广昌县城区近地面臭氧污染特征及气象影响因子分析_谢文韬.pdf

广昌县城区近地面臭氧污染特征及气象影响因子分析谢文韬 魏凌云 易嘉箐（抚州市广昌生态环境监测站，江西 抚州）摘 要：利用 年广昌县城区的近地层臭氧浓度和气象条件的连续监测资料，对臭氧浓度随时间和气象条件变化的特征进行了分析，探讨了各气象因子和综合条件对臭氧浓度的影响。结果表明：（）近 年广昌县城区的近地面 年评价的第 百分位数分别为、，浓度主要分布在 范围，总体水平较低，背景浓度逐年上升。超标是本地少量污染天气形成的重要原因；（）臭氧浓度月际变化呈双峰型，峰值上半年出现在 月份，下半年出现在 月份。多数季节之间浓度差异极显著。日变化呈单峰形，每日 时出现最低值，峰值大多数出现在 时左右；（）浓度与相对湿度极显著负相关（，a），与气温极显著正相关（，a ），与气压极显著负相关（，a.），与风向显著相关（，a ），与风速相关性不明显；（），.，风向为 或 的气象条件下，广昌县城区近地面容易形成臭氧空气污染。关键词：臭氧污染；近地面臭氧；变化特征；气象条件；广昌县中图分类号：文献标志码：，（，）：，：（），（），：，收稿日期：；修回作者简介：谢文韬（），男，工程师，本科，研究方向：环境监测和环境影响评价管理。：年第 期环 保 科 技 ：（）（，），（，），（，），（，），（），：；臭氧（）是一种主要由氮氧化物和挥发性有机化合物等前体物发生光化学反应而生成的大气二次污染物。近地面高浓度的臭氧具有较强的氧化性，可 严 重 危 害 地 表 农 作 物 和 自 然 植 物 生长，增加人群呼吸系统健康风险和加重疾病负担对人类健康产生不利影响，因而引起国内外学者的广泛关注。臭氧也是环境空气六项基本污染物之一，根据生态环境部发布的生态环境状况公报数据，年全国 个城市以 为首要污染物的超标天数比例为 ，仅次于 ，超标已成为制约空气质量改善的重要因素之一。研究表明，除受前体物影响外，气温、相对湿度、气压、风速等气象要素对臭氧浓度有重要影响，通常情况下，高温低湿的气象条件有利于光化学反应进行，臭氧浓度与近地面压强存在一定的负相关性，一定范围的风速和相关风向可影响 的传输扩散。同时，李霄阳等对 年中国 个城市 监测数据分析指出 浓度呈现显著的空间分异特征，栗泽苑等对 年我国浓度和气象因子数据进行研究，得出我国近地面臭氧与气象因子的相关性存在显著的空间分布特征的结论。上述表明，不同区域和不同城市的 污染特征、主要气象影响因素存在一定的差异，因此对本地区域开展臭氧污染分析研究工作具有重要意义。广昌县为江西省抚州市下辖县，位于抚州市最南端的武夷山西麓，是江西省第二大河流 抚河的发源地，也是国家重点生态功能区县和国家生态文明建设示范区。目前，广昌县环境空气质量方面的研究未见报道，本文利用近 年完整的环境空气质量和气象数据，分析探讨广昌县城区近地面 污染特征及相关影响因素，以期客观认识本地光化学污染基本状况，为制定持续改善本地环境空气质量调控政策提供一定的科学依据。研究区概况广昌县城区东、西、南三面环山，北面地势相对平坦，城区面积约 ，距北面的工业园区 。数据监测站点（，海拔高度 ）位于县城区东南部县幼儿园内教学楼顶，气体采样口距地面 。采样口周围无明显建筑物阻挡，附近无工业污染源，人类活动影响因素主要为附近的居民生产生活和交通道路。数据来源与研究方法 数据来源浓度和气象要素日均值及逐时数据来源于抚州市环境空气自动监测网广昌县省控站点同步监测结果，站点监测分析仪的技术要求、性能指标、日常运维和质量控制技术均符合国家相关规范要求。分析选取站点 年 月 日至 年 月 日时间段日均值数据 组、逐时数据 组，经整理，数据总有效率大于 。研究方法参照环境空气质量标准（）定义 浓度超过一级浓度限值（）为高值日，超过二级浓度限值（）为污染日。通过对 监测数据按照不同的时间尺度进行统计分析，分析时间序列臭氧污染特征。