2016—2020年武汉各行政区臭氧浓度的时空分布规律

2022-07-02邓田田赵锦慧张周祥孙莹莹杨喆

湖北大学学报(自然科学版) 2022年4期

邓田田，赵锦慧，张周祥，孙莹莹，杨喆

(1.湖北大学资源环境学院，湖北武汉 430062；2.湖北省生态环境监测中心站，湖北武汉 430072)

0 引言

随着人类活动向大气环境中排放的VOCs和NOx浓度的增加，导致我国很多城市气溶胶中臭氧浓度升高，危害人群的身体健康[1].在臭氧浓度的区域分布规律[2]上，吴锴等学者发现2016年与2015年相比，全国有258个城市年均臭氧浓度值明显升高，集中在长三角地区、京津冀地区[3]，李霄阳等学者的研究发现南方城市的臭氧浓度的月变化规律呈现“M”型[4]；在探讨臭氧时空变化因素这一内容[5]上，Jaffe等学者研究美国西部地区2015年的臭氧浓度，发现各类气象因子与臭氧浓度之间存在着非线性关系[6]，黄小刚等[7]学者发现在长三角地区，臭氧浓度与风速和降水量负相关，与经济发展水平、城市化规模等社会经济因素正相关.蔡彦枫等[8]学者发现臭氧与PM10负相关.

本研究主要探讨武汉地区2016—2020年臭氧浓度的时空分布特征，包括日变化、月变化、季节变化和年际变化特征，并根据研究结果提出针对臭氧污染防治的相关对策措施.

1 研究区域

目前武汉市共有环境监测点22个，其中国控点10个(江岸区的汉口花桥、蔡甸区的沌口新区、汉阳区的汉阳月湖、武昌区的武昌紫阳和东湖梨园、青山区的青山钢花、江岸区的汉口江滩、洪山区的民族大道182号、东西湖区区的吴家山、蔡甸区的沉湖七壕)，省控点12个(洪山区的洪山地大、江汉区的江汉红领巾、硚口区的硚口古田、黄陂区的黄陂区站、蔡甸区的蔡甸区站、新洲区的新洲区站、江夏区的江夏区站、汉南区的汉南区站、东西湖区的东西湖区站、江汉区的江汉南片区站、新洲区的化工区站、高新区的花山生态艺术馆)，分别位于武汉市的13个行政区，每个行政区至少有一个监测点，监测点分布如图1所示.

图1 武汉市环境监测点分布图

根据2016—2020年武汉市环境质量公报的数据，武汉市出现空气污染的天数中，主要污染物为臭氧的天数占比仅次于细颗粒为主要污染物的天数.首要污染物为O3的天数，2016年为34 d，2017年有25 d，2018年有40 d，2019年有61 d，2020年有125 d.

2 数据处理

从中国环境监测总站和武汉市环保局(http://hbj.wuhan.gov.cn)下载的污染物小时均值数据包括PM2.5、PM10、O3、CO、SO2、NO2，其中臭氧数据为8 h滑动平均值.

结合《环境空气质量标准(GB 3095—2012)》和《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)(HJ 633—2012)》相关规定，臭氧日最大8 h滑动均值二级限值标准为160 μg/m3，轻度污染为160～215 μg/m3、中度污染为215～265 μg/m3、重度污染为265～800 μg/m3和大于800 μg/m3时的严重污染；当O3日最大8 h滑动均值的第90百分位数浓度大于160 μg/m3时为年超标.

3 分析与讨论

3.1 武汉市臭氧浓度日变化规律由2016—2020年监测点臭氧统计数据得出，各年臭氧日最大8 h滑动均值最大值分别为206 μg/m3、207 μg/m3、217 μg/m3、209 μg/m3、244 μg/m3，结合国家《环境空气质量标准(GB 3095—2012)》和《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)(HJ 633—2012)》对臭氧的污染等级进行了划分，分别为轻度、中度、重度和严重污染，臭氧日最大8 h浓度分别对应160～215、215～265、265～800和800 μg/m3以上.由此可知2016、2017、2019年武汉市出现了臭氧的轻度污染，2018和2020年出现了中度污染，未出现重度及以上污染情况.

2016—2020年，在所有环境监测站点臭氧日最大8 h滑动均值第90百分位浓度值中，2016—2018年，站点年均值分别为91 μg/cm3、86 μg/cm3、99 μg/cm3，2020年的84 μg/cm3为最低值，2019年的115 μg/m3为最高，且2019年亦是出现多峰型变化最多的一年，但5年的O3浓度值均未超过二级标准限值.

3.2 武汉市臭氧浓度月变化规律2016—2020各年，月均值最大值依次出现在9月、5月、6月、9月、5月，最小值依次出现在1月、12月、12月、1月、1月.总体呈现先升高再下降的变化特征.

如图2所示，臭氧浓度月均值总体上呈现先增加后下降的变化趋势.其中2016年和2017年均是先顺序增加达到最大值之后逐渐降低，最大值分别出现在9月和5月，浓度变化呈倒“V”状，为单峰型变化；2018、2019和2020年臭氧月均值浓度变化则是先上升达到一个较高值后又略有下降，而后继续增加到另一个较高值后逐渐下降，变化呈不规则的“M”状，出现两个较大值，是双峰型变化.

