周雪玲，梁家權(quán)

(佛山市環(huán)境監(jiān)測中心站，廣東 佛山 528000)

·解析評析·

佛山市近地面臭氧污染特征及相關(guān)氣象因子分析

周雪玲，梁家權(quán)

(佛山市環(huán)境監(jiān)測中心站，廣東 佛山 528000)

利用2014年佛山市8個國控大氣自動監(jiān)測點(diǎn)位的O3監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了佛山市的O3污染特征，結(jié)果表明，2014年O3日最大8 h平均值的第90百分位數(shù)為167 μg/m3，O3為首要污染物的超標(biāo)天數(shù)為43 d，占比46.7%；ρ(O3)區(qū)域變化不大；ρ(O3)月變化呈現(xiàn)“三峰型”，全年高ρ(O3)集中在6—10月份，其中7月份出現(xiàn)全年最高峰值；ρ(O3)日變化呈單峰型分布，夜間濃度較低且變化平緩，14：00—16：00左右達(dá)到峰值，并存在一定的“周末效應(yīng)”，但并不明顯；ρ(O3)與氣溫呈顯著正相關(guān)，與濕度、氣壓、雨量呈顯著負(fù)相關(guān)，與風(fēng)向、風(fēng)速的相關(guān)性相對較弱；總體上看，高溫、低濕、微風(fēng)、偏南風(fēng)、低壓、無雨的天氣條件下高ρ(O3)更容易出現(xiàn)。

佛山市；臭氧；污染特征；氣象因子；相關(guān)性

近地面的臭氧(O3)是光化學(xué)煙霧等大氣污染物的重要組成成分之一，作為一種強(qiáng)氧化劑，O3對人類健康危害較大。ρ(O3)高時哮喘病人可能會出現(xiàn)嚴(yán)重的呼吸問題，長期接觸高ρ(O3)可能會損傷人的免疫系統(tǒng)[1]。近年來，近地面環(huán)境空氣的O3污染問題日益突出，尤其在珠三角區(qū)域的城市，夏季頻頻觀測到高ρ(O3)，O3已經(jīng)成為珠三角地區(qū)的主要污染物之一。

廣東省環(huán)境監(jiān)測中心和香港特別行政區(qū)環(huán)境保護(hù)署聯(lián)合調(diào)查發(fā)布的《粵港珠江三角洲區(qū)域空氣監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)二○一四年監(jiān)測結(jié)果報(bào)告》表明，與2006年啟動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)時相比，2014年錄得的SO2、NO2及PM10的年均值分別下降66%、20%和24%，呈明顯下降趨勢?？梢妳^(qū)域內(nèi)空氣質(zhì)量獲得持續(xù)改善，但同期監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)錄得的ρ(O3)年均值則上升了19%，成為唯一上升的大氣污染物指標(biāo)。根據(jù)環(huán)保部2014年每月公布的全國74個環(huán)保重點(diǎn)城市空氣質(zhì)量監(jiān)測情況報(bào)告，珠三角地區(qū)有近半年時間主要以O(shè)3污染為主。因此，開展近地面環(huán)境空氣中O3污染規(guī)律的研究，降低ρ(O3)水平已迫在眉睫?，F(xiàn)以珠三角地區(qū)的佛山市為例，對其近地面O3的污染變化特征及其與氣象因子的相關(guān)性進(jìn)行分析，以期為區(qū)域大氣O3污染防治和研究提供參考。

1 研究方法

1.1 監(jiān)測點(diǎn)位分布

佛山市國控大氣自動監(jiān)測點(diǎn)位共有8個，分別是灣梁、華材職中、南海氣象局、順德蘇崗、容桂街道辦、高明孔堂、三水監(jiān)測站和三水云東海，涵蓋5個區(qū)。監(jiān)測項(xiàng)目為包括O3在內(nèi)的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012) 要求的6項(xiàng)基本污染物，各站點(diǎn)具體位置見圖1。

