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郑州市臭氧浓度特征及其与其他污染物的关系研究

2022-11-03姚豫奇

河南科技 2022年19期
关键词:前体太阳辐射郑州市

姚豫奇

(驻马店市气象局,河南 驻马店 463000)

0 引言

城市的发展往往会增加能源的消耗,随之带来一系列的污染问题,目前,我国部分城市已经由单一的煤烟型污染逐渐向复合型污染转变[1]。其中,以细颗粒物及臭氧为主引发的大气复合型污染问题尤为严重[2]。近年来,随着各级政府对污染问题的不断重视,污染防治措施的不断完善,细颗粒物污染问题有所改善[3],但是有利于臭氧产生的光化学烟雾污染却逐渐严重[4]。为更好地探究其形成机理及影响要素,许多学者进行了研究[5-7],但是研究区域主要集中在长三角、京津冀、珠三角等地区,对中原地区研究相对较少。郑州市作为中原地区的中心城市发展迅速,是我国中部主要经济中心之一,且臭氧污染严重,因此对郑州市臭氧污染进行研究有着重要意义。

本研究使用逐日和逐小时郑州市O3浓度、PM2.5浓度、NO2浓度及CO浓度数据,首先对郑州市近年来臭氧不同时间尺度变化特征进行总结,然后再分析臭氧浓度与其他污染物之间的关系,为郑州市臭氧污染防治提供一定的科学依据,也为相关决策提供一定的参考。

1 资料来源

本研究使用的污染物浓度数据均来源于河南省环境气象业务平台,选取郑州市2014年1月1日—2022年2月28日 的 逐 日O3浓 度、PM2.5浓 度、NO2浓度及CO浓度数据和2021年6月1日—2021年8月31日的逐小时O3浓度、PM2.5浓度、NO2浓度及CO浓度数据进行研究分析。

2 结果分析

2.1 郑州市O3浓度变化特征

对郑州市2014—2021年年平均O3浓度变化(见图1)进行分析,可以看出,郑州市O3年平均浓度整体上呈现先升高后降低再升高再降低的趋势,其中2014—2017年郑州市O3浓度呈升高趋势,且2014—2015年年平均O3浓度升高最快,升高了30%,2017—2018年年平均O3浓度有所降低,降低了6%,2018—2019年年平均O3浓度有所升高,升高了10%,达到112 μg·m-3,为2014—2021年最高值。之后O3浓度逐渐降低,2021年O3年平均浓度为105 μg·m-3,较2014年升高54%,这说明郑州市臭氧污染仍不容乐观,需要相关部门加强对臭氧污染的治理工作。

图1 郑州市2014—2021年年平均O3浓度变化

为了对郑州市O3浓度的季节变化特征进行研究,对逐日O3浓度数据进行处理分析(见图2),季节划分按照相应气象标准,可以发现郑州市O3浓度变化具有很明显的季节特征,夏季O3浓度最高,平均为146 μg·m-3,其次为春季,平均为115 μg·m-3,再是秋季,平均为83 μg·m-3,O3浓度最低的是冬季,平均为54 μg·m-3,2014—2021年春季O3浓度在72~130 μg·m-3,夏季O3浓度在106~166 μg·m-3,秋季O3浓度在56~102 μg·m-3,冬季O3浓度在44~64 μg·m-3,2014—2017年春季、夏季、冬季O3浓度逐渐升高,秋季O3浓度在2014—2016年逐渐升高,但在2017年有所降低。2017年之后,春季O3浓度先升高后降低,夏季、秋季、冬季O3浓度变化相同,先升高后降低之后再升高。

