鄧田田，趙錦慧，張周祥，孫瑩瑩，楊喆

(1.湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430062；2.湖北省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心站， 湖北 武漢 430072)

0 引言

隨著人類活動向大氣環(huán)境中排放的VOCs和NOx濃度的增加，導(dǎo)致我國很多城市氣溶膠中臭氧濃度升高，危害人群的身體健康[1].在臭氧濃度的區(qū)域分布規(guī)律[2]上，吳鍇等學(xué)者發(fā)現(xiàn)2016年與2015年相比，全國有258個城市年均臭氧濃度值明顯升高，集中在長三角地區(qū)、京津冀地區(qū)[3]，李霄陽等學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)南方城市的臭氧濃度的月變化規(guī)律呈現(xiàn)“M”型[4]；在探討臭氧時空變化因素這一內(nèi)容[5]上，Jaffe等學(xué)者研究美國西部地區(qū)2015年的臭氧濃度，發(fā)現(xiàn)各類氣象因子與臭氧濃度之間存在著非線性關(guān)系[6]，黃小剛等[7]學(xué)者發(fā)現(xiàn)在長三角地區(qū)，臭氧濃度與風(fēng)速和降水量負(fù)相關(guān)，與經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、城市化規(guī)模等社會經(jīng)濟(jì)因素正相關(guān).蔡彥楓等[8]學(xué)者發(fā)現(xiàn)臭氧與PM10負(fù)相關(guān).

本研究主要探討武漢地區(qū)2016—2020年臭氧濃度的時空分布特征，包括日變化、月變化、季節(jié)變化和年際變化特征，并根據(jù)研究結(jié)果提出針對臭氧污染防治的相關(guān)對策措施.

1 研究區(qū)域

目前武漢市共有環(huán)境監(jiān)測點22個，其中國控點10個(江岸區(qū)的漢口花橋、蔡甸區(qū)的沌口新區(qū)、漢陽區(qū)的漢陽月湖、武昌區(qū)的武昌紫陽和東湖梨園、青山區(qū)的青山鋼花、江岸區(qū)的漢口江灘、洪山區(qū)的民族大道182號、東西湖區(qū)區(qū)的吳家山、蔡甸區(qū)的沉湖七壕)，省控點12個(洪山區(qū)的洪山地大、江漢區(qū)的江漢紅領(lǐng)巾、硚口區(qū)的硚口古田、黃陂區(qū)的黃陂區(qū)站、蔡甸區(qū)的蔡甸區(qū)站、新洲區(qū)的新洲區(qū)站、江夏區(qū)的江夏區(qū)站、漢南區(qū)的漢南區(qū)站、東西湖區(qū)的東西湖區(qū)站、江漢區(qū)的江漢南片區(qū)站、新洲區(qū)的化工區(qū)站、高新區(qū)的花山生態(tài)藝術(shù)館)，分別位于武漢市的13個行政區(qū)，每個行政區(qū)至少有一個監(jiān)測點，監(jiān)測點分布如圖1所示.

圖1 武漢市環(huán)境監(jiān)測點分布圖

根據(jù)2016—2020年武漢市環(huán)境質(zhì)量公報的數(shù)據(jù)，武漢市出現(xiàn)空氣污染的天數(shù)中，主要污染物為臭氧的天數(shù)占比僅次于細(xì)顆粒為主要污染物的天數(shù).首要污染物為O3的天數(shù)，2016年為34 d，2017年有25 d，2018年有40 d，2019年有61 d，2020年有125 d.

2 數(shù)據(jù)處理

從中國環(huán)境監(jiān)測總站和武漢市環(huán)保局(http://hbj.wuhan.gov.cn)下載的污染物小時均值數(shù)據(jù)包括PM2.5、PM10、O3、CO、SO2、NO2，其中臭氧數(shù)據(jù)為8 h滑動平均值.

結(jié)合《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3095—2012)》和《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)(HJ 633—2012)》相關(guān)規(guī)定，臭氧日最大8 h滑動均值二級限值標(biāo)準(zhǔn)為160 μg/m3，輕度污染為160～215 μg/m3、中度污染為215～265 μg/m3、重度污染為265～800 μg/m3和大于800 μg/m3時的嚴(yán)重污染；當(dāng)O3日最大8 h滑動均值的第90百分位數(shù)濃度大于160 μg/m3時為年超標(biāo).

