劉 曄，甘小兵，邱 堅(jiān)

(鎮(zhèn)江市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站預(yù)警室，江蘇鎮(zhèn)江 212000)

近幾年，隨著城市化的快速發(fā)展和機(jī)動(dòng)車(chē)保有量的急速增加，城市光化學(xué)煙霧污染日益嚴(yán)重。城市光化學(xué)煙霧是含有氮氧化物(NOx)、揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)、一氧化碳(CO)等物質(zhì)的大氣在太陽(yáng)輻射下產(chǎn)生的以高濃度臭氧(O3)為特征的混合物［1］。O3作為光化學(xué)煙霧的重要指示物和特征污染物，其濃度變化特征和影響因素引起了不少學(xué)者的關(guān)注［2－4］，特別是2012年新修改的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095－2012)將臭氧濃度列入評(píng)價(jià)因子之后，全國(guó)各大城市紛紛開(kāi)展O3濃度監(jiān)測(cè)工作。鎮(zhèn)江市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站從2007年開(kāi)始進(jìn)行大氣O3本底濃度監(jiān)測(cè)，在O3濃度監(jiān)測(cè)方面收集了大量數(shù)據(jù)，積累了一些經(jīng)驗(yàn)。

本文基于鎮(zhèn)江市區(qū)4個(gè)國(guó)控空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)站2012年7月至2013年6月的觀測(cè)數(shù)據(jù)，擬研究鎮(zhèn)江市區(qū)O3濃度的特征與變化規(guī)律，以揭示鎮(zhèn)江市區(qū)O3本底濃度特征，全面提高對(duì)鎮(zhèn)江市區(qū)空氣質(zhì)量問(wèn)題的認(rèn)識(shí)，為防治光化學(xué)污染提供依據(jù)。

1 材料與方法

鎮(zhèn)江市區(qū)有4個(gè)國(guó)控空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，分別位于潤(rùn)州區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)站(119°26'E，32°12'N)、京口區(qū)職教中心(119°29'E，32°13'N)、丹徒區(qū)監(jiān)測(cè)站(119°26'E，32°8'N)、新區(qū)辦事處(119°41'E，32°11'N)。這4 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)覆蓋整個(gè)鎮(zhèn)江市區(qū)，將4個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)平均后得出的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以表征鎮(zhèn)江市區(qū)大氣污染特點(diǎn)。

本文中的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)和除日照時(shí)數(shù)外的氣象參數(shù)均來(lái)自上述4個(gè)國(guó)控空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，日照相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)自鎮(zhèn)江市氣象臺(tái)的手工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。O3，NOx，CO的觀測(cè)分別采用澳大利亞 Ecotech公司ML9810型O3監(jiān)測(cè)分析儀、ML9841型NOx監(jiān)測(cè)儀和ML9830型CO監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行，PM10采用美國(guó)熱電公司1405型振蕩天平法監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行觀測(cè)。

監(jiān)測(cè)方法:對(duì)鎮(zhèn)江市區(qū)2012年7月1日至2013年6月30日的大氣進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，每天24 h連續(xù)工作，并在觀測(cè)期間定期進(jìn)行質(zhì)量控制，每天審核數(shù)據(jù)的有效性，根據(jù)數(shù)據(jù)審核規(guī)則剔除無(wú)效數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 O3污染總體情況

圖1給出了觀測(cè)期間O3日最大小時(shí)平均濃度和日最大8小時(shí)平均濃度的時(shí)間趨勢(shì)。由《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095－2012)可知，二級(jí)質(zhì)量空氣O3日最大小時(shí)平均濃度和日最大8小時(shí)平均濃度的限值分別為0.2 mg/m3和0.16 mg/m3。依照該標(biāo)準(zhǔn)，鎮(zhèn)江市區(qū)O3日最大小時(shí)平均濃度有1 d超標(biāo)，出現(xiàn)在2012年9月20日，O3日最大8小時(shí)平均濃度有2 d超標(biāo)，分別出現(xiàn)在2012年5月21日和6月22日。與南京、上海、廣東等城市［5］相比，鎮(zhèn)江市區(qū)的O3年均值濃度為0.046 mg/m3，污染情況較輕。從圖1可以看出，冬季O3濃度較低，變化幅度較小，夏季O3濃度較高，變化幅度較大。究其原因，可能是夏季降水量多、太陽(yáng)輻射強(qiáng)、日照時(shí)數(shù)變化大，冬季降水量偏小、太陽(yáng)輻射弱、日照時(shí)數(shù)變化不大。

