“十三五”期间宁夏城市O3质量浓度变化特征分析

马 洋，陈 曦，张卫红，左正艳，顾驭程，孙 源，张玉龙*

（1.宁夏生态环境监测中心，宁夏 银川 750001；2.宁夏应对气候变化与机动车污染防治中心，宁夏 银川 750001）

臭氧（O3）是大气中重要的微量成分，约10%在对流层，大部分在平流层[1]。平流层O3能够保护人类与环境免受紫外线伤害，有益于人类生存发展，但对流层O3往往会对人体的健康和生态环境产生一定危害[2]。城市近地面O3是被列入评价环境空气质量的6项监测污染物之一的指标[3-4]。城市O3主要来源于NOx、CO和VOCs等前体物在合适的气象条件下的光化学反应[5]。“十三五”期间，随着经济的发展、人口的激增及机动车保有量的增加，空气污染状况已从传统的煤烟型污染逐渐转为复合型污染及以O3为代表的光化学污染，O3污染问题愈加凸显[6-10]。据环境质量年报统计结果，“十三五”末宁夏O3质量浓度较“十二五”末上升了12.1%，银川市和石嘴山市尤为突出，分别上升了29.8%和4.2%。O3已成为继PM2.5后影响城市空气质量的主要污染物，二者协同控制既是当前空气质量改善的重点，也是打赢蓝天保卫战的关键，这对大气污染防治带来了新的挑战[11-15]。

我国有关O3污染现状、规律、成因及防控措施的研究主要集中在京津冀、长三角、珠三角等城市群，有关宁夏O3现状及规律的研究较少。由于宁夏O3监测滞后，各地级市O3自动监测开始于2014年，有关数据积累和研究较少。随着人们对O3污染的关注，近些年部分学者利用O3短期监测数据及卫星反演手段开展了一些研究，但长时间序列涵盖全部地级市的O3质量浓度时空变化特征及趋势的讨论较少[16-17]。本文选取2015—2020年宁夏国控环境空气自动站的实况监测数据[18-19]，综合分析评价“十三五”期间宁夏5个地级市O3质量浓度的时空分布及污染变化特征，为管理部门开展O3污染防治，实现O3及PM2.5协同控制提供一定数据支撑。

1 数据与方法

1.1 数据来源

本研究所使用的O3及其相关污染物（SO2，NO2，PM10，PM2.5，CO）质量浓度数据来源于宁夏空气质量联网监测管理平台，根据《环境空气质量标准》（GB 3095—2012）和《环境空气质量评价技术规范（试行）》（HJ 663—2013）的O3质量浓度数据规范与标准，结合自动监测设备实际运行情况进行数据的有效性筛选。本文选取2015—2020年宁夏全区5个地级市15个城市国控环境空气自动站监测数据，自动监测设备按照《环境空气质量自动监测技术规范》（HJ/T 193—2005）进行运行维护和质量控制。

1.2 评价方法

按照《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）进行空气质量数据的评价、统计。日空气质量（AQI）分为6个等级，分别为优、良、轻度污染、中度污染、重度污染和严重污染（其中优、良天数计入达标天数，轻度至严重污染天数计入超标天数）；O3年度评价采用O3-8 h（O3日最大8 h滑动平均质量浓度）第90百分位数（以下简称O3特定百分位数质量浓度）。

2 结果与分析

2.1 O3污染时空特征

2.1.1 区域分布和年际变化趋势“十三五”期间，宁夏城市O3质量浓度总体呈现上升趋势，O3质量浓度开始升高，时间逐年提前，因O3污染，宁夏（5个地级市平均）优良天数较“十二五”平均减少了9.1 d。“十三五”末（2020年）以O3为首要污染物首次出现（超过100μg/m3）时间较“十二五”末（2015年）提前了37 d，以O3为首要污染物的轻度及以上污染天数较“十二五”末增加了7 d。

