2008—2016年臭氧监测试点城市的臭氧污染特征

程麟钧，王 帅， 宫正宇， 杨 琦， 王业耀

1.中国地质大学(北京)水资源与环境学院，北京 100083 2.中国环境监测总站, 国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012

2008—2016年臭氧监测试点城市的臭氧污染特征

程麟钧1,2，王 帅2， 宫正宇2， 杨 琦1， 王业耀1,2

1.中国地质大学(北京)水资源与环境学院，北京 100083 2.中国环境监测总站, 国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012

选取臭氧试点城市北京、沈阳、上海和重庆，通过对2008—2016年臭氧监测数据进行分析研究，可以看出4个试点城市中北京的臭氧污染最严重。4个城市的臭氧污染特征均为高浓度臭氧所占比例较大，高值比较高，低浓度臭氧所占比例较小。北京、沈阳和上海的年平均臭氧浓度总体呈上升趋势。北京、上海、重庆、沈阳4个城市9年的超标天数比例分别为15.9%、7.7%、3.9%、6.5%。上海的臭氧浓度在秋季非常高。2012年的臭氧变化趋势比较异常，可能是由于2012年发生的不寻常气候条件导致。4个城市的臭氧浓度变化和气象条件的变化显著相关。

臭氧；试点城市；污染特征

随着我国经济飞速发展、人口增加和机动车保有量的增加，挥发性有机化合物(VOCs)和氮氧化物(NOx)等O3前体物的排放量居高不下，部分城市O3污染问题开始逐渐凸显。在2012年颁布的《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)[1]中，O3作为一项基本污染物被要求在全国所有地级及以上城市开展监测。在全国大范围开展O3监测结果显示，很多城市存在O3超标问题，O3已成为继PM2.5后困扰城市空气质量改善和达标管理的另一种重要二次污染物[2-4]。

近地面的O3本身就是一种重要的气态污染物，同时也是能使低层大气增温的重要“温室气体”之一[5]，光化学反应是城市近地面O3的主要来源，高浓度O3作为城市光化学烟雾的特征产物，已引起国内外的普遍关注[6-7]。

2008年1月起，原国家环保局在北京、天津、上海、重庆、青岛、沈阳、广州、惠州8个城市的17个监测点位开展O3试点监测工作；2013年开始，环境保护部在74个城市(京津冀、长三角、珠三角区域及直辖市、省会城市和计划单列市)496个国控监测点位开展SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO、O3等6项污染物的例行监测；2015年，在全国338个地级市1 436个国控监测点位全面实行新标准，对6项污染物开展监测。本文选取数据比较完整的北京、沈阳、上海和重庆4个城市，通过对2008—2016年监测数据进行分析，研究O3浓度的年、季、月和日的时间变化特征，探讨O3浓度与部分气象因子(温度、湿度和日照时间)的关系，为客观揭示重点城市O3污染特征提供科学依据。

1 实验部分

1.1数据来源

本文所使用的O3浓度数据来自环境保护部在北京、上海、重庆和沈阳4个城市设置的50个环境空气质量监测国控点位(46个评价点和4个城市对照点)自动监测设备，设备运行期间按照《环境空气质量自动监测技术规范》(HJ/T 193—2005)[8]定期进行校准和质控操作。部分时段由于停电、仪器校准等原因数据无效。O3评价指标为日最大8 h滑动平均质量浓度(以下以“O3-8 h”表示)，数据统计有效性按照《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)[1]和《环境空气质量评价技术规范(试行)》(HJ 663—2013)[9]执行。城市每天的O3-8 h由每个监测点(不含对照点)O3日最大8 h的算术平均质量浓度得出。

1.2统计分析方法

O3-8 h按照《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》[10]划分为5个级别：优(1 ～100 μg/m3)，良(101～160 μg/m3)，轻度污染(161～215 μg/m3)，中度污染(216～265 μg/m3)，重度污染(266 ～800 μg/m3)。

为考察年际间城市O3-8 h变化趋势，分别统计了2008—2016年4个城市第5、10、25、50、75、90、95百分位O3-8 h以及年均值，其中第90百分位O3-8 h在环境管理中用于城市O3年度达标评价的判定。使用秩相关系数法判断上述指标9年来的变化趋势[9]。

为了分析O3浓度变化与气象条件关系，使用逐步回归分析法分析了O3-8 h与光照时间、温度和相对湿度的相关性。

2 结果与讨论

2.1O3污染现状及年际变化趋势

2.1.1 主要污染指标的年际变化特征

2008—2016年4个试点城市的第90百分位O3-8 h如图1所示。2008—2016年北京、上海、重庆、沈阳第90百分位O3-8 h年均值分别为186、153、130、142 μg/m3。北京仅在2011年第90百分位O3-8 h为158 μg/m3，没有超标，其他年份均超标，2015年超标最严重，达203 μg/m3。4个城市中重庆的O3污染状况相对较轻，但是2013年浓度上升比较快，在2013年达163 μg/m3。上海的O3污染比较严重，特别是2015、2016年，O3质量浓度分别达161、164 μg/m3，已经超标。沈阳O3污染从2009年开始比较严重，2014年和2016年均超标，质量浓度分别为165、162 μg/m3。整体上来看，4个城市的O3污染情况都比较严重，且呈上升趋势，其中北京的污染状况最严重。

