楊喆，趙錦慧，劉玉青，鄧田田，侯長平，林國成

(湖北大學資源環(huán)境學院， 湖北 武漢 430062)

0 引言

臭氧是氧氣的同素異形體，地球上大部分臭氧主要集中在平流層可以保護地表免受紫外線照射.而近地面臭氧是氮氧化物(NOx)和揮發(fā)性有機物(VOCs)等前體物在光化學反應下產(chǎn)生的二次產(chǎn)物，由于臭氧濃度過高會對人體健康造成危害，引起有關(guān)部門和廣大民眾公眾的重視[1-2].20世紀以來，全球臭氧濃度呈上升趨勢[3].臭氧濃度不斷增加將導致嚴重的空氣污染，如上世紀在美國洛杉磯、日本東京等發(fā)生的光化學污染事件[4-5]，都造成嚴重后果.近年來，我國臭氧問題亦日益凸顯，比如2011年深圳大運會期間[6]，2012年北京及周邊地區(qū)[7]，2013年嘉興[8]及同年夏季長江三角洲[9]均發(fā)生了不同程度的臭氧污染事件.因為臭氧具有較強的氧化性，會加快大氣中二氧化氮、二氧化硫及揮發(fā)性有機物氧化，及氣粒轉(zhuǎn)化為顆粒的過程，進而增強顆粒污染物的形成，因而也會增加光化學煙霧發(fā)生頻率[10-11].

武漢市是湖北省的省會，也是武漢城市群的核心城市，大量工廠企業(yè)集中，人口密集，機動車保有量大.隨著經(jīng)濟快速發(fā)展和城市化不斷推進，臭氧污染問題也日益嚴重.根據(jù)武漢市環(huán)境質(zhì)量公報，2016年至2018年臭氧日最大8 h平均濃度達標率分別為90.7%、92.9%、89.0%，以臭氧為主要污染物的天數(shù)分別為34、25和40 d，臭氧已經(jīng)成為武漢市污染物中僅次于PM2.5的第二大空氣污染物.

臭氧濃度的時空分布特征與環(huán)境變量密切相關(guān)[12-22].為探究武漢市近地面臭氧濃度時空分布及其與環(huán)境變量的關(guān)聯(lián)影響，本研究利用2016—2018年該市環(huán)境監(jiān)測站臭氧數(shù)據(jù)及環(huán)境協(xié)變量數(shù)據(jù)，建立漁網(wǎng)坐標點，采用時空地理加權(quán)回歸(GTWR)模型[23]與反距離插值法[24]，分析該區(qū)域臭氧濃度的時空變化特征及其與部分環(huán)境協(xié)變量的驅(qū)動關(guān)系，以期為武漢市臭氧防治提供科學參考.

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況武漢市位于湖北省東部、長江中游段，地理位置優(yōu)越，位于北緯29°58′～31°22′，東經(jīng)113°41′～115°05′，氣候類型屬于北亞熱帶季風性氣候，雨量豐沛、熱量充足，具有雨熱同季、光熱同季的特點.年日照總時數(shù)1 810～2 100 h，年總輻射104～113 kcal/cm2，年降水量1 150～1 450 mm，降雨集中在每年6月至8月，約占全年降雨量的40%左右.武漢是湖北省省會、長江經(jīng)濟帶核心城市，中部六省唯一的副省級市和特大城市，全國重要的工業(yè)基地、科教基地和綜合交通樞紐，截至2018年末，武漢市常住人口1 108.1萬人.武漢市共有13個區(qū)級行政區(qū)，主城區(qū)7個(江岸區(qū)、江漢區(qū)、硚口區(qū)、漢陽區(qū)、武昌區(qū)、洪山區(qū)、青山區(qū))，遠城區(qū)6個(漢南區(qū)、蔡甸區(qū)、東西湖區(qū)、黃陂區(qū)、新洲區(qū)、江夏區(qū)).