“十三五”期间，宁夏城市O3特定百分位数质量浓度均值呈逐年上升趋势（图1），平均每年增加3μg/m3左右，“十三五”末（2020年）全区O3特定百分位数质量浓度较“十二五”末（2015年）上升12.1%。2015—2020年宁夏O3特定百分位数质量浓度各年均值（5个地级市算术平均值，下同）分别为124，131，141，138，142，139μg/m3，2015—2017年是O3质量浓度快速上升的阶段，宁夏O3特定百分位数质量浓度从124μg/m3上升至141μg/m3，2018—2020年保持为138～142μg/m3，变化趋缓。从各地级市O3质量浓度来看：2015—2016年，石嘴山市O3质量浓度在5个地级市中最高，其特定百分位数质量浓度为142～146μg/m3，其他4个地级市为112～135μg/m3；2017年，银川市O3特定百分位数质量浓度快速上升至155μg/m3，超过石嘴山市，为5个地级市中最高，同时石嘴山市O3特定百分位数质量浓度仍保持上升趋势，由146μg/m3上升至149μg/m3；2018—2020年，5个地级市O3质量浓度波动变化，总体略有下降。与2015年相比，2020年5个地级市中O3特定百分位数质量浓度增幅由高到低依次为银川市、吴忠市、固原市、中卫市和石嘴山市，分别为29.8%，13.0%，10.7%，4.7%，4.2%。“十三五”期间，银川市O3质量浓度增幅最高。越来越多的研究表明，温室气体排放导致全球气候变化，引起气温升高，伴随城市快速发展，机动车数量迅速增加，这些因素致使城市O3污染加重。随着宁夏在柴油货车尾气、加油站油气回收等大气污染治理的力度加大，近几年O3污染加重的趋势得到减缓（图1），但O3质量浓度仍然保持在较高区间。

图1 2015—2020年宁夏及其5个地级市O3特定百分位数质量浓度分布图

从区域来看，宁夏沿黄城市O3质量浓度总体偏高，北部城市O3质量浓度明显高于南部城市，银川都市圈（除中卫市外其他3个沿黄地级市）O3污染相对突出。宁夏因黄河而兴，全区5个地级市中有4个地级市沿黄河分布，“十三五”期间，沿黄河的4个地级市的O3特定百分位数质量浓度均值较全区偏高3μg/m3左右，北部银川市和石嘴山市的O3特定百分位数质量浓度均值较全区偏高9～10μg/m3。银川市和石嘴山市O3特定百分位数质量浓度均值为147μg/m3＞135μg/m3（中卫市）＞130μg/m3（吴忠市）＞124μg/m3（固原市）。充分的光照辐射以及较高的气温环境有利于O3的光化学反应。宁夏南部六盘山区阴湿多雨，气温低；北部地区日照充足，昼夜温差大，全年日照达3 000 h。这样的气候环境差异对O3质量浓度呈现出“南低北高”的分布产生了明显的影响。除气候环境外部因素外，作为O3光化学反应前体物（NOx，CO和VOCs）重要贡献源的机动车是影响城市O3污染的内在因素。根据《2020年宁夏统计年报》，宁夏4个沿黄地级市机动车保有量约占全区的85.0%，在6—8月份O3污染高发时段，其平均气温较全区偏高约0.8℃，银川都市圈机动车保有量约占全区的75.0%（仅银川市约占55.0%），其平均气温较全区偏高约1.1℃。可以看到，气温差异不大的情况下，机动车高保有量地区NOx及VOCs的大量排放为O3的光化学反应提供了充足的前体物，致使O3质量浓度明显升高。

2.1.2 时间分布 O3大气光化学反应（包括自由基的生成、传递、终止反应等）发生在一天当中，一般午后O3小时质量浓度达到高峰值。2018—2020年宁夏各地级市O3质量浓度整体持稳。因此，选取2018年银川市、石嘴山市和吴忠市O3质量浓度日变化特征进行统计分析。

O3小时质量浓度白天高于夜间，日变化呈“单峰型”特征[20-22]（图2）。宁夏夜间至次日清晨（22:00—次日08:00），昼夜温差大，夜间温度低，光照弱，加之NO对O3的滴定效应，宁夏城市夜间O3小时质量浓度维持在一个相对较低的区间，为25～97μg/m3；白天，宁夏O3小时质量浓度为29～172μg/m3。上午09:00起，太阳光辐射逐步增强，O3质量浓度缓慢上升，午后14:00—17:00达到峰值，随后太阳辐射强度减弱，O3质量浓度降低。可以看到，O3质量浓度日变化季节性特征明显[23-26]，表现为冬低、夏高、春秋平缓的特点，整体呈倒“U”形特征，5—8月份是一年当中温度、光照和太阳辐射最强的时间段，O3质量浓度在全年中相对较高。

图2 O3小时质量浓度日变化曲线

不同城市O3质量浓度一日当中峰值出现的时间、强度以及季节分布存在一定差异。总体来看，宁夏城市O3质量浓度日变化峰值主要发生在一日当中的14:00—17:00，全年O3质量浓度高值主要出现在6月份，银川市的O3质量浓度峰值以及持续时间明显高于石嘴山市和吴忠市。其中：石嘴山市O3日变化峰值集中于14:00—16:00，而O3小时质量浓度最高值出现在6月份（169μg/m3），各月O3小时质量浓度峰值为169μg/m3（6月份）＞156μg/m3（7月份）＞155μg/m3（5月份）＞148μg/m3（8月份）；银川市O3日变化峰值集中于13:00—18:00，O3小时质量浓度最高值出现在6月份（181μg/m3），各月O3小时质量浓度峰值为181μg/m3（6月份）＞169μg/m3（7月份）＞168μg/m3（5月份）＞159μg/m3（8月份）；吴忠市O3日变化峰值集中于14:00—17:00，各月O3小时质量浓度峰值为167μg/m3（6月份）＞141μg/m3（8月份）＞140μg/m3（7月份）＞121μg/m3（5月份）。

