2014～2020年中国臭氧浓度时空分布特征研究

姜澒月,郑秀苹,郝 菁,戴爱泉,蒋 楠

(青岛市环境保护科学研究院，山东 青岛 266003)

1 引言

大气复合污染是我国生态环境面临的主要环境问题，特别以颗粒物与臭氧为主的复合大气污染给城市生态环境带来了巨大的压力[1，2],影响着公众健康与生态环境安全。当前，随着国内大气污染防治行动计划的不断推进，PM2.5浓度持续下降，污染得到了改善，但是O3污染逐步呈现恶化的态势[3],尤其是O3的前体物-氮氧化物和挥发性有机物的增多，进一步加剧了O3污染，使得O3逐步成为各城市的主要污染物[4]。人体长期暴露在O3污染环境中，对个体的呼吸和循环系统会造成严重的负面影响，并且还会导致农作物的产量下降和动植物细胞的死亡。根据我国生态环境部发布的《2020年中国生态环境状况公报》显示，337个城市以臭氧为首要污染物的超标天数占总超标天数的37.1%，168个地级及以上城市O3浓度达到国家空气质量一级标准的百分比数量为0%，但是均达到二级及以上标准。

目前，学者对我国中大型城市及重大城市群 O3浓度的时空分布特征开展了大量研究。褚旸晰等[5]对2017～2020年期间河北、河南、陕西等地的大气污染及O3污染进行了分析，Gong等[6]对中国16个城市地面 O3浓度的空间分布进行了研究，曹庭伟[7]、宋佳颖[8]、王琳琳[9]等对典型城市群臭氧浓度进行了O3浓度分析，王宏[10]、杨溟鋆[11]、晏洋洋[12]、严文莲[13]等对单一省份或城市进行了O3的分析。但研究多仅局限于单点或地面基站的短时间的监测，且地域代表性常受到制约，受制于数据量的收集、处理及分析因素，长时间、覆盖广且时间空间呈现连续性的O3浓度时空分布分析相对较少。因此，本文利用2014～2020年中国O3日最大8 h质量浓度的月均值作为研究数据，采取统计分析及克里金插值(Kriging)分析了中国整体地表臭氧污染现状及特征。

2 材料与方法

2.1 数据来源

本文主要研究了2014～2020年中国(中国香港、澳门和台湾地区数据暂缺)337个地级及以上城市城市地表O3时空演变格局，O3浓度数据来源于中国国家环境监测总站 ( http: / /106. 37.208.233: 20035/)发布的全国国控监测站点数据,为排除O3浓度数据偏离值在监测过程中造成的数据波动，采用O3日最大8 h质量浓度的月均值作为研究数据(O3浓度)，共统计获得28897条数据。由于臭氧的评价指标为日最大8 h平均值的第90百分位浓度，为评价当前我国O3污染及质量达标情况，采取O3日最大8 h浓度平均值排序后，取第90百分位浓度值进行讨论。为了保障研究数据的可靠性与连续性，在数据统计处理之前，对获取的O3浓度数据按照大气污染物浓度数据有效性规定( GB 3095-2012) 进行了严格的数据质量筛选、控制，用于剔除异常数据。

2.2 研究方法

研究通过ArcGIS 10.5软件，采取普通克里金法对2014～2020年全国O3污染物年均浓度进行空间拟合分析，同时以季度、月度数据统计分析O3污染的时间变化特征，以讨论近年来中国O3污染的整体变化。普通克里金法是一种基于变异函数理论和结构分析的线性、无偏插值，在地理信息和气象学方面有着广泛的应用，利用区域化变化为基础，根据已知样本点赋权重对未知样点进行无偏、最优化估计，采取球状模型作为克里金法的变异函数模型。计算公式为：

(1)

式(1)中，Z(si) 是第i个位置处的测量值，λi是第i个位置处的测量值的权重，s0是预测位置，N是测量值数，取默认值12。基于普通克里金法对全国O3污染物浓度空间拟合结果，采用ArcGIS 10.5软件中区域统计分析工具，统计各省O3污染物浓度用以探究全国臭氧浓度的分布特征。

3 结果与分析

3.1 臭氧浓度现状与达标情况

据中国环境监测总站《2021年1～10月份全国城市空气质量报告》显示，全国339个地级及以上城市O3日最大8 h第90百分位浓度值均优于国家空气质量臭氧二级标准，处于85～157 μg/m3之间。1月份O3日最大8 h第90百分位浓度值最低为85 μg/m3，达到国家空气质量一级标准；2～10月份O3日最大8 h第90百分位浓度值处于104～157μg/m3之间，达到国家空气质量二级标准，最高值出现在6月份，达到157 μg/m3。O3月度变化趋势呈现倒U型，1～6月份O3月度变化呈直线增长趋势，随后波动下降，整体来看，5～9月份为年中O3浓度偏高月度区间，整体处于约140 μg/m3及以上范围。

与2020年同期相比，1月、3～5月O3日最大8 h第90百分位浓度值与去年相比呈降低趋势，同比降幅分别为3.4%、0.9%、11.6%、6.5%，其他月份增幅为0.9%～10.6%之间，其中6月份增幅达到10.6%，不仅是年内最高值，也是同比增幅最高的月份，可能与2020年受特殊形势影响，国内各类企业复工生产受到影响，令挥发性有机物及颗粒物等排放较少[14]，使得2021年O3浓度最高月份增幅明显(图1)。