1.2 數(shù)據(jù)來源及前期處理研究使用臭氧數(shù)據(jù)為武漢市環(huán)保局(http://hbj.wuhan.gov.cn)公布的國控點和市控點環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究選取時間段為2016—2018年.臭氧實時報時間周期為1 h，每一整點時刻后即可發(fā)布各監(jiān)測點位的實時報，滯后時間不超過1 h.臭氧數(shù)據(jù)按照《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB 3095—2012)和《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定》(試行)(HJ 633—2012)的相關(guān)規(guī)定發(fā)布，為日8 h滑動平均值.截至2018年底武漢市共有監(jiān)測點位21個，包括10個國家控點和11個市控點，分別位于武漢市的13個行政區(qū)，每個行政區(qū)至少有1個監(jiān)測點(圖1b).

圖1 研究區(qū)域及點位分布圖

氣候氣象數(shù)據(jù)來源于歐洲氣象中心(https://apps.ecmwf.int),數(shù)據(jù)類型包括氣溫、風速、邊界層高度[24]、氣壓、相對濕度、總降水量、總云量.社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)中的人口、GDP及植被指數(shù)來源于中國科學院地理科學與資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(http://www.resdc.cn)，以上數(shù)據(jù)為柵格數(shù)據(jù).

所有環(huán)境監(jiān)測點均有固定地理坐標，ArcGIS可以導入地理坐標生成圖層文件，然后通過柵格提取把氣象數(shù)據(jù)和社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)提取到對應日期的監(jiān)測點位.研究區(qū)域進行網(wǎng)格化(0.03°×0.03°)，將要素轉(zhuǎn)面，最后轉(zhuǎn)化為地理坐標點(圖1c)，武漢市共生成897個坐標點，記為(ui,vi)，然后通過柵格提取將氣象數(shù)據(jù)和社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)提取至地理坐標控制點，按數(shù)據(jù)日期進行保存為后續(xù)做準備.

1.3 時空地理加權(quán)回歸模型本次研究采用地理時空加權(quán)回歸(geographically and temporally weighted regression)模型，以下簡稱GTWR.以環(huán)境監(jiān)測點臭氧數(shù)據(jù)及環(huán)境變量數(shù)據(jù)為訓練樣本，利用模型可以預測出漁網(wǎng)控制點2016—2018年臭氧濃度.

漁網(wǎng)控制點時空地理坐標記為(ui,vi,ti)，故GTWR模型的一般式可表示為：

(1)

其中，(ui,vi,ti)為第i個樣本點的經(jīng)緯度和時間坐標，β0是截距，β(ui,vi,ti)是第i個樣本的第k個回歸參數(shù)，xik是該點變量的值，εi是殘差，y即為該點的預測值.

1.4 反距離加權(quán)插值法反距離加權(quán)(inverse distance weighted,簡稱IDW)插值法基于相似的原理，即當兩個物體之間的距離越小時，它們的相似性越高.反之兩個物體之間的距離越大時，之間的相似性越低.插值點與樣本點之間的距離為權(quán)重，距離越近該點的權(quán)重越大，反之越小.反距離加權(quán)插值法的一般公式為：

(2)

(3)

(4)

2 結(jié)果與分析

2.1 臭氧的時間變化2016—2018年武漢市監(jiān)測點臭氧濃度時間變化如圖2所示，可以看出，武漢市臭氧在一年中的變化特征表現(xiàn)為夏半年(4—9月)濃度高，冬半年(10—3月)濃度低.臭氧濃度年變化呈“M”型，即在每年6、7月份存在一個明顯的下降點，形成一個“波谷”.2016年夏半年臭氧平均濃度為70.76 μg/m3，冬半年為32.62 μg/m3；2017年夏半年臭氧濃度為68.98 μg/m3，冬半年為35.16 μg/m3；2018年夏半年臭氧平均濃度為74.91 μg/m3，冬半年為39.77 μg/m3.

圖2 武漢市監(jiān)測點臭氧變化趨勢

按照《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB 3095—2012)評價，臭氧日最大8 h濃度超標率月統(tǒng)計如表1.站點污染物統(tǒng)計數(shù)據(jù)得出，2016年臭氧濃度超標(超過160 μg/m3)天數(shù)為19 d，其中超過200 μg/m3(二級超標)的天數(shù)為5 d，最高值為206 μg/m3，出現(xiàn)在2016年9月2日；2017年臭氧濃度超標天數(shù)為18 d,其中超過200 μg/m3的天數(shù)為1 d，最高值為207 μg/m3，出現(xiàn)在2017年6月20日；2018年臭氧超標天數(shù)25 d,其中超過200 μg/m3的天數(shù)為5 d，最高值為217 μg/m3，出現(xiàn)在2018年6月16日.2016—2018年臭氧年均值分別為51.62 μg/m3、49.81 μg/m3、57.87 μg/m3.

