劉　芳，孫明虎

（1. 山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司，山東濟(jì)南250101；2. 濟(jì)南市環(huán)保局，山東濟(jì)南250101）

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濟(jì)南城區(qū)夏季近地面臭氧濃度分析

劉芳1，孫明虎2*

（1. 山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司，山東濟(jì)南250101；2. 濟(jì)南市環(huán)保局，山東濟(jì)南250101）

摘要：為研究城市近地面臭氧濃度變化特征及臭氧濃度高值與氣象因素的關(guān)系，于2015年夏季對(duì)濟(jì)南城區(qū)近地面臭氧進(jìn)行了觀測與分析。結(jié)果表明：夏季大氣中臭氧小時(shí)平均濃度為0.161 mg/m3。臭氧具有明顯的日變化特征，且晴天時(shí)臭氧濃度要比多云天氣和陰雨時(shí)的濃度更高。高濃度臭氧的產(chǎn)生是多個(gè)氣象因子共同作用的結(jié)果。一般晴天少云，氣溫較高，相對(duì)濕度較低，風(fēng)速較小時(shí)，容易產(chǎn)生高濃度臭氧污染。

關(guān)鍵詞：臭氧濃度；氣象因子；變化特征；濟(jì)南

10.13358/j.issn.1008-813x.2016.03.14

隨著人們環(huán)保意識(shí)的提高，空氣質(zhì)量問題引起越來越多的關(guān)注。在我國，導(dǎo)致環(huán)境空氣質(zhì)量惡化的主要污染因子是細(xì)顆粒物（PM2.5），但在夏季，臭氧的污染程度往往比顆粒物更為嚴(yán)重。一般認(rèn)為，20世紀(jì)40年代的洛杉磯光化學(xué)煙霧事件，使得人們第一次認(rèn)識(shí)到近地面臭氧的危害。自此之后，臭氧成為了大氣環(huán)境方面的研究熱點(diǎn)［1］。

我國對(duì)臭氧的研究開始于20世紀(jì)70年代中后期。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著我國城市規(guī)模日益擴(kuò)大，能源消耗迅速增加，部分城市夏季臭氧污染相當(dāng)嚴(yán)重，這使得國內(nèi)大量開展對(duì)臭氧的觀測研究和理論研究［2-3］。研究發(fā)現(xiàn)［4］，城市近地面的臭氧是由汽車尾氣等排放的氮氧化物（NOx）和揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）在太陽光的作用下經(jīng)過一系列光化學(xué)反應(yīng)而形成的。臭氧濃度除了與其前體物的光化學(xué)反應(yīng)有關(guān)外，在很大程度上還受到氣象條件的影響［5］。

近年來，隨著我國城市的不斷發(fā)展，能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，城市中機(jī)動(dòng)車保有量的快速增長，近地面的臭氧污染問題已經(jīng)成為了我國部分城市大氣污染中的突出問題。濟(jì)南作為經(jīng)濟(jì)大省——山東的省會(huì)城市，經(jīng)濟(jì)規(guī)模在全省名列前茅，大量的工業(yè)和機(jī)動(dòng)車等點(diǎn)源、流動(dòng)源排放了相當(dāng)數(shù)量的污染物，這使得濟(jì)南市大氣中臭氧濃度的超標(biāo)率一直保持在較高水平，尤其是在夏季更是成為空氣中的首要污染物。本研究于2015年夏季在濟(jì)南城區(qū)進(jìn)行了近地面臭氧連續(xù)在線監(jiān)測，通過結(jié)合同期獲得的氣象資料，分析了臭氧濃度的變化特征及其相關(guān)因素，以期為當(dāng)?shù)刂贫ㄏ嚓P(guān)污染防治政策提供參考。

1　研究方法

1.1觀測站點(diǎn)和采樣時(shí)間

觀測時(shí)間為2015年6月1日至8月31日。觀測點(diǎn)位于濟(jì)南市區(qū)東北部山東大學(xué)中心校區(qū)內(nèi)，在市區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)向，附近無工業(yè)排放源，觀測數(shù)據(jù)能夠代表濟(jì)南城區(qū)大氣環(huán)境。觀測儀器設(shè)置在環(huán)境學(xué)院四樓樓頂，海拔高度約51 m，采樣口距地面約14 m。樣品的采集與輸送分析均采用聚四氟乙烯材料，盡量避免外環(huán)境對(duì)樣品造成污染。該觀測點(diǎn)南北兩側(cè)為教學(xué)樓，西側(cè)80 m為校園內(nèi)道路，東側(cè)為住宅區(qū)，觀測點(diǎn)周圍植被為法國梧桐、冬青及普通草皮。同步的溫度、氣壓、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、降水量等氣象資料由濟(jì)南市氣象臺(tái)提供。

