厦门市臭氧污染特征及其影响因子研究

潘万艺

（福建省厦门环境监测中心站，福建 厦门 361022）

1 概述

2021年是“十四五”规划开局之年，在国家生态环境部的组织下，全国各城市进行了“十四五”国家环境空气质量监测点位的优化调整，城市的空气质量状况和变化规律得到了更加客观、全面的评价。臭氧是评价城市空气质量的重要污染指标之一，近地面臭氧主要通过氮氧化物和挥发性有机物等前体物在一定条件下通过光化学反应生成［1-3］。近年来，全国重点城市的臭氧污染呈现快速上升和蔓延的态势，臭氧污染已成为制约我国空气质量持续改善的关键问题［4］。

本文基于2021年厦门市优化调整后的“十四五”期间6个国家环境空气质量监测点位的监测数据，分析厦门市臭氧的时空变化特征及其与前体物二氧化氮浓度和温度、相对湿度及风速等气象条件影响因子的相关性，以期为厦门市的臭氧污染防治、预警预报等工作提供参考。

2 数据来源和方法

2.1 数据来源

数据来源于2021年厦门市优化调整后的“十四五”期间6个国控环境空气质量监测站点，其中5个为空气质量评价点，1个为清洁对照点。5个评价点分别位于岛内的鼓浪屿、洪文、湖里中学和位于岛外的集美中学、同安二实小，清洁对照点溪东位于同安区溪东水库管理所。监测点位分布见图1。

图1 监测点位分布图

2.2 监测仪器与分析方法

5个评价点臭氧监测仪器采用的分析原理为差分吸收光谱法；清洁对照点臭氧监测仪器采用的分析原理为紫外光度法，两种分析方法均符合国 家规范《环境空气气态污染物（SO2、NO2、O3、CO）连续自动监测系统安装验收技术规范》（HJ 193-2013）［5］的要求。

3 监测结果分析

3.1 臭氧浓度时空变化特征

本文利用2021年国控环境空气质量监测站点的监测数据分析厦门市臭氧的时空变化特征，其中厦门市的臭氧浓度均值为5个评价点位的臭氧浓度均值。

3.1.1 季节变化特征

以1～2月、12月为冬季，3～5月为春季，6～8月为夏季，9～11月为秋季，如图2所示，厦门市臭氧浓度季节变化特征表现为秋季和春季较高、冬季次之、夏季最低。厦门市夏季降水频繁，不利于光化学反应的发生，同时降雨对臭氧及其前体物的湿沉降增强，使臭氧浓度降低；此外，夏季盛行偏南风，大气扩散条件好，且海洋性气团较清洁、污染物区域性输送影响小，因此臭氧浓度达到全年最低。春秋季降雨量减少，天气干燥、湿度小，太阳紫外辐射强，臭氧生成条件较好，且在东北风影响下存在污染物区域性传输，导致臭氧浓度较高。

图2 厦门市臭氧季节分布特征

3.1.2 月变化特征

如图3所示，厦门市臭氧浓度月变化特征与季节变化特征趋于一致，臭氧浓度峰值主要出现在春季的4月和秋季的9月，其中4月为全年臭氧浓度最高的月份；浓度较低的月份为夏季的6月、7月、8月和冬季的12月，全年臭氧浓度最低值出现在7月。4月和9月为夏季风环流和冬季风环流交替的季节，除本地臭氧生成条件较好、污染物易于累积外，上风向的省内周边相邻地区和长三角、珠三角地区的大气污染物也会传输至本地，从而影响厦门市的环境空气质量，导致臭氧浓度上升。

图3 厦门市臭氧浓度月变化特征

3.1.3 日变化特征

如图4所示，厦门市臭氧浓度日变化特征为单峰型分布，呈现明显的日变化特点。上午7时，随着温度升高和太阳紫外辐射增强，光化学反应速率加快，臭氧浓度开始累积并快速上升，在14时达到峰值；此后，随着太阳辐射减弱，光化学反应速率减慢，臭氧生成能力下降，同时氮氧化物的排放量在晚高峰时加大，夜间氮氧化物对臭氧的滴定作用占据主导地位，臭氧浓度持续下降，在次日7时达到最低值。值得注意的是，臭氧浓度的日变化受太阳辐射强度、区域传输、前体物浓度等因素影响，峰值一般出现在午后14时左右，在受区域传输影响较强时，峰值时间可能延后。