表1 2016至2018年臭氧日最大8 h濃度超標率月統(tǒng)計表

由表1可看出，武漢市臭氧濃度夏半年(4—9月)高于冬半年(10—3月)，臭氧超標幾乎分布在夏半年，冬半年只在十月上旬出現(xiàn).其原因與氣候氣象因素密切相關(guān)，武漢市位于北半球中緯度地區(qū)，夏半年平均氣溫高于冬半年平均氣溫，光化學作用加強，而且冬季不僅氣溫較低，而且冷空氣過境容易形成大風天氣易于臭氧擴散，所以武漢市臭氧平均濃度冬半年低于夏半年.臭氧濃度年變化呈雙峰型，即“M”型，每年6、7月份由于梅雨季節(jié)降雨增加云層較厚，減弱光化學反應，以及降雨的沉降作用[26]，導致臭氧濃度變化出現(xiàn)“波谷”，在夏半年形成兩個波峰.年際臭氧濃度變化起伏不定，2017年較2016年臭氧超標率、超標天數(shù)、臭氧平均值均有所下降，而2018年臭氧濃度較前兩年均有所增加.

2.2 臭氧的空間分布以監(jiān)測點數(shù)據(jù)為訓練樣本運行模型，可得出監(jiān)測點臭氧預測值及模型各因變量的回歸參數(shù).通過SPASS回歸分析得出實際觀測值和監(jiān)測點模擬值的相關(guān)系數(shù)為0.835，圖3是監(jiān)測值與預測值隨時間的變化趨勢圖，由圖可以看出模擬值和實際觀測值的變化趨勢基本一致.

圖3 觀測值和模擬值對比圖

在模型公式代入控制點環(huán)境協(xié)變量數(shù)值及回歸參數(shù)得出坐標點臭氧預測值.計算預測值加權(quán)平均結(jié)果，在ArcGIS中采用反距離權(quán)重法進行空間插值.2016—2018年插值結(jié)果如圖4.

圖4 臭氧濃度空間插值

由武漢市臭氧空間插值結(jié)果可以看出武漢市臭氧濃度空間分布情況：主城區(qū)濃度低，遠城區(qū)濃度高.空間上總體形成了四周高中心低的趨勢，臭氧超標站點統(tǒng)計主要出現(xiàn)在遠城區(qū).由監(jiān)測點臭氧數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計顯示：2016—2018年主城區(qū)監(jiān)測點位出現(xiàn)超標42次占比29%，遠城區(qū)出現(xiàn)超標101次占比71%.由空間插值圖可看出，中心城區(qū)臭氧濃度相對較低，遠城中的蔡甸區(qū)、漢南區(qū)、東西湖區(qū)、江夏區(qū)濃度較2016年增加.

武漢市自20世紀90年代起工業(yè)區(qū)向遠城區(qū)遷移和發(fā)展，東部向左嶺，東北向新洲陽邏，北方向黃陂武湖，西邊向東西湖吳家山，西南向蔡甸常福、漢南沙帽，南邊向江夏紙坊，基本形成四周包圍中心的環(huán)狀工業(yè)分布[27-28].石油煉制、有機化工業(yè)產(chǎn)生污染物較多，包括臭氧前體污染物的揮發(fā)性有機物,前體物聚集利于近地面臭氧的生成，是導致遠城區(qū)臭氧濃度總體大于主城區(qū)的原因之一.污染物具有擴散性.主城區(qū)建筑密集，下墊面多為水泥、柏油路面，相比于遠城區(qū)具有更高的吸熱率和更小的比熱容.這使得主城區(qū)升溫比遠城區(qū)快，造成了同一時間主城區(qū)氣溫高于遠城區(qū)，即形成了“城市熱島現(xiàn)象”[29-30].在城市熱島作用下近地面產(chǎn)生郊區(qū)吹向市中心的風，主城區(qū)空氣上升然后擴散到郊區(qū)形成了熱島環(huán)流.主城區(qū)所產(chǎn)生的臭氧經(jīng)由熱島環(huán)流流向遠城區(qū)，遠城區(qū)吹來的相對清潔的空氣又稀釋了主城區(qū)臭氧濃度.

