2016—2021年呼和浩特市大气臭氧浓度变化特征分析.pdf

2023 年第 1 期14内 蒙 古 气 象文章编号 1005-8656（2023）01-0014-0620162021 年呼和浩特市大气臭氧浓度变化特征分析朝宝1，马秀枝1，萨日盖1，武玉龙2（1.内蒙古农业大学林学院，内蒙古 呼和浩特 010018；2.呼和浩特市气象局，内蒙古 呼和浩特 010040）摘要 随着城市的发展，大气 O3的污染不容忽视。文章以呼和浩特市 20162021 年大气 O3浓度为研究对象，结合同期气象数据，采用相关分析等数理统计方法，分析了呼和浩特市大气 O3浓度年际、季节以及月份动态特征规律，探讨大气O3浓度与关键影响气象要素之间的关系。结果表明：呼和浩特市大气 O3作为空气首要污染物的天数在逐年增加；6 年间O3浓度年际变化呈下降趋势，以-0.02 gm-3的年均速率变化；O3浓度季节变化明显，夏季最高，其次是春季、秋季、冬季；O3月平均浓度呈倒“V”形单峰变化，主要在 68 月浓度较高，12 月浓度最低，O3浓度超标日主要集中在 6、7 月；O3浓度与气象要素呈密切关系，在非采暖期，O3-8 h 浓度与日平均气温和日照时数具有正相关趋势，与日平均气压、日平均相对湿度以及平均风速具有负相关趋势，降水对大气 O3的消除作用不明显。关键词 臭氧；呼和浩特市；时间变化；气象要素中图分类号：P421.33 文献标志码 A doi：10.14174/ki.nmqx.2023.01.003 0 引言臭氧(O3)是一种重要的温室气体和光化学氧化剂，同时也是天然大气的重要微量成分，它可以在平流层保护地球上的生物，但在对流层则是一种严重的污染物。O3具有强刺激性和强氧化性，会对人体细胞、眼睛造成损伤，导致呼吸系统的病变，并且严重影响人体心脏和肺部功能。高浓度的 O3对生态环境、人类健康和动植物生产有直接的危害。同时还会加速PM2.5等污染物的生成，从而加剧了大气重污染的发生频率和强度1。随着社会进步和经济发展，城市化水平不断提高，大量人口向城市聚集，引起城市 O3污染问题也日益严重，甚至有些城市 O3已成为大气主要的污染物2。同时 O3浓度持续升高已成为当前研究的热点3-5。国内外学者对 O3浓度的变化趋势及其影响因素进行了深入研究，SICARD 等6将欧洲地中海地区 214 个城郊地区的 O3浓度的变化趋势进行了对比，结果表明，O3浓度呈上升趋势，并且气候变化对 O3污染的形成具有很强的影响；郭欣瞳等7研究发现，20152017 年，O3污染在全国范围内呈现逐年加重趋势，以中东部地区为主，并有向南移的趋势。由于不同城市所处地理位置不同、气候背景不同，O3浓度的变化特征也有所不同。程麟钧等8研究京津冀地区 O3污染状况及污染特征，表明 20132015年京津冀地域 O3污染呈加重趋势，污染最严重的城市为北京市和衡水市，呈现 3 年连续超标且明显上升的的情况，并且 O3浓度季节变化趋势显著，例如春末和夏季 O3超标现象最为严重；孙睿等9研究表明长三角区域 9 个城市（上海市、南京市、杭州市、宁波市、绍兴市、舟山市、合肥市、芜湖市、安庆市）受地形地貌、气象因子、季风气候等因素影响呈现区域性差异，夏季内陆城市 O3浓度高，而沿海城市则春季O3浓度高，内陆城市较沿海城市O3污染较严重；陈志青等10对内蒙古地区 20152017 年的 O3浓度进行了研究，发现 12 个盟市 O3浓度均有不同程度的超标现象，从月变化而言，O3月均浓度呈先上升后下降的趋势，其中 49 月份 O3浓度最高，污染最为严重，地域规律呈现内蒙古西部地区 O3污染浓度较高，东部地区 O3污染浓度较低的特征。在不同的气象条件下，污染物浓度分布及扩散程度均有明显差异，气象因子对空气质量有关键作用。不同地区气象要素对 O3污染的影响也有所不同。