气象因素对沈阳臭氧浓度的影响研究

高木木，孙学斌， 陈 杨

(辽宁省沈阳生态环境监测中心，辽宁 沈阳 110136)

1 引言

对流层中O3主要由氮氧化物和挥发性有机物经过一系列复杂的光化学反应生成，是大气中主要的污染物之一，影响着区域和城市的空气质量。近地面O3浓度的升高对人体健康、建筑、农业等方面都会造成严重的危害。以O3为核心的氧化物质具有极强的化学氧化活性，高浓度O3能够强烈刺激人的呼吸道、造成人的神经中毒、破坏人体的免疫机能、诱发染色体病变和加速衰老等，已引起国内外学者的广泛关注。由2016～2019年《中国生态环境状况》得知，在可吸入颗粒物(PM2.5)污染形势依然严峻的情况下，我国城市O3污染问题日渐突出，以O3为首要污染物的超标天数呈逐年上升趋势，目前已成为仅次于PM2.5的影响空气质量优良天数的重要因素。近几年，我国各地空气质量明显改善，但是O3污染却普遍加剧。因此，研究污染成因对于空气污染的治理与管控具有重要价值。

从近年臭氧污染的特征来看，臭氧作为首要污染物出现的日期逐渐提前，超标日最早出现的日期多集中在4月份。臭氧相对高值出现的日期也逐渐提前，且出现的日期跨度逐渐加大，全市臭氧污染形势仍较为严峻。本研究结合气象数据分析其对臭氧浓度的影响，以期为了解光化学污染及臭氧污染态势提供参考。

2 监测概况

2.1 监测点位

自2008年开始，沈阳作为国家环境保护局的臭氧监测试点城市之一，开始臭氧监测工作，自2013年1月1日起，沈阳市11个国控点位全部开始臭氧监测。

2.2 监测项目及方法

沈阳市11个点位均采用Thermo 49i型紫外光度法臭氧分析仪监测臭氧数据，仪器量程0～0.1至400 mg/m3，最低检出限为1.0×10-9，零位漂移为<1×10-9/24 h，响应时间为20 s。仪器每天24 h连续采样监测，每分钟记录一次数据，臭氧浓度由仪器自带软件记录。

2.3 监测数据及统计方法

按《环境空气质量标准》(GB3095-2012)中二级标准的浓度限值(160 μg/m3)进行臭氧监测数据的超标判定，即当日最大滑动8 h平均值大于160 μg/m3，则当日超标；采用Microsoft excel软件进行数据处理和作图。

3 结果与分析

3.1 监测结果概述

3月26日成为2022年臭氧为首要污染物的第一天，进入4月份以来，随着气温逐渐升高，太阳辐射强度明显增强，沈阳市臭氧开始作为首要污染物，天数从4月份开始逐渐增多，5月份除5月1日与13日首要污染物为PM10以外，其余均为臭氧为首要污染物。

2022年春季，沈阳市及各国控点位环境空气中臭氧(O3)浓度均同比上升(表1)。

表1 2022年春季环境空气臭氧浓度同比变化

3.2 气象条件对臭氧浓度的影响

臭氧作为二次污染物，即与其前体物，如氮氧化物、碳氧化物等密切相关，也与气象条件有很大的联系。气象条件在臭氧形成及转化过程中起到重要作用，它通过环境变化影响臭氧浓度。

进入3月份以来，沈阳市太阳辐射强度明显增强。从UV辐射计数据来看，长波黑斑效应紫外线强度最大值由3月1日的0.97 W/m2增至5月31日的2.78 W/m2。紫外辐射是光化学反应的必要条件之一，紫外辐射强度的增加导致光化学反应速率加快，从而加速了臭氧的生成(图1)。

图1 2022年3～5月份UV辐射计堆积

3.2.1 日变化中气温对臭氧浓度的影响

由图2、3可见，在日变化规律中，臭氧浓度随温度升高而增加，臭氧和温度均在14:00达到最大值。臭氧是在太阳辐射下通过光化学反应由一次污染物经反应生成的，而温度是由太阳辐射而逐渐升高，因此，臭氧和温度的日变化规律大致相似，并存在较好的正相关性，可用方程y=0.1391x+1.1206来表示，相关系数R2为0.9801。