2.3 驅(qū)動因素分析臭氧濃度受多種因素影響，在模型使用中根據(jù)各變量VIF值選取了其中10項影響因子作為變量，如表2中所示為臭氧與各環(huán)境協(xié)變量的皮爾森相關(guān)系數(shù).通過SPASS線性分析，根據(jù)影響結(jié)果變量分為兩類，2 m溫度、邊界層高度、太陽輻射、總降水、植被指數(shù)與臭氧呈正相關(guān)，風速、表面壓強、總云量、GDP、人口數(shù)與臭氧呈負相關(guān).影響力度由大到小依此為邊界層高度、2 m溫度、總云量、表面壓強、風速、植被指數(shù)、GDP、人口、總降水、相對濕度，相關(guān)系數(shù)絕對值大于0.1的有2 m溫度、邊界層高度、表面壓強、總云量.

表2 臭氧與環(huán)境協(xié)變量的皮爾森相關(guān)系數(shù)表

臭氧是污染物在太陽輻射下經(jīng)過光化學反應生成的二次污染物，與太陽輻射強度息息相關(guān)，邊界層高度關(guān)乎地表輻射強度，輻射強度左右氣溫高低，氣溫對光化學反應起促進作用.因此臭氧濃度的變化與氣溫和邊界層高度呈明顯的正相關(guān)關(guān)系.

臭氧濃度空間分布的驅(qū)動特征不同于時間分布，前體物的空間分布、氣候條件及空氣運動都會造成臭氧濃度的空間變化.武漢市石油煉制、有機化工產(chǎn)業(yè)發(fā)達，臭氧生成前體物排放量較大，工廠多處于武漢市遠城區(qū)，導致武漢市遠城區(qū)生成臭氧多于主城區(qū)；武漢市城市發(fā)展速度快、人口眾多，會形成明顯的“城市熱島效應”，導致中心城區(qū)污染物向四周擴散，也會降低中心城區(qū)臭氧濃度而增加遠城區(qū)臭氧濃度.

臭氧生成受眾多驅(qū)動因子影響，在參與模型預測的環(huán)境協(xié)變量中，影響力度由大到小以此為邊界層高度、2 m溫度、總云量、表面壓強、風速、植被指數(shù)、GDP、人口、總降水、相對濕度.相關(guān)系數(shù)絕對值大于0.1的有：2 m溫度、邊界層高度、表面壓強、總云量.氣象因素在其中占主導地位，氣象變化總是隨季節(jié)周期性變化，因此臭氧濃度變化隨時間具有周期性變化.

3 結(jié)論與展望

本研究采用時空地理加權(quán)回歸模型和反距離加權(quán)插值法，對武漢市2016—2018年近地面臭氧濃度時空變化及驅(qū)動因素進行分析，得出以下結(jié)論：

1)武漢市近地面臭氧濃度夏半年高于冬半年，夏半年臭氧平均濃度均接近冬半年兩倍.臭氧濃度在夏半年6月和9月出現(xiàn)兩個峰值，年變化呈“M”型.

2)武漢市近地面臭氧濃度在空間分布上遠城區(qū)濃度普遍高于主城區(qū)，臭氧超標出現(xiàn)次數(shù)也主要在遠城區(qū).隨時間變化呈現(xiàn)出遠城區(qū)包圍主城區(qū)的環(huán)狀發(fā)展.

3)對臭氧濃度影響較強的有氣溫、邊界層高度、總云量、表面壓強.

4)臭氧濃度變化具有周期性，因為影響臭氧的主要驅(qū)動因子氣溫、太陽輻射、降水，具有明顯的季節(jié)規(guī)律和周期性.

臭氧污染在很多城市已成為空氣主要污染物，越來越受到人們的重視.臭氧產(chǎn)生及污染形成受多種因素影響，除了文中的10項環(huán)境協(xié)變量還有其他因素，還有其他環(huán)境或人為因子，在之后的臭氧研究中將積極探索，廣泛收集相關(guān)資料，以期更全面細致研究臭氧時空分布規(guī)律、污染形成原因，為大氣環(huán)境治理提供有力參考證據(jù).