3 分析與討論

3.1 武漢市臭氧濃度日變化規(guī)律由2016—2020年監(jiān)測點臭氧統(tǒng)計數(shù)據(jù)得出，各年臭氧日最大8 h滑動均值最大值分別為206 μg/m3、207 μg/m3、217 μg/m3、209 μg/m3、244 μg/m3，結(jié)合國家《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3095—2012)》和《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)(HJ 633—2012)》對臭氧的污染等級進(jìn)行了劃分，分別為輕度、中度、重度和嚴(yán)重污染，臭氧日最大8 h濃度分別對應(yīng)160～215、215～265、265～800和800 μg/m3以上.由此可知2016、2017、2019年武漢市出現(xiàn)了臭氧的輕度污染，2018和2020年出現(xiàn)了中度污染，未出現(xiàn)重度及以上污染情況.

2016—2020年，在所有環(huán)境監(jiān)測站點臭氧日最大8 h滑動均值第90百分位濃度值中，2016—2018年，站點年均值分別為91 μg/cm3、86 μg/cm3、99 μg/cm3，2020年的84 μg/cm3為最低值，2019年的115 μg/m3為最高，且2019年亦是出現(xiàn)多峰型變化最多的一年，但5年的O3濃度值均未超過二級標(biāo)準(zhǔn)限值.

3.2 武漢市臭氧濃度月變化規(guī)律2016—2020各年，月均值最大值依次出現(xiàn)在9月、5月、6月、9月、5月，最小值依次出現(xiàn)在1月、12月、12月、1月、1月.總體呈現(xiàn)先升高再下降的變化特征.

如圖2所示，臭氧濃度月均值總體上呈現(xiàn)先增加后下降的變化趨勢.其中2016年和2017年均是先順序增加達(dá)到最大值之后逐漸降低，最大值分別出現(xiàn)在9月和5月，濃度變化呈倒“V”狀，為單峰型變化；2018、2019和2020年臭氧月均值濃度變化則是先上升達(dá)到一個較高值后又略有下降，而后繼續(xù)增加到另一個較高值后逐漸下降，變化呈不規(guī)則的“M”狀，出現(xiàn)兩個較大值，是雙峰型變化.

圖2 2016—2020年武漢市臭氧月均值折線圖

2016—2020年武漢市22個環(huán)境監(jiān)測點臭氧濃度峰型統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1所示，雙峰次數(shù)為77次，單峰次數(shù)為18次，多峰型出現(xiàn)7次，且多峰型變化集中出現(xiàn)在2018年.

由各監(jiān)測點臭氧濃度月變化圖(圖3)可得出，2016—2020年，臭氧濃度月變化均呈現(xiàn)出從1月至12月先增加后減少的趨勢.

圖3 2016—2020年各監(jiān)測點臭氧濃度月變化折線圖

由監(jiān)測點臭氧濃度月均值變化可知雙峰型前一個峰值多出現(xiàn)在4、5、6月，后一個峰值多出現(xiàn)在7、8、9月份，多數(shù)情況下前一個峰值低于后一個峰值，前一個峰值出現(xiàn)月份越早其變化越趨近單峰變化，如2016年漢陽月湖第一個峰值出現(xiàn)在4月份峰值為63 μg/m3，峰谷在5月份臭氧濃度為60 μg/m3.

3.3 武漢市臭氧濃度季節(jié)變化規(guī)律2016—2019年臭氧濃度均值最高均出現(xiàn)在夏季，2020年最高值出現(xiàn)在春季，季節(jié)平均濃度最低值均為冬季，總體上呈現(xiàn)夏季高,春秋次之，冬季最低的分布態(tài)勢.2020年臭氧季節(jié)分布與其他年份不同，春季臭氧平均濃度高于夏季，春、夏、秋、冬四季呈逐漸遞減狀態(tài).2016—2020年季節(jié)臭氧平均濃度最高值分別為71 μg/m3、65 μg/m3、82 μg/m3、90 μg/m3、65 μg/m3，均未超過國家一級限值100 μg/m3.與尹珩等[9]學(xué)者對武漢市國控點臭氧濃度分析的夏秋季高，春冬季低的結(jié)果一致.

對比氣象資料，發(fā)現(xiàn)臭氧濃度出現(xiàn)的峰型與雨季集中的時段相關(guān)，武漢地區(qū)雨季集中在7、8月多表現(xiàn)為雙峰型，反之則呈單峰型或多峰型等不規(guī)則變化[10].

3.4 武漢市臭氧濃度年際變化規(guī)律2016—2020年武漢市環(huán)境監(jiān)測點臭氧年均值依次為52 μg/m3、51 μg/m3、58 μg/m3、60 μg/m3、52 μg/m3.其中2019年臭氧平均濃度最高，2016年、2017年及2020年臭氧年均濃度相對較低.可以看出監(jiān)測點臭氧濃度年際變化總體上呈先增加后減少的趨勢.

