宜昌市山区县臭氧时空分布规律研究

汤维敏 周训宇 张帅 汪万军 张娟 万一里

摘  要：近地面臭氧是环境空气污染的典型次生污染物，是重要的生态环境监测对象。通过监测宜昌市5个山区县与3个平原县2017—2021年臭氧浓度，分析臭氧随年、季度、月、日变化，总结臭氧时空分布规律，以期对宜昌市及类似区域臭氧污染防控提供参考。

关键词：臭氧；宜昌市；山区县；时空分布；污染防控

中图分类号：X703      文献标志码：A          文章編号：2095-2945（2024）10-0098-04

Abstract： Near-surface ozone is a typical secondary pollutant of ambient air pollution and an important ecological monitoring object. By monitoring the ozone concentrations in five mountainous counties and three plain counties of Yichang City from 2017 to 2021， the annual， quarterly， monthly and daily changes of ozone were analyzed， and the temporal and spatial distribution of ozone was summarized， in order to provide reference for the prevention and control of ozone pollution in Yichang and other areas with the same situations.

Keywords： ozone; Yichang City; mountainous county; spatio-temporal distribution; pollution prevention and control

臭氧主要由氮氧化物、一氧化碳和挥发性有机物等在阳光下发生光化学反应生成，属于强氧化剂，达到一定浓度后会对人体健康、农作物生长、生态环境、城市建筑等造成极大危害[1-2]。20世纪40年代美国洛杉矶发生了最早的臭氧污染事件，之后西方发达地区和国家如欧洲、澳大利亚、日本等都出现了这种污染空气的现象[3]。在防治臭氧污染方面欧美国家的实践工作起步较早，欧美国家率先开展对臭氧污染防治的研究并开展监测，在臭氧监测网络构建、标准制定、防治组织建立、环保政策制定执行和评估等方面积累了大量有益的经验，对我国臭氧污染的科学应对和防治具有较强的借鉴意义[4]。

近年来，我国对于近地面臭氧污染分析和防治工作越发重视，专家学者针对大型城市群开展了臭氧分析工作[5-7]。据报道，全国339个地级及以上城市2017年至2021年以臭氧为首要污染物的超标天数比例分别为7.6%、8.4%、7.6%、4.9%和4.4%，2021年臭氧的超标天数占总超标天数的34.7%。为进一步加强臭氧污染防控，研究区域性长时间臭氧时空分布规律十分有必要[8-10]。根据环境监测数据，近几年宜昌市近地面臭氧呈现出逐步上升的趋势，成为了制约空气质量持续改善的重要因素[11]。本文主要研究宜昌市山区县及平原县区域长时间臭氧时空分布规律，以期发现山区县与平原县变化规律差别，为臭氧污染控制提供参考。

1  材料与方法

1.1  监测点位

宜昌位于长江中上游结合部，地处鄂西山区与江汉平原交汇过渡地带。山区占67.4%，丘陵占22.7%，平原占9.9%。宜昌地形复杂，高低相差悬殊，山区、丘陵、平原兼有。地势自西北向东南倾斜。西部的兴山、秭归、长阳、五峰为山区，当阳、远安、宜都等县为丘陵，长江、清江和沮漳河交汇两侧的枝江、当阳、宜都等县的部分区域为平原。根据监测站点所在位置，本文界定五峰、兴山、远安、秭归和长阳站点为山区站点，宜都、当阳、枝江为平原区站点。各点位信息见表1。

1.2  仪器设备

环境空气自动监测点位臭氧监测使用仪器分别为美国热电、武汉天虹臭氧分析仪，校准仪器为武汉天虹的零气发生器、仪器标定动态气体发生器，测量原理均为紫外吸收法，采样频率为24 h连续自动监测，选择的采样周期为2017—2021年全年。臭氧分析仪每年定期由采购的有资质的第三方进行仪器校准和溯源。

1.3  分析方法

根据GB 3095—2012《环境空气质量标准》和HJ 663—2013《环境空气质量评价技术规范（试行）》的相关规定，本文将日最大8 h滑动平均（MDA8）超过160 μg/m3定义为一个O3污染日。按照HJ 633—2012《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》的相关要求，依据MDA8，将空气质量划分为5个级别：优（0～100 ？滋g/m3）、良（101～160 ？滋g/m3）、轻度污染（161～215 ？滋g/m3）、中度污染（216～265 ？滋g/m3）、重度污染（266～800 ？滋g/m3）[5]。

2  臭氧的时空分布特征

2.1  各县臭氧作为首要污染物的天数

对2017—2021年11个站点臭氧作为首要污染物天数分别进行统计，并将五峰、兴山、远安、秭归和长阳5个站点数据作为山区县总体分析，宜都、当阳、枝江等6个站点数据作为平原县总体分析（见表2）。结果显示，从年度来看，山区县及平原县2019年臭氧为首要污染物天数均相对其他年份大幅上升，而平原县2017年天数最少，山区县2018年天数最少。平原县6个站点除了轻度污染以外，均有中度污染天数，而山区县均未发生臭氧中度污染天气。从空间来看，宜都市杨守敬大道站超标天数最多，兴山县丰邑大道站无超标天数。