程念亮等11研究发现，O3超标日的浓度与温度呈正相关关系，而与相对湿度呈负相关关系；张磊12研究气象要素对 O3的影响中发现，影响辽中地区 O3的主要气象因素是紫外辐射和太阳辐射；王玫等13指出在冬季相对湿度与风速是影响京津冀区域 O3浓度变化的主导因素；WANG 等14、CHENG 等15研究表明高温度、强光照、强太阳辐射、低风速等气象条件有利于 O3的生成和富集。呼和浩特市位于内蒙古自治区中部，大青山南侧，海拔高度在 10001500 m，属于中温带干旱半2023 年第 1 期15内 蒙 古 气 象干旱大陆性季风气候，四季分明，春季干燥多风，夏季短暂高温，秋季常有霜冻，冬季干冷漫长。冷暖变化剧烈，昼夜温差大，土质疏松，生态脆弱。呼和浩特市因其自然环境及地理特点导致春季常有沙尘天气，夏季高温辐射强，O3污染严重，冬季供暖期长，是内蒙古 O3污染最严重的地区。本文基于20162021 年呼和浩特市的国家空气质量监测站点的 O3监测数据和相应的气象要素数据，对呼和浩特市 20162021 年 O3的时间分布规律进行分析，并分析 O3的污染情况与气象要素之间的关联，从而为呼和浩特市 O3污染预报及治理提供一定的科学依据。1 资料及说明使用中国环境监测总站（全国城市空气质量实时发布平台）2016 年 1 月 1 日至 2021 年 12 月 31 日的大气臭氧浓度监测数据。依据 环境空气质量标准(GB30952012)和环境空气质量评估技术规范(试行)(HJ6632013)对异常数据和数值进行了筛选。O3日评价指标选取 O3日最大 8 h 的滑动平均浓度(O3-8 h)，O3年评价指标选取 O3日最大 8 h 滑动平均浓度的第 90 百分位(O3-8 h-90)。当计算 O3-8 h-90浓度时，O3-8 h 监测点的数据如果低于 324 个，则被视为无效，并剔除；在 O3平均值的计算中，若监测点当月 O3-8 h 数据少于 27 个(2 月份少于 25 个)，那么该月份的数据就被视为无效并剔除。根据环境空气质量标准(GB30952012)16中的评价，日最大 8 h 滑动平均浓度一级限值为100 gm-3、二级限值为 160 gm-3，当 O3-8 h 超过国家二级标准时，O3日评价指标为超标。根据环境空气质量评价技术规范（试行）17中的评价标准，当一个城市一年内 O3日最大 8 h 滑动平均浓度的第90 百分位数浓度大于 160 gm-3时，该城市的年评价结果为超标。2 结果与分析2.1 臭氧浓度的时间变化特征 2.1.1 呼和浩特市空气质量总体概况按照 环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)(HJ6332012)，对呼和浩特市 20162021 年每日AQI 进行统计分类，从图 1 得知，一年当中 AQI 级别主要以优、良为主，轻度污染及以上天数占比较少。2016 年轻度污染及以上的天数为 85 d，2017 年为 111 d，2018 年为 84 d，2019 年为 73 d，2020 年为 70 d，2021 年为 48 d。总体来看 20162021 年空气污染明显下降，说明呼和浩特市空气质量整体呈逐年改善趋势。050100150200250300350400201620172018201920202021天数年份严重污染重度污染中度污染轻度污染良优 图 1 20162021 年呼和浩特市 AQI 变化进一步对 20162021 年每日首要污染物进行统计(见图 2)，结果显示，20162021 年呼和浩特市以 O3为首要污染物的日数呈逐年递增趋势。y=0.6571x+115.53R2=0.0039020406080100120140160201620172018201920202021天数/d年份图 2 20162021 年呼和浩特市 O3作为空气首要污染物的天数2.1.2 O3浓度的年际变化特征20162021 年 呼 和 浩 特 市 O3-8 h-90 变 化 为143169 gm-3。