圖1 佛山市國控大氣自動監(jiān)測子站分布

1.2 監(jiān)測方法和儀器

佛山市8個國控大氣自動監(jiān)測點(diǎn)位O3監(jiān)測使用儀器為美國熱電49i和美國API 400 E 2種型號的O3分析儀；采樣方法均為紫外光度法；采樣頻率為24 h連續(xù)自動監(jiān)測，周期為2014年全年。

1.3 質(zhì)量控制和質(zhì)量保證

項(xiàng)目監(jiān)測過程中的質(zhì)量控制和質(zhì)量保證工作參照《珠江三角洲區(qū)域空氣監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)QA/QC手冊》及佛山市環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)操作程序的相關(guān)要求進(jìn)行，主要包括零點(diǎn)/跨度檢查及校準(zhǔn)(每周1次)、精度檢查(每2周1次)、多點(diǎn)校準(zhǔn)(每半年1次)、O3標(biāo)準(zhǔn)和流量傳遞認(rèn)證(每年1次)。

2 結(jié)果分析

2.1 空間變化特征

2014年佛山市8 個國控點(diǎn)位O3日最大8 h平均值的第90百分位分布為157～179 μg/m3，見圖2。其中，轄區(qū)北部的三水監(jiān)測站及三水云東海2個點(diǎn)位的值相對較低，其余點(diǎn)位的值較為相近，全市ρ(O3)分布差異較小。

圖2 2014年各點(diǎn)位O3日最大8 h平均值第90百分位對比

2.2 月變化特征

近地面的O3是典型的大氣二次污染物，主要是由大氣中的NOx和VOCs等前體物在太陽照射下，經(jīng)一系列光化學(xué)反應(yīng)生成[2-3]。O3生成過程中過氧自由基氧化NO產(chǎn)生NO2，NO2光解產(chǎn)生O3，由于夏季溫度較高，光照及太陽輻射均為全年最強(qiáng)，光化學(xué)反應(yīng)在夏季也最為強(qiáng)烈，與光化學(xué)反應(yīng)息息相關(guān)的ρ(O3)也有較明顯的變化。各月份O3日最大8 h平均值第90百分位的變化見圖3。

圖3 2014年O3日最大8 h平均值第90百分位月均值變化

由圖3可見，佛山市ρ(O3)變化呈現(xiàn)“三峰型”，第一次小高峰出現(xiàn)在3月，這可能與佛山市冬季時間短，氣溫在每年3月開始已逐步攀升至20℃以上，部分時間段光照較強(qiáng)有關(guān)；受4月和5月份雨水逐漸增多影響，其值逐漸下降，5月份日最大8 d平均第90百分位低至100 μg/m3以下。而同期觀測的氣象資料顯示，5月份全市范圍內(nèi)錄得出現(xiàn)降雨為22 d，可見降雨引起的太陽輻射的減弱和前體污染物的減少是該時間段ρ(O3)變化的重要影響因素；全年高ρ(O3)集中在6—10月份，并依次在7月和10月出現(xiàn)峰值，其中7月份出現(xiàn)全年最高峰值，該峰值出現(xiàn)估計(jì)與該月為全年光照總時數(shù)最長，近地面接收太陽輻射最多密不可分。

2.3 日變化特征

由于不同時節(jié)溫度、光照等的變化情況有很大差異，ρ(O3)變化情況也相應(yīng)有一定的差異，結(jié)合南方地區(qū)季節(jié)變化情況及圖3中O3日最大8 h平均值第90百分位月均值變化情況，將全年劃分為2—4月、5—7月、8—10月、11月—次年1月4個不同時節(jié)對O3的日變化情況進(jìn)行分析。不同時節(jié)O3小時均值日變化曲線見圖4。