对 浓度与同时段的气象因素监测数据进行 等级相关相关性分析及差异显著性分析，得出影响广昌县城区 浓度的气象因素；相关绘图中箱形图上下边缘线为浓度的 和 分位数，箱体上下限分别为 和 分位数，箱体中间横线为中位线，点为平均值。结果与分析 总体污染状况图 为 年至 年广昌县城区的近地面 年第 期环 保 科 技 浓度分布区间，分布区间呈“单峰”分布，浓度区间主要分布在 之间，占总天数的 ，这表明此区间浓度具有很强的代表性，高值日分布区间占总天数的，污染日 天占总天数的。图 年广昌县城区近地面 浓度分布区间 为了解过去 年近地面臭氧的浓度变化，利用每日 的第 百分位数（），第 百分位数（）和年平均浓度分析变化趋势。通常，的低百分位的第 分位数代表背景浓度，平均浓度代表全年 的总体水平，高百分位的第 分位数评价年污染水平。由图（）可见，年至 年 的 分位数分别为、图 年 年浓度变化和首要污染物天数分布、，总体呈先上升后下降趋势。年平均浓度值分别为、，总体变化趋势与 分位数一致，其中 至 年逐年上升趋势明显，年较 年上升，年较 年上升 ，年较 年下降，年较 年下降。从 分位数来看，背景浓度在逐年上升（，a.）。图（）显示，年，广昌县城区污染天气 天，占总天数的 。首要污染物分别为，和 。其中，以细颗粒物 为首要污染物天气 天，占；为首要污染物天气 天，占；为 天占。光化学污染日趋严重正在成为影响本地环境空气质量的重要原因，需要引起高度重视。时间变化特征 逐月变化由图 可见，广昌县城区近地面多年 月平均浓度呈“双峰型”特点，浓度在 月图 浓度月变化和污染天数月分布 年第 期环 保 科 技 份达到上半年度最大值 ，月份达到峰值 。从各年度来看，每年的 月份到次年的 月份 浓度相对较低。此外，通过统计 天 污染天气的月分布情况，发现 污染主要出现在 月份，占总天数的.；图 显示，近地面 季平均污染水平在秋季最高（），冬季最低（.），按浓度大小顺序为秋季 夏季 春季 冬季，除春夏季之间 浓度差异不显著外，其他季节之间差异极显著（a ）。图 浓度季节变化 日变化广昌县城区近地面 浓度的昼夜变化呈明显的单峰形分布特征（图），与全国大多数城市和地区一致，昼夜浓度差异明显，白天的浓度明显高于夜间。日浓度变化主要分为 光化学产生、消耗 个阶段。在早上 时左右开始随着太阳辐射的增强和前体物浓度上升，空气中 浓度迅速上升，并于 时左右达到最大值。时以后随着等前体物不断消耗，太阳辐射的减弱，温度降低图 浓度日变化等影响，浓度不断降低，同时夜间 不断消耗，浓度持续降低，至翌日 时左右出现最低值。从季节上来看，四季的 日变化总体规律和全年变化相似，但略有差异。图 显示，日变化差异（最大值与最小值的差）秋季最大（），其次是夏季（）和春季（），冬季最小（）。春季、秋季和冬季出现最大值的时间为 时，略晚于夏季的 时。春季、夏季出现最低值的时间为、时，早于秋季的 时和冬季的 时。年至 年 的小时值超过二级浓度限值（）的时刻主要发生在秋季，占污染时刻总数的 ，春季和夏季均占 ，与 浓度在季节变化上一致。从具体时刻上看，超过一级限值的时刻分布在 时至 时（图），主要发生在 时至 时，其中最多发生在、时（次），其次是 时（次），再次是 时（次）和 时（次）。图 浓度超标时刻分布 气象因子对 浓度的影响研究表明气象因子对近地面臭氧浓度变化的影响较大，不同地区的气象条件对臭氧浓度影响虽略有差异，但结论大致相同。表 为 与各气象 因 子 之 间 的 在 不 同 时 间 尺 度 上 统 计 的 相关系数表，由表可知相对湿度（）是影响 浓度的最重要因素，气温（）、风向（）、气压（）次之，风速（）的影响不明显。高值主要分布在相对湿度小于 且气温大于 的条件下（图），相对湿度大于 时，浓度基本分布在 以下。年第 期环 保 科 技 表 浓度与气象因子的相关关系表统计尺度气象因子多年每日（）高值日（）污染日（）表示在 级别相关性显著，表示在 级别相关性显著。从多年每日来看，浓度与相对湿度、气压、风向显著负相关，与气温显著正相关，与风速相关程度不高。