臭氧浓度时空分布特征及影响因素研究

杨碧波，杜治舜，侯 乐，王 闯，李建熹

（辽宁省沈阳生态环境监测中心，辽宁 沈阳 110000）

引言

臭氧（O3）是大气中的一种重要气体，既存在于地球的下层大气（对地球表面有害），又存在于高层大气（对地球生物具有保护作用），主要来源于自然源和人为源。自然源臭氧主要由太阳紫外线辐射与大气中的氧气发生光化学反应而产生，而人为源臭氧则主要来源于工业排放、交通尾气和农业活动。

尽管臭氧在地球的高层大气中扮演着屏蔽有害紫外线辐射的重要角色，但在地表大气中的高浓度臭氧却是一个环境问题。这种地表臭氧是一种强氧化剂，能够对人类健康和生态系统造成广泛危害，长期暴露于高浓度臭氧的环境中，可引发人类呼吸系统疾病、心血管问题以及免疫系统异常。此外，臭氧对植物生长和农作物产量也具有负面影响，因而对生态平衡产生不利影响。鉴于臭氧对人类和环境的潜在危害，对其浓度的时空分布特征及其影响因素进行深入研究至关重要。本研究旨在探索臭氧浓度在不同时间和地点的分布规律，分析导致这些变化的多种因素，以提供科学技术支持，从而改善城市空气质量，保护人类健康，以及维护生态系统的健康。通过深入研究臭氧的时空分布特征和影响因素，我们可以更好地理解和应对这一环境问题，推动可持续发展的目标。

1 概述

在过去几十年里，许多研究已经致力于探讨臭氧浓度的时空分布和影响因素。

1.1 臭氧浓度的时空分布特征

早期的研究已经明确了臭氧浓度在不同季节和地理位置之间存在显著的变化。例如，有研究者发现，城市地区通常在夏季经历高峰值臭氧浓度，而在冬季浓度较低。此外，一些研究指出，城市区域和郊区的臭氧浓度之间存在明显差异，城区通常表现出更高的臭氧浓度。

1.2 影响因素分析

研究表明，气象条件是影响臭氧浓度的重要因素之一。高温和高湿度条件有助于臭氧的形成，而风速和大气稳定度也会对臭氧浓度产生影响[1]。此外，人为源臭氧的排放如汽车尾气和工业废气，已经得到了广泛研究，并确定为地表臭氧的主要来源之一[2]。然而，尽管人为源臭氧的研究已经取得了显著的进展，仍然存在一些知识空白和研究缺口需要进一步探讨。首先，虽然相关学者已经对气象条件的影响进行了广泛研究，但是对于不同气象参数之间复杂的相互作用和季节性变化的深入理解仍然不足。其次，关于工业排放和交通排放等人为源臭氧的准确贡献仍然需要更加全面的调查和分析。最后，地理特征对臭氧分布的影响也需要进行更深入地研究，尤其是城市化程度对城市臭氧浓度的潜在影响。因此，本研究旨在填补这些知识空白，通过详细的数据收集和分析，更全面地理解臭氧浓度的时空分布特征以及各种影响因素之间的复杂关系，这将有助于我们更好地应对城市空气质量问题，从而保护环境和人类健康。

2 臭氧浓度的时空分布特征研究

2.1 对不同季节的臭氧浓度进行对比分析

通过对不同季节的臭氧浓度进行比较分析，可以观察到臭氧浓度在不同季节之间的显著差异。

2.1.1 夏季是臭氧浓度较高的季节

这是因为夏季气温升高和日照时间增加导致臭氧生成速度加快。高温和强烈的阳光照射会促使氮氧化物和挥发性有机物等臭氧前体物质的光解反应加快，因而产生更多的臭氧，所以夏季臭氧浓度相对较高[3]。

2.1.2 冬季臭氧浓度相对较低

这是因为冬季气温较低，光照较弱，臭氧的生成速度减慢。在低温和弱光照条件下，臭氧前体物质的光解反应减缓，导致生成的臭氧减少。因此，冬季的臭氧浓度相对较低[4]。

2.1.3 春季和秋季的臭氧浓度处于中等水平

这是因为春季和秋季的气温和光照条件相对复杂。春季气温逐渐回升，但光照较弱，而秋季气温逐渐降低，但光照较强。这些因素共同影响着臭氧的生成速度。因此，春季和秋季的臭氧浓度处于中等水平。