2.2 O3污染变化趋势

2.2.1 超标日污染物分布 当日首要污染物是指日空气质量指数（AQI）大于100时，为空气质量超标日，当日中监测的6项污染物指标空气质量分指数最大的一项为当日的首要污染物。2015—2020年，宁夏超标日首要污染物占比分布见图3，O3-8 h超标天数年际变化见图4。

图3 2015—2020年宁夏超标日首要污染物占比分布图

图4 2015—2020年宁夏O3-8 h超标天数年际变化图

由图3～图4可知，“十三五”期间，宁夏地级市超标日中首要污染物以PM10，PM2.5和O3为主，PM10，PM2.5，SO2超标天数逐年减少，O3超标天数逐年增加。“十三五”末与“十二五”末相比，宁夏O3超标天数平均增加8 d。2015—2019年除2018年外（2018年沙尘天气较为频繁，宁夏以PM10为首要污染物天数快速增加），以PM10，PM2.5，SO2污染物为首要污染物的超标天数逐年减少，以O3为首要污染物的超标天数逐年上升。2018年和2019年两年以O3为首要污染物的超标天数比例均超过PM2.5，其中2018年O3占比为18.7%，比PM2.5占比高7.2%，2019年O3占比为27.3%，比PM2.5占比高8.2%。2020年受持续静稳高湿天气及城际间污染传输影响，PM2.5污染天数出现反弹，即使如此，全区以O3为首要污染物的超标天数仍达到了39 d（表1），占比达14.3%。O3已成为影响宁夏城市空气质量另一重要的二次污染物。根据《2020年宁夏统计年报》，2020年宁夏机动车数量达到了171.5万辆，较2015年增加了71.6万辆，“十三五”期间年均增加约14.3万辆，增速较快；同时，“十三五”期间宁夏30℃以上高温天数居高不下，与2015年相比，5 a年平均增加2 d。高温天数增加以及机动车数量的快速增加是城市O3质量浓度居高不下的重要原因。

表1列出了2015—2020年宁夏5个地级市O3-8h逐月和年度超标天数，近6年来，宁夏5个地级市O3-8 h累计超标天数分别为31，27，64，53，60，39 d，2015—2019年O3超标天数在逐年增加，2018年和2020年虽有下降，但仍较2015年和2016年有增加。从O3污染分布来看，O3污染天数集中在5—8月份，主要在夏季时段，这期间全区O3污染超标天数占全年O3超标天数的98.5%。

表1 2015—2020年宁夏5个地级市O3-8 h超标天数月度变化表

2.2.2 统计分布 为进一步分析宁夏O3质量浓度变化特征，本文对2015—2020年宁夏全区及5个地级市O3-8 h的最小值，第20，30，40，50，75，80，85，95百分位数，平均值和最大值等进行统计分析。2015—2020年宁夏全区及5个地级市O3-8 h各百分位数分布见图5，O3-8 h各百分位数年平均变化见图6。

由图5可知，“十三五”期间，宁夏城市O3各百分位数质量浓度均呈上升趋势，O3在第95及以下百分位数质量浓度均达标（日均二级标准为160μg/m3），全区O3各百分位数质量浓度变化呈倒“U”形，第30～50百分位数质量浓度上升最快，第75～95百分位数质量浓度上升最慢。但这一现象并不适用于所有地级市，银川市正好相反，O3质量浓度上升速率随百分位数的增加而加快。石嘴山市、吴忠市和固原市O3质量浓度增幅主要集中在第50百分位数及以下，银川市O3-8 h增幅主要集中在第75～95百分位数，银川市O3超标天数逐年增加，污染呈现出了加重的趋势。

图5 2015—2020年全区及5个地级市O3-8 h各百分位数分布图

由图6可知，2015—2020年，银川市O3-8 h整体上升，各百分位数变化差异小。其中，银川市O3-8 h第95百分位数平均每年升高6.0μg/m3，第85百分位数和第90百分位数平均每年都升高6.8μg/m3，第30～80百分位数每年平均升高值为6.0～6.4μg/m3，最大值平均每年升高5.4μg/m3，最小值平均每年升高3.0μg/m3。除银川市外，其他4个地级市O3-8 h随百分位数增加，升高幅度减缓，在第20～50百分位数区间上升较快，以吴忠市最为典型。最大值年平均变化有所差异，其中石嘴山市O3-8 h最大值下降，平均每年降低2.6μg/m3；中卫市O3-8 h最大值快速上升，平均每年升高3.0μg/m3。