图2 臭氧和温度的日变化相关性

臭氧浓度日变化趋势是单峰变化，与温度变化趋势相似，在时间上较温度略有滞后。气温在日出后7:00左右迅速升高，13:00左右达到最大，与臭氧浓度达到最大值接近。温度变化与太阳辐射密切相关，太阳辐射强弱直接影响光化学反应速度，从而影响了臭氧浓度的变化。

图3 臭氧和温度的日变化规律

3.2.2 风速对臭氧浓度的影响

在图4、5的臭氧浓度与风速变化规律中，风速小时，臭氧浓度较小，反之风速大时，臭氧浓度也较高。风速对臭氧浓度的影响主要表现在，风对空气中污染物迁移扩散作用。风速较小时，由于臭氧本身的不稳定性，在随风迁移的过程中，臭氧就被分解成氧原子和氧分子；风速较大时，臭氧能在未完全分解前就被监测到，而且风速大还有利于降低与臭氧发生光化学反应前体物的浓度，从而降低光化学反应对臭氧的消耗。此外，温度升高可加剧空气对流，使风速增大，高温也是有助于臭氧浓度的升高的因素。因此，臭氧浓度与风速呈正相关变化，可用方程y=0.0173x+0.2946表示，相关系数R2为0.5146。

图4 臭氧和风速的日变化相关性

图5 臭氧和风速的日变化规律

3.2.3 风向对臭氧浓度的影响

从图6、7中臭氧浓度与风向变化规律可以看出，当臭氧浓度达到高峰时，风向处于偏南方向，越偏离正南方向，臭氧浓度逐渐减小。偏南风向为暖湿气流，同时也印证了臭氧与温度的正相关性。因此，臭氧浓度与风向呈正相关，可用方程y=0.9839x+70.282表示，相关系数R2为0.9503。臭氧浓度达到高峰时，相对湿度处于较低水平，反之

图6 臭氧和风向的日变化相关性

3.2.4 湿度对臭氧浓度的影响

图8、9中臭氧浓度与相对湿度变化规律可看出，亦然。相对湿度是绝对湿度与最高湿度之间的比，它的值显示水蒸气的饱和度有多高。相同条件下，湿度越大，水蒸气饱和度越高。在湿度较高情况下，空气中水汽所含的自由基H、OH等迅速将臭氧分解为氧分子，降低臭氧浓度。使臭氧浓度与湿度呈负相关变化，可用方程y=-0.4545x+89.148表示，R2为0.9584。

图7 臭氧和风向的日变化规律

图8 臭氧和湿度的日变化相关性

4 讨论与结论

结合臭氧浓度日变化曲线，臭氧浓度呈明显的单峰型分布，日最大值出现在14：00左右，最小值出现在6：00前后，这与各地区城市典型臭氧浓度日变化规律一致。

图9 臭氧和湿度的日变化规律

湿度与臭氧浓度呈负相关，温度、风速和风向均与臭氧浓度呈正相关，且温度与臭氧浓度的相关性更好，说明温度对臭氧浓度影响较大。

臭氧浓度变化受到不同天气条件的影响，太阳辐射是影响近地面臭氧浓度的重要因素之一。在不同气象条件下太阳辐射变化导致臭氧浓度的变化。太阳辐射强弱直接影响光化学反应速度，从而导致臭氧浓度发生变化。

太阳辐射、温度、风速、风向及湿度都会影响臭氧浓度的变化，臭氧浓度的超标是多种因素共同作用的结果。

随着城市发展，污染物排放种类日益多样化，臭氧前体物之间的反应复杂，反应机理尚不完全明确，单纯减排VOCs或者NOx无法达到减少臭氧生成的效果。因此应加大臭氧前体物VOCx与NOx之间的协同管控。