2.2  臭氧浓度的年度变化情况

将2017—2021年11个站点的MDA8按年度进行统计分析（如图1所示，每一年份的柱状图从左至右依次为宜都市园林大道站、宜都市杨守敬大道站、当阳市友谊路站、枝江市体育路站、枝江市江汉大道站、当阳市锦屏大道站、平原县均值、山区县均值、五峰县西北路站、长阳县东峰岭路站、兴山县丰邑大道站、秭归县屈原路站和远安县嫘祖路站），按照HJ 633—2013《环境空气质量评价技术规范（试行）》中的评价方法，全年MDA8的第90百分位数为年评价值。从年度变化趋势来看，整体呈现出2017—2019年逐年上升，2020年及2021年略微下降的趋势。结果显示，从空间变化趋势来看，各个站点按浓度从低到高分别为兴山县、五峰县、秭归县、远安县、长阳县、当阳市、枝江市和宜都市，表现出山区县浓度整体低于平原县的情况。在山区县中，兴山县5年浓度均值为95 ？滋g/m3，浓度明显低于其他县域。其次为五峰县、秭归县，5年浓度均值分别为119、123 ？滋g/m3，第三梯队为远安县、长阳县、当阳市、枝江市和宜都市，5年浓度均值分别为135、137、138、140和143 ？滋g/m3。

2.3  臭氧浓度季度变化特征

将2017—2021年MDA8按月季度进行统计分析（图2），结果显示，所有县域主要呈现出二季度＞三季度＞一季度＞四季度的趋势。将兴山县、五峰县、秭归县、远安县和长阳县5个站点作为山区县总体分析，将阳市、枝江市、宜都市等6个站点作为平原县总体分析，发现山区县总体浓度低于平原县，且对于山区县而言，四季度明显低于一季度，二季度与三季度相差幅度大于平原县，而对平原县来说，二、三季度浓度值比较接近，一、四季度相差较小。

图2  2017—2021年各站臭氧季度变化

2.4  臭氧浓度月度变化特征

将2017—2021年MDA8按月进行统计分析，并且将山区县、平原县分别进行总体统计（图3）。结果显示，各县域月均浓度变化主要呈“M”型双峰值变化，这与湖北省或南方许多地方的趋势基本一致。一般在1—5月臭氧浓度随温度的升高而升高，第一个峰值出现在6月，受季风气候影响7月进入梅雨季节，降雨量增加，导致7月臭氧浓度出现明显下降，8—9月臭氧浓度开始上升，达到第二个峰值，之后随着温度的降低而降低。总体来看，臭氧浓度高值主要集中在4—9月。

图3  2017—2021年各区县臭氧月度变化

2.5  臭氧浓度日变化特征

将2017—2021年山区县站点（秭归县屈原路站、长阳县东峰岭路站、远安县嫘祖路站、兴山县丰邑大道站、五峰县西北路站）、平原县站点（宜都市园林大道站、宜都市杨守敬大道站、枝江市江汉大道站、枝江市体育路站、当阳市友谊路站和当阳市锦屏大道站）的臭氧小时浓度按各时刻进行汇总取均值（图4和图5）。结果显示，山区县站点和平原县站点呈现出相同的单峰型，从早上7时或8时随着气温、太阳辐射强度的增加、人为活动的增多而开始迅速上升，于15时或16时达到最高峰值，随着辐射强度以及温度的下降，臭氧浓度开始下降，直至次日7时或8时再次达到最低值。同时，低值区间各年度都比较相近，而高值区间却相差较大。

3  结论

通过分析宜昌市5个山区县与3个平原县2017—2021年臭氧浓度年、季度、月、日变化，发现山区县臭氧年均浓度整体低于平原县，季度规律呈现出二季度＞三季度＞一季度＞四季度的趋势；月均浓度变化主要呈“M”型双峰值变化，峰值主要在6月及9月；日变化均呈现出相同的单峰型。

图4  2017—2021年山区县臭氧浓度日变化

图5  2017—2021年平原县臭氧浓度日变化

参考文献：

[1] 明小燕，李燕，杨勇，等.宜昌市臭氧对人群死亡急性效应[J].环境卫生学杂志，2018，8（5）：423-428.

[2] 陈仁杰，陈秉衡，阚海东.上海市近地面臭氧污染的健康影响评价[J].中国环境科学，2010（5）：603-608.

[3] 林丽钦，陈婧瑜，吴明言，等.2017-2018年闽近地面臭氧污染对人群健康的影响[J].福建医药杂志，2020，42（1）：141-145.

[4] 陈浪，赵川，关茗洋，等.我国大气臭氧污染现状及人群健康影响[J].环境与职业医学，2017，34（11）：1025-1030.

[5] 裴軒，毛节泰，李建国，等.大气物理学[M].2版.北京：北京大学出版社，2013.

[6] 孔琴心，刘广仁，李桂忱.近地面臭氧浓度变化及其对人体健康的可能影响[J].气候与环境研究，1999，4（1）：63-65.

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[10] 张淼，丁椿，李彦，等.山东省O3时空分布及影响因素分析[J].环境科学，2021，42（12）：5723-5735.

[11] 卫尤文.安徽省臭氧污染形成机制与改善路径研究[D].合肥：合肥学院，2020.