圖4 不同時節(jié)O3小時均值日變化曲線

由圖4可見，不同時節(jié)里O3小時平均值在一天中均呈單峰型變化規(guī)律，夜晚較低且變化平緩，14：00—16：00達(dá)到峰值，該日循環(huán)規(guī)律與段玉森等[4]分析的珠三角城市(廣州、惠州)、唐文苑等[5]分析的上海市、鄭冬等[6]分析的大連市O3日循環(huán)規(guī)律大致相同，也存在前夜累計(jì)、O3抑制、O3光化學(xué)生成、O3消耗等4個階段：(1)夜間至清晨，即日出前，ρ(O3)隨著時間變化幅度較小，其值基本維持或呈緩慢的下降趨勢，此時處于全日低值區(qū)，即前夜累計(jì)階段；(2)日出后，O3開始形成，但此時太陽紫外線較弱，同時隨著早晨上班、上學(xué)高峰帶來的O3前體物(NOx、CO和VOCs等)濃度的逐漸升高，特別是還原物質(zhì)NO的增加，消耗了部分O3，使得O3在07：00—08：00出現(xiàn)一天中的最低值，即O3抑制階段；(3)08：00以后隨著太陽輻射的增強(qiáng)和溫度的升高，ρ(O3)逐步攀升，14：00—16：00出現(xiàn)一天中的最高值，即O3光化學(xué)生成階段；(4)16：00后直至夜間，隨著太陽輻射的逐漸變?nèi)鹾蚈3被NO等還原物質(zhì)消耗，其值開始下降至全日低值區(qū)，此為O3消耗階段。

總ρ(O3)在8—10月份為全年較高，2—4月份為全年最低，為8—10月>5—7月>11—1月>2—4月，符合夏季高、冬季低的典型特征；日最大值出現(xiàn)時間為5—7月的14：00左右，8—10月為15：00左右，滯后約1 h，2—4月和11—次年1月為15：00—16：00。

“O3周末效應(yīng)”指的是周末由于O3前體物(NOx、CO和VOCs等)濃度水平相比工作日有所降低，但ρ(O3)反而有所增加的現(xiàn)象。從20世紀(jì)70年代開始，這一現(xiàn)象就已經(jīng)在許多城市的O3觀測研究中得以驗(yàn)證，如美國的紐約[7]、華盛頓[8]以及加拿大[9]、法國[10]的一些城市，而國內(nèi)研究中，上海[5]、北京[11]、濟(jì)南[12]等城市也有類似現(xiàn)象。周末和工作日的O3日變化曲線見圖5。

圖5 周末和工作日的O3日變化曲線

由圖5可見，佛山市也存在一定的“O3周末效應(yīng)”，從11：00—21：00，周末的ρ(O3)均略高于工作日，這與周末交通流量減少，汽車尾氣排放量下降存在一定關(guān)系。但是，與國內(nèi)學(xué)者在其他城市研究結(jié)果相比，佛山市的周末效應(yīng)并不是特別明顯，估計(jì)原因可能有以下2方面：佛山市貨物運(yùn)輸?shù)倪^境柴油機(jī)動車數(shù)量龐大，且不因周末的到來而有所減少；佛山市屬于工業(yè)化城市，NOx、CO和VOCs等前體污染物有很大比例來源于工業(yè)污染源，而工業(yè)企業(yè)基本上全年無休。

3 O3與氣象因子的相關(guān)性分析

近地面環(huán)境空氣中的O3主要來源于人類活動，但是ρ(O3)的變化卻與氣象條件的變化關(guān)系密切?，F(xiàn)利用2014年佛山市8個國控大氣自動監(jiān)測點(diǎn)位同步觀測到的氣溫、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、雨量等常規(guī)氣象數(shù)據(jù)及軟件SPSS13.0，考察O3與各氣象因子的關(guān)系，相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 O3日最大8 h平均值與各氣象因子的相關(guān)系數(shù)①

①*表示在顯著性水平為0.05(雙側(cè))上顯著相關(guān)；**表示在顯著性水平為0.01(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

