泸州市臭氧污染特征分析

谭 捷,杜 涛,闫海全,何仁江

(1.四川省泸州生态环境监测中心站，四川 泸州 646000；2.西南医科大学 公共卫生学院，四川 泸州 646000)

前 言

O3是天然大气中重要的微量成分，约90%的O3分布在平流层中[1]，起到抵挡紫外辐射、保护地表生物的作用。近地层(距地面1～2km)O3大部分是由氮氧化物(NOX)和可挥发性有机物(VOCs)在阳光照下，经过一系列复杂的光化学反应生成，如果近地层O3超过一定浓度，则会对人类和动植物健康产生危害[2～4]。我国的O3污染问题日益突出，部分地区的O3甚至有取代颗粒物成为首要污染物的趋势[5]。然而，大量的O3观测研究主要集中在经济较为发达的长江三角洲、珠江三角洲和京津冀地区，在经济欠发达的川南地区却鲜有报道。泸州市地处四川省东南部，近年来随着城镇化和工业化的不断推进，泸州市面临的O3污染问题日益突出，O3已经成为仅次于PM2.5外的第二大污染物，为减缓O3污染对泸州市人体健康和经济社会发展的负面影响，研究该地区O3污染特征及其影响因素变得尤为重要。本文基于2017～2019年环境空气质量自动监测数据，对泸州市环境空气中O3污染的时间分布和污染特征进行研究，为政府制定O3防治决策提供理论依据。

1 研究方法

1.1 数据来源

本文涉及的O3和NO2的监测数据为泸州市主城区4个国控监测点，即兰田宪桥、小市上码头、市环监站和九狮山(对照点)2017年至2019年的自动监测数据。泸州市地面气温数据由天气后报网址(www.tianqihoubao.com)提供，本文采用2017～2019年期间泸州市日最高气温数据。

1.2 数据处理方法

利用Origin2017进行数据统计分析、相关性分析及相关图形的绘制。

2 结果与讨论

2.1 年变化与日变化

2017～2019年泸州市O3-8h第90百分位浓度及月超标情况见表1和图1所示。由表1和图1可知，2017～2019年泸州市O3-8h第90百分位浓度值分别为134、139、147μg/m3，O3浓度逐年上升，O3超标天数分别为10、13、25天，超标天数逐年增加。

表1 2017～2019年泸州市O3-8h第90百分位浓度及月超标情况Tab.1 The 90th percentile concentration of O3-8h and its monthly exceeding standard in Luzhou from 2017 to 2019

图1 2017～2019年泸州市O3-8h第90 百分位浓度年变化曲线Fig.1 Annual concentration variation curve of the 90th percentile concentration of O3-8h in Luzhou from 2017 to 2019

图2为2017～2019年泸州市各首要污染物造成的污染天数占总污染天数的百分比，分析得出2017～2019年O3作为首要污染物的比例分别为14.3%、30.2%、42.4%，占比呈明显上升趋势。

图2 各首要污染物造成的污染天数占总污染天数的百分比Fig.2 Percentage of pollution days caused by each primary pollutant in total pollution days

图3为2017～2019年泸州市各月O3日最大8小时均值分布图，由于4月至9月是泸州市整体气温较高、光辐射较强、光辐射时间较长的时段，因此该时段内O3浓度较其他月份有所升高。以O3日最大8小时均值持续快速上升且连续3天超过100μg/m3作为O3污染季节的开始时间，以O3日最大8小时均值持续快速下降且不出现连续3天超过100μg/m3作为O3污染季节的结束时间[6]，统计得出2017年泸州市O3污染季节起止时间为4月6日至9月15日(总计164天)，2018年泸州市O3污染季节起止时间为3月13日至9月6日(总计178天)，2019年泸州市O3污染季节起止时间为3月10日至10月3日(总计208天)。以O3日最大8小时均值大于160μg/m3记为O3超标，2017年首次出现O3超标的日期是5月19日，O3日最大8小时均值最大出现在7月11日，浓度为201μg/m3；2018年首次出现O3超标的日期是5月14日，O3日最大8小时均值最大出现在6月7日，浓度为228μg/m3；2019年首次出现O3超标的日期是4月7日，O3日最大8小时均值最大出现在8月17日，浓度为249μg/m3。从以上结果可知，2017～2019年泸州市O3污染开始时间有提前的趋势，O3污染季节持续时间逐年增长，O3污染浓度逐年增大。

