银川都市圈不同功能区臭氧污染及超标特征

李晓虹,姜文娟,马映雪,纳 丽,刘建军

(1.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室,宁夏 银川 750000;2.宁夏气象防灾减灾重点实验室,宁夏 银川 750000; 3.石嘴山市气象局,宁夏 石嘴山 753000;4.石嘴山市环境监测站,宁夏 石嘴山 753000; 5.宁夏气象服务中心,宁夏 银川 750000)

随着现代工业发展和科技进步,人类赖以生存的大气环境质量不断恶化,相继发生了许多严重的城市大气污染事件,其中有一类为“光化学烟雾”,而臭氧(O3)是构成光化学烟雾的重要成分之一[1],O3生成过程主要是过氧自由基氧化NO产生NO2,NO2发生光解生成O3,所以对O3及前体物的变化特征进行研究至关重要。国内外学者对不同地区的O3污染特征及超标情况进行了研究,Latif等[2]对马来西亚婆罗洲的O3质量浓度变化进行了分析,指出O3变化的季节性差异;Safieddine等[3]研究了东亚区域O3及其前体物的水平与垂直分布;王占山等[4]、石玉珍等[5]、严茹莎等[6]、宗雪梅等[7]先后对北京市的O3质量浓度变化进行了分析,O3呈现出较明显的“周末效应”;Zou等[8]对广州地区O3及前体物的观测数据进行了特征分析;Li等[9]研究表明珠江三角洲O3质量浓度增加主要是由氮氧化物和挥发性有机物控制的;殷永泉等[10]、吴锴等[11]、陈宜然等[12]、黄志新[13]、杨雅琴等[14]、孙银川等[15]对济南、成都、上海、青岛等地及中国典型城市的O3质量浓度进行了研究,表明不同地区的O3质量浓度具有各自的特征。

有学者分不同功能区对O3污染特征进行了研究,安俊琳等[16-17]和邵平等[18]对北京市和南京市臭氧及前体物的特征进行了研究,分析了重工业地区夏季光化学污染特征,表明观测点污染物受周边排放源的影响较大;周艳明等[19]研究表明广州市O3质量浓度一年出现2个峰值并且郊区质量浓度大于城区;赵辰航等[20]研究表明上海地区夏季光化学污染严重,周边城区O3污染明显高于中心城区,不同功能区污染情况不同;王占山等[21]探讨了近10年北京市定陵、官园、琉璃河和前门4个站点O3质量浓度水平、变化趋势、时间变化规律和超标情况等,表明不同站点超标率和重污染率差异较大。所以有必要对银川及周边地区的O3污染特征及超标情况进行研究。

近年来,O3已成为银川市及周边最主要的空气污染物,污染防控形势严峻,对银川都市圈不同功能区O3与前体物的污染特征及超标情况进行研究,对深入了解和掌握银川及周边地区O3污染特性,科学制定O3污染治理对策具有重要科学价值。

1 数据与方法

1.1 研究区域

银川都市圈以银川市为核心，辐射带动石嘴山市、吴忠市、宁东基地协同发展,位于宁夏北部,地处干旱、半干旱气候地带,东、西、北三面被毛乌素沙漠、腾格里沙漠、乌兰布和沙漠所包围。银川都市圈监测站点的分布如图1所示,其中包含石嘴山4站,银川6站,吴忠3站,宁东4站。

图1 银川都市圈17个监测站点分布

1.2 资料来源及方法

研究使用的2017—2019年石嘴山、银川、吴忠、宁东NO、NO2、NOX、O3逐时质量浓度资料来源于环境监测站,按《环境空气质量监测规范》(HJ/T193—2005)对原始数据进行质量控制,剔除因断电、仪器维修维护、校准等原因造成的异常值。按照各站点功能的不同分为工业园区、风景旅游区、交通居民混合区及无人区(对照点),选择其中的宁煤烯烃(工业园区)、石嘴山沙湖旅游区(风景旅游区)、银川贺兰山东路和吴忠教育园区(交通居民混合区)、贺兰山马莲口(对照点)进行分析。

