北方城市市区大气臭氧污染时...特征分析与协同治理策略研究_楚君.pdf

第 48 卷第 2 期2023 年 2 月环境科学与管理ENVIONMENTAL SCIENCE AND MANAGEMENTVol.48 No.2Feb 2023收稿日期:2023 02 10作者简介:楚君(1976 )，女，硕士，高级工程师，主要从事环境监测、环境保护技术研究工作。文章编号:1674 6139(2023)02 0125 04北方城市市区大气臭氧污染时空变化特征分析与协同治理策略研究楚君，雷晓慧(河南省商丘生态环境监测中心，河南 商丘 476000)摘要:臭氧气体会刺激人体器官粘膜，对人体呼吸系统产生影响，当臭氧浓度过高时，也会对植物和动物产生危害，因此需要提出臭氧污染的治理策略，降低城市市区的臭氧污染程度。提出北方城市市区大气臭氧污染时空变化特征分析与协同治理策略，挑选沈阳作为研究区域，首先获取了沈阳的污染浓度分布数据，采用皮尔森相关系数分析氮氧化物、PM10、PM2 5、一氧化碳和二氧化硫对臭氧浓度分布产生的影响，其次，分析了城市市区大气臭氧污染的季节变化特征、月浓度变化特征以及日变化特征，最后根据臭氧污染时空变化特征分析结果，提出臭氧污染的协同治理策略。关键词:北方城市;大气臭氧污染;皮尔森相关系数;时空变化特征;臭氧治理策略中图分类号:X513文献标志码:AAnalysis of Temporal and Spatial Variation Characteristics of Atmospheric OzonePollution in Urban Areas of Northern Cities and Coordinated Governance StrategiesChu Jun，Lei Xiaohui(Henan Shangqiu Ecological Environment Monitoring Center，Shangqiu 476000，China)Abstract:Ozone gas will stimulate the mucous membrane of human organs and have an impact on the human respiratory sys-tem When the concentration of ozone is too high，it will also cause harm to plants and animals Therefore，it is necessary to put for-ward ozone pollution control strategies to reduce the degree of ozone pollution in urban areas This study analyzes the spacial andtemporal changing characteristic of atmospheric ozone in the northern city and collaborative management strategy Taking Shenyangas a research the area，it the first obtained the pollution concentration distribution data in Shenyang by using Pearson correlation co-efficient analysis of nitrogen oxides，PM10，PM25，carbon monoxide and sulfur dioxide on ozone concentration distribution Second-ly，it studies urban atmospheric ozone pollution seasonal change characteristics，monthly concentration change characteristics anddaily change characteristics A collaborative governance strategy of ozone pollution is finally proposedKey words:northern cities;atmospheric ozone pollution;Pearson correlation coefficient;temporal and spatial variation charac-teristics;ozone management strategies前言城市空气质量问题在能源结构调整、人口数量增多和社会经济发展的背景下受到人们的广泛关注。经调查发现，造成城市光化学烟雾污染的主要原因之一是臭氧，臭氧会对城市建筑、人体健康、生态环境和农作物生产造成一定的危害，属于一种强氧化剂。氮氧化物和有机物经过二次反应会生成臭氧，随着中国机动车保有量的增多，中国城市的臭氧污染问题不断加剧，因此分析市区大气臭氧污染时空变化特征，并提出相关治理策略具有重要意义。521第 48 卷第 2 期2023 年 2 月楚君等北方城市市区大气臭氧污染时空变化特征分析与协同治理策略研究Vol.48 No.2Feb 2023么相姝1 等人首先获取了监测区域的空气数据，结合空间分析方法和系统聚类方法研究该区域的大气臭氧污染时空变化特征。宋佳颖2 等人通过臭氧监测仪采集研究区域的卫星反演数据，通过分析卫星数据提取大气臭氧柱浓度，以此为依据对臭氧的影响因素和时空变化特征展开分析。在上述方法研究结果的基础上，提出北方城市市区大气臭氧污染时空变化特征分析与协同治理策略。