解淑艷,霍曉芹,曾凡剛,王勝杰

1.中國環(huán)境監(jiān)測總站,國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100012

2.中國人民大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京 100872

3.中國氣象工程咨詢中心,北京 100081

臭氧(O3)是大氣對(duì)流層光化學(xué)污染的產(chǎn)物,是大氣氧化能力的關(guān)鍵因子。 人類活動(dòng)大量排放的氮氧化物(NOx)、揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs),以及一氧化碳、甲烷等物質(zhì),在光照條件下發(fā)生反應(yīng)生成O3,導(dǎo)致光化學(xué)污染[1-2]。 近地面O3污染會(huì)影響人體健康,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響[3-5],還會(huì)加速細(xì)顆粒物(PM2.5)等污染物的轉(zhuǎn)化形成,進(jìn)一步影響環(huán)境空氣質(zhì)量[6-7]。 近年來,有學(xué)者對(duì)中國長三角[8]、成渝[9]、京津冀[10]等區(qū)域,以及深圳、廣州、上海、杭州、成都[11-15]等城市的O3污染趨勢及時(shí)空分布特征進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)O3污染形勢日益嚴(yán)峻,O3在綜合空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)中作為首要污染物的比例已經(jīng)超過PM2.5[16]。 2015 年開始,全國338 個(gè)地級(jí)及以上城市全部開展了O3監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果顯示,2015 年以O(shè)3為首要污染物的超標(biāo)天數(shù)占比為16.9%,超過PM10(15.0%),僅次于PM2.5(66.8%)[16]。 O3成為繼PM2.5之后困擾城市環(huán)境空氣質(zhì)量的另一種重要的二次污染物[17]。 汾渭平原包括山西省呂梁、晉中、臨汾、運(yùn)城,河南省洛陽、三門峽,陜西省西安、寶雞、渭南、咸陽、銅川等11 個(gè)地市,2018 年被列入國務(wù)院《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》(國發(fā)〔2018〕22號(hào)),成為持續(xù)開展大氣污染防治行動(dòng)的三大重點(diǎn)區(qū)域之一。

本文運(yùn)用2015—2019 年國家環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)O3監(jiān)測數(shù)據(jù),分析汾渭平原主要城市O3污染特征及變化趨勢,以期為加強(qiáng)區(qū)域O3污染防治提供參考。

1 資料與方法

本文數(shù)據(jù)來自中國環(huán)境監(jiān)測總站國家環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)2015—2019 年監(jiān)測數(shù)據(jù),監(jiān)測過程嚴(yán)格執(zhí)行《環(huán)境空氣氣態(tài)污染物(SO2、NO2、O3、CO)連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行和質(zhì)控技術(shù)規(guī)范》(HJ 818—2018)[18]和《環(huán)境空氣顆粒物(PM10和PM2.5)連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行和質(zhì)控技術(shù)規(guī)范》(HJ 817—2018)[19]等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。 汾渭平原11 個(gè)城市共有63 個(gè)國控環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)位,其中,6 個(gè)清潔對(duì)照點(diǎn)不參與分析評(píng)價(jià)。 數(shù)據(jù)有效性 按 照《 環(huán) 境 空 氣 質(zhì) 量 標(biāo) 準(zhǔn)》 ( GB 3095—2012)[20]、《環(huán)境空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范(試行)》(HJ 663—2013)[21]的有關(guān)要求落實(shí)。 O3日評(píng)價(jià)采用O3日最大8 小時(shí)平均質(zhì)量濃度(O3-8 h),年評(píng)價(jià)采用全年O3-8 h 第90 百分位濃度(O3-8 h-90PER)。 O3-8 h 二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值為160 μg/m3,O3小時(shí)濃度二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值為200 μg/m3。 汾渭平原環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)位分布見圖1。

圖1 汾渭平原城市空氣質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)位分布示意圖Fig.1 Distribution of urban air quality monitoring points in Fenwei Plain

2 結(jié)果與討論

2.1 汾渭平原O3 污染狀況

2015—2019 年,汾渭平原各年度空氣質(zhì)量優(yōu)良天 數(shù) 比 例 分 別 為 75.5%、 66.0%、 60.7%、63.9%、61.7%,總體呈降低趨勢,表明汾渭平原空氣質(zhì)量總體呈惡化趨勢。 大氣6 項(xiàng)常規(guī)污染物中(圖2),SO2、PM10、CO 第95 百分位濃度(CO-95PER)總體呈下降趨勢;PM2.5濃度略有下降;NO2濃度總體有所升高,但在2017—2019 年略有降低;各年度O3-8 h-90PER 分別為122、140、169、164、171 μg/m3,總體呈升高趨勢,年平均升高12.2 μg/m3,2017—2019 年連續(xù)3 年超過二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值(160 μg/m3),是6 項(xiàng)污染物中年平均升高幅度最大的污染物。

