永泰县域臭氧时空分布特征及其相关因素分析

邱黎清

(福州市永泰环境监测站， 福建 福州 350000)

1 引言

永泰县位于福州市西南部，是福州“后花园”。长久以来，立足“生态+”发展，以丰富的旅游资源、良好的环境质量闻名，是首批国家生态文明建设示范县、首批国家全域旅游示范区、国家农业绿色发展先行区。但随着经济发展，汽车保有量增加，工业企业增多等原因，近年来虽然空气质量总体仍处于较高水平，但颗粒物、臭氧引起的污染事件不容忽视，尤其臭氧，已成为影响永泰县域空气质量的主要因子。

谢祖欣等[1]研究了气象条件对O3浓度的影响，认为气温、太阳辐射、云量、降水、风向等与福州市O3浓度密切相关，并为 O3污染控制提出针对性建议。王宏等[2]分析了福建省O3时空分布规律与超标成因，表明沿海地区O3浓度均值高于内陆地区，不同地区四季O3浓度分布存在差异，臭氧超标常为多种因素共同作用导致。张云芳[3]探讨了太原市NO2、CO与O3的关系，认为NO2、CO与O3变化趋势相反，CO、NO2具有同源性，NO2与O3受太阳辐射和光化学反应共同影响，相关性较差。

本文以2019～2021年永泰县域3个空气站监测数据及气象局提供的同期气象数据为研究对象，运用Excel、Origin、SPSS等软件，分析O3时空分布特征及其与气象条件、前体物(CO、NO2)的关系，并结合Hysplit模型分析O3超标原因，为永泰县环境空气质量持续改善提供参考。

2 永泰空气自动站概况

永泰县域共设有3个空气自动站，详细信息见表1。

表1 永泰县各空气站点位信息

3 永泰县域大气环境状况

2019～2021年永泰城区AQI范围为44～48，空气质量达标率均为99.7%以上，各项污染物年评价指标均符合《环境空气质量标准》GB3095-2012中二级浓度限值要求。从单项污染物对环境空气的贡献率来看[4]，位居前3的PM2.5、PM10、O3贡献率范围分别为21.8%～24.0%、22.0%～24.9%、28.2%～29.5%，详见表2。其中O3为贡献率最大的污染物，环境空气质量最大指数对应的污染物也从早年的PM10转变为O3，可见O3对永泰城区环境空气质量影响重大。

表2 2019～2021年永泰县域大气环境状况

4 永泰县域O3时间分布特征

4.1 O3年变化趋势

永泰城区2019及2020年AQI>50的天数中，首要污染物为O3的天数占比最高(表3)，2020年7月24日臭氧日最大8 h滑动平均值(简称O3-8h)达162 μg/m3，为近年来首次因O3导致的空气质量超标。总体上看，2021年臭氧日最大8 h滑动平均值的第90百分位数(简称O3-8h-90per)比2019年下降7.1%，O3污染状况有所改善，这与永泰县及时出台“臭氧污染应对办法”“打好污染防治攻坚战工作方案”等有关。

表3 2019～2021年O3变化情况

4.2 O3月变化趋势

由图1可知，2019～2021年各月份O3-8h-90per变化呈多峰型，最高值分别出现在5月、7月和4月份，最低值分别出现在7月、12月和6月份，最高值与最低值出现的月份在不同年份间差异明显。总体上，最高值出现在春、夏两季，最低值出现在夏、冬两季，可见O3高值并不总出现在夏季。原因主要有：春季“对流层折叠”使O3浓度上升；冬季颗粒物浓度升高， 减少紫外辐射，削弱光化学反应[5]；夏季虽气温高、辐射强，利于O3生成，但大气垂直扩散能力强，不利于O3累积[6]。此外还应综合考虑其他气象条件、污染源排放及外来输入等因素的共同影响。O3与气象要素的相关性详见第6部分。

图1 2019～2021年永泰县域O3月变化

4.3 O3日变化趋势

2019～2021年永泰县各年度O3小时值(简称O3-1h)均值日变化幅度相似(图2)，呈现单峰型变化趋势。O3浓度分布大致为：22:00～7:00处于低值区，后随着日照增强、气温升高、交通高峰等人类活动增加等原因，浓度升高，14:00～18:00处于高值区。随着太阳辐射减弱、温度降低、人类活动减少等因素共同作用，浓度开始降低。