图4 厦门市臭氧浓度日变化特征

3.1.4 空间分布特征

本文以各站点2021年臭氧日最大8小时滑动平均值的90%分位来分析厦门市臭氧的空间分布特征，如表1所示，厦门市臭氧浓度值最高的点位为溪东，最低的点位为洪文，各点位臭氧浓度值从高到低排序为溪东＞集美中学＞同安二实小＞鼓浪屿＞湖里中学＞洪文，臭氧污染程度总体上呈现出岛外山区＞岛外城区＞岛内的分布状况。清洁对照点溪东位于厦门岛外的山区，周边植被覆盖率高，植物排放的挥发性有机物浓度高，有助于近地层光化学反应后生成臭氧；另外，在城郊风作用下，岛内上风向和岛外城区的臭氧及臭氧前体物易传输到下风向累积聚集，导致下风向的溪东点位臭氧浓度较高。集美中学和同安二实小站点分别位于集美区和同安区的建成区，周边工业企业较多，且离主要交通干道近，与岛内3个站点相比，受工业尾气和机动车尾气排放的氮氧化物、挥发性有机物等前体物影响较大，臭氧浓度较高。

表1 厦门市各国控点位臭氧监测结果

3.2 臭氧浓度与影响因子的关系分析

利用Pearson相关系数分析厦门市臭氧浓度与二氧化氮浓度、温度、相对湿度、风速等影响因子的相关关系，其中气象数据采用2021年岛内洪文国控环境空气质量监测站点的气象监测数据。臭氧浓度与各影响因子的Pearson相关系数如表2所示。

表2 臭氧浓度与各影响因子的Pearson相关系数

从表2可看出，厦门市臭氧浓度与二氧化氮浓度、温度、相对湿度、风速均有较强的相关性，其中，与二氧化氮浓度、相对湿度呈较强的负相关关系，与温度、风速呈较强的正相关关系。

3.2.1 二氧化氮浓度

二氧化氮作为臭氧的前体物，当太阳辐射较强时，其参与光化学反应生成臭氧占主导作用；当太阳辐射较弱时，其对臭氧的分解作用较明显，因此臭氧浓度与二氧化氮浓度呈负相关关系。

3.2.2 温度

当温度升高时，光化学反应速率也加快，臭氧浓度上升，臭氧浓度与温度为正相关关系。

3.2.3 相对湿度

相对湿度越低，越有利于光化学反应生成臭氧；而相对湿度越高，说明云量和雨量越高，越不利于臭氧的生成和积累，且相对湿度较高时，大气中的水分子会迅速分解臭氧，从而降低臭氧浓度，所以臭氧浓度与相对湿度呈负相关关系。

3.2.4 风速

风速较大时，有利于臭氧的水平扩散和稀释，起到清除臭氧的作用，同时也会产生对流，使上层臭氧向下输送混合，且上风向周边地区的臭氧和前体物也会传输至本地，起到臭氧输入作用，根据Pearson相关系数，厦门市臭氧浓度与风速表现为较强的正相关性。

4 结论

通过分析厦门市2021年优化调整后的“十四五”期间6个国家环境空气质量监测点位的臭氧浓度，发现厦门市臭氧污染呈现较为明显的时空分布特征。春季和秋季臭氧污染程度较严重，夏季臭氧浓度处于较低水平；月变化特征与季节变化特征趋于一致，春季的4月和秋季的9月臭氧浓度较高，4月为全年臭氧浓度最高的月份，夏季的6月、7月、8月和冬季的12月臭氧浓度较低，7月为全年臭氧浓度最低的月份；日变化特征为单峰型分布，白天随着光化学反应速率加快，臭氧浓度快速上升，在14时达到最高值，随后光化学反应速率减慢和氮氧化物的滴定作用增强，臭氧浓度在夜间时段呈下降趋势，在7时达到最低值。

厦门市臭氧浓度最高的点位为溪东，最低的点位为洪文，总体上，臭氧污染较严重的区域为岛外山区，其次为岛外城区，岛内区域臭氧污染程度相对较轻。根据Pearson相关系数，臭氧浓度与前体物二氧化氮浓度和温度、相对湿度、风速等影响因子有较显著的相关性：与温度、风速呈正相关关系，与二氧化氮浓度、相对湿度呈负相关关系。