圖2 2015—2019 年汾渭平原各污染物濃度變化趨勢Fig.2 Trends of pollutant concentrations in Fenwei Plain in 2015-2019

2.2 O3 對(duì)汾渭平原空氣質(zhì)量的影響

2015—2019 年,汾渭平原11 個(gè)城市各年度O3-8 h 超標(biāo)天數(shù)之和分別為57、227、522、449、590 d,總體呈升高趨勢,其中2019 年O3-8 h 超標(biāo)天數(shù)高于PM10(圖3),表明O3對(duì)空氣質(zhì)量的影響越來越顯著。 2015—2019 年,汾渭平原11 個(gè)城市各年度O3單因子超標(biāo)天數(shù)之和分別為55、217、521、447、577 d,O3-8 h 超標(biāo)使汾渭平原各年度空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)比例分別減少了1.4、5.4、13.0、11.1、14.4 個(gè)百分點(diǎn)(表1),表明O3-8 h 超標(biāo)對(duì)空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)比例的影響越來越顯著。

圖3 2015—2019 年汾渭平原11 個(gè)城市各污染物超標(biāo)天數(shù)Fig.3 Days exceeding the standard of each pollutants in 11 cities of Fenwei Plain in 2015-2019

2.3 O3-8 h 時(shí)間分布

將11 個(gè)城市每日O3-8 h 平均,得到汾渭平原O3-8 h,其散點(diǎn)分布如圖4 所示。 由圖4 可以看出,O3-8 h 呈現(xiàn)春夏季高、秋冬季低的特點(diǎn),O3-8 h 高值主要分布在5—9 月,11—12 月較低。2015—2019 年,各年度O3-8 h 最高值分別為152、176、224、195、202 μg/m3,均 出 現(xiàn) 在5—7 月。2016—2019 年,各年度O3-8 h 在5—9 月超過二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值的天數(shù)分別為4、43、32、42 d,占全部超標(biāo)天數(shù)的97%以上,表明該時(shí)段對(duì)全年O3-8 h-90PER 的影響最大。

圖4 2015—2019 年汾渭平原O3-8 h 分布Fig.4 Distribution of O3-8 h in Fenwei Plain in 2015-2019

對(duì)11 個(gè)城市每日O3-8 h 值在各區(qū)間出現(xiàn)的頻次進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。 結(jié)果顯示(圖5),2015—2019年,O3-8 h 出現(xiàn)頻次較高的區(qū)間主要是在10 ～180 μg/m3,各年度出現(xiàn)頻次最高的區(qū)間分別為40 ～50、40 ～50、60 ～70、70 ～80、50 ～60 μg/m3,對(duì)應(yīng)的天數(shù)分別為434、407、393、316、293 d。 各年度O3-8 h 出現(xiàn)頻次最高的濃度區(qū)間總體向高濃度區(qū)間移動(dòng),最高頻次呈下降趨勢,低濃度O3出現(xiàn)的頻次呈減少趨勢,高濃度O3出現(xiàn)的頻次呈增加趨勢。 2015—2019 年,各年度 O3-8 h 大于160 μg/m3的頻次所占比例分別為1.4%、5.6%、13.0%、11.2%、14.7%,O3-8 h 超標(biāo)比例逐漸升高。 2019 年,O3-8 h 介于50 ～90 μg/m3的頻次明顯低于前4 年,介于150 ～210 μg/m3的頻次明顯高于前4 年。

圖5 2015—2019 年汾渭平原11 個(gè)城市不同O3 濃度天數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.5 Statistics of different ozone concentration days in 11 cities of Fenwei Plain in 2015-2019

利用11 個(gè)城市每日O3-8 h 計(jì)算汾渭平原每日O3-8 h,并由小到大排列,每5 個(gè)百分位取值進(jìn)行分析。 結(jié)果顯示(圖6),2015—2019 年,汾渭平原各年度O3-8 h 不同百分位濃度均呈升高趨勢,年均升高1.0 ～13.5 μg/m3,且百分位數(shù)越高,增幅越明顯。 從第70 百分位開始,年平均升高超過10 μg/m3。 其中,升幅最大的是第95 百分位濃度,年平均升高13.5 μg/m3;第90 百分位次之,年平均升高12.5 μg/m3。

圖6 2015—2019 年汾渭平原O3 不同百分位濃度變化Fig.6 Change of ozone percentile concentration in Fenwei Plain from 2015 to 2019