圖1 O3日最大小時(shí)平均濃度和日最大8小時(shí)平均濃度變化

2.2 O3季節(jié)變化特征

根據(jù)氣象學(xué)的分法，每年的3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月—次年2月為冬季。從圖2可以看出，O3小時(shí)濃度在四季均呈明顯的單峰型分布，O3小時(shí)濃度日最小值除冬季出現(xiàn)在7:00—8:00外，其余均出現(xiàn)在6:00—7:00;O3小時(shí)濃度日最大值出現(xiàn)在15:00—16:00。因?yàn)榇髿庵蠴3的濃度受溫度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和前體物濃度的影響較大，所以日間O3濃度出現(xiàn)峰值，而在清晨出現(xiàn)低谷。這與文獻(xiàn)［6－8］中報(bào)道的城市O3濃度日變化規(guī)律一致。從圖2還可以看出，夏季日間O3的濃度最高，春季和秋季次之，冬季最低。而在夜間同時(shí)段，秋季O3濃度最低。春季O3小時(shí)濃度高于夏季。在3:00—7:00的4 h間，夏季O3濃度甚至低于冬季。這一趨勢(shì)與文獻(xiàn)［6－8］中報(bào)道的很多城市情況并不完全一致。夏季太陽(yáng)輻射最強(qiáng)，有利于O3的生成，所以與其他城市一樣，夏季日間O3濃度最高。而在春季和冬季夜間O3濃度高于夏季，一方面可能是由于春季大氣運(yùn)動(dòng)比較頻繁，O3的垂直輸送效果明顯，平流層的O3被帶入對(duì)流層，導(dǎo)致春季夜間O3濃度高于夏季;另一方面，冬季的大氣擴(kuò)散條件相對(duì)于夏季較差，導(dǎo)致冬季夜間個(gè)別時(shí)段O3濃度高于夏季。

圖2 O3小時(shí)濃度隨季節(jié)變化情況

2.3 O3與前體物濃度變化特征

作為二次污染物，O3的生成受NOx，CO，VOCs等前體物濃度和化學(xué)反應(yīng)的影響，日間太陽(yáng)輻射的光化學(xué)反應(yīng)是O3濃度日變化的基礎(chǔ)。以春季為研究對(duì)象，圖3展示了臭氧及其前體物的日變化情況。從圖3中可以看出，NO在大氣中的含量很低，而且小時(shí)濃度隨時(shí)間的變化不大，略呈單峰型分布，濃度最大值出現(xiàn)在早上8:00。NO2和CO的濃度略呈雙峰型分布，NO2濃度最小值出現(xiàn)在日間14:00左右，峰值分別出現(xiàn)在清晨和夜晚;CO濃度變化趨勢(shì)基本與NO一致。與NOx和CO的變化趨勢(shì)形成鮮明對(duì)比，O3濃度變化呈單峰型分布，最大值出現(xiàn)在日間14:00左右，最小值出現(xiàn)在清晨7:00左右。這是因?yàn)槿臻g光化學(xué)反應(yīng)不斷消耗NOx，生成O3使得NOx濃度不斷降低，O3濃度不斷增高;夜間NOx等前體物不斷積累并消耗O3，導(dǎo)致O3濃度在日出前出現(xiàn)最小值。O3的濃度與CO，NOx濃度呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖3 O3與前體物濃度變化

2.4 O3周末效應(yīng)

圖4給出了春季鎮(zhèn)江市區(qū)工作日與周末O3，NO2和PM10濃度變化情況?？梢钥闯?，鎮(zhèn)江市區(qū)周末的O3濃度高于工作日，而周末NO2濃度低于工作日，呈現(xiàn)明顯的“周末效應(yīng)”。這一趨勢(shì)與法國(guó)馬賽［9］、美國(guó)加州［10］、圖森［11］、上海［12］等城市的研究結(jié)果一致，與南京［13］的研究結(jié)果相反。單文坡等［14］指出，工作日期間人類(lèi)活動(dòng)頻繁導(dǎo)致大氣顆粒物濃度較高，能見(jiàn)度降低，還導(dǎo)致大氣光透過(guò)率降低，因此工作日大氣光化學(xué)反應(yīng)弱于周末。可以看出，工作日PM10濃度明顯高于周末，這與單文坡等［14］的研究結(jié)論一致。

圖4 O3濃度周末效應(yīng)

2.5 氣象條件對(duì)O3濃度的影響

氣象條件是影響近地面大氣O3濃度的重要因素之一。氣象條件中比較重要的影響因素有日照時(shí)數(shù)、氣溫、風(fēng)向、風(fēng)速等。夏季氣象條件變化大，O3日濃度變化幅度大，而冬季氣象擴(kuò)散條件差，O3處于較低濃度，變化幅度小，冬季和夏季并非研究氣象條件影響的最佳時(shí)段，因此，本文選擇春末夏初(2013年6月)來(lái)研究各氣象因素對(duì)O3濃度的影響。

圖5給出了日照時(shí)數(shù)、氣溫、風(fēng)速對(duì)O3濃度的影響。由于O3的生成為光化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，因此日照時(shí)數(shù)較長(zhǎng)的日期里，O3濃度也較高，可以看出，6月有2 d的O3日均濃度超過(guò)0.09 mg/m3，其日照時(shí)數(shù)均超過(guò)9 h;較高的風(fēng)速有利于大氣污染物的擴(kuò)散，從而降低O3的濃度?？梢钥闯?，風(fēng)速與O3濃度有較明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，風(fēng)速較快的日期里，O3濃度較低。