根据《环境空气质量标准》(GB3095—2012),超过国家环境空气质量二级标准的O3质量浓度限值为1 h平均质量浓度≥200 μg/m3,日最大8 h平均质量浓度≥160 μg/m3。将O3逐时质量浓度超过200 μg/m3定义为一个超标时次,超标时次与总时次的比值为O3超标率。

2 结果与讨论

2.1 O3及前体物年际变化特征

为了深入研究银川都市圈不同功能区O3与前体物的污染特征,分析了2017—2019年5站点O3质量浓度第90百分位及前体物质量浓度年际变化(见图2)。由图2可知:2017—2019年贺兰山东路、贺兰山马莲口、沙湖旅游区O3质量浓度“先升后降”,2018年相对较高,O3质量浓度超标较严重,3站的超标倍数分别为0.25倍、0.20倍、0.15倍;2017—2019年吴忠教育园区O3质量浓度升高,而宁煤烯烃O3质量浓度“先降后升”。从近3年O3平均质量浓度来看,交通居民混合点贺兰山东路质量浓度(189.3 μg/m3)最高,其次为对照点贺兰山马莲口(187.2 μg/m3),吴忠教育园区(154.7 μg/m3)和工业园区宁煤烯烃(163.1 μg/m3)相对较低,风景旅游区沙湖(180.0 μg/m3)居中。

图2 2017—2019年各站点O3、NOX、NO、NO2质量浓度年际变化

2017—2019年贺兰山东路NO、NO2、NOX质量浓度逐年减少;对照点贺兰山马莲口NO、NO2、NOX质量浓度逐年变化不大,相比其他站点质量浓度较低;沙湖旅游区NO、NO2、NOX质量浓度有所增加,但变化幅度不大;教育园区NO、NO2、NOX质量浓度逐年“先降后升”,相比其他站点虽然O3平均质量浓度最低,但NO质量浓度较高,可能与局地气象因素影响及近年来周边机动车保有量的增加有关,较高的NO质量浓度滴定反应了O3[22];宁煤烯烃NO2、NOX质量浓度逐年“先降后升”,NO质量浓度逐年变化不大。

2.2 O3月际变化特征

分析2017—2019年平均O3质量浓度第90百分位月际变化(见图3)可知:除沙湖旅游区平均O3质量浓度最高值出现在6月,其他4站均出现在7月,其中贺兰山东路值最大,为215.4 μg/m3,教育园区值最小,为160.9 μg/m3,由于6—7月温度高、太阳辐射强,有利于O3生成,因此O3质量浓度最高;除沙湖旅游区平均O3质量浓度最低值出现在12月,其他4站均出现在1月。

图3 2017—2019年各站点平均O3质量浓度月际变化

贺兰山东路平均O3质量浓度4—8月超标,贺兰山马莲口、沙湖旅游区5—8月超标,宁煤烯烃6—7月超标,教育园区6月超标;2017—2019年O3日最大8 h平均质量浓度≥160 μg/m3贺兰山东路出现137天,贺兰山马莲口出现139天,沙湖旅游区出现110天,教育园区出现48天,宁煤烯烃出现47天。

2.3 O3及前体物的日变化特征

分析O3及前体物的日变化特征(见图4)可知:O3的日变化均呈单峰型分布,白天的质量浓度明显高于夜间,12:00—19:00的O3质量浓度基本高于80 μg/m3,贺兰山东路、沙湖旅游区、宁煤烯烃于16:00达到峰值,分别为112.8 μg/m3、114.1 μg/m3、99.0 μg/m3,贺兰山马莲口、教育园区于17:00达到峰值,分别为114.9 μg/m3、100.1 μg/m3,此后逐时减少,从22:00至次日09:00一直维持在较低的水平,最低值出现在08:00前后。