2.4 O3 小時(shí)濃度變化趨勢

對(duì)汾渭平原不同月份O3日變化特征進(jìn)行分析。 圖7 顯示,2015—2019 年,O3日變化在不同月份均呈單峰形,最高值出現(xiàn)在15:00—16:00,最低值出現(xiàn)在07:00 左右,總體呈逐年升高趨勢;4—6 月與7—9 月O3日變化水平相當(dāng),1—3 月O3濃度低于4—9 月,高于10—12 月。 2019 年各分析時(shí)段16:00 的O3濃度由高到低排序?yàn)?—9月、4—6 月、1—3 月、10—12 月,濃 度 值 分 別 為145、141、82、60 μg/m3,年變化量分別為10.7、11.1、6.6、3.0 μg/m3;2019 年各分析時(shí)段07:00的O3濃度由高到低排序?yàn)?—6 月、7—9 月、1—3 月、 10—12 月, 濃 度 值 分 別 為 40、 39、 21、14 μg/m3,年變化量分別為2.1、2.1、0.4、＜0.1 μg/m3。 以上分析表明,各分析時(shí)段O3濃度均有不同程度的升高,4—9 月O3濃度較高,且4—9 月高濃度時(shí)刻和低濃度時(shí)刻的平均升幅均明顯高于其他月份。

圖7 2015—2019 年汾渭平原不同時(shí)段O3 小時(shí)濃度變化趨勢Fig.7 Trend of hourly ozone concentration in different time periods of Fenwei Plain in 2015-2019

2.5 汾渭平原11 個(gè)城市O3 污染狀況分析

2019 年,汾渭平原11 個(gè)城市O3-8h-90PER介于138 ～204 μg/m3(圖8)。 其中,臨汾最高、寶雞最低,臨汾、晉中、洛陽等9 個(gè)城市超過二級(jí)標(biāo)準(zhǔn),銅川(158 μg/m3)接近二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。 與2015 年相比,11 個(gè)城市2019 年O3-8 h-90PER 均有所升高。 其中:臨汾升幅最高,為96.2%;寶雞升幅最低,為13.1%;晉中、呂梁、洛陽升幅超過50%;渭南、銅川升幅超過30%。

圖8 2015—2019 年汾渭平原11 個(gè)城市O3-8 h-90PER 情況Fig.8 O3-8 h-90PER in 11 cities of Fenwei Plain in 2015-2019

通過分析汾渭平原11 個(gè)城市6 項(xiàng)污染物中O3單因子的超標(biāo)情況,可以看出O3單項(xiàng)污染物對(duì)空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)比例的影響(表1)。 2019年,O3超標(biāo)使汾渭平原優(yōu)良天數(shù)比例減少了14.4個(gè)百分點(diǎn),使11 個(gè)城市優(yōu)良天數(shù)比例減少了1.9 ～28.4 個(gè)百分點(diǎn)。 其中,寶雞優(yōu)良天數(shù)比例受O3超標(biāo)影響較小,臨汾受O3超標(biāo)影響最大。 O3超標(biāo)使臨汾、洛陽、晉中優(yōu)良天數(shù)比例分別減少了28.2、20.8、20.5 個(gè)百分點(diǎn),使運(yùn)城、渭南、西安、呂梁、咸陽優(yōu)良天數(shù)比例減少了超過10 個(gè)百分點(diǎn)。 2015—2019 年,O3單項(xiàng)污染物超標(biāo)比例年平均升高了3.3 個(gè)百分點(diǎn)。 11 個(gè)城市中,臨汾年平均升幅最高,為7.1 個(gè)百分點(diǎn);洛陽、晉中、運(yùn)城、渭南、呂梁年平均升幅超過3.0 個(gè)百分點(diǎn)。 以上分析表明,汾渭平原O3超標(biāo)情況逐年加重,對(duì)優(yōu)良天數(shù)比例的影響越來越大,如不能有效控制O3污染,臨汾、洛陽、晉中等城市的優(yōu)良天數(shù)比例將難以達(dá)到80%。

表1 2015—2019 年汾渭平原及11 個(gè)城市O3 單因子超標(biāo)天數(shù)比例Table 1 Proportionofdays exceeding the standard for single factor ozone in Fenwei Plain and 11 cities in 2015-2019%

2015—2019 年,汾渭平原11 個(gè)城市中,各年度出現(xiàn)O3小時(shí)濃度超標(biāo)的城市數(shù)量分別為5、9、10、11、11 個(gè),超標(biāo)小時(shí)總數(shù)分別為44、270、1 352、908、1 298 h,總體呈升高趨勢。 其中,2017年超標(biāo)小時(shí)數(shù)最多,且臨汾和咸陽各出現(xiàn)了7 h和1 h 中度污染。 11 個(gè)城市中(表2),臨汾O3污染最重,2017—2019 年出現(xiàn)的超標(biāo)小時(shí)數(shù)最多,分別為324、290、393 h,2019 年超標(biāo)小時(shí)數(shù)占全部小時(shí)數(shù)的4.5%,各年度最高小時(shí)濃度分別為338、282、291 μg/m3。 2015—2019 年,11 個(gè)城市各年度最早出現(xiàn)O3小時(shí)超標(biāo)的日期分別是3 月16 日(咸陽,204 μg/m3)、4 月2 日(銅 川,208 μg/m3)、4 月30 日(臨汾,217 μg/m3)、4 月3 日(西 安, 206 μg/m3)、 3 月 26 日 ( 臨 汾,207 μg/m3),其中2017—2019 年各年度首次出現(xiàn)O3小時(shí)濃度超標(biāo)的日期有逐漸提前的趨勢。