图6 2015—2020年全区及5个地级市O3-8 h各百分位数年平均变化图

2.2.3 空气质量贡献率变化 5—8月份是宁夏O3污染的主要时间段，本文采用环境空气质量综合指数评价空气质量整体水平[27]，综合指数由6项空气污染物质量浓度各自指数（分指数）求和后得到。用O3分指数在综合指数中的占比表示O3对综合指数的贡献率。2015—2020年，宁夏全区及5个地级市O3-8 h第90百分位数指数贡献率统计见表2，全区及5个地级市各污染指标贡献率变化比较见图7。

图7 2015—2020年全区及5个地级市各污染指标贡献率变化比较图

“十三五”期间，宁夏空气质量得到明显改善，“十三五”末较“十二五”末环境空气质量综合指数下降了15.1%，影响全区空气质量的主要污染物PM10和PM2.5质量浓度分别下降了25.3%和15.4%，但O3特定百分位数质量浓度“不降反升”，上升了12.1%；由表2可知，全区O3对综合指数的贡献率在逐年上升，2020年O3贡献率较2015年上升了31.1%。2015—2020年全区O3变化分为2个阶段：快速上升期和平稳期。其中：2015年全区O3单项指数为0.78；2016—2017年分别达到了0.82和0.88，快速上升；2018—2020年全区O3单项指数保持在0.86～0.89，变化趋缓。5个地级市与全区的变化规律基本一致，O3对综合指数的贡献程度各市有所差异。5个地级市中，银川市和石嘴山市O3对空气质量影响较为突出，2017—2020年，这2个地级市O3单项指数均保持在0.9以上。

表2 2015—2020年宁夏5个地级市O3-8 h第90百分位数指数贡献率统计表

从各污染指标的贡献率（单项指数占比）来看，“十三五”期间，宁夏O3在6项监测污染物指标中贡献率明显上升，由2015年16.4%上升至2020年21.5%。2020年，5个地级市O3对环境空气质量综合指数贡献率较2015年均有上升，增幅为3.8%～7.9%，银川市增加幅度最大。总体来看，“十三五”末宁夏空气质量总体是改善的，但从各项指标的贡献率来看，O3污染凸显，将成为继PM2.5和PM10后影响宁夏城市环境空气质量的最主要污染物之一。

3 结论

（1）“十三五”期间，宁夏空气质量明显改善，与“十二五”末相比，“十三五”末宁夏环境空气质量综合指数下降了15.1%，但O3质量浓度“不降反升”，上升了12.1%，年均增加3μg/m3左右。

（2）宁夏O3质量浓度区域分布总体呈“北高南低”特征，沿黄城市带O3质量浓度相对偏高，银川都市圈O3污染相对突出。O3质量浓度日变化表现出明显的季节性特征：冬低、夏高、春秋平缓，呈明显的倒“U”形特征。一年当中5—8月份是宁夏O3质量浓度高值时段，全年O3超标天数的98.5%集中在5—8月份，O3质量浓度高值一般出现在6月份，银川市、石嘴山市和吴忠市相对突出，O3质量浓度日变化峰值主要发生在14:00—17:00，城市间O3质量浓度日变化分布特征存在一定差异，银川市O3质量浓度峰值的大小及持续时间为13:00—18:00，最高值达到181μg/m3，时间跨度和峰值明显高于石嘴山市和吴忠市。

（3）“十三五”期间，宁夏地级市PM10，PM2.5，SO2超标天数逐年减少，O3超标天数整体增加，与“十二五”末相比，“十三五”末宁夏O3超标天数平均增加了8 d。

（4）“十三五”期间，宁夏城市O3-8 h各百分位数均呈上升趋势，O3-8 h第95及以下百分位数均达标，各百分位数变化呈倒“U”形特征，第30～50百分位数上升最快，但是首府城市银川市O3-8 h各百分位数变化较为均衡，整体稳步上升。

（5）“十三五”期间，宁夏全区O3对空气质量贡献率在逐年上升，“十三五”末O3贡献率较“十二五”末上升了31.1%，“十三五”期间O3质量浓度变化历经了快速上升期和平稳期2个阶段。全区O3质量浓度单项指数由2015年的0.78上升至2017年的0.88，然后在0.86～0.89波动变化。5个地级市中，银川市和石嘴山市O3对空气质量影响相对突出，2017—2020年这2个地级市O3单项指数均保持在0.9以上。“十三五”期间，宁夏全区O3在6项监测污染物指标中贡献率明显上升，由2015年的16.4%上升至2020年的21.5%，增加了5.1%，5个地级市中银川市O3的贡献率上升幅度最大，增加了7.9%。