图3 2017～2019年泸州市各月O3日最大8小时均值分布趋势Fig.3 The trend of maximum 8-hour mean distribution of monthly O3 in Luzhou from 2017 to 2019

图4为泸州市各月份O3浓度日变化曲线，分析得出各月份O3的日变化趋势类似，夜间光化学反应较弱，O3生成速度慢，加上一氧化氮(NO)的消耗和地面沉积作用[7-8]，O3浓度呈下降趋势。7:00～9:00伴随早高峰的到来，机动车排放的NO不断消耗O3，而此时段太阳辐射较弱，O3的消耗速度大于生成速度，因此O3浓度在该时段达到最低值；9:00之后随着太阳辐射增强，温度升高，O3生成速度大于消耗速度，O3浓度开始持续升高，15:00～17:00达到最大值。随后由于太阳辐射减弱，温度降低，O3浓度开始慢慢降低。从各月O3浓度日变化曲线可以看出，1～3月和10～12月两个时段，O3浓度在9:00左右达到最低值，而5～9月O3浓度在8:00左右达到最低值，原因是1～3月和10～12月的日出时间较晚，太阳辐射在9:00之后对O3累积有利；而5～9月日出时间提前，太阳辐射在8:00之后便有利于O3的累积。

图4 2017～2019年泸州市1～12月份O3浓度日变化曲线Fig.4 Daily variation curve of O3 concentration from January to December in Luzhou from 2017 to 2019

2.2 O3和NO2相关性分析

图5所示，从整体趋势看，一年中随着4～8月份O3浓度的缓慢升高，NO2浓度有所降低。对2017～2019年泸州市各季节及全年O3小时浓度均值与NO2小时浓度均值进行pearson相关性分析，得出O3小时浓度均值与NO2小时浓度均值均为负相关[9]，具体相关系数见表2。总体来看，2017～2019年泸州市O3浓度与NO2浓度并无明显的季节变化趋势，主要原因是不同年份的各季节气候、太阳辐射等因素差异较大，无法做系统性对比，但从2017～2019年全年的O3浓度与NO2浓度相关系数比对可以看出，O3浓度与NO2浓度相关性呈逐年上升趋势，NO2对O3的影响逐年增强。

表2 2017～2019年泸州市各季节中O3小时浓度均值与NO2小时浓度均值相关性系数Tab.2 Correlation coefficient of mean hourly concentration of O3 and mean hourly concentration of NO2 in Luzhou in each season during 2017～2019

图5 2017～2019年泸州市O3日最大8小时均值与NO2浓度变化趋势Fig.5 Daily variation trend of O3 maximum 8-hour mean and daily maximum temperature in Luzhou from 2017 to 2019

2.3 O3和温度相关性分析

O3浓度变化在很大程度上受太阳辐射强度变化的影响，而温度又与太阳辐射变化有一定的相关性[10-11]，因此，分析温度变化对O3浓度的影响非常必要。图6给出了泸州市2017～2019年O3日最大8小时均值与日最高气温的逐日变化趋势，从图中可以看出，O3浓度总体随着温度的升高而升高。对O3与日最高气温进行pearson相关性分析，2017～2019年泸州市O3日最大8小时均值与日最高气温的pearson相关系数分别为0.789、0.823和0.796，表明O3与日最高气温呈明显的正相关[12]。

图6 2017～2019年泸州市O3日最大8小时均值与日最高气温的逐日变化趋势Fig.6 The mean value of the maximum 8-hour O3 day in Luzhou from 2017 to 2019 diurnal trend of daily maximum temperature

3 结 论

3.1 2017～2019年泸州市O3-8h第90百分位浓度值分别为134、139、147μg/m3，最高值分别为201、228、249μg/m3，O3污染情况逐年加重，O3污染季节提前，污染季节持续时间延长。从日变化来看，O3变化曲线显示出“单峰”型分布特征，一般在15:00～17:00达到最大值。

3.2 O3与前体物NO2呈负相关关系，与日最高温度呈正相关关系。NO2对O3的影响作用逐年增大。

3.3 跟据臭氧污染特征，控制臭氧前体物排放，对本地区臭氧防治工作至关重要，同时建议泸州市建立大气自动监测组分站，监测本地其他O3前体物数据，为O3防控提供数据支撑。