3.1ρ(O3)與氣溫、濕度關(guān)系

由表1可知，氣溫、濕度與O3日最大8 h平均值分別呈顯著正相關(guān)、負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.515(ɑ<0.01，N=360)，-0.525(ɑ<0.01，N=360)。O3日最大8 h平均值與氣溫、濕度的分布關(guān)系見圖6(a)(b)。

圖6 O3日最大8 h平均值與氣溫、濕度的分布關(guān)系

由圖6可見，隨著氣溫的升高和溫度的降低，O3日最大8 h平均值有逐漸增大的趨勢，其中，ρ(O3)>160 μg/m3情況絕大部分分布于溫度28 ℃以上、相對濕度60%～70%的低濕范圍。

為消除不同季節(jié)太陽輻射變化對ρ(O3)造成的影響，現(xiàn)選取了全年O3最高峰值的7月，統(tǒng)計(jì)分析O3日極大值數(shù)據(jù)與日最高氣溫、日平均濕度的變化情況，見圖7(a)(b)。由圖7可見，O3日極大值隨著日最高氣溫的上升和平均濕度的降低而呈上升趨勢，表明高溫、低濕是產(chǎn)生高ρ(O3)的2個重要?dú)庀笠蛩亍?/p>

圖7 7月份O3日極大值與日最高氣溫、

3.2ρ(O3)與風(fēng)速、風(fēng)向

由表1可見，風(fēng)速、風(fēng)向與O3日最大8 h平均值相關(guān)系數(shù)分別為-0.116(ɑ<0.05，N=360)和0.143(ɑ<0.01，N=360)，也存在一定的相關(guān)性，但相對較弱。臭氧日最大8 h平均值與風(fēng)速的分布關(guān)系見圖8(a)(b)(c)(d)。

由圖8可見，當(dāng)風(fēng)速>2.0 m/s時，O3日最大8 h平均值均<160 μg/m3，這可能是由于風(fēng)的稀釋擴(kuò)散作用，使得包括O3在內(nèi)的各種污染物濃度降低；當(dāng)風(fēng)速為1.5～2.0 m/s時，也有部分ρ(O3)高值出現(xiàn)，但其值均<200 μg/m3；當(dāng)風(fēng)速為1.0～1.5 m/s及<1.0 m/s時，出現(xiàn)了>200 μg/m3的高值，此時可能是由于風(fēng)速小，近地面污染物擴(kuò)散條件差，容易導(dǎo)致O3的累積而出現(xiàn)O3峰值。

O3日最大8 h平均值與風(fēng)向的分布關(guān)系見圖9(a)(b)。

由圖9可見，佛山市全年盛行風(fēng)以東南至西南的偏南風(fēng)為主，且在這一風(fēng)向區(qū)間，容易產(chǎn)生高濃度O3，這與夏季盛行南風(fēng)且ρ(O3)相對較高的現(xiàn)象也較為吻合。

圖8 O3日最大8 h平均值與風(fēng)速的分布關(guān)系

圖9 O3日最大8小時平均值與風(fēng)向的分布關(guān)系

3.3ρ(O3)與氣壓、雨量關(guān)系

由表1可見，氣壓、雨量與O3日最大8 h平均值均呈顯著負(fù)相關(guān)。根據(jù)同步觀測到的氣壓數(shù)據(jù)，全市年均氣壓值為1 011 hPa，其中屬夏季時節(jié)的6—9月氣壓值均低于年均值，O3日最大8 h平均值與氣壓、降雨量的分布關(guān)系見圖10(a)(b)。

