兰州市O3污染特征及气象因子相关性研究

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　　摘要：为研究兰州市臭氧污染特征及与气象因子相关性，对 2016-2018年兰州市5个国控环境空气监测站点O3连续小时监测数据进行分析研究。结果表明： 近3年兰州市臭氧污染日趋严重，其作为首要污染物从2016年75d发展为2018年112d，O3-8h 90百分位年均浓度值从2016年125.71μg/m3增长为146.58μg/m3。夏季污染天数最多，表现为夏季>春季>秋季>冬季的特征，臭氧浓度日变化特征呈明显单峰型分布，15： 00左右出现峰值，同时存在周末效应。O3与气象因子相关性研究表明：与温度呈现正相关，相关系数为0.52，与相对湿度、气压呈显著负相关，与风速相关性较低，与风向存在正相关，但相关性不明显。
　　关键词：臭氧;兰州;气象因子;污染特征
　　中图分类号：X512 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2019）11-00-02
　　Abstract：In order to study the relevance between pollution characteristics of O3 and meteorological factor in LanZhou， The O3 hourly monitoring data of the national atmospheric environment monitoring network system from 2016 to 2018 were analyzed.The results show that in recent three years， O3 pollution in lanzhou is becoming increasingly serious. As the primary pollutant， it has developed from 75d in 2016 to 112d in 2018， and the 90% annual average annual concentration of O3-8h has increased from 125.71μg/m3 in 2016 to 146.58μg/m3 in 2018.The number in summer is the most， which is characterized by summer> spring > autumn > winter.The diurnal variation of O3 concentration shows an obvious single-peak distribution， with a peak around 15：00， and weekend effect.Research on the relevance between O3 and meteorological factors shows that O3 is positively correlated with temperature， with the relevance of 0.52， significantly negatively correlated with relative humidity and air pressure， slightly correlated with wind speed， and positively correlated with wind direction， but not significantly correlated.
　　Keywords：ozone; Lanzhou; meteorological factors; pollution characteristics
　　隨着我国经济的快速发展，城市化进程不断加快，城市空气污染日趋严重，呈现出以细颗粒物和臭氧污染为主的区域性、复合性污染特征，环境空气质量改善刻不容缓。近几年，随着大气污染防治攻坚战和蓝天保卫战实施，我国PM2.5污染状况逐步好转，臭氧却出现不降反升的趋势，成为城市和区域特定时间段大气首要污染物[1]。臭氧作为二次污染物，是主要大气污染物之一，臭氧污染对大气辐射、动植物生长、人体健康有显著影响，产生很多方面生态环境效应[2]。近地面臭氧浓度的升高受多方面因素的影响，如气象因素、臭氧前体物（氮氧化物和挥发性有机物）排放增加、臭氧背景浓度的升高及区域传输等，不同城市臭氧污染特征和影响因素各有差异。
