衡阳市O3污染特征及影响因素相关性分析

刘作云

（湖南环境生物职业技术学院 生态宜居学院,湖南 衡阳 421005）

臭氧（O3）是一种具有鱼腥气味的淡蓝色气体，比重比氧气大，易溶于水，易分解。O3在生产和生活中应用十分广泛，如环境保护［1-2］、食品加工存储与保鲜［3］、家用电器［4］、医疗卫生［5］等领域。

O3对人体的危害作用机理为快速融入不饱和脂肪酸、氨基酸及其他蛋白质的反应，导致生物体功能失调，出现疲乏、咳嗽、胸闷胸痛、皮肤起皱、恶心头痛、脉搏加速、记忆力衰退、视力下降等症状。一般情况下，成年人1 h 内能耐受的O3极限浓度约为260 μg/m3，当浓度达到320 μg/m3，肺功能就会下降，造成咳嗽、呼吸困难等［6］。据统计，大气中O3浓度每提高10 μg/m3，人群总死亡率、心血管系统疾病死亡率和呼吸系统疾病死亡率分别上升0.4%、0.67%和0.23%［7］。此外，部分农林植物长时间接触O3后，叶片逐步变黄甚至枯萎，造成作物减产，农户减收［8］。建筑材料、居家用品等含不饱和碳碳键的有机化合物，这些成分能快速与空气中的O3结合并反应，逐渐褪色、脱色或老化等［9］。

近年来，由于人类排放了大量的能参与形成O3的前体物，给O3的形成提供了条件，使局部地区近地面O3浓度逐渐升高，并成为影响区域环境空气质量的主要污染物之一。从《衡阳市环境状况统计公报》数据可以看出，O3对衡阳市环境空气质量的影响仅次于PM2.5，给人民群众的生产和生活带来诸多威胁。有研究表明，气象因素［10-12］、社会经济因素［13-14］和其他污染因子［15-18］等对O3浓度的均有影响。因此，分析2016 年—2019 年衡阳市环境空气中O3的时空分布特征，探索其与气象因素、社会经济因素及其他污染因子之间的相关性，对衡阳市环境空气中O3污染的科学防控有一定现实意义。

1 材料与方法

1.1 材料

本研究的主要材料包括环境空气质量标准中六项主要污染因子、气象因素及社会经济因素数据。其中污染因子包括衡阳市及下辖各县市区环境空气中O3、PM2.5、PM10、CO、NO2和SO2的月均值和年均值，气象因素包括平均气温、降水量、日照时数、平均湿度、平均气压和平均风速六项主要参数，社会经济因素包括衡阳市及下辖各县市区年末常住人口、GDP、森林覆盖率等。

数据来源：污染指标监测数据摘自衡阳市环境质量状况通报［19］；气象数据来自衡阳市气象局（57872站）；社会经济数据来源于衡阳市及下辖各县市区国民经济与社会发展统计公报［20］。

1.2 方法

运用SPSS统计分析软件的Pearson相关性分析功能，分别计算各种影响因素与O3的相关系数及显著性，并对相关性显著的指标采用线性回归分析进行检验。

2 结果与分析

2.1 衡阳市O3污染时空分布特征

衡阳市中心城区及下辖的县市区环境空气中O3年均浓度变化趋势大致相同，均未超过GB 3095—2012中二级标准限定的160 μg/m3。O3年均浓度在空间分布上差异不明显，但年际变化幅度较大，尤其2018年与2017年相比，全市平均增长比例达49.48%，雁峰区、南岳区和衡山县增长比例较其他地区显著，分别达到97.26%、87.5%和82.89%，但2019 年绝大部分县市区O3年均浓度均逐渐回落。

衡阳市中心城区O3月均浓度具有明显的季节性，各年浓度峰值出现的季节基本一致。每年12 月至次年1 月O3浓度最低，随后逐步攀升，5 月—6 月形成一次浓度小高峰，7 月份左右出现一次回落，随后继续攀升，直至9 月—10 月达到浓度顶峰。9 月份是衡阳市中心城区O3污染最为严重的月份，一般均会超过GB 3095—2012二级标准，成为影响全市环境空气质量的首要污染物，而12 月至次年1 月，O3浓度最低，一般均低于或接近GB 3095—2012 一级标准。

2.2 O3与气象因素的相关性分析

对衡阳市中心城区2016 年—2019 年逐月的O3浓度值与气象因素进行相关性分析，并对有明显相关关系的指标进行线性回归分析。结果表明：六项气象因素中，平均气温、日照时数、平均气压、平均湿度和平均风速与环境空气中O3浓度有相关关系，其相关度大小为平均气温（中度正相关）＞日照时数（中度正相关）＞平均气压（中度负相关）＞平均湿度（中度负相关）＞平均风速（中度正相关），O3浓度与降水量关系不明显。

表1 衡阳市O3浓度空间分布及年际变化趋势Table 1 The spatial distribution and interannual variation trend of O3 concentration in Hengyang City

图1 衡阳市中心城区O3浓度季节分布规律Fig.1 The seasonal distribution of O3 concentration in Hengyang City