图1 2008—2016年4个试点城市的第90百分位O3-8 hFig.1 O3-8 h 90per concentration in four cities in 2008-2016

为详细考察4个试点城市O3-8 h统计分布的变化情况，分别对2008—2016年各城市第5、10、25、50、75、90、95百分位O3-8 h的变化情况进行了分析。如图2所示，北京的O3浓度从第75百分位开始上升速率加快，说明北京的O3污染特征是高浓度O3污染占比高，2011年的污染情况整体好于其他年份。上海的各百分位O3浓度各年份相对稳定，但第95百分位占比各年份差异比较大，2011年最低，第 95百分位O3-8 h为157 μg/m3，2015年达200 μg/m3，2016年为191 μg/m3，可见上海近年的O3污染问题比较突出。重庆的O3污染特征也比较明显，从第75百分位开始，O3浓度上升比较快，且历年的浓度值差异较大，以第95百分位为例，2010年最低只有130 μg/m3，但2013年就达到了184 μg/m3，重庆的地形和气象条件都比较特殊，不同年份的O3浓度差异比较大，变化特征也不尽相同。沈阳的O3浓度在2008年比较低，第95百分位O3-8 h只有115 μg/m3，但2009年骤升至167 μg/m3，且基本呈逐年升高趋势，O3污染问题也比较突出。整体来看，4个试点城市的O3污染特征均为高浓度O3比例较大，高值比较高，低浓度O3的比例较小。O3污染状况越来越严重。

图2 2008—2016年4个城市各百分位O3-8 h变化情况Fig.2 Variation of O3-8 h concentration of number of days in different levels in four cities in 2008-2016

为了更细致考察各城市不同百分位浓度的年际变化趋势，对各百分位浓度进行Spearman秩相关系数检验，结果见表1。从表1可以看出，北京市O3浓度分布的低值区间呈下降趋势，表现为第5百分位、第10百分位浓度下降，但中高浓度区间的O3浓度呈明显上升趋势，平均值呈明显上升趋势。上海和沈阳各百分位浓度指标和平均值均在升高，重庆的第5、10、25、50百分位O3浓度下降，高浓度区间的O3浓度上升。

北京、沈阳、上海和重庆的年平均O3浓度趋势如图3所示。与图1的第90百分位O3-8 h趋势比较，北京的年平均O3浓度在4个城市中并不是最高的，但是第90百分位O3-8 h远高于其他3个城市，重庆的年平均O3浓度在4个城市中较低，但是第90百分位O3-8 h和其他3个城市差异很小，说明北京和重庆的O3污染特征是高浓度污染比较严重。北京、沈阳和上海的年平均O3浓度从2008年到2016年总体呈上升趋势。华北和华东人口密度大，工业和农业发达，因此，这些区域的O3污染状况主要是由O3前体物排放量大导致。特别是在夏天，强烈的太阳辐射和高温加剧了大气光化学反应。

表1 2008—2016年4个城市不同O3-8 h指标的Spearman秩相关系数

注：“*”代表置信度0.05水平下显著相关；“** ”代表置信度0.01水平下显著相关。

图3 试点城市O3的年际变化趋势Fig.3 Annual ozone concentrations in four cities during 2008-2016

2.1.2 各级别天数变化趋势

从2008—2016年4个试点城市的逐日O3-8 h等级来看，优良天数占比最多，轻度污染、中度污染和重度污染的频次占比相对较小，严重污染

级别只有2011年沈阳出现2 d(图4)。北京的O3污染情况最为严重，除2008年和2011年外，均有重污染级别天，中度污染级别天数从2008年的7 d升至2016年的25 d。上海的O3污染特征是优级别天数占比较低，平均只有59.9%，从2011年开始出现中度污染天，2013年出现重度污染级别天数2 d。重庆的O3污染状况整体较好，但从2008年到2016年优级别天数比例变化来看，呈下降趋势，2008年优级别天数占比79.61%，2016年占比72.95%，而且从2013年开始，轻度污染天数明显增加，所以重庆的O3污染趋势是加重的。沈阳的O3污染加重趋势比较明显，2008年的优级别天数达336 d(占91.8%)，2016年是214 d(占58.47%)，轻度污染天数从2008年的4 d升至2016年的37 d。按照《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)二级标准限值(160 μg/m3)进行评价，北京、上海、重庆、沈阳4个城市9年的超标天数比例分别为15.9%、7.7%、3.9%、6.5%，整体均呈上升趋势。

图4 2008—2016年试点城市O3-8 h各级别天数比例变化情况Fig.4 Number of days in different levels in four cities during 2008-2016