O3-8 h-90 值由 2016 年的 156 gm-3上升到 2017 年的 169 gm-3，2017 年已超过了国家限值标准，并且全年超标天数也明显增多，说明2017 年污染较严重。从 2018 年开始逐渐下降，直到2021 年 O3-8 h-90 值由 150 gm-3下降到 143 gm-3，O3-8 h 日均值超过环境空气质量标准(GB30952012)中二级标准的天数也从 23 d 下降到 16 d，主要以轻度污染为主。由表 1 看出，20162021 年呼和浩特市 O3浓度年际变化呈下降趋势，年均增长为-0.02 gm-3。表 1 20162021 年呼和浩特市 O3浓度年际变化 年份O3-8 h-90/（gm-3）O3超标天数/dO3超标率/%2016156246.620171694011.32018150236.32019145215.82020145113.02021143164.4 2.1.3 O3浓度季节变化特征表 2 为呼和浩特市 20162021 年 O3浓度季节变化特征分析。受天气季节性变化的影响，O3浓度具有很强的季节性。从高到低依次是夏季、春季、秋季、2023 年第 1 期16内 蒙 古 气 象冬季，由于不同的气候条件和环境，与沿海城市从高到低依次是冬季、春季、秋季、夏季的结果相反18。春季(35 月)随着气温上升 O3浓度逐渐升高，在夏季(68 月)浓度达到峰值，夏季 O3浓度维持在较高水平，秋季(911 月)O3浓度逐渐递减，冬季(12月次年2月)O3浓度较低。由于夏季气温高，强烈的太阳辐射和光化学反应，对 O3的生成和富集是有利的，而春季降水少，干旱，多沙尘天气有利于O3污染浓度的扩散。反而冬季大气中的光化学反应较弱，并且在一定条件下，高浓度颗粒物导致气溶胶光学厚度增加，从而降低了 O3的光化学速率，因此O3浓度在冬季偏低19。这一结果与京津冀地区以及长江三角洲地区的季节性分布类似，呈现夏季 O3浓度较高，冬季 O3浓度较低的特点，而珠江三角州地区则是 O3浓度秋季高于夏季的特点20。呼和浩特市20162021 年春、夏、秋、冬季 O3平均浓度分别为108、132、76 gm-3和 58 gm-3。夏季 O3平均浓度大约是冬季 O3平均浓度的 2.3 倍，季节性差异很大。由表 2 可以看出，20162021 年呼和浩特市四季 O3浓度保持较稳定状态。表 2 20162021 年呼和浩特市 O3浓度季节变化情况/（gm-3）季节2016 年2017 年2018 年2019 年2020 年 2021 年 6 年平均春季107114113108103101108夏季132151136132132128135秋季72856479758176冬季556757515759582.1.4 O3浓度逐月变化特征20162021 年，呼和浩特市月平均O3浓度具有倒“V”形单峰变化趋势(见图 3)。14 月的平均 O3浓度随着气温的上升而逐渐上升。58 月是O3污染最为严重的月份，O3浓度月平均值均超过100 gm-3，812 月O3浓度随着气温下降而大幅下降，完成1年周期循环，达到浓度峰值的月份随着年降水量的时间和强度而有所不同。2016 年(见图 3a)和 2017 年(见图 3b)O3浓度峰值均出现在 7 月，分别为 142、165 gm-3。2018 年(见图 3c)和 2019 年(见图 3d)O3污染情况比前两年提前，峰值均出现在 6 月，分别是 140、142 gm-3。2020 年(见图 3e)峰值在 6 月(140 gm-3)，其次是7 月(139 gm-3)。2021 年(见图 3f)的 68 月为 O3浓度的高值期，7、8 月峰值均为 129 gm-3。这与很多研究结果一致，我国北方城市 O3浓度月变化规律呈倒“V”字形，然而这与南方的长三角州城市群21、珠三角州城市群22等沿海地区的 O3月平均浓度呈“M”形分布不同，南方一些城市 O3月平均浓度出现中间的谷值主要是由于梅汛期的存在造成的23。我国南部地区的 O3浓度比北方地区高，东西部地区的O3最高浓度在时