圖10 O3日最大8 h平均值與氣壓、降雨量的分布關(guān)系

由圖10可見，>160 μg/m3的高ρ(O3)絕大部分分布于氣壓<1 011 hPa的低壓范圍，這與夏季時節(jié)ρ(O3)高的現(xiàn)象相吻合。當(dāng)出現(xiàn)中雨(降雨量>10 mm)時，O3日最大8 h平均值大都<100 μg/m3，這可能是因?yàn)槌霈F(xiàn)雨水天氣時，云量相對較多，云層會吸收部分太陽輻射，同時由于雨水的沖刷作用，部分前體物濃度下降，使得ρ(O3)也相對降低；而當(dāng)無雨天氣條件下(降雨量為0 mm)，>160 μg/m3的高ρ(O3)則更容易出現(xiàn)。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)2014年全年監(jiān)測結(jié)果，佛山市O3日最大8 h平均值的第90百分位數(shù)為167 μg/m3，全年超標(biāo)天數(shù)為92 d，其中O3為首要污染物的天數(shù)為43 d，占比46.7%；ρ(O3)空間變化特征表現(xiàn)為轄區(qū)北部較低，但總體差異較小，O3日最大8 h平均值的第90 百分位為157～179 μg/m3；月變化呈現(xiàn)“三峰型”，3月出現(xiàn)第一次峰值，全年高ρ(O3)集中在6—10月份，7月和10月又相繼出現(xiàn)峰值，其中7月份出現(xiàn)全年最高峰值；在不同時節(jié)，小時平均值在一天中均呈單峰型變化規(guī)律，夜間較低且變化平緩，下午14：00—16：00左右達(dá)到峰值，日循環(huán)規(guī)律存在前夜累計(jì)、O3抑制、O3光化學(xué)生成、O3消耗等4個階段；存在一定的“O3周末效應(yīng)”，即周末略高于工作日，但該效應(yīng)并不明顯；

(2)佛山市ρ(O3)與氣溫、濕度分別呈顯著正、負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.515，-0.525，ρ(O3)>160 μg/m3絕大部分分布于溫度28 ℃以上、相對濕度60%～70%的低濕范圍；與風(fēng)速、風(fēng)向的相關(guān)系數(shù)分別為-0.116，0.143，相關(guān)性相對較弱，當(dāng)風(fēng)速處于1.0～1.5 m/s及<1.0 m/s的微風(fēng)范圍，盛行東南至西南的偏南風(fēng)時，容易出現(xiàn)高值；與氣壓、雨量均呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.330，-0.269，當(dāng)氣壓處于1 011 hPa以下的較低范圍，無雨天氣條件下，>160 μg/m3的ρ(O3)更容易出現(xiàn)。

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Pollution Characteristics of Ozone in Urban Area of Foshan and Correlation Between Ozone and Meteorological Factors

ZHOU Xue-ling，LIANG Jia-quan

(FoshanEnvironmentalMonitoringCentralStation，F(xiàn)oshan，Guangdong528000，China)

Ozone monitoring datas from eight state-controlled automatic air monitoring stations in Foshan of 2014 were analyzed to investigate the ozone pollution characteristics. The result showed that the 90th percentile of daily maximum 8-hourly average ozone concentration was 167μg/m3. The numbers of day for exceeding the standards were 43 when ozone was the primary pollutant， with the proportion of 46.7%. The concentration in Foshan area was nearly and the monthly variations presented “three-peaks”， the annual high concentration of ozone concentrated in June to October， of which the highest peak appeared in July throughout the year. Ozone diurnal variation showed a single peak distribution， low concentration and changed slowly at night， the peak of which appeared at 14 to 16 o'clock in the afternoon. Ozone concentration showed some weekend effect but not obvious. Meanwhile， the correlation between ozone concentration and some meteorological factors such as temperature， humidity， wind speed， wind direction， air pressure， rainfall was analyzed. The result showed that the correlation between ozone concentration and temperature was significant， the same as the negative correlation between ozone concentration and humidity， air pressure， rainfall. On the other hand， the correlation between ozone concentration and wind speed， wind direction was weak relatively. Overall， high ozone concentration was observed easily in high temperature， low humidity， gentle breeze， southerly wind， low pressure， rain-free weather.

Foshan；Ozone；Pollution characteristics；Meteorological factors；Correlation

2015-07-27;

2015-12-10

周雪玲(1986—)，女，工程師，碩士，從事環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測工作。

X832

B

1674-6732(2016)02-0039-06