图2 郑州市2014—2021年季节平均O3浓度变化

为进一步对郑州市O3浓度变化进行分析,从月平均O3浓度变化(见图3)可以看出,郑州市O3浓度变化具有单峰型特征,O3浓度从1月份开始逐渐升高,到春末夏初O3浓度达到高值,最高在6月份,为165 μg·m-3,之后O3浓度逐渐降低,到秋末冬初达到低值,最低值在12月份,为43 μg·m-3,与郑州O3浓度季节变化特征一致。这主要是因为O3浓度变化与太阳辐射变化息息相关,夏季在强太阳辐射和高温条件下,有利于大气中的挥发性有机物与氮氧化物发生光化学反应,释放出大量的O3,使得大气中O3含量迅速升高,而冬季日照少、气温低,不利于光化学反应的发生,因此大气中O3浓度维持在较低水平[8]。

图3 郑州市月平均O3浓度变化

上述研究表明,O3污染最严重的季节是夏季,为研究郑州市O3浓度日变化特征,对2021年郑州市夏季O3浓度逐小时数据进行处理分析,从郑州市O3浓度日变化(见图4)可以看出,郑州市O3浓度日变化呈明显的倒“U”型分布,早上7时左右O3浓度逐渐升高,到午后15时左右达到最高值,为157 μg·m-3,之后O3浓度逐渐降低,到6时左右达到最低值。这是因为白天太阳辐射较夜晚强,气温较高,光化学反应较强,而午后是一天中太阳辐射最强,气温最高的时段,因此O3浓度在午后达到最高,之后由于太阳辐射逐渐减弱,加上大气化学反应对O3的消耗以及夜晚人类活动和机动车出行减少,使O3浓度逐渐降低[9]。

图4 郑州市O3浓度日变化

2.2 郑州市O3浓度与其他污染物浓度的关系

O3浓度变化不仅受气象条件的影响,也与O3前体物及大气颗粒物浓度关系密切,对污染物浓度数据进行处理分析,从郑州市O3浓度与PM2.5、CO、NO2浓度的相关性(见图5)可以看出,O3浓度变化与PM2.5浓度变化呈显著负相关关系,相关系数R为-0.37,通过了显著性水平α=0.01的相关性检验,大气中PM2.5浓度升高会使O3浓度降低,反之PM2.5浓度降低会使O3浓度升高,这是因为PM2.5的增加会加强消光作用,进而增强对大气中太阳辐射的削弱作用,减弱大气中的光化学反应,使O3浓度降低[10]。O3浓度变化也与CO浓度和NO2浓度变化呈负相关关系,相关系数R分别为-0.4和-0.32,均通过了显著性水平α=0.01的相关性检验,CO浓度和NO2浓度升高会使O3浓度降低,反之会使O3浓度升高,这是由于CO和NO2属于O3的前体物,O3的形成主要是在合适的条件下,O3前体物通过一系列的化学反应而生成,在夏季,生成O3的条件较有利,O3前体物大量消耗,O3浓度较高[11]。

图5 郑州市O3浓度与PM2.5、CO、NO2浓度的相关性

3 结论

本研究使用近年来逐日和逐小时的O3、PM2.5、CO和NO2浓度数据对郑州市O3浓度特征及其与PM2.5、CO和NO2浓度的关系进行研究,得到以下4点结论。

①郑州市O3年平均浓度整体上呈现先升高后降低再升高再降低的趋势,2021年O3年平均浓度较2014年升高54%,臭氧污染仍不容乐观。

②郑州市O3浓度变化具有很明显的季节变化和月变化特征,夏季O3浓度最高,其次为春季,再是秋季,浓度最低的是冬季,O3浓度从1月份开始逐渐升高,到春末夏初O3浓度达到高值,最高在6月份,之后O3浓度逐渐降低,到秋末冬初达到低值。

③郑州市O3浓度日变化呈明显的倒“U”型分布,早上7时左右O3浓度逐渐升高,到午后15时左右达到最高值,之后O3浓度逐渐降低,到6时左右达到最低值。

④O3浓度变化与PM2.5、CO、NO2浓度变化均呈显著负相关关系,且通过显著性水平α=0.01的相关性检验,PM2.5的增加会加强消光作用,使O3浓度降低,CO和NO2属于O3的前体物,在夏季,生成O3的条件较有利,O3前体物大量消耗,O3浓度较高。

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