2.2 臭氧浓度的空间分布分析

臭氧的时空分布特征对于研究该地区空气质量具有重要意义。

（1）城市中心地区的臭氧浓度通常较高，而郊区的臭氧浓度较低。这可能是由于城市中心地区的工业排放和交通污染等人为因素较多，导致臭氧的生成速率增加，从而使臭氧浓度较高。而郊区的自然环境和气象条件相对较好，臭氧生成速率较低，因此臭氧浓度较低。

（2）除了城市中心地区，一些特定区域的臭氧浓度也较高，这可能与工业排放、交通污染等因素有关。例如，工业区域往往会排放大量工业废气，其中可能包含臭氧生成的前体物质，从而导致臭氧浓度升高。此外，交通密集区域也可能存在较高的臭氧浓度，因为汽车尾气中的氮氧化物和挥发性有机物可以参与臭氧生成的化学反应。

臭氧浓度的空间分布还受到气象条件的影响。例如，高温、高湿度和强阳光照射等气象条件有利于臭氧的生成。因此，在夏季或者气象条件较为炎热、潮湿的时期，臭氧浓度往往较高。此外，风向和风速也会对臭氧的传输和分布产生影响。当风向将臭氧源区的排放物带到目标区域时，臭氧浓度可能会升高；而当风速较大时，臭氧浓度可能会降低，因为风能够带走臭氧。

3 影响臭氧浓度的因素分析

3.1 大气温度对臭氧浓度的影响

大气温度是影响臭氧浓度的重要因素之一。随着气温的升高，空气中的臭氧生成速度会增加。这是因为高温环境有利于氮氧化物的光化学反应，从而产生更多的臭氧。此外，高温还会加速臭氧的光解速度，使其分解为氧气和单质氧。因此，在高温环境下，臭氧的生成速度远远高于其分解速度，从而导致臭氧浓度的升高。而在低温环境下，臭氧的光解速度会减慢，臭氧浓度相对较低。这是因为低温会抑制臭氧分子的能量转移和碰撞，使其分解速率减缓。此外，低温环境下氮氧化物的生成速度也会减慢，从而减少了臭氧的生成来源。因此，在低温环境下，臭氧的生成速度和分解速度相对接近，所以臭氧浓度也相对较低。

3.2 光照强度对臭氧浓度的影响

光照强度是影响臭氧浓度的重要因素之一。光照能够促进臭氧的生成和分解过程，所以当阳光充足时，光照可以加速臭氧的光解速度，从而降低臭氧浓度。这是因为光照能够提供足够的能量，促使臭氧分子发生光解反应，并将臭氧分解为氧气和单质氧，这样臭氧浓度就会减少。因此，在阳光充足的情况下，臭氧浓度相对较低。

3.3 风速对臭氧浓度的影响

风速是指空气运动的速度，对臭氧浓度有着重要影响。较高的风速可以将空气中的臭氧带走，减少其积累，使浓度降低。这是因为风可以将臭氧分子从一个地区吹散到另一个地区，使其稀释。相反，较低的风速会导致臭氧在空气中滞留，导致臭氧浓度相对较高。风速的变化还会影响臭氧的扩散和传输，进而影响其浓度分布。

3.4 大气压强对臭氧浓度的影响

较高的大气压强通常会导致臭氧浓度的下降。这是因为高压区域的空气下沉，增加了大气层中的压力。当空气下沉时，会压缩大气中的分子，包括臭氧分子。这种压缩效应会导致臭氧分子的浓度减少。相反，较低的大气压强可能导致臭氧浓度的上升。低压区域的空气上升，减少了大气层中的压力。当空气上升时，臭氧分子会扩散到更高的高度，从而增加了臭氧的浓度。

3.5 相对湿度对臭氧浓度的影响

相对湿度的增加会对臭氧浓度产生影响。当相对湿度增加时，空气中的水蒸气含量也会增加，这会导致臭氧分子与水蒸气发生反应，形成臭氧消耗物质。这些化合物会消耗空气中的臭氧分子，从而降低臭氧浓度。相对湿度较高的情况常常出现在夏季。夏季气温升高时，空气中的水蒸气含量也会增加，从而导致相对湿度的增加。当相对湿度增加时，空气中的臭氧浓度往往会下降，这是因为水蒸气会与臭氧分子发生反应，形成臭氧消耗物质，如过氧化氢和羟基自由基，而这些化合物会消耗空气中的臭氧分子，从而降低臭氧浓度。