表2 2015—2019 年汾渭平原各城市O3 超標(biāo)小時(shí)數(shù)及最大小時(shí)濃度統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of excess hours and maximum hourly concentration of ozone in cities of Fenwei Plain in 2015-2019

O3-8 h 在二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)附近時(shí),可認(rèn)為屬于O3達(dá)標(biāo)敏感天。 2019 年各城市O3-8 h 介于150 ～160 μg/m3的天數(shù)為11 ～25 d,占有效天數(shù)的比例為3.0%～6.8%。 如管控不當(dāng),這些達(dá)標(biāo)天數(shù)容易轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑯?biāo)天數(shù)。 2019 年各城市O3-8 h 介于160 ～170 μg/m3的天數(shù)為5 ～19 d,占有效天數(shù)的比例為1. 4%～5. 2%。 如管控得當(dāng),這些超標(biāo)天數(shù)可以轉(zhuǎn)變?yōu)檫_(dá)標(biāo)天數(shù)。 從達(dá)標(biāo)敏感天數(shù)時(shí)間分布來看,11 個(gè)城市 O3-8 h 介于150 ～160 μg/m3的天數(shù)共184 d,主要集中在6—8月,3 個(gè)月份分別占17. 9%、22. 8%、15. 8%;O3-8 h 介于160 ～170 μg/m3的天數(shù)主要集中在5—7 月, 3 個(gè) 月 份 分 別 占 16. 1%、 17. 5%、25. 2%。 具體情況如表3、圖9 所示。

表3 2019 年汾渭平原11 個(gè)城市O3 濃度介于150 ～170 μg/m3 分布統(tǒng)計(jì)Table 3 Distribution statistics of ozone concentration between 150-170 μg/m3 in 11 cities of Fenwei plain in 2019d

圖9 2019 年汾渭平原11 個(gè)城市O3-8 h 統(tǒng)計(jì)Fig.9 Statistics of O3-8 h in 11 cities of Fenwei Plain in 2019

3 結(jié)論和建議

1)2015—2019 年,汾渭平原O3-8 h-90PER平均濃度年均升高了12.2 μg/m3,且連續(xù)3 年超過二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值。 O3超標(biāo)使汾渭平原各年度空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)比例分別減少了1.4、5.4、13.0、11.1、14.4 個(gè)百分點(diǎn),O3對(duì)汾渭平原空氣質(zhì)量的影響越來越顯著。 汾渭平原O3-8 h 呈現(xiàn)夏季高、秋冬季低的特點(diǎn)。 2016—2019 年,97%以上的O3-8 h 超標(biāo)日發(fā)生在5—9 月,5—9 月O3-8 h 對(duì)全年O3-8 h-90PER 的影響最大。

2)2015—2019 年,汾渭平原各年度O3-8 h 大于160 μg/m3的頻次占比分別為1.4%、5.6%、13.0%、11.2%、14.7%,O3-8 h 超標(biāo)比例逐漸升高;出現(xiàn)O3小時(shí)濃度超標(biāo)的城市數(shù)量也逐漸增多,小時(shí)超標(biāo)總數(shù)總體呈升高趨勢,其中2017—2019 年各年度首次出現(xiàn)O3小時(shí)污染的日期逐漸提前。

3)2017—2019 年,汾渭平原各年度O3最高小時(shí)濃度均出現(xiàn)在臨汾。 臨汾是汾渭平原O3污染最重的城市,出現(xiàn)的超標(biāo)小時(shí)數(shù)也最大。 2019年,臨汾、洛陽、晉中、運(yùn)城、渭南、西安、呂梁、咸陽8 個(gè)城市的O3污染較重,O3超標(biāo)使其優(yōu)良天數(shù)比例減少了超過10 個(gè)百分點(diǎn)。

4)O3-8 h 介于160 ～170 μg/m3的日期主要集中在5—7 月,因此,做好5—7 月O3污染防控可有效降低O3超標(biāo)對(duì)空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)比例的影響。 研究表明,空氣中的VOCs 對(duì)O3生成潛勢具有較大貢獻(xiàn)。 建議在汾渭平原各城市,尤其是臨汾、晉中等O3污染較重的城市,開展VOCs 監(jiān)測,確定城市VOCs 優(yōu)控物種,從而減輕O3污染影響。