从高值日和超污染日来看，浓度与相对湿度显著负相关，但与气温、气压、风向、风速的相关性有所差异，需进一步进行分析。图 不同相对湿度和气温条件下 浓度分布 相对湿度图 显示，随着日平均相对湿度（）的升高，浓度逐渐降低。广昌县城区近地面 浓度与相对湿度呈极显著负相关（.，a ）。时，近地面平均 浓度的 高于 。当 时，浓度的 小于。当 时，图 不同相对湿度下的 浓度变化浓度平均值小于 ，表明干燥的天气有利于臭氧的形成。当 时，浓度的 小于 。当 时，平均浓度为 ，臭氧浓度处于最低水平，主要是大气中的水汽减弱太阳紫外辐射而减缓光化学反应，因此高相对湿度不利于臭氧的积累。气温总体上看气温对近地面的 光化学产生有着重要影响。如图 所示，浓度随着日均气温的升高逐渐增大，与气温呈极显著正相关（.，a ）。气温小于，平均浓度为 ，处于最低水平。气温小于 时，近地面的 浓度高百分位数（）小于；气温 时，浓度高百分位数（）达到；气温为 时，近地面的 浓度高百分位数（）超过，平均浓度处于最高水平。当气温大于 时，近地面的 浓度高百分位数（，）及平均值略有降低，这与曹侃和应旻等 年对江西省臭氧污染特征及其与气象条件的关系研究发现的回落规律类似，原因是气温继续升高对应的大气压较低，空气在垂直方向的对流增强，扩散条件变好。气温超过，近地面的平均 浓度低百分位数（，）处于最高水平。图 不同气温下的 浓度变化图 年第 期环 保 科 技 气压 浓度与气压呈极显著负相关（.，a ）。图 显示，在气压小于 范围，平均浓度差异不显著，但总体上保持在较高水平。当大气压为 时，最有利于臭氧的生成，近地面 浓度水平最高，平均值为 。气压继续增大时，广昌地区通常伴随低温、高湿的气象条件，此时不利于光化学反应生成，浓度呈明显下降趋势。气压大于 ，浓度水平处于最低，平均浓度为 。图 不同气压下的 浓度变化 风向 风速分析发现，广昌县城区近地面 风向出现频率最高 ，为全年主导风向，其他风向出现频率范围为 。浓度高值主要分布在、风 向，频 率 大 小 依 次 为.、，其他风向出现频率范围为 ；由图 可知，各风向下的平均浓度大小排序依次为、方向。风向 浓度大于 ，处于风向高水平，、风向浓度最低，均小于。风向平均 浓度最大（.），同时污染天数也出现最多（），这可能与工业园区在县城区北面的工业布局有关。浓度与风向极显著相关（，a ）。观测时间段内日均风速主要分布在 范围，占有效天数的 ，平均风速为（.），最高风力等级 级；由图 可知，随着风速的变化，平均浓度变化规律不明显。风速为 ，平均浓度由最低图 不同风向 平均浓度和污染日分布（），风速为 ，平均浓度最高为（）。从多年每日、高值日、污染日来看，风速对 浓度的影响不显著。图 不同风速下的 浓度变化 综合气象条件选取 高值日和污染日对应的气象条件进行统计分析，结果如表 所示。当 出现高值时，的范围为 ，范围为 ，范围为 ，范围为 ，高频率风向为 或；发生 污染时，平均 小于高值日，和 高大于高值日，具体气象条件为 ，风向为 或，该气象条件可初步作为预测发生 污染预警指标。结论（）广昌县城区近 年 浓度主要范围为 ，总体水平较低，但 超标是形成本地少量污染天气的重要原因。年第 期环 保 科 技 表 高值日和污染日综合气象条件 浓度水平要素 高频率风向高值日平均值 最小值最大值 ，污染日平均值 最小值 最大值 ，（）浓度的月变化呈双峰形，每年的 月和 月 浓度值较高；平均浓度呈现秋季 夏季 春季 冬季的特征，除春季与夏季之间浓度差异不显著外，其他季节之间差异极显著。污染天气主要发生在秋季的 月份；日变化呈单峰形，每日 时出现最低值，时左右达到峰值，污染时刻主要发生在 时。（）浓度与相对湿度呈极显著负相关，浓度随着相对湿度的升高显著降低；与气温总体上呈极显著正相关，气温大于 时，浓度的平均值较 略有降低；与气压总体上呈极显著负相关，气压小于 时，浓度平均值保持在较高水平，差异不显著。气压大于，浓度