图2 2016—2020年武汉市臭氧月均值折线图

2016—2020年武汉市22个环境监测点臭氧浓度峰型统计数据如表1所示，双峰次数为77次，单峰次数为18次，多峰型出现7次，且多峰型变化集中出现在2018年.

由各监测点臭氧浓度月变化图(图3)可得出，2016—2020年，臭氧浓度月变化均呈现出从1月至12月先增加后减少的趋势.

图3 2016—2020年各监测点臭氧浓度月变化折线图

由监测点臭氧浓度月均值变化可知双峰型前一个峰值多出现在4、5、6月，后一个峰值多出现在7、8、9月份，多数情况下前一个峰值低于后一个峰值，前一个峰值出现月份越早其变化越趋近单峰变化，如2016年汉阳月湖第一个峰值出现在4月份峰值为63 μg/m3，峰谷在5月份臭氧浓度为60 μg/m3.

3.3 武汉市臭氧浓度季节变化规律2016—2019年臭氧浓度均值最高均出现在夏季，2020年最高值出现在春季，季节平均浓度最低值均为冬季，总体上呈现夏季高,春秋次之，冬季最低的分布态势.2020年臭氧季节分布与其他年份不同，春季臭氧平均浓度高于夏季，春、夏、秋、冬四季呈逐渐递减状态.2016—2020年季节臭氧平均浓度最高值分别为71 μg/m3、65 μg/m3、82 μg/m3、90 μg/m3、65 μg/m3，均未超过国家一级限值100 μg/m3.与尹珩等[9]学者对武汉市国控点臭氧浓度分析的夏秋季高，春冬季低的结果一致.

对比气象资料，发现臭氧浓度出现的峰型与雨季集中的时段相关，武汉地区雨季集中在7、8月多表现为双峰型，反之则呈单峰型或多峰型等不规则变化[10].

3.4 武汉市臭氧浓度年际变化规律2016—2020年武汉市环境监测点臭氧年均值依次为52 μg/m3、51 μg/m3、58 μg/m3、60 μg/m3、52 μg/m3.其中2019年臭氧平均浓度最高，2016年、2017年及2020年臭氧年均浓度相对较低.可以看出监测点臭氧浓度年际变化总体上呈先增加后减少的趋势.

3.5 武汉市臭氧浓度的空间分布特征如表2所示，2016年站点平均浓度最高的是东西湖区和蔡甸区，江汉区最低，2017年黄陂区最高江汉区最低，2018年黄陂区最高江岸区最低，2019年黄陂区最高江汉区最低，2020年也是黄陂区最高江汉区最低.

表2 2016—2020年武汉市各行政区监测点臭氧年均值一览表

以环境监测点所在行政区臭氧均值来看，主城区臭氧浓度监测值大于远城区(图4).

图4 武汉市各行政区监测点臭氧分布图

出现空间异质性是因为武汉市主城区人流量车流量较大，排放较多汽车尾气致使臭氧前体污染物增多，再加上夏季主城区的城市热岛效应、湿岛效应等致使臭氧前体污染物不易扩散，使得臭氧浓度增加.

3.6 武汉市臭氧浓度年均值超标分析武汉市环境监测点臭氧日最大8 h浓度平均值见图5的散点图，各环境监测点2018年浓度均值最高，但均未超过环境评测二级限值.

图5 武汉市2016—2020年各监测点日8 h臭氧均值散点图

统计武汉市2016—2020年监测站点单日臭氧浓度达到并超过轻度污染出现月份及污染出现次数，臭氧污染出现月份主要分布在6—9月，少数出现在4、5月和10月，与季节分布大致吻合[11].其气象条件与刘玉青[12]等学者研究结果类似，长江中游城市群发生臭氧中度污染的气象因素组合为2 m气温高于29.23 ℃、风速小于2.22 m/s、湿度低于50 %、无降水、云量低的天气状况下；发生臭氧轻度污染的气象条件组合为2 m气温超过24.38 ℃、湿度低于60 %、风速小于4.44 m/s且风向为东风、东北、西北风.

4 臭氧污染防控对策

4.1 加强对臭氧污染的监测与预警机制加强对臭氧污染的监测与预警机制的完善，充分利用武汉市臭氧污染夏季高，冬季低的规律，加强在夏季对臭氧污染的监控，密切关注其日变化趋势，以便于能够及时采取有效应急防治措施，进而降低以臭氧为首要污染物的污染天气出现.

4.2 机动车尾气排放的控制研究表明，武汉市臭氧污染浓度出现空间异质性，主城区人流量车流量较大，排放较多汽车尾气致使臭氧前体污染物增多，使得主城区的浓度明显高于远程区.因此，我们需要对导致臭氧浓度升高的重要因素之一机动车尾气排放，进行严格管控.一方面，要从排放源头机动车的数量和类型进行把控；另一方也要落实相关的防控政策.

4.3 推广使用清洁能源作为臭氧形成的前体物 NOx及 VOCS的浓度的升高与机动车尾气、工业废气等人为源排放密切相关[13].因此，在当前武汉市臭氧污染日益严重的情况下，武汉市各级政府应加强推广使用清洁能源，减少 VOCs 及 NOx的排放[14-15].