　　20世纪80年代前后，兰州光化学污染曾引起人们的广泛关注。近年来，随着经济快速发展和机动车保有量不断增加，兰州市臭氧污染问题也愈发严重，其作为首要污染物从2016年75d发展为2018年112d，超标率也逐年上升。目前国内外学者针对臭氧污染问题开展了多方面的研究，如安俊琳等人通过对气象要素及臭氧前体物研究，探讨了臭氧不同季节、时段的产生机制[3]，胡子梅等人对蚌埠市臭氧污染及持续性污染过程分析研究[4]。而针对兰州 O3污染特征及气象因子相关性研究较少。基于此，本研究依据 2016年1月1日-2018年12 月31日兰州市5个国控环境空气质量监测站点臭氧逐时监测数据等资料进行分析研究，以期为兰州市臭氧污染治理及管控措施提供数据和理论支撑。
　　1 研究区概况
　　兰州市位于中国西北部黄河河谷盆地内，地形呈狭长状，地势自西南向东北倾斜，地貌复杂多样，形成峡谷与盆地相间的串珠形河谷，是典型的西北河谷型城市。
　　2 实验数据获取与评价
　　2.1 环境空气质量监测数据获取
　　兰州市环境监测站自动监测室是国家大气环境监测网络系统的组成部分，全部环境空气质量自动监测子站共计21个，其中国控子站5个，本次研究所使用的环境空气质量浓度数据来源全国环境空气质量实时发布平台（http：//106.37.208.233：20035/）公布的兰州市5个国控点24 h连续监测资料，分别位于：a兰炼宾馆（西固区）、b职工医院（七里河区）、c生物制品所（城关区）、d铁路设计院（城关区）、e榆中兰大校区（榆中县），监测时间2016年1月1日-2018年12月31日。观测期间应获取有效监测数据样本为131400h， 因仪器维修维护、断电、校准等意外原因，造成小时数据缺失而剔除的数据异常值总计2315h，剔除后数据有效获取率为98.24%，满足《环境空气质量标准》（GB3095-2012）有关污染物监测数据统计有效性要求，同时采用监测站点的气象数据进行臭氧与其相关性分析。 　　2.2 观测仪器
　　兰州市环境监测站自动监测站点O3监测采用澳大利亚O3分析仪ECOTECHEC9831，利用臭氧在波长253.7nm紫外条件下通过时，具有最大吸收系数且会发生衰减，依据其衰减程度确定浓度。监测设备每周开展一次巡检，保证具有良好运行状态，确保数据的有效性和可靠性。
　　3 结果与讨论
　　3.1 兰州市O3年变化特征分析
　　2016年O3-8h 90百分位年均浓度值为125.71μg/m3，作为首要污染物为75d，占比为21.13%，超标20d，超标率为5.5%，综合污染指数为0.9;2017年O3-8h 90百分位年均浓度值为135.92μg/m3，作为首要污染物为103d，占比为28.69%，超标44d，超标率为12.1%，综合污染指数为1.02;2018年O3-8h 90百分位年均浓度值为146.58μg/m3，作为首要污染物为112d，占比为31.91%，超标54d，超标率为14.8%，综合污染指数为1.08。分析表明2016-2018 年兰州市O3-8h 90百分位浓度呈现出逐年上升趋势，同时臭氧作为首要污染物及其超标率也上升明显。
　　3.2 兰州市O3季节变化特征分析
　　兰州市四季分明，考虑臭氧的光化学反应对不同的气象条件反馈突出，因此其在各季節的变化特征也有所不同，据此对不同季节变化加以分析。2018年，兰州市春、夏、秋、冬不同季节O3-8h 90百分位平均浓度分别为167μg/m3，202μg/m3、138μg/m3和80μg/m3，秋季和冬季O3-8h 90百分位低于《环境空气质量标准》（GB3095-2012）二级浓度限值，夏季和春季O3-8h 90百分位分别超出二级标准限值0.26倍和0.04倍。夏季污染天数最多，表现为夏季>春季>秋季>冬季的特征，这与崔蕾等对我国成都市臭氧污染季节特征研究结果一致。春季 O3的高峰现象可能由春季多发“对流层顶折叠”现象及对流层上部高浓度 O3通过沉降和平流作用向下输送所造成[5-6]。
　　3.3 兰州市O3月度变化特征分析
　　分析2018年兰州市O3浓度月变化表明，污染主要集中在4-9月，6-8月O3污染日最多，其中7月达到最高月浓度218μg/m3，最低月12月63μg/m3浓度之比为达到3.46。
　　3.4 兰州市O3日变化特征分析
　　统计观测期间2018年所有日期各时刻的 O3浓度平均，发现兰州市O3日变化特征呈现明显单峰型，夜间至日出（00：00-08：00）前，O3浓度相对较低，从08：00开始，在太阳光持续照射下，紫外辐射增强，O3浓度呈现出逐渐上升趋势，至15：00出现峰值，15：00过后，随着光照和紫外辐射减弱，O3浓度逐渐降低。造成O3 典型浓度日变化的主要原因可能为夜间无太阳辐射，NO等还原性物质与其发生氧化反应，消耗了一部分O3。这与其他研究人员如朱毓秀等所述臭氧日变化特点基本一致[7]。