图1 2021年1～10月全国臭氧日最大8 h第90百分位浓度值

3.2 2014～2020年臭氧浓度时间变化趋势

根据O3浓度季度变化显示，全国春季、夏季臭氧浓度偏高，秋季、冬季臭氧浓度较低，冬季臭氧浓度明显低于前三季度，这与臭氧的生成与温度、光照强度密切相关结论一致，温度越高、光照越强，就越有利于氮氧化物、挥发性有机物等前体物生成臭氧，冬季温度较低，并且伴随着雨雪、大风天气，不利于臭氧的生成与集聚，因此呈现夏季臭氧污染最多、冬季臭氧污染最小的季度变化趋势。鉴于臭氧的评价指标为日最大8 h平均值的第90百分位浓度，而非日均值的平均值，因此根据臭氧浓度显示，春季与夏季整体浓度相对邻近，且均高于秋季与冬季的臭氧浓度情况。

2014～2020年全国臭氧浓度年内月度变化呈现倒U型浓度变化趋势，1～4月份呈现直线上升趋势，5～6月份出现本年O3浓度最高峰值，随后7～9月份O3浓度逐步下降但仍然维持偏高浓度，10月份后与1～5月份趋势相反，大幅降低。3～4月份、9～10月份浓度变化最为明显，4～9月份O3浓度均高于99.6 μg/m3。其中，5～7月份数值基本高于同年其他月份O3浓度，成为年内O3浓度第一梯队，4、8、9月份O3浓度略低于5～7月份数据，是年内浓度第二梯队。根据4～9月份年际变化特征可见，2016、2017、2019年增幅趋势明显，尤其在2017年4～9月份增幅均值达到8.3%。温度高、光照强的月份臭氧浓度较高，2015、2016、2017、2020年O3浓度最高值为5月份，其他年度峰值出现在6月份，整体峰值达到108～131 μg/m3之间。最低值位于12至次年1月份之间，2016、2019年O3浓度最低值出现在1月份，其他年度最低值为12月份，最低值为38.1～57.3 μg/m3(图2～3)。

图2 2014～2020年全国臭氧日最大8 h质量浓度季度变化

图3 2014～2020年全国臭氧日最大8 h质量浓度月度变化

3.3 臭氧浓度分布特征

探究全国臭氧浓度的分布特征，有助于为制定大气污染防治和制定环境保护政策等提供理论依据和数据支撑。2014～2020年臭氧浓度克里金插值空间分布分省统计结果显示，臭氧浓度高的区域集中在西北、华北、华中、华东地区，而西南、东北地区受海拔、地形、温度等因素综合影响，臭氧浓度低于其他地区，O3浓度显示出明显的区域差异。从年际变化的角度，2014年华东沿海地区、华南地区为全国臭氧浓度高值地区，其后2015～2016年华北地区中部与西北地区，尤其是河北省、甘肃省、宁夏回族自治区臭氧浓度逐步升高，与山东省、河南省、江苏省成为我国臭氧浓度高值省份，2017年起西北、华北、华中、华东地区，共同组成我国臭氧浓度的高值地区，基本形成沿纬度分布的格局，高值集中在北纬25°～40°之间，且东部沿海区域比内陆区域浓度更高。这种空间格局与我国人口分布的情况相近，可能是由于该区域人口密集，城市化水平较高，工业发达，因此在在生产与生活过程中所排放的挥发性有机物、氮氧化物等臭氧前体物较多，而甘肃省、宁夏回族自治区等西北地区由于光照时间长、海拔相对较高的影响，有利于臭氧前体物经过化学变化产生臭氧，因此，形成了我国臭氧浓度分布的基本空间格局，且后续年份基本维持该特征的空间分布情况。从各个省份的稳定程度来看，山东省、江苏省、河南省、山西省、河北省等省份均稳定保持高水平的臭氧浓度，黑龙江、贵州省等省份一直维持相对较低水平的臭氧浓度。结合以上分析研究，人口密集、城市化水平高、光照时间长等综合因素导致了部分地区臭氧浓度偏高，未来需要在这些城市化水平高、工业发达、人口密度大的地区加强臭氧排放的监管力度，利于稳定性、持续性地减少臭氧污染，从而减少臭氧污染人体暴露及患病的风险(图4)。

图4 2014～2020年全国各省份臭氧日最大8 h年均浓度

4 结论

(1)2021年1～10月份O3日最大8 h第90百分位浓度值均优于国家空气质量臭氧二级标准，处于85～157 μg/m3之间，1月份达到国家空气质量一级标准，其他月份达到国家空气质量二级标准。全年浓度与增幅最高值均出现在6月份，达到157 μg/m3，同比增长11.6%。O3月度变化趋势呈现倒U型，上半年O3浓度呈直线增长趋势，下半年波动下降。

(2)2014～2020年O3浓度季度变化显示，全国春季、夏季臭氧浓度偏高，秋季、冬季臭氧浓度较低，冬季臭氧浓度明显低于前三季度；年内1～4月份呈现直线上升趋势，5～6月份出现本年O3浓度峰值，整体峰值达到108～131 μg/m3之间，随后7～9月份O3浓度逐步下降但仍然维持较高浓度，10月份后大幅降低，最低值位于12至次年1月份之间；4～9月份区间是年内的O3浓度偏高月份，浓度均高于99.6 μg/m3，且与邻近月份呈显著差异变化，应是臭氧污染治理的重点关注月份。

(3)臭氧浓度克里金插值分省统计结果显示，臭氧浓度高的区域集中在西北、华北、华中、华东地区，基本形成北纬25°～40°之间高值分布格局，且东部沿海区域比内陆区域浓度更高，与我国人口分布的情况基本一致。人口密集、城市化水平较高、光照时间长等综合因素导致了部分地区臭氧浓度偏高，后期将是臭氧污染防控的重点关注区域。