臭氧浓度时空分布特征及其影响因素分析

陈育华，林建生

（1.韶关市生态环境监测站乐昌分站，广东 韶关 512000；2.广州大学，广东 广州 510000）

0 引言

21 世纪以来，随着中国工业化进程的不断完善和私家车等移动交通工具的不断普及，大量的工业废气和汽车尾气排放使得中国的空气污染更加严重，特别是以臭氧（O3）为主的光化学雾霾污染和高浓度细颗粒物（PM2.5）的雾霾现象频繁发生[1]。为了更加客观合理地评价空气质量，2012 年中华人民共和国生态环境部颁布的《环境质量标准》（GB 3095—2012）明确规定了臭氧的新标准浓度值——1 h 臭氧浓度值和8 h臭氧浓度值[2]。根据《广东省城市环境空气质量状况》（2018 年8 月）公布的数据，与2017 年相比，臭氧已成为广东省的首要污染物，占比达92.4%。不难看出，随着广东省经济的不断发展，煤化石燃料使用量的急剧增加和机动车的大量使用直接或间接导致了臭氧浓度的增加[3-5]。长期高浓度臭氧污染会对人体健康造成危害，尤其是对人体呼吸道和神经系统的危害。严重者会引起哮喘、胸闷、头痛、思维能力下降等，这是真正的“隐形杀手”[6-7]。

本研究监测期为秋季8 月22 日—28 日。利用大气运动监测系统，以韶关市乐昌市某区域为中心，对特定路线的运动进行监测，采集NO2和O3浓度等数据，利用数据统计分析软件对监测路线沿线的O3浓度及O3浓度变化进行监测。对臭氧污染的时空分布特征、浓度变化与影响因素的相关性分析、来源分析进行了研究，为改善该市空气质量、减少臭氧污染提供初步的数据参考。

1 研究方法

如图1 所示，沿固定路线，从第五中学出发，经过南塔路到广东省第二农机厂，然后到达长塘路，绕南塔公园到达殡仪馆，最后回到第五中学。选择上述路线的主要原因是：长塘路、南塔路和南塔公园在该区域可以很好的覆盖，具有典型性。路线主要经过露天工地、学校和交通路口，监测数据具有代表性。

图1 研究路线示意图

使用Aeroqual S500 臭氧监测仪测量臭氧浓度。监测仪将周围的空气吸入一个外壳，在这个外壳中，臭氧分子通过其氧化倾向，改变感应材料（一种加热的氧化钨薄膜）的电状态。薄膜被沉积在金属电极上，电阻的变化可以反映臭氧浓度的变化。测量周期约为68 s，而数据每分钟记录为最近更新的值。对于步长增加，响应时间约为3 个采样间隔（约3 min），对于步长减少，响应时间约为一个采样间隔（约1 min）。该移动监测仪器是Sniffer4D 智能嗅觉超细网格大气移动监测系统，使用世界领先的英国Alphasense 气体传感器。实时监控数据可通过4G 信号或数据线传输到配套的数据处理软件Sniffer4D Mapper 数据可视化分析软件。2019 年8 月22 日—28 日，为期7 d。根据中国空气质量在线监测网数据，这段时间O3的平均质量浓度为62.8 μg/m3。移动抽样每天3 次，时间分别为09：00—09：30、15：00—16：00 和21：00—21：30。

数据处理与分析采用仪器自带的Sniffer4D Mapper 数据可视化分析软件对采样数据进行初步判断与分析。利用软件提供的二维网格图和三维点云图，可以查看垂直范围的数据变化和不同地方的O3浓度，并对中国空气质量在线监测发布的该市数据进行对比分析。

2 结果与分析

2.1 O3 浓度的时间分布特征

乐昌市臭氧浓度日变化特征如表1 所示。7 d 内O3浓度的日变化趋势大致呈早晚低、下午高的“单峰”模式，04：00—08：00，O3浓度较低。O3浓度数据08：00 开始上升，16：00 左右达到峰值，之后整体数据开始下降。另外可以看到，20：00 时左右，该市臭氧质量浓度基本上都低于100 μg/m3。

