4～9月份，2018年集中在3～10月份，2019年则集中在2～10月份；臭氧超标出现时间逐年提前，结束时间则有所延迟。

图3 宿迁市2016～2019年臭氧超标天数逐月变化

臭氧浓度最高的6月份超标最为严重，2019年6月份宿迁市超标22 d，高于历史同期，2017年和2018年分别超标19 d和16 d；其次是5月份，2017年5月份臭氧浓度最高，且超标13 d，再次是2019年，超标12 d；4月份2018年超标最多，为9 d，2017年和2019年分别超标8 d和4 d； 2019年7月份和8月份均超标10 d，高于其他年份；9月份则是2016年超标最多。2019年5～9月份臭氧超标严重，表明臭氧污染形势更为严峻。

3.2.2 日变化

从2016～2019年臭氧逐日浓度变化来看，2016年仅有6～9月份的臭氧有超标，高浓度值集中在9月份，其中9月1～5日连续超标。2017年污染程度相对较重，高值集中在5月份和6月份，且超标天连出现。2018年高浓度值主要集中在6月份，6月1～8日连续8 d超标，其中6月8日和6月6日臭氧日最大8 h滑动平均值分别高达252 μg/m3和225 μg/m3。2019年5～9月份臭氧浓度较高，5月份和6月份分别连续超标5 d和10 d，其中6月15日臭氧日最大8 h滑动平均值达到254 μg/m3；7月、8月均出现连续4 d超标。

图4 2016～2019年宿迁市臭氧逐日的变化特征

3.2.3 小时变化

2016～2019年臭氧超标天和非超标天情况下的臭氧及NO2的小时浓度变化统计情况如图5所示，臭氧小时浓度均呈单峰型分布。臭氧超标日，从8时开始臭氧生成速率很快，浓度快速升高，峰值时间则随着年份变化由2016～2017年的15时向后延迟至2018～2019年的17时，14时至夜间凌晨的臭氧浓度也呈逐年上升趋势，2019年与2018年较为接近，夜间浓度居高不下；非超标天自7～8时开始抬升较为缓慢，达到峰值时间与超标天类似，且夜间浓度也逐年上升。从臭氧日变化的谷值来看，超标日的臭氧初始浓度要显著高于非超标天，这可能导致大气氧化性增强，有利于臭氧污染的持续发生[13,14]。

图5 2016～2019年超标天(a)和非超标天(b)O3和NO2的日变化

超标天和非超标天的主要区别在于光化学反应初始时刻臭氧的初始浓度和臭氧的抬升速率(主要是8～12时)，对比NO2的日变化规律可以发现，非臭氧超标日NO2日变化的峰值和谷值浓度均高于超标日，尤其是臭氧浓度较高的中午，超标天的NO2浓度明显低于非超标天，总的来看日变化趋势一致。

臭氧超标天浓度区间统计情况如图6所示，从图中可以看出，2016年臭氧超标浓度主要集中在160～170和170～180 μg/m3之间，占2016年总超标天的80.0%，其次是180～190 μg/m3之间，占15.0%，190～200 μg/m3之间仅占5%。2017年臭氧超标在160～170 μg/m3之间最多，为14 d，占27.5%；其次为超过200 μg/m3和170～180 μg/m3区间，各有11 d，均占17年总超标天的21.6%；180～190 μg/m3之间有9 d，占比为17.6%；190～200 μg/m3区间为6 d，占17年总超标天的11.8%。2018年臭氧超标浓度主要集中在170～180 μg/m3区间内，占2018年总超标日的31.1%；其次是160～170 μg/m3区间，占超标天的28.9%。2019年臭氧超标显著增多，有19 d臭氧浓度超过200 μg/m3，占超标天的26.8%，频次在历年中最高；160～170 μg/m3区间的超标天数达22 d，占超标天的31.0%，频次也显著高于其他年份。

图6 臭氧超标天浓度区间

3.3 宿迁市中心城区臭氧污染的空间差异

图7为宿迁市2016～2019年臭氧空间分布情况。如图所示，整体来看，4个站点臭氧浓度均逐年升高，年际变化一致。从各站点来看，2016～2017年，宿迁学院臭氧浓度均为4个国控点中最高，2018年宿豫区政府站点浓度与2017年接近，但在2018年却高于其他站点，这是由于2017年浓度较高的宿迁中学和市供电局站点浓度均有所下降，而宿豫区政府浓度保持稳定；2019年宿豫区政府站点臭氧浓度最高，为207 μg/m3，2019年4个站点之间浓度相差较小。

图7 宿迁市2016～2019年臭氧空间分布

2016～2019年宿迁市不同站点臭氧日变化如图8所示，整体来看，不同年份不同站点的臭氧日变化均呈同样的“单峰”变化趋势，从早上7时开始显著上升，下午显著下降。具体来看，2016年宿迁学院为所有站点中臭氧浓度最高的站点，市供电局和宿豫区政府基本相同，宿迁中学在光化学剧烈反应的时段相对较低。宿迁学院和宿迁中学在中午14时达到峰值，市供电局和宿豫区政府在15时达到峰值。2017年4个站点浓度均高于2016年，其中宿迁学院、市供电局和宿豫区政府站点臭氧浓度基本相同，且宿迁中学依旧浓度较低。市供电局、宿迁学院和宿迁中学在15时达到峰值，宿豫区政府在14时达到峰值。2018年臭氧浓度较2017年有所降低，其中市供电局站点为4个站点中浓度最高的站点，市供电局、宿迁中学和宿豫区政府在16时达到峰值，宿迁学院在15时达到峰值。2019年1～10月4个站点浓度基本相同，站点间在光化学剧烈反应时段的差距基本没有，表明站点间的区域污染更为显著。此外，4个站点均在16时达到峰值。总体而言，不同站点的臭氧峰值时刻均不断延后，而臭氧浓度在不断增加。

图8 宿迁市2016～2019年不同站点臭氧日变化

4 结论

(1)2016～2019年，宿迁市中心城区臭氧污染程度整体呈上升态势。仅2016年臭氧浓度达标，2017年、2018年、2018年分别超出日最大8 h平均二级标准6.9%、4.4%、12.5%；臭氧超标天数分别为20、51、45、71 d。

(2)2016年臭氧浓度月变化呈典型的“单峰”分布，峰值出现在6月份；2017～2019年，臭氧则呈“双峰型”分布，第一个峰值出现在6月份，第二个峰值则在9月份。从臭氧超标出现时间来看，2016年在6～9月份，2017年在4～9月份，2018年在3～10月份，2019年在2～10月份。整体而言5、6月份臭氧污染最为严重，6月份超标最多，其次为5月份，高值也主要集中在以上两个月份。

(3)臭氧超标天和非超标天的小时浓度变化趋势均呈单峰型分布，浓度峰值出现在15～17时之间。此外，宿迁市中心城区臭氧超标区间主要为160～170 μg/m3，其次为170～180 μg/m3和超出200 μg/m3的区间。

(4)2016～2017年臭氧高值均出现在宿迁学院、中心城区的南部区域，2018年中心城区的东南部即宿豫区政府站点臭氧污染凸显，2019年则是城区中心的供电局站点污染最为严重。