江阴市空气中臭氧污染变化特征研究与分析

潘辰熙，陆晓燕，徐 娜

(江阴职业技术学院 环境与材料工程系，江苏 江阴 214405)

臭氧(O3)污染已是近年来最受人类关注的全球大气环境问题之一。随着政府对蓝天保卫战三年行动计划的持续实施，我国大气环境中的颗粒物(TSP)、二氧化硫(SO2)和氮氧化物(NOx)的浓度持续降低，但臭氧浓度总体不降反升，得不到有效的改善。

江阴为江苏省省辖县级市，属于工业强市，经济发达。近年来，通过产业结构调整，一定程度上优化了城市的产业结构，但是，工业的比重仍然过高，且纺织印染、化工、冶金等传统污染产业比相对较高。目前，江阴的环境空气质量一直是整个无锡地区最差的城市。本文主要分析江阴市地区臭氧污染控制现状，了解臭氧污染状况的时空分布变化特征。

1 数据来源与方法

1.1 数据来源

本次研究以江阴市2019年—2021年环境空气质量监测数据为研究对象。监测数据包括PM2.5、PM10、O3、SO2、NO2和CO等六种基本污染物质，数据信息来源于中国城市空气质量数据实时发布平台(www.aqistudy.cn)。

1.2 评价方法

对于环境空气中的臭氧，主要有一小时平均和日最大八小时平均的限值要求。本次研究采用指标为日最大 8 h 滑动平均质量浓度(以下以“O3-8 h”表示)，根据《环境空气质量标准》(GB3095-2012)[1]和《环境空气质量评价技术规范(试行)》(HJ663-2013)[2]统计出有效数据进行研究。城市每天的O3-8 h 由O3日最大 8 h 的算术平均质量浓度计算得出。

根据《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》[3]可将O3-8 h 分为以下五个级别：重度污染(266～800 μg/m3)；中度污染(216～265 μg/m3)；轻度污染(161～215 μg/m3)；良(101～160 μg/m3)；优(1～100 μg/m3)。

2 结果与讨论

2.1 O3质量浓度变化情况

2.1.1 O3年质量浓度变化情况

2019年以来，江阴市城市空气中O3质量浓度略有下降。图1为2019—2021年江阴市O3-8 h 年际变化。从图1中看出，江阴市2019—2021年O3-8 h 年均值评价指标均达标，2019—2021年间O3-8 h 年均值呈缓慢下降趋势。其质量浓度在二级标准限值范围101～160 μg/m3。

图1 2019—2021年江阴市O3-8 h 年度变化

近年来，江阴市总体环境空气质量得到显著改善，SO2、NO2、PM10与PM2.5均呈显著下降的趋势，而O3的下降趋势不明显，污染问题仍未得到改善。O3已经代替其他污染物成为最主要的大气污染物。随着我国大气污染防治的推进，挥发性有机物污染防治工作的有效实施，O3污染的趋势也得到了遏制，未继续恶化，但其防治效果尚不明显。

2.1.2 O3首要污染物变化

近年来，随着空气质量总体向好，江阴市环境空气的优良率不断提高。目前江阴市环境空气中的首要污染物主要有：PM2.5、PM10、NO2与O3这四种污染物。从图2中看出，2019—2021年，O3作为首要污染物的比例居高不下，2021年略有下降，但总体仍然偏高。

图2 2019—2021年江阴市空气中首要污染物变化情况

2.1.3 O3月质量浓度变化和季节变化规律

江阴市臭氧质量浓度月变化规律明显。从图3数据得到：2019年的1—6月，臭氧月均质量浓度逐渐升高，6月出现峰值，7—12开始出现回落状态；2020年的1—5月，臭氧月均质量浓度逐渐升高，5月出现第一个峰值，6、7月开始回落，8月出现第二个峰值，然后持续开始回落；2021年的1—6月，臭氧月均质量浓度逐渐升高，6月出现第一个峰值，7月开始回落，8、9月重新开始上升，9月出现第二个峰值，然后开始回落。总体上，江阴市2019—2021年臭氧月均质量浓度以双峰的形式呈现。从季节上看，臭氧污染主要集中在夏秋和冬初季，其中夏季和秋季污染最为严重。