1.2實(shí)驗(yàn)儀器

觀測中使用的O3觀測儀器為美國熱電環(huán)境儀器公司（TEI）生產(chǎn)的Model 49C型O3分析儀。該儀器是根據(jù)朗伯—比爾定律，利用紫外分光光度法進(jìn)行O3測量。其最低檢出限為2×10-9（體積分?jǐn)?shù)），精度為2×10-9（體積分?jǐn)?shù)），響應(yīng)時(shí)間為20 s。觀測為24 h連續(xù)進(jìn)行，利用觀測儀器自帶的軟件每分鐘記錄一次O3濃度數(shù)據(jù)。濃度數(shù)據(jù)的處理以及作圖分別用Microsoft Excel和Origin兩個(gè)軟件進(jìn)行。

2　結(jié)果與討論

2.1臭氧濃度的時(shí)間變化

濟(jì)南市區(qū)6～8月份大氣中O3小時(shí)濃度值范圍為0.026～0.413 mg/m3，夏季期間O3平均濃度為0.161 mg/m3。與國內(nèi)其他城市相比，濟(jì)南市區(qū)夏季O3濃度均值顯著高于西安市區(qū)（0.066 mg/m3）、北京市區(qū)（0.073 mg/m3）和深圳（0.057 mg/m3）同期O3濃度［6-8］。

表1　濟(jì)南夏季O3小時(shí)濃度時(shí)間變化情況

對(duì)觀測期間O3濃度變化趨勢進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)O3濃度無論是平均值、最大值，還是超標(biāo)率，均呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因，主要是各個(gè)月份氣象狀況差異較大。2015年6月，濟(jì)南市多云或陰雨天共有17 d，7月份有25 d為多云或雨水天氣，8月份有27 d為雨水或多云天氣。這也反映出了不同天氣條件會(huì)對(duì)臭氧濃度造成較大影響。

2.2不同天氣條件下臭氧濃度日變化

圖1　不同天氣條件下臭氧濃度日變化情況

為研究不同天氣條件下臭氧濃度的日變化情況，根據(jù)觀測期間的云量和降水等情況，將天氣劃分為晴天、多云、陰雨3種情況。當(dāng)總云量小于3時(shí)，將其定義為晴天；當(dāng)總云量為10或者有降水時(shí)，將其定義為陰雨天；介于二者的情況定義為多云天氣。選取能夠代表三種天氣條件的典型日期，匯總同一天氣狀況的臭氧日計(jì)算各小時(shí)的臭氧濃度均值，計(jì)算了晴天、多云和陰雨3種天氣狀況下每小時(shí)的臭氧濃度均值，繪制了臭氧濃度日變化曲線，如圖1所示。從圖1中可以看出，在晴天、多云和陰雨天氣下，雖然天氣條件不同，但臭氧濃度的日變化趨勢基本一致。夏季臭氧小時(shí)濃度曲線呈現(xiàn)出明顯的單峰形式。午夜至清晨，這個(gè)時(shí)間段內(nèi)城市大氣中臭氧濃度呈現(xiàn)出下降趨勢，臭氧濃度達(dá)到全天最低值。7∶00之后，由于太陽輻射強(qiáng)度逐漸增加，NO2大量光解，臭氧濃度快速增長，到13∶00達(dá)到最大值。而后由于太陽輻射強(qiáng)度減弱，臭氧濃度逐漸降低。雖然臭氧日變化趨勢大致一樣，但稍有不同。多云及陰雨天氣下，臭氧濃度最低值出現(xiàn)時(shí)間相較于晴天時(shí)，推遲了1 h；另外臭氧濃度也出現(xiàn)降低趨勢，其中陰雨天氣下臭氧濃度最低。這一結(jié)果與談建國［9］在上海的研究發(fā)現(xiàn)是一致的。

2.3臭氧日最大濃度與氣象因子的關(guān)系

因?yàn)槌粞醭尸F(xiàn)出明顯的日變化規(guī)律，因此筆者將臭氧小時(shí)濃度最大值（13∶00的濃度）作為臭氧日最大濃度指標(biāo)，以研究各氣象要素對(duì)臭氧日最大濃度的影響程度。