图4 各站点O3、NOX、NO、NO2的质量浓度日变化

对照点贺兰山马莲口NOX、NO、NO2的日变化表现出单峰结构,10:00—12:00质量浓度较高,与其他站点相比质量浓度偏低,由于贺兰山马莲口属于无人区,受机动车的影响较小。其他4站均表现出双峰结构,基本上在08:00—10:00、21:00—次日01:00质量浓度较高,由于NOX主要来自机动车的尾气排放,所以上下班高峰期值较高;夜间大气扩散能力较差,所以NOX的质量浓度较白天高。

2.4 O3超标变化特征

为了解O3超标特征,分析了2017—2019年各站点O3超标累计小时数月际变化(见图5)。由图5可知:除教育园区呈双峰结构,其他4站均呈单峰结构,贺兰山东路和贺兰山马莲口峰值出现在6月,沙湖旅游区出现在7月,宁煤烯烃出现在8月,教育园区峰值出现在6月和8月;O3超标主要集中在5—8月,其中贺兰山东路这4个月O3超标小时数占全年的89.9%,贺兰山马莲口为86.1%,沙湖旅游区为87.4%,教育园区为61.4%,宁煤烯烃为72.7%;银川都市圈O3超标情况多发生在夏季,冬季O3超标情况较少发生,主要因为受冬季辐射弱、气温低等气象条件影响。

图5 2017—2019年各站点O3超标累计小时数月际变化

根据《环境空气质量标准》(GB3095—2012)中二级标准O3小时均值质量浓度限值为200 μg/m3,对银川、石嘴山、吴忠、宁东的小时质量浓度进行评价,统计结果见表1。由表1可知,2017—2019年银川都市圈O3质量浓度平均时均值中贺兰山马莲口最高，为93.3 μg/m3,其他站点介于59.7～72.6 μg/m3之间。O3质量浓度最高时均值中贺兰山东路最大,达872 μg/m3,高达国家二级标准的4.4倍,其次为上海东路,为860 μg/m3。O3质量浓度累计超标时数贺兰山东路最多,为278 h,超标率达1.1%,其次为学院路,为254 h,超标率为1.0%,超标率最低为宁东地区的0.1%;整体来看O3质量浓度累计超标时数银川最多,其次为石嘴山,最少为宁东。O3超标平均质量浓度最大为吴忠教育园区,达370.2 μg/m3,其次为吴忠新区二泵站368.9 μg/m3和吴忠高级中学332.7 μg/m3,其他站点位于234.3～280.5 μg/m3之间。总体来看,宁东虽然属于能源化工基地,但O3质量浓度并不是很高;而贺兰山东路属于交通居民混合区,O3质量浓度最高时均值和超标率较大,吴忠O3超标平均质量浓度较高。

表1 2017—2019年银川都市圈O3超标特征统计

3 结论

(1) 2017—2019年贺兰山东路、贺兰山马莲口、沙湖旅游区O3质量浓度“先升后降”,2018年相对较高,O3质量浓度超标较严重,吴忠教育园区O3质量浓度升高,而宁煤烯烃O3质量浓度“先降后升”。

(2) 2017—2019年平均O3质量浓度最高值出现在6—7月,其中贺兰山东路值最大,为215.4 μg/m3,教育园区值最小,为160.9 μg/m3。

(3) 各站点O3质量浓度的日变化呈单峰型分布,一天中O3质量浓度最高值出现在16:00—17:00,最低值出现在08:00前后;对照点贺兰山马莲口NOX、NO、NO2的日变化表现出单峰结构,10:00—12:00质量浓度较高,其他站为双峰结构,08:00—10:00、21:00—次日01:00质量浓度较高。

(4) O3质量浓度超标主要集中在5—8月;O3质量浓度累计超标时数银川最多,其次为石嘴山,最少为宁东;交通居民混合区贺兰山东路O3质量浓度最高时均值和超标率较大,吴忠O3超标平均质量浓度较高。