3.6 人类活动对臭氧浓度的影响

人类活动对臭氧浓度的影响是多方面的。

3.6.1 工业排放

许多企业在生产过程中会产生大量废气，其中包括氮氧化物和挥发性有机物。当这些废气排放到大气中，就会受到光照和气象条件的影响，与空气中的其他成分发生反应。特别是在夏季高温、高湿的条件下，这些废气成分与氮氧化物和挥发性有机物相互作用，会产生臭氧。沈阳作为一个工业重镇，企业废气排放问题一直备受关注。由于沈阳的地理位置和气候条件，使大气中的氮氧化物和挥发性有机物更容易与其他成分发生反应，进而产生臭氧。

3.6.2 交通尾气

由于工业城市的交通流量庞大，车辆数量众多。因此，车辆燃烧产生的废气排放量较大，这些废气中会含有大量氮氧化物和挥发性有机物。随着车辆数量的增加，交通尾气的排放也相应增加。这些废气中的氮氧化物和挥发性有机物与大气中的氮氧化物和挥发性有机物相互反应，形成光化学反应，进而增加了臭氧的生成。

3.6.3 燃烧活动

煤炭、石油和天然气燃烧是主要的能源消耗方式，且在燃烧过程中释放的氮氧化物和挥发性有机物会对环境产生重要影响。中国东北，气候寒冷，大气稳定层较低，加上高能耗和高排放的工业结构，使得该地区的空气质量问题日益严重。氮氧化物（NOx）和挥发性有机物（VOCs）是空气污染的重要组成部分。在燃烧过程中，在高温、高压条件下，煤炭、石油和天然气中的氮和氧发生反应生成氮氧化物，挥发性有机物则是燃料中未完全燃烧的碳氢化合物。这些氮氧化物和挥发性有机物排放到大气中后，在光照和气象条件相互作用下形成臭氧[5]。由于高能耗和工业排放的影响，臭氧生成速率较高。夏季高温和强烈的日照条件加剧了臭氧的形成。

3.6.4 农业活动

农业活动也会对臭氧浓度产生影响。在农业生产过程中，常常会使用农药和化肥，其中的一些化学物质可能会释放出氮氧化物和挥发性有机物，进而参与臭氧的形成。此外，农业燃烧活动如秸秆焚烧，也会释放出大量的氮氧化物和挥发性有机物，从而进一步增加了臭氧生成的可能性。

3.6.5 生活排放

人类的生活活动也会对臭氧浓度产生一定影响。例如，家庭、商业和服务业的燃烧活动（如烹饪、供暖等）会释放氮氧化物和挥发性有机物，这些废气排放到大气中后，与其他成分相互作用也会形成臭氧。此外，交通工具也会产生尾气，增加了臭氧生成的机会。

4 结语

本研究对臭氧浓度的时空分布特征及其影响因素进行了深入研究，并得出以下结论：

（1）臭氧浓度在不同季节之间存在明显的变化。通常情况下，夏季时臭氧浓度呈现出明显的高峰，而冬季浓度相对较低。这一季节性变化主要受气象条件的影响，如高温和阳光有助于臭氧的形成。

（2）不同地区的臭氧浓度存在差异。城市地区通常臭氧浓度更高，而郊区地区较低。这种地理差异可能受到交通排放、工业活动和地形等因素的影响。

（3）气象条件对臭氧浓度的影响至关重要。高温、阳光和风速等因素对臭氧浓度具有显著的影响。因此，在空气质量管理和政策制定过程中要充分考虑气象因素。

（4）长期数据分析显示，臭氧浓度的季节性和地域性趋势可能随时间而变化。因此，需要进行长期趋势的研究。

综上所述，臭氧浓度的时空分布特征是一个复杂的问题，受到多种因素的影响。深入研究这些特征有助于我们更好地理解和应对空气质量问题，从而保护人类健康和生态系统的健康。未来的研究可以进一步探讨气象参数、人为源排放和长期趋势之间的关系，从而制定出更加有效的环境政策和措施。