图2 2019～2021年O3-1h均值日变化趋势

5 O3空间分布特征

2019～2021年期间，青云山站O3超标天数明显多于上马路及城南小学站(表4)。各年度O3-8h-90per，除2020年青云山站略低于城南小学站外，其他年份均高于其余站点，而城南小学站均高于上马路站。以O3-1h进行对比，3个站点变化幅度基本一致，其中城南小学与青云山站点O3浓度较为接近，均明显高于上马路站点(图3)。呈现上述特征的原因有:①青云山站位于永泰青云山风景名胜区，城南小学西南侧分布有联奎公园、塔山公园及小汤山生态公园且南侧多为农田，两个站点植被覆盖率高，生物挥发性有机物(BVOCS)参与光化学反应，使O3浓度上升[7,8]；②青云山站海拔明显高于其余2个站点，更易受到平流层O3向下输送的影响[9]；③上马路站为临街站点，汽车尾气排放的VOCS、NOX等扩散至近地面，虽整体上会提升O3浓度，但其中的NO有可能在站点附近汇集，产生滴定作用，从而降低站点O3浓度。总体而言，各站点O3浓度有所差异，与站点地理环境、前体物种类及浓度大小等有关。

表4 2019～2021年各站点O3超标天数及O3-8h-90per分布情况

图3 2019～2021年O3-1h各站点变化

6 O3与气象因子、O3前体物的相关性

评价变量间是否具有相关性，常使用Pearson和Spearman分析法。Pearson分析法使用前提较多，要求2个变量满足正态分布、没有离群值等，而Spearman分析法则用秩来统计，不考虑变化幅度，能减少离群值对相关系数的影响[10]，故本文采用Spearman非参数分析方法,并结合SPSS软件，主要以O3-8h代表O3浓度与相应的气象因子、O3前体物展开相关性分析。

6.1 O3与气象因子的相关性

6.1.1 O3与气温、日照的相关性

由表5、表6可知，O3浓度与日照时数四季均呈正相关，O3浓度随日照时数增多明显上升。气温与O3浓度在春、秋季，无显著相关性，夏、冬季呈正相关，可见永泰县气温并不总与O3浓度呈正相关，这与魏海茹等的研究不同[11]。这是由于气温升高虽能起到催化作用，提高光化学反应速率[12]，但O3浓度还与其他因素相关。当与O3负相关的因子发挥主要作用时，如降水量、湿度等，就会削弱气温与O3的正相关性。

6.1.2 O3与相对湿度的相关性

由表5、表6可知，O3与相对湿度四季均呈负相关，O3浓度大致随相对湿度的升高而降低。这主要有三方面原因：一是水汽光解产生的自由基，能与O3和O反应；二是水汽有利于O3与有机物反应，形成微颗粒[9]；三是当湿度较高时，利于成云，从而降低紫外辐射，影响O3生成[9]。但相对湿度从[50%，60%)到[60%，70%)时，O3浓度随相对湿度升高而略有增大，考虑是受到其他气象因子或前体物浓度变化等影响，削弱了相对湿度与O3的负相关性。总体上，高湿度利于O3的消除，这与黄伟等的观点相似[9]。

6.1.3 O3与气压的相关性

由表5、表6可知，夏、秋、冬三季O3与气压无显著相关性。在样本数量最大的[990hPa，1020hPa)区间内，O3浓度分布缺乏相关性。可见，永泰县的气压与O3浓度关系并不密切。

表5 O3-8h与气象因子四季相关系数汇总

表6 各气象因子不同区间范围内O3-8h的平均值及样本个数

6.1.4 O3与降水的相关性

由表5、表6可知，一年四季降水量均与O3呈负相关。非降水日O3浓度较降水日高，但随着降水量的增加，O3浓度降低不明显。当降水量处于 [50 mm，100 mm)，[100 mm,190 mm]区间时，O3浓度随降雨量增加而升高。其原因：一是降水能消减O3前体物[16]，且降水常伴随太阳辐射减弱，从而间接降低O3浓度；二是雷雨天气与臭氧浓度升高存在一定时空联系,可提高O3浓度[17]。

6.1.5 O3与风速、风向的相关性

由表5、表6可知，O3与风速四季均呈正相关。当风速在[0.5 m/s，2.5 m/s)时，不同区间范围的O3浓度均值与风速成正比。当风速在[2 m/s，4.5 m/s]时，二者变化趋势相反。原因主要有：风对O3具有垂直输送、水平扩散等作用，风速大小影响着两种作用的强弱。当垂直输送大于水平扩散作用时，O3浓度上升，反之则下降[18]。同时从图4可知，O3-1h高值区出现在风向为东南或南期间，这主要与两评价点位对应方向上分布有马洋工业区、青云山景区及福清产业园等相关。