2.2O3污染的季节变化特征

北京、沈阳、上海和重庆的季节性平均O3浓度趋势如图5所示。北京的O3污染主要集中在春、夏季，重庆春季的O3浓度较低。上海的O3浓度在秋季非常高，这在很多研究中都有提及[11-13]。这主要是由当地天气流动模式导致，是东亚季风、热带气旋与长三角区域海陆风相互作用的产物。

图5 试点城市O3的季节变化趋势Fig.5 Seasonal ozone concentrations in four cities from 2008 to 2016

2012年夏季，除上海以外的其他3个城市O3浓度明显下降，但在接下来的冬季，4个城市的O3浓度急剧上升。这可能是由2012年比较异常的气候条件导致[14]。在2011、2012年冬季海洋和大气环流异常的影响下，2012年3月发生了拉尼娜现象，2012年中国春季和夏季气温偏高，秋季气温偏低，导致异常的O3污染趋势。

2.3O3污染和气象因素的关系

O3浓度变化和气象条件的变化高度相关，将4个试点城市2008—2016年的O3-8 h和温度、相对湿度及日照时间进行多重线性回归，结果见表2。从表2可见，4个城市的显著性检验均为0.000(<0.01)，所以O3浓度的变化与气象要素的变化显著相关，具有极显著的统计学意义。

各个城市的O3浓度变化具有不同的特征，控制因子各不相同。北京的O3浓度变化和温度、湿度及日照时间都呈正相关，主要受日照时间影响(图6)，所以北京O3污染的季节性最为明显。从图6可以看出，夏季日照强烈时，O3浓度非常高，超标情况严重，冬季日照减弱，O3浓度也骤减，从长时间序列来看，具有非常明显的季节性特征。北京的O3浓度变化和湿度也呈比较明显的正相关，北京的湿度月际变化很大，雨热同期，而O3高浓度污染季节正好是降雨季节，所以在年际变化中表现出正相关性。

重庆的O3浓度变化主要受温度影响，且和湿度呈负相关，以2015年的O3-8 h和平均相对湿度为例(图7)，可以看到O3浓度的变化趋势和湿度的变化趋势相反。日照时间对重庆的O3浓度变化影响不大，这主要是因为四川盆地被山地和高原包围，大气扩散条件差，高AOD(气溶胶光学厚度)使该区域能够接受到的太阳辐射较少[15-16]。盆地的特殊气候特征和地理特征造成这一地区的O3浓度变化特征与其他地区不一样。

表2 O3-8 h和主要气象参数的多重线性回归结果

上海的O3浓度变化主要受湿度影响，并且和温度呈负相关，沈阳与上海相反，O3浓度变化主要受温度影响，且与湿度呈负相关。

图6 2008—2016年北京O3-8 h和日照时间的关系Fig.6 Relation between sunshine time and O3-8 h in Beijing from 2008 to 2016

3 结论

从4个试点城市2008—2016年的O3污染情况来看，北京的O3污染状况最严重。4个城市的O3污染特征均为高浓度O3比例较大，高值比较高，低浓度O3的比例较小。北京、沈阳和上海的年平均O3浓度从2008年到2016年总体呈上升趋势。上海的O3浓度在秋季非常高。2012年的O3变化趋势比较异常，可能是由2012年发生的不寻常气候条件导致。4个城市的O3浓度变化和气象条件的变化显著相关。

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PollutionTrendsofOzoneinOzoneMonitoringPilotCitiesfrom2008to2016

CHENG Linjun1,2, WANG Shuai2, GONG Zhengyu2, YANG Qi1, WANG Yeyao1,2

1.School of Water Resources and Environment, China University of Geosciences, Beijing 100083, China 2.State Environmental Protection Key Laboratory of Quality Control in Environmental Monitoring, China National Environmental Monitoring Centre, Beijing 100012, China

In this paper, the ozone monitoring data inthe selected pilot cities of Beijing, Shenyang, Shanghai and Chongqing from 2008 to 2016were analyzed. It can be seen that the ozone pollution in Beijing was the most serious in four cities. Ozone pollution characteristics of four cities are higher value with relatively larger proportion, the proportion of lower concentrations of ozone is relatively lower. The annual average ozone concentrations in Beijing, Shenyang and Shanghai increased overall from 2008 to 2016. The proportion of days beyond the standard was 15.9% in Beijing, 7.7% in Shanghai, 3.9% in Chongqing, and 6.5% in Shenyang in 2008-2016. Shanghai's ozone concentration is very high in the fall. The trend of ozone changing in 2012 is quite unusual, which probably due to unusual weather conditions that occurred in 2012. The changes of ozone concentrations in four cities are highly correlated with changes in meteorological conditions.

ozone; pilot cities; pollution characteristics

X823

：A

：1002-6002(2017)04- 0026- 07

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.04.03

2017-05-10;

：2017-05-16

国家重点研发计划项目(2016YFC0201800)；国家重大仪器专项(2011YQ120024)

程麟钧(1980-)，女，黑龙江鹤岗人，博士，工程师。

王业耀