表1 该市8 月22 日—28 日臭氧浓度日变化过程

研究期间，该市上午O3质量浓度基本在14～147 μg/m3，下午O3质量浓度基本在32～147 μg/m3。晚上浓度较下午低，在7～97 μg/m3。根据《环境质量标准》（GB 3095—2012），O3浓度的1 h 平均水平为160 μg/m3，第二水平为200 μg/m3。从图2 可以看到，研究区的臭氧浓度低于国家规定的二级，表明研究区臭氧在可接受范围内。此外，根据监测路线的不同，个别区域的O3浓度在一定时间内出现“最大值”，判断为O3浓度飙升，这与监测过程中的环境和人类活动有关。

图2 O3 平均日变化箱形图（上午—下午—晚上）

2.2 O3 质量浓度的空间变异特征

研究期间O3质量浓度的等值线分布如图3 所示。颜色越深，该区域O3质量浓度越高。通过对比可以清楚地看到，下午的O3质量浓度等高线图最暗，主要集中在南塔路和长塘路附近，晚上的区域图次之，上午的区域图最亮，符合O3质量浓度的单峰趋势。与数据比较发现，上午、下午和晚上测得的O3平均质量浓度分别为25、89.5、39.0 μg/m3。

图3 臭氧质量浓度等值线的时空分布

图4 显示了研究区内不同地点的O3浓度的日变化情况。总体而言，4 个地点南塔路、第五中学、南塔公园和长塘路浓度日变化均呈单峰分布。可以清楚地看到，南塔路的监测数据高于其他3 个地点，下午或夜间的O3质量浓度监测值均超过50 μg/m3。原因可能是南塔路车流量大，人流量大，机动车尾气排放大，污染源集中。南塔公园的价值相对较低，相对而言，南塔公园和第五中学的O3浓度较4 个地点低，可能是因为人流量和车辆较少，说明人类排放源对特定地点O3浓度的影响较大。

图4 各地点臭氧浓度的日变化

2.3 O3 污染来源分析

本研究移动监测结果显示，该市8 月22 日—28 日O3日平均浓度基本低于本研究区（图5）。所研究区域在乐昌市南塔公园附近，与市中心有一定距离。许多研究表明，城市郊区的O3浓度数据普遍高于市区，这可能是由于市区的O3污染或前体NOx的区域运输。氮氧化物由城市向郊区输送，在日照充足、温度较高的天气条件下，自然排放的挥发性有机化合物生成O3。

图5 某市市区与研究区臭氧日平均浓度比较

图6 不同NO2 浓度与臭氧浓度的相关性

因此，本研究比较了O3质量浓度和前体NO2质量浓度的数据，发现不同的NO2质量浓度与O3质量浓度存在不同的相关性（图6）。当NO2质量浓度小于30 μg/m3时，NO2质量浓度与O3浓度呈负相关，而当NO2质量浓度大于40 μg/m3时，NO2质量浓度与O3质量浓度呈正相关。研究区南塔路日交通量巨大，机动车怠速时，释放出大量未完全燃烧的CO，促进了O3质量浓度的升高。与南塔路相比，南塔公园车流量不大，午后O3质量浓度明显低于南塔路等车流量较大的交叉口。此外，臭氧污染的区域传输明显，秋季广东省粤东北臭氧的区域输送占臭氧污染的比重较大。因此，可以判断NO2质量浓度与O3质量浓度呈正相关，NO2质量浓度与外部O3运输存在一定的相关性，从而导致了NO2质量浓度局部上升，反而促进了O3生产的错误印象。结果发现，8 月25 日，O3质量浓度达到最大值，随后下降至8 月28 日，在此期间，研究区前体NO2变化不明显。研究期间该市气象资料显示，8 月22 日—25 日风向为东北，推测研究区高浓度O3污染可能在一定程度上被输送。

3 结论

本文采用高精度气体传感器于2019 年8 月对乐昌市南塔公园周边的O3质量浓度进行监测，并对其时空分布特征及影响因素进行分析研究。得到以下结论：研究区臭氧污染日变化特征呈单峰分布，下午15：00 左右达到峰值，1 h 内平均质量浓度低于国家200 μg/m3污染标准。对比该市与监测区O3质量浓度数据可以看出，中心城区O3质量浓度明显低于本实验监测区。研究区臭氧浓度污染存在明显的空间分布特征，高浓度臭氧主要集中在南塔路、长塘路等交通量较大的区域，说明高浓度臭氧可能与机动车尾气排放前体有关。结合风向条件，推测研究区可能存在一定程度的高浓度O3污染区域输送。