2.3 O3与社会经济因素的相关性分析

对衡阳市各县市区2016 年—2019 年O3浓度值与

社会经济因素进行相关性分析和线性回归分析。结果表明：社会经济因素与O3浓度的相关性均不显著，相关系数相对较大的为私家车辆，主要原因在于汽车尾气中含大量的O3形成前体物（挥发性有机物、氮氧化物等），这些成分进入环境空气后，在一定条件下参与形成O3，造成局部地区O3浓度升高，因此，机动车的环保检验、城区汽车流量控制等不容忽视。

表2 O3浓度与气象因素Pearson 相关分析Table 2 The correlation analysis by Pearson betweenthe concentration of O3 and meteorological factors

表3 O3浓度与社会经济因素的相关性分析Table 3 The correlation analysis by Pearson betweenthe concentration of O3 and socio-economic factors

2.4 O3与其他污染因子的相关性分析

对衡阳市中心城区2016 年—2019 年逐月的O3浓度值与其他五项污染因子进行相关性分析，并对有明显相关关系的指标进行线性回归分析。结果表明：四项主要污染因子与O3浓度存在显著相关关系，相关程度为CO＞NO2＞PM2.5＞PM10，SO2相关关系不显著。

表4 O3浓度与其他污染因子Pearson 相关分析Table 4 The correlation analysis by Pearson betweenthe concentration of O3 and other pollution factors

图3 O3浓度与其他污染因子的线性回归关系Fig.3 The relationship of linear regression between the concentration of O3 and other pollution factors

3 讨论

1）从空间分布特点分析，衡阳市及下辖各县市区O3的浓度基本一致，主要来源可能是因为O3的主要来源为大气扩散，因此，全市O3污染的治理除了城区人口密集需重点防控外，其他区域也应加强。从季节分布特点分析，5 月—6 月、8 月—10 月是污染较为严重的季节，应当加强O3预测预报，做好O3防控预案，并及时向公众公开，科学防控。

2）气温是大气发生光化学反应的条件之一，气温能加快光化学反应的速率，促使形成O3，并在近地面聚集。太阳辐射是生成O3的另一个条件，日照时间越长，太阳辐射持续时间越久，O3积累的可能性越大。气压的升高，促使O3向高空扩散，从而使近地面O3浓度下降。环境空气的平均湿度越高，所含的水分子就越多，提供了大量的O3分解所需的H+、OH-基团，从而消耗大量的O3。风速加速了O3的混合和扩散，加快了高空O3向下垂直扩散，而衡阳市属于盆地地形，在水平方向上的扩散不够明显，O3逐步积累，浓度逐渐升高。

气象因子对O3浓度的影响主要是参与了O3的形成，或消耗了已形成的O3，或影响其扩散。气象因子之间本身也存在一定的关系，通过对与O3浓度有相关关系的气象因子进行多元线性分析，发现平均气温+平均湿度、平均气温+平均湿度+平均气压、平均气温+平均湿度+平均气压+日照时数、平均气温+平均湿度+平均气压+日照时数+平均风速等不同组合情况下，与O3浓度的相关度分别达到0.827、0.862、0.883 和0.892，属于高度相关关系。因此，应当密切注意高温、低湿、低气压、长日照及风速较高的综合气象条件下O3对近地面的污染。

3）O3与PM2.5、PM10、NO2和CO 均呈中度负相关。颗粒物中的气溶胶粒子能影响云光学厚度，从而减弱太阳辐射强度，减缓O3的形成，同时气溶胶粒子通过吸收O3生成的前体物、提供NOx水解场所等，阻碍O3的形成。温度和太阳辐射等也是影响O3和颗粒物浓度的重要因素，高温和强辐射是O3形成的条件，促使近地面O3浓度升高，而相同条件下，因为大气扩散能力增强，颗粒物上浮或扩散能力提高，近地面浓度也逐步被稀释下降。NO2作为O3形成的主要前体物，当太阳辐射增强时，NO2的光解加速，O3的形成加快，尤其在高温、强日照天气下，出现近地面NO2和O3浓度此消彼长的现象。CO 也是O3形成的主要前体物，CO 与空气中羟基自由基结合，使过氧自由基增加，再参与光化学反应生成O3，使局部地区臭氧浓度升高。

4 结论

O3是影响衡阳市环境空气质量的主要污染物之一，通过分析衡阳市环境空气中O3的时空分布特征，剖析其与气象因素、社会经济因素及其他污染因子之间的相关性，得出以下结论：

1）在空间分布上，衡阳市及下辖县市区O3浓度差异不明显，但年际变化幅度较大；在时间分布上，衡阳市中心城区O3浓度季节差异明显，每年12 月至次年1 月O3浓度最低，9 月—10 月浓度最高，尤其9月份O3污染最为严重。

2）衡阳市O3浓度与气象因子的相关度大小为平均气温（中度正相关）＞日照时数（中度正相关）＞平均气压（中度负相关）＞平均湿度（中度负相关）＞平均风速（中度正相关），降水量相关关系不明显。

3）社会经济因素与环境空气中O3浓度的相关关系不明显。

4）衡阳市中心城区O3浓度值与其他污染因子均呈负相关关系，相关度大小为CO＞NO2＞PM2.5＞PM10，与SO2相关关系不显著。

5）在开展衡阳市O3污染防控时，应突出中心城区等人群密集区域，全市联防联控，尤其要加大高温、强辐射天气下的防控，同时应加强O3形成前体物的控制。