郭燕燕 查慧敏 羅欣欣 錢金平#

(1.河北師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北 石家莊 050024；2.河北省科學(xué)院地理科學(xué)研究所，河北 石家莊 050011)

近地面O3作為光化學(xué)煙霧的標(biāo)識(shí)物之一[1]，主要是由氮氧化物(NOx)和揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)等在一定光照條件下經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)生成[2]。O3易對(duì)人體造成傷害，例如改變?nèi)梭w肺功能等，嚴(yán)重的可危及生命[3]。近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)化水平提高，城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，機(jī)動(dòng)車保有量激增[4]，大氣O3污染也逐漸加重，O3成為了繼PM2.5之后的又一大氣污染物[5]1264?！?018年中國(guó)生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》顯示，2018年京津冀及周邊地區(qū)和長(zhǎng)三角地區(qū)以O(shè)3為首要污染物的天數(shù)分別占總超標(biāo)天數(shù)的46.0%、49.3%，超過(guò)了PM2.5而居于第1位。O3污染與以PM2.5引起的霧霾不同，由于可見(jiàn)性弱而易被忽視[6]，并且其污染形成機(jī)制復(fù)雜[7]，因此治理難度更大。在PM2.5治理逐漸取得明顯效果的同時(shí)，O3污染備受關(guān)注。

河北省作為京津冀地區(qū)面積最大的省份，工業(yè)企業(yè)眾多，人口稠密，機(jī)動(dòng)車保有量超過(guò)2 000萬(wàn)輛[8]，其人為因素造成的O3前體物NOx、VOCs等排放強(qiáng)度高，因此O3污染比較嚴(yán)重[9]。由于O3在對(duì)流層中的壽命較長(zhǎng)，能進(jìn)行區(qū)域傳輸[10]14，因此河北省的O3污染還會(huì)導(dǎo)致京津等地區(qū)空氣質(zhì)量受影響。以往對(duì)河北省O3污染的研究主要以省內(nèi)單個(gè)城市為研究對(duì)象[11-13]，對(duì)河北省內(nèi)城市間的O3污染時(shí)空差異研究還相對(duì)缺乏。本研究根據(jù)2018—2019年河北省11個(gè)地級(jí)市的O3濃度數(shù)據(jù)對(duì)O3濃度的時(shí)間變化和空間集聚特征進(jìn)行分析，以期為河北省O3污染治理提供科學(xué)依據(jù)，從而更好地服務(wù)于京津冀大氣環(huán)境協(xié)同治理。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

從河北省網(wǎng)格化精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)平臺(tái)(http://117.78.34.120:8007/BigData/Main)獲得2018—2019年河北省11個(gè)地級(jí)市的168個(gè)國(guó)家環(huán)境空氣監(jiān)測(cè)點(diǎn)的每日常規(guī)污染物(O3、NO2)數(shù)據(jù)和氣象(溫度、相對(duì)濕度)數(shù)據(jù)。污染物監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)和質(zhì)量控制依照《環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ 193—2016)進(jìn)行，數(shù)據(jù)有效性依據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范(試行)》(HJ 663—2013)進(jìn)行判斷，剔除部分因停電、儀器校準(zhǔn)等原因出現(xiàn)的缺失或異常數(shù)據(jù)，最終獲得120 257個(gè)有效數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)有效率達(dá)到98.06%。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的每日O3數(shù)據(jù)取日最大8 h滑動(dòng)平均值，以此計(jì)算月均值和季均值進(jìn)行月評(píng)價(jià)和季評(píng)價(jià)。由于HJ 663—2013對(duì)年評(píng)價(jià)有明確規(guī)定，因此年評(píng)價(jià)用年O3日最大8 h滑動(dòng)平均值第90百分位數(shù)。

1.2 空間特征分析方法

利用全局莫蘭指數(shù)檢驗(yàn)O3在省域尺度上的空間自相關(guān)性[14]。全局莫蘭指數(shù)取值范圍為[-1,1]，大于0表示空間分布上存在集聚特征，等于0表示空間分布上呈隨機(jī)狀態(tài)，小于0表示空間分布上存在離散特征，越接近于0，集聚或離散特征越不明顯。為彌補(bǔ)全局莫蘭指數(shù)無(wú)法反映局部單元的具體情況的缺陷，用熱點(diǎn)分析[15]方法計(jì)算Gi*以了解局部區(qū)域高值區(qū)(熱點(diǎn))與低值區(qū)(冷點(diǎn))，若Gi*為正值，則為熱點(diǎn)，若Gi*為負(fù)值，則為冷點(diǎn)，熱點(diǎn)和冷點(diǎn)的可信度保證在90%以上，無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的點(diǎn)視為無(wú)特征點(diǎn)。以上兩種空間特征分析方法均借助ArcGIS 10.2完成，其中熱點(diǎn)分析工具選取FIXED_DISTANCE_BAND空間關(guān)系概念化方式[5]1265。