臭氧日最大濃度與13∶00的溫度呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系（樣本數(shù)n=91，相關(guān)系數(shù)r=0.41，下同），與13∶00相對(duì)濕度呈顯著負(fù)相關(guān)（n=91，r= -0.789）。由圖2可見，超出《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095-2012）二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（臭氧1 h平均濃度為0.2 mg/m3）的高濃度臭氧大多出現(xiàn)在氣溫28℃以上，相對(duì)濕度小于68%的日子。由此可見，相對(duì)濕度較低、氣溫較高是產(chǎn)生高濃度臭氧的兩個(gè)氣象要素。這與其他研究的結(jié)果是一致的［10］。研究認(rèn)為，溫度高在一定程度上反映出太陽輻射強(qiáng)度較高，另外受溫度升高影響，大氣中具有氧化性的OH自由基的濃度也會(huì)增加，這有利于光化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行；而空氣濕度較大時(shí)，水蒸氣光解可以產(chǎn)生較多的活性自由基，它們可以與臭氧以及原子氧反應(yīng)，消耗對(duì)流層中的臭氧，從而導(dǎo)致大氣中臭氧濃度降低［11］。

圖2　臭氧日最大濃度與溫度的關(guān)系

圖3　臭氧日最大濃度均值與相對(duì)濕度的關(guān)系

圖4　臭氧日最大濃度與風(fēng)速的關(guān)系

臭氧日最大濃度與風(fēng)速的關(guān)系如圖4所示。臭氧日最大濃度與13∶00地面風(fēng)速相關(guān)系數(shù)為-0.091，二者呈現(xiàn)出不明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。這說明近地面風(fēng)速較大時(shí)，臭氧易于擴(kuò)散。但2015年夏季期間濟(jì)南大多數(shù)時(shí)間風(fēng)速小于3 m/s，屬于靜風(fēng)，對(duì)近地面臭氧的吹散作用有限。另外從圖4中觀察發(fā)現(xiàn)，超過國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的高濃度臭氧日大多出現(xiàn)在風(fēng)速小于3 m/s時(shí)，也就是靜風(fēng)時(shí)。

綜上所述，通過分析臭氧濃度與溫度、相對(duì)濕度以及風(fēng)速、云量、降雨等氣象因素的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生高濃度臭氧的氣象條件特征可以表述為，較少的云量（無降雨）、較高的氣溫（＞28℃）、較低的相對(duì)濕度（＜68%）、較小的風(fēng)速（＜3 m/s）。

3　結(jié)論

（1）濟(jì)南城區(qū)夏季大氣中臭氧小時(shí)平均濃度為0.161 mg/m3，平均超標(biāo)率為27.45%。

（2）濟(jì)南近地面臭氧濃度日變化呈現(xiàn)出明顯的單峰形式，峰值一般出現(xiàn)在午后13∶00左右。比較不同天氣條件對(duì)臭氧濃度的影響，發(fā)現(xiàn)晴天時(shí)臭氧平均濃度最高，多云天氣下次之，陰雨天濃度最低。

（3）通過分析各氣象要素與臭氧濃度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)臭氧濃度與溫度呈正相關(guān)，與相對(duì)濕度呈明顯負(fù)相關(guān)，與近地面的低風(fēng)速關(guān)系不大。綜合對(duì)比發(fā)現(xiàn)高濃度臭氧一般出現(xiàn)在云量少、氣溫高、相對(duì)濕度低、風(fēng)速較小的天氣下。

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（編輯：程俊）

Analysis on Surface Ozone Concentration in Urban Area of Jinan in Summertime

Liu Fang1，Sun Minghu2*
（1. Shandong Provincial Metallurgical Engineering Co.，Ltd，Jinan Shandong 250101，China；2. Jinan Environmental Protection Bureau，Jinan Shandong 250101，China）

Abstract：Observation of surface ozone was performed in Jinan in the summer of 2015 to study the variation characteristics of ozone and the relationship of ozone with meteorological factors. The results showed that the hourly average concentration of ozone in the summer was 0.161 mg/m3. The ozone concentration showed an obvious diurnal variation. The average ozone concentration in sunny days was higher than those in overcast days and rainy days. The high concentration of ozone was attributed to the combined effects of multiple meteorological factors. When such weather occurred，such as low cloud cover，high temperature，low relative humidity and slow wind speed，it was prone to have high concentration of ozone pollution.

Key words：ozone concentration，meteorological factors，variation characteristics，Jinan

中圖分類號(hào)：X515

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-813X（2016）03-0047-04

收稿日期：2016-04-09

作者簡介：劉芳（1985-），女，山東青島人，畢業(yè)于內(nèi)蒙古大學(xué)微生物學(xué)專業(yè)，碩士研究生，工程師，主要從事環(huán)境影響評(píng)價(jià)、環(huán)境監(jiān)測等工作。

*通訊作者：孫明虎（1986-），男，山東濟(jì)南人，畢業(yè)于山東大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)，博士，主任科員，主要從事環(huán)境行政管理工作。