1臭氧与其他污染物的相关性分析臭氧在市区的污染时空变化特征会受到其他污染物的影响，所提方法采用皮尔森相关系数 分析臭氧与其他污染物的相关性3:rxy=ni=1(xi?x)(yi?y)ni=1(xi?x)2ni=1(yi?y)2(1)式中，xi、yi代表的是两个变量;?x、?y 为变量 xi、yi对应的平均值;n 表示样本数量。选取沈阳作为本次研究区域，为分析不同污染物与臭氧之间的相关性，选取沈阳某天的污染物浓度分布作为研究数据，见表 1。表 1污染物浓度分布时间一氧化碳(mg/m3)氮氧化物(g/m3)PM25(g/m3)PM10(g/m3)二氧化硫(g/m3)臭氧(g/m3)0:000792616379135551:000782016773521582:000681315872115583:000721716073314604:000803415972142575:000803616676068576:000784619381965537:0008543200826111508:0005742217923212489:00082482249372014210:00106522319241453611:00102532369201232712:0009142240940543013:0008937211888363114:0008329225865253815:0008521207841275216:0008525202801155717:0008222193779396518:0008026187752467519:0008037181759658420:0008031195843688621:0008030180774478822:0007528157678939023:000803611148285871 1氮氧化物与臭氧的相关性分析根据表 1 中的数据可知，氮氧化物浓度与臭氧浓度之间呈负相关，主要是因为臭氧在生成过程中会受到平流层中高浓度氮氧化物的抑制4，因此，随621第 48 卷第 2 期2023 年 2 月楚君等北方城市市区大气臭氧污染时空变化特征分析与协同治理策略研究Vol.48 No.2Feb 2023着氮氧化物浓度的升高，臭氧在市区大气中的浓度较低。1 2PM10与臭氧的相关性分析由表 1 可知，随着 PM10浓度的减少，与氮氧化物相同，臭氧在城市市区大气中的含量不断降低，表明两者之间属于负相关。在夜间 18:00 23:00 与白天 5:00 17:00 这两个时间段，两者之间的关系较为显著，主要是因为大气中 PM10浓度的增加会导致紫外线产生大面积的辐射，光化学反应在一定程度上会抑制臭氧在大气中的形成，进而降低了浓度。1 3PM2 5与臭氧的相关性分析由表 1 数据可知，随着 PM2 5浓度的增加，臭氧在市区大气中的浓度不断减小，因此两者之间为负相关，主要是近地面附近的水蒸气与空气中的 PM2 5之间反应导致雾霾生成5 6，抑制了大气中紫外线的辐射，进而降低了臭氧在市区大气中的生成。1 4一氧化碳与臭氧的相关性分析通过对比表 1 中的数据，一氧化碳和臭氧之间的关系较为显著，两者之间呈负相关，经研究发现，促进臭氧在大气中生成的因素之一为一氧化碳，因此臭氧在生成过程中会逐渐消耗大气中存在的一氧化碳。1 5二氧化硫与臭氧的相关性分析由表 1 中的数据可知，白天臭氧在市区大气中浓度的增加会导致二氧化硫浓度的减少，由此可知，两者之间呈负相关。太阳在夜间的辐射强度通常低于白天的辐射强度，因此光化学反应在夜间对二氧化硫产生的影响较小7，在此条件下二氧化硫转变为三氧化硫的难度提高，速率降低。2大气臭氧污染时空变化特征分析2 1季节变化特征沈阳属于中国北方城市，四季分明，冬天较为干燥且气温较低，夏季的雨水较多且气温较高，秋天和春天的气候宜人。沈阳近年来的臭氧浓度随季节的变化情况见图 1。图 12019 年 2021 年沈阳的臭氧季节变化情况分析图 1 可知，沈阳市近几年的臭氧浓度随季节的变化情况较为明显，臭氧在冬季的浓度最低，在夏季的浓度最高，春季臭氧浓度高于秋季的臭氧浓度。出现这种现象的主要原因是，阳光在气温较高的夏季中照射最强，因此臭氧在夏季的浓度最高，太阳辐射在秋季的强度变弱，此时通过光化学反应生成臭氧的能力较低，北方城市冬季的温度较低，会采取燃煤供暖，煤炭的燃烧会容易产生雾霾造成空气污染，紫外线辐射在雾霾天气中的强度减小，因此秋季和冬季的臭氧浓度明显低于其他季节。通过上述分析可知，大气臭氧浓度会受到温度的影响，同时紫外线会促进臭氧的生成，因此臭氧浓度在高强度光照条件下会提高。2 2臭氧浓度月份变化特征图 2臭氧月均浓度变化情况721第 48 卷第 2 期2023 年 2 月楚君等北方城市市区大气臭氧污染时空变化特征分析与协同治理策略研究Vol.48 No.2Feb 2023表 2臭氧月均浓度分布情况月份臭氧浓度分布范围(g/m3)110 70212 80320 135426 160535 225640 250725 230828 215910 215103 145112 65122 70如图 2、表 2 所示数据可知，沈阳 6 月份的臭氧浓度最高，1 月份的臭氧浓度最低。主要是因为夏季的阳光辐射较为强烈且温度较高，具有风力弱、云量少和日照强等特点，容易促进臭氧的生成，因此夏季臭氧的浓度通常较高，七月份的降雨次数较多，因此 7 月份的臭氧浓度较低。冬季具有光照强度低、温度低等特点，且雾霾天气较多，冬季条件不利于臭氧的扩散。不同季节的辐射量和温度都不相同，对光化学反应产生的影响也存在差异。在光化学反应过程中臭氧属于二次污染物，太阳辐射和季节变化与其存在正相关关系8。2 3日变化特征选取 2019 年 2021 年中臭氧浓度最高的两天，分别为 2019 年 6 月 28 日、2021 年 6 月 5 日，研究城市市区大气臭氧污染时空变化特征。图 32019 年 6 月 28 号臭氧浓度如图 3 所示，从上午 8 点开始三个监测点的臭氧平均值开始逐渐上升，最高值出现在 14:00，14:00 之后三个监测点的臭氧平均值开始下降。图 42021 年 6 月 5 号臭氧浓度如图