图4 风向-污染物玫瑰图

6.2 O3与其前体物的相关性

SPSS软件计算结果显示，O3与CO、NO2的差异无统计学意义(P>0.05)。由图5可知，永泰县CO、NO2时均值变化小，尤其CO时均值基本相同，且二者长期处于低值。其中NO2日变化呈M型，6:00～9:00，随早高峰等人类活动增加，NO2浓度开始上升，在温度升高、光照增强的条件下，利于O3生成；9:00后，NO2浓度下降，O3浓度继续抬升至17：00，期间NO2浓度下降至14：00后开始上升，至19：00处于第二次峰值，推断与光化学反应消耗NO2以及晚高峰等人类活动相关，19：00后随着光化学反应减弱，O3浓度维持在较低值。总体上，永泰县O3与CO、NO2的相关性并不密切，这主要源于CO在大气反应中活跃性较差[19]，且光化学反应属于链式反应，其他前体物如NO、VOCS等对O3的贡献，影响了O3与CO、NO2的相关性。

图5 2019～2021年O3、NO2、CO时均值变化

7 O3污染日分析

2020年6月24日上马路AQI为105，为轻度污染，超标因子为O3，最大超标倍数为0.13，O3浓度呈双峰型变化，18:00 O3浓度达到当日最高值203 μg/m3。

从气象条件看，期间永泰县处于副高控制，日平均气温30.8 ℃，相对湿度71.1%，日照时数6.2 h，风向为西南风，风速1.4 m/s，降雨量为0，总体上气象条件有利于O3生成积累。分站点看，仅上马路站O3超标，原因是上马路为中心繁华地段，附近高层建筑多，而城南小学周边多为低矮民房及农田，扩散条件更优。以上马路站为起点，运用Hysplit 24 h后向轨迹图模拟气团轨迹(以500 m为例)，可知气团由站点西南方向沿广东、泉州、莆田进入永泰县。此外，24日为端午节小长假前一天，当日下午车流量显著增多，结合污染日前后O3日变化情况，可知除该时段O3出现异常高值外，其余时段O3变化趋势相似。故综合上述分析，推断本次上马路站O3超标主要受本地生成累积影响，外来输送作用较弱。详见图6、图7。

图6 上马路站点O3-1h与部分影响因素变化趋势

图7 上马路站点24 h后向轨迹

8 结论与建议

8.1 结论

从年际变化看，2021年较2019年，O3污染明显好转。从月份看，受气象条件、污染源排放及外来输入等因素叠加影响，O3最高值、最低值出现的时间不固定。永泰县O3日变化趋势为单峰型，主要与气象条件、人为活动相关。

(2)总体上，各站点O3浓度差异主要与地理环境、前体物种类及浓度大小等相关。

(3)O3与气象因素中的气压相关性不大；与日照、气温、风速呈正相关；与相对湿度、降水呈负相关。总体上，日照时数、气温、日均风速、相对湿度分别处于[7 h，12.1 h]、[20 ℃，25 ℃)或[30 ℃，32.9 ℃] 、[2 m/s，2.5 m/s]、[42.3%，70%)区间，风向为东南或南，或无降水时，需注意防治O3污染。

(4)永泰县O3与CO、NO2的相关性符合光化学反应的链式反应特征，且还与NO、VOCS等相关。

(5)O3污染成因极其复杂，需考虑诸多因素开展分析。总体而言，当有利O3浓度提升的因素起主要作用时，极易出现O3超标。

8.2 建议

(1)提升监测能力，开展污染物协同治理。以O3主要前体物协同减排为主攻方向，开展VOCS、NOX监测，运用EKMA曲线、PMF模型等深化数据分析[20]，科学制定动态污染控制方案，为有效治理O3污染提供数据支撑。

(2)实施VOCS、NOX专项整治行动。鼓励企业升级改造生产工艺和设备；加大不达标工业炉窑淘汰力度，鼓励使用清洁能源；逐步推进餐饮服务单位安装油烟净化设施及在线监控，全面取缔露天烧烤摊位；加快新能源汽车、纯电动化机动车推广应用进程；采用大气污染热点网格等技术，提高执法效率。

(3)强化联防联控，完善O3污染应对办法。明确政府、部门、企业主体的应急责任，实现快速响应、无缝衔接、有效应对。科学制定管控措施，落实到具体环节，并结合永泰县O3污染特征及其影响因素，采取相应措施。如在风向为东南或南期间，鼓励和指导企业调整生产计划，错锋生产；高温时段加密中心城区洒水频率，增加雾炮车喷雾降温，避免喷涂作业；提倡夜间加油等。