图3 江阴市2019—2021 O3质量浓度月变化规律

江阴市因地处我国北亚热带季风气候，每年的6—7月份以梅雨天气较多、降水量增大、持续时间较长等原因，导致空气中的NOx和VOCs得不到充足的光照，以及温度下降等气象条件的改变[4]，从而出现了江阴市的臭氧质量浓度在6—7月逐渐下降的情况。符合光照减少及温度降低等气象条件的改变是导致O3浓度下降的重要因素这一现象[5]。

2.2 O3与其他污染物的关系

2.2.1 O3与颗粒物

臭氧与颗粒物之间的关系极为复杂，容易受到外界气候因素的影响，如雨水、风级等。由于O3是通过CO、NOx和VOCs发生光化学反应而生成，光的通量直接决定了O3的生成能力。当大气中的悬浮颗粒物的浓度增高时，气溶胶光学厚度也在相应增加，这也直接导致了达到近地面的光量被相对减弱，使光化学反应速率降低，从而也就削弱了臭氧的生成。

图4、图5、图6分别为江阴市2019、2020、2021年颗粒物月均质量浓度和O3月均质量浓度的关系。通过对数据的整理分析，发现了臭氧质量浓度与颗粒物质量浓度之间的关系一般呈相反的趋势变化。在冬春季节，臭氧质量浓度较低，颗粒物质量浓度较高；在夏秋季，臭氧质量浓度较高，颗粒物质量浓度较低[6]。

图4 江阴市2019年O3与颗粒物月均质量浓度分布

图5 江阴市2020年O3与颗粒物月均质量浓度分布

图6 江阴市2021年O3与颗粒物月均质量浓度分布

2.2.2 O3与其前体物NO2和CO

NOx、CO和VOCs作为O3的前体物，浓度发生改变时也会对O3的浓度产生一定的影响。当O3通过NOx、CO和VOCs发生光化学反应生成较多时，O3的浓度上升，而NOx、CO和VOCs的浓度则会相对下降。图6、图7、图8分别为江阴市2019、2020、2021年NO2、CO月均质量浓度与O3月均质量浓度的关系。

图7 江阴市2019年O3与NO2、CO月均质量浓度分布

图8 江阴市2020年O3与NO2、CO月均质量浓度分布

从图7、图8、图9中看出，在太阳辐射弱的冬春季，光化学反应的速率较低，前体物消耗较少，导致NO2、CO月均质量浓度较高，臭氧质量浓度较低；在太阳辐射强的夏秋季，光化学反应的速率较高，前体物消耗较多，导致NO2、CO月均质量浓度较低，臭氧质量浓度较高。

图9 江阴市2021年O3与NO2、CO月均质量浓度分布

3 结论

1)江阴市2019—2021年O3为首要污染物、年均质量浓度大致呈现缓慢下降的趋势。

2)从季节上看，臭氧污染主要集中在夏秋和冬初季，其中夏季和秋季污染最为严重。从月份上来看，江阴市O3质量浓度在5、6月出现第一个峰值；在8、9月出现第二个峰值；7月因梅雨气候较多，导致光照不够充足，前体物通过光化学反应生成O3的速率较低，O3的质量浓度也就有所下降

3)O3与其他污染物因受江阴市的气候条件影响，两者之间的关系较为复杂。通过对江阴市3年间O3与其他污染物的关系分析发现，在冬春两季江阴市的温度较低、雨量较小，致使颗粒物浓度较高，到达近地面的通光量较小，导致生成O3的光化学反应受到的日照较弱，O3的质量浓度也相应较低；在夏秋两季江阴市的温度较高、雨量较大，致使颗粒物质量浓度较低，到达近地面的通光量较大，导致生成O3的光化学反应受到的日照较强，O3的质量浓度也相应较高。由于NO2、CO作为 O3的前体物，在冬春两季 O3生成较少，NO2、CO的消耗也较小，也就导致NO2、CO的质量浓度较高；在夏秋两季 O3生成较多，NO2、CO的消耗也较大，也就导致NO2、CO的质量浓度较低。总体看来，江阴市2019—2021年间臭氧与其他污染物的规律大致都呈反比。