3.5 武漢市臭氧濃度的空間分布特征如表2所示，2016年站點平均濃度最高的是東西湖區(qū)和蔡甸區(qū)，江漢區(qū)最低，2017年黃陂區(qū)最高江漢區(qū)最低，2018年黃陂區(qū)最高江岸區(qū)最低，2019年黃陂區(qū)最高江漢區(qū)最低，2020年也是黃陂區(qū)最高江漢區(qū)最低.

表2 2016—2020年武漢市各行政區(qū)監(jiān)測點臭氧年均值一覽表

以環(huán)境監(jiān)測點所在行政區(qū)臭氧均值來看，主城區(qū)臭氧濃度監(jiān)測值大于遠(yuǎn)城區(qū)(圖4).

圖4 武漢市各行政區(qū)監(jiān)測點臭氧分布圖

出現(xiàn)空間異質(zhì)性是因為武漢市主城區(qū)人流量車流量較大，排放較多汽車尾氣致使臭氧前體污染物增多，再加上夏季主城區(qū)的城市熱島效應(yīng)、濕島效應(yīng)等致使臭氧前體污染物不易擴(kuò)散，使得臭氧濃度增加.

3.6 武漢市臭氧濃度年均值超標(biāo)分析武漢市環(huán)境監(jiān)測點臭氧日最大8 h濃度平均值見圖5的散點圖，各環(huán)境監(jiān)測點2018年濃度均值最高，但均未超過環(huán)境評測二級限值.

圖5 武漢市2016—2020年各監(jiān)測點日8 h臭氧均值散點圖

統(tǒng)計武漢市2016—2020年監(jiān)測站點單日臭氧濃度達(dá)到并超過輕度污染出現(xiàn)月份及污染出現(xiàn)次數(shù)，臭氧污染出現(xiàn)月份主要分布在6—9月，少數(shù)出現(xiàn)在4、5月和10月，與季節(jié)分布大致吻合[11].其氣象條件與劉玉青[12]等學(xué)者研究結(jié)果類似，長江中游城市群發(fā)生臭氧中度污染的氣象因素組合為2 m氣溫高于29.23 ℃、風(fēng)速小于2.22 m/s、濕度低于50 %、無降水、云量低的天氣狀況下；發(fā)生臭氧輕度污染的氣象條件組合為2 m氣溫超過24.38 ℃、濕度低于60 %、風(fēng)速小于4.44 m/s且風(fēng)向為東風(fēng)、東北、西北風(fēng).

4 臭氧污染防控對策

4.1 加強(qiáng)對臭氧污染的監(jiān)測與預(yù)警機(jī)制加強(qiáng)對臭氧污染的監(jiān)測與預(yù)警機(jī)制的完善，充分利用武漢市臭氧污染夏季高，冬季低的規(guī)律，加強(qiáng)在夏季對臭氧污染的監(jiān)控，密切關(guān)注其日變化趨勢，以便于能夠及時采取有效應(yīng)急防治措施，進(jìn)而降低以臭氧為首要污染物的污染天氣出現(xiàn).

4.2 機(jī)動車尾氣排放的控制研究表明，武漢市臭氧污染濃度出現(xiàn)空間異質(zhì)性，主城區(qū)人流量車流量較大，排放較多汽車尾氣致使臭氧前體污染物增多，使得主城區(qū)的濃度明顯高于遠(yuǎn)程區(qū).因此，我們需要對導(dǎo)致臭氧濃度升高的重要因素之一機(jī)動車尾氣排放，進(jìn)行嚴(yán)格管控.一方面，要從排放源頭機(jī)動車的數(shù)量和類型進(jìn)行把控；另一方也要落實相關(guān)的防控政策.

4.3 推廣使用清潔能源作為臭氧形成的前體物 NOx及 VOCS的濃度的升高與機(jī)動 車尾氣、工業(yè)廢氣等人為源排放密切相關(guān)[13].因此，在當(dāng)前武漢市臭氧污染日益嚴(yán)重的情況下，武漢市各級政府應(yīng)加強(qiáng)推廣使用清潔能源，減少 VOCs 及 NOx的排放[14-15].

5 結(jié)論

在研究期間，武漢臭氧濃度季節(jié)分布為夏季最高、冬季最低；月均值為雙峰型變化居多，呈不規(guī)則“M”型.臭氧月均值最小值對應(yīng)出現(xiàn)在冬季.臭氧月均值最大值并非只出現(xiàn)在夏季，春、秋兩季均出現(xiàn)過臭氧濃度最大值.

武漢市主城區(qū)臭氧濃度累積量基本高于遠(yuǎn)城區(qū)；在遠(yuǎn)城區(qū)中，黃陂區(qū)站和東西湖區(qū)站超標(biāo)次數(shù)最多.