　　3.5 兰州市O3周末效应和节假日特征分析
　　本次研究中将观测数据划分为周末（星期六和星期天）、工作日（星期一至星期五）两类数据，由观测期间所有工作日相同时刻平均浓度得出O3 的工作日小时浓度，同时采用相同方法得到周末数据。统计发现周末O3浓度 24 h 均高于对应时刻工作日浓度，兰州市两者日浓度曲线变化呈现单峰型，峰值出现在15：00左右，比成都地区早1h左右，与其他研究人员针对北京市周末、工作日 O3 日变化曲线出现2次峰值的结论有所不同[8]。兰州市周末臭氧浓度峰值比工作日浓度峰值高1.06%，峰值出现时刻与工作日无明显差异。初步表明，兰州市区存在 O3“周末效应”。
　　同时统计分析了五一、中秋节、十一国庆假期等各节假日与其所在月份工作日的臭氧浓度变化特征，由于各个节假日所处时段的气象条件不同，光化学反应过程及区域输送等条件均存在差异性，不同节假日人们的出行需求和交通工具等也存在随机性，各个假期 O3浓度日变化特征与该假期所在月工作日O3浓度日变化特征差异无明显规律性。
　　3.6 O3浓度与气象因素相关性分析
　　分析臭氧浓度与温度的相关性，温度越高，越有利于臭氧生成，O3浓度与温度呈显著正相关，相关系数达到0.52;相对湿度直接反映了大气中的水汽含量，具有明显的昼夜变化和日变化差异，对O3与相对湿度进行线性相关分析，其整体呈负相关，相关系数为-0.17，相对湿度越大，臭氧浓度越低，尤其是阴雨天气，无太阳光照，且相对湿度较高，不有利于臭氧生成;O3与气压进行线性相关分析，呈显著负相关，相关系数为-0.35;与风向进行线性相关性分析，臭氧浓度与风向存在正相关性，同时与风速进行线性相关性分析，臭氧浓度与风速相关性较低，兰州受臭氧局地生成和区域传输影响。
　　4 结论
　　（1） 兰州市2016-2018年环境空气中臭氧浓度和超标率均呈现明显上升趋势，为夏季>春季>秋季>冬季特点。7月达到最高月浓度218μg/m3，与最低月12月63μg/m3浓度之比达到3.46，其日变化特征呈现明显单峰型，峰值主要出现在15：00左右。（2） 兰州市 O3的周末浓度高于工作日浓度，存在“周末效应”，但相比于北京市区等发达城市，兰州市周末效应不明显。同时“节假日效应”受多重因素影响，表现出随机无规律性。（3） O3浓度与温度呈现正相关，相关性系数为0.52，与相对湿度、气压呈显著负相关，与风速相关性较低，与风向存在正相关，相关性不明显。
　　参考文献
　　[1]张远航，邵可声，唐孝炎，等.中国城市光化学烟雾污染研究[J].北京大学学报（自然科学版），1998，34（2）.
　　[2]刘峰，朱永官，王效科.我国地面臭氧污染及其生态环境效应[J].生态环境学报，2008（4）.
　　[3]安俊琳.北京大气臭氧浓度变化特征及其形成机制研究[D].南京信息工程大学，2007.
　　[4]胡子梅，周国柱，葛朝军，等.蚌埠市臭氧污染评价及一次持续性污染过程分析[J].环境科学学报，2019，39（05）：34-43.
　　[5]Monks P S . A review of the observations and origins of the spring ozone maximum[J]. Atmospheric Environment， 2000， 34（21）：3545-3561.
　　[6]Kalabokas P ， Hjorth J ， Foret G ， et al. An investigation on the origin of regional springtime ozone episodes in the western Mediterranean[J]. Atmospheric Chemistry and Physics， 2017， 17（6）：3905-3928.
　　[7]朱毓秀，徐家骝.秋季典型光化学污染过程的分析[J].环境科学，1996（3）.
　　[8]石玉珍，徐永福，王庚辰，等.北京市夏季O3、NOx等污染物“周末效应”研究[J].环境科学，2009，30（10）：2832-2838.
　　收稿日期：2019-08-23
　　作者简介：杨燕萍（1989-），女，硕士，工程师，研究方向为环境空气质量预报预警研究。
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