圖5 日照時(shí)數(shù)、氣溫、風(fēng)速對(duì)O3濃度的影響

風(fēng)向?qū)3濃度有重要影響，尤其在存在局地污染源時(shí)，風(fēng)向產(chǎn)生的長(zhǎng)距離輸送對(duì)O3濃度有重要影響。來(lái)自清潔地區(qū)的氣流中污染氣體濃度一般較低，而來(lái)自污染地區(qū)的氣流中往往混雜著大量污染氣體，可能包括O3及其前體物［13］。以2013年春季(3—5月)為研究對(duì)象，分析風(fēng)向和O3濃度的關(guān)系。圖6是鎮(zhèn)江市區(qū)2013年春季O3濃度風(fēng)向玫瑰圖?？梢钥闯觯跂|、西風(fēng)的影響下，鎮(zhèn)江市區(qū)O3濃度最高，在西北風(fēng)和南風(fēng)的影響下，O3濃度最低。這與鎮(zhèn)江市區(qū)東西方向各有2個(gè)大工業(yè)園區(qū)的工業(yè)布局一致，反映出市區(qū)的O3污染受周邊工業(yè)影響較為顯著。

圖6 O3濃度風(fēng)向玫瑰圖

3 結(jié)論

1)統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)，鎮(zhèn)江市區(qū)O3超標(biāo)僅有3 d，年均值為0.046 mg/m3，污染情況較輕。O3濃度呈現(xiàn)明顯的季節(jié)特征，日間夏季濃度最高，夜間秋季濃度最低。O3濃度與NOx，CO等前體物濃度分布呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。O3周末濃度高于工作日，而周末NO2濃度低于工作日，呈現(xiàn)明顯的“周末效應(yīng)”。

(2)氣象條件對(duì)O3濃度有重要影響:長(zhǎng)日照時(shí)數(shù)有利于O3的生成，較高風(fēng)速有利于O3的擴(kuò)散，在東、西風(fēng)影響下，鎮(zhèn)江市區(qū)O3濃度較高，南風(fēng)和西北風(fēng)影響下，鎮(zhèn)江市區(qū)O3濃度最低。

［1］GUO H，JIANG F，CHENG H.Concurrent observations of air pollutants at two sites in the Pearl River Delta and the implication of regional transport［J］.Atmospheric Chemistry and Physics，2009(9):7343－7360.

［2］劉瓊，耿福海，陳勇航，等.上海城區(qū)典型臭氧濃度偏低年的成因分析［J］.長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境，2013，22(7):900－907.

［3］陳丹青，師建中，王娟，等.潮汕地區(qū)3市夏季地面臭氧濃度變化特征研究［J］.上海環(huán)境科學(xué)，2013，32(1):31－35.

［4］胡正華，孫銀銀，李琪，等.南京北郊春季地面臭氧與氮氧化物濃度特征［J］.環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2012，6(6):1995－2000.

［5］孟曉艷，王瑞斌，杜麗，等.試點(diǎn)城市O3濃度特征分析［J］.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2013，29(1):64－70.

［6］杭一纖.南京地區(qū)臭氧及其前體物濃度特征及城郊對(duì)比分析［D］.南京:南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院，2012:24－26.

［7］趙玉成，楊英蓮，蔡永祥，等.西寧地區(qū)近地面臭氧(O3)濃度的變化特征及氣象條件分析［J］.青海環(huán)境，23(2):76－79，89.

［8］劉魯寧，申雨璇，辛金元，等.秦皇島大氣污染物濃度變化特征［J］.環(huán)境科學(xué)，2013，34(6):2089－2097.

［9］PONT V，F(xiàn)ONTAN J.Comparison between weekend and weekday ozone concentration in large cities in France［J］.Atmospheric Environment，2001(35):1527－1535.

［10］QIN Y，TONNESEN G S，WANG Z.Weekend/weekday differences of ozone，NOx，CO，VOCs，PM10 and the light scatter during ozone season in southern California［J］.Atmospheric Environment，2004(38):3069－3087.

［11］DIEM J E.Comparisons of weekday/weekend ozone:importance of biogenic volatile organic compound emissions in the semi-arid southwest USA［J］.Atmos Environ，2000(34):3445－3451.

［12］唐文苑，趙春生，耿福海，等.上海地區(qū)臭氧周末效應(yīng)研究［J］.中國(guó)科學(xué) D 輯:地球科學(xué)，2009，39(1):99－105.

［13］安俊琳，杭一纖，朱彬，等.南京北郊大氣臭氧濃度變化特征［J］.生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2010，19(6):1383－1386.

［14］單文坡.大氣臭氧濃度變化規(guī)律及相關(guān)影響因素研究［D］.濟(jì)南:山東大學(xué)環(huán)境工程學(xué)院，2006:21.