2 結(jié)果與討論

2.1 O3濃度時(shí)間變化特征

2.1.1 O3濃度年評(píng)價(jià)

2018—2019年河北省11個(gè)地級(jí)市的年O3日最大8 h滑動(dòng)平均值第90百分位數(shù)見(jiàn)圖1(a)。其中，2018年11個(gè)地級(jí)市的O3為165～204 μg/m3，2019年11個(gè)地級(jí)市的O3為158～206 μg/m3。河北省人口稠密，重工業(yè)企業(yè)眾多且廣泛分布于省內(nèi)各個(gè)地級(jí)市[10]15，因此將河北省各地級(jí)市視為二類環(huán)境空氣功能區(qū)，參照《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值(160 μg/m3)進(jìn)行評(píng)價(jià)，2018—2019年河北省11個(gè)地級(jí)市的O3濃度幾乎都超標(biāo)。在王玫等[16]2691的研究中曾指出，2017年河北省11個(gè)地級(jí)市的O3濃度均超過(guò)GB 3095—2012的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值，其中唐山市、滄州市、廊坊市、保定市、衡水市和承德市2014—2017年連續(xù)4年超標(biāo)，石家莊市和張家口市也從2016年開(kāi)始連續(xù)出現(xiàn)超標(biāo)。由此可見(jiàn)，河北省的O3污染形勢(shì)很嚴(yán)峻。其中廊坊市2019年較2018年同比上升明顯，結(jié)合河北省氣象局的《2019年河北省氣候公報(bào)》可知，2019年廊坊市的年日照時(shí)數(shù)偏長(zhǎng)，年均氣溫全省最高，相對(duì)濕度為40%～60%，導(dǎo)致O3前體物在高溫、強(qiáng)輻射、高濕度條件下轉(zhuǎn)化為O3[17]。

圖1 2018—2019年河北省O3濃度年評(píng)價(jià)Fig.1 Annual evaluation of O3 concentration in Hebei Province during 2018-2019

2018—2019年河北省11個(gè)地級(jí)市的O3日最大8 h滑動(dòng)平均值超標(biāo)天數(shù)見(jiàn)圖1(b)。2018—2019年河北省11個(gè)地級(jí)市的O3年超標(biāo)天數(shù)平均值分別為74、73 d，超標(biāo)率分別為20.27%、20.00%，2019年較2018年超標(biāo)率有降低，但降幅較小。2019年較2018年O3超標(biāo)率有降的原因可能與政府減排措施有關(guān)。2019年河北省針對(duì)全省夏季大氣污染特征和存在的突出問(wèn)題制定了《河北省大氣污染集中整治夏季會(huì)戰(zhàn)方案》，各地級(jí)市積極響應(yīng)，開(kāi)展了O3污染治理專項(xiàng)行動(dòng)。例如，邢臺(tái)市鋼鐵龍頭企業(yè)德龍鋼鐵有限公司拆除了兩臺(tái)96 m2燒結(jié)機(jī)，中煤旭陽(yáng)焦化有限公司的4座5.5 m的焦?fàn)t全部使用了干熄焦等[18]；邯鄲市對(duì)化工、印刷、工業(yè)涂裝等重點(diǎn)行業(yè)實(shí)施了錯(cuò)時(shí)生產(chǎn)管控，每天10：00—18：00禁止涉VOCs生產(chǎn)工序作業(yè)[19]。

2.1.2 O3濃度季評(píng)價(jià)

將全年劃分為4個(gè)季節(jié)，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，1、2和12月為冬季。對(duì)比分析2018、2019年O3季均值(見(jiàn)圖2)可以看出，兩年O3濃度季節(jié)變化趨勢(shì)一致，均為夏季>春季>秋季>冬季。2019年秋季同比上升5.58%，其余季節(jié)O3濃度均呈同比下降趨勢(shì)。

圖2 2018—2019年河北省O3濃度季評(píng)價(jià)Fig.2 Seasonal evaluation of O3 concentration in Hebei Province during 2018-2019

對(duì)11個(gè)地級(jí)市四季O3季均值變化情況分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)表1)可知，2018、2019年O3質(zhì)量濃度最高值均出現(xiàn)在邯鄲市的夏季，分別為179、174 μg/m3，衡水市與邯鄲市的季節(jié)O3濃度基本相當(dāng)。夏季O3濃度由高到低排名前4位的地級(jí)市是邯鄲市、邢臺(tái)市、石家莊市和衡水市；排名后4位的是唐山市、張家口市、秦皇島市和承德市，說(shuō)明冀南地區(qū)夏季O3濃度高于冀北地區(qū)?？傮w上，除秋季外，2019年O3濃度低于2018年。

表1 2018—2019年河北省各地級(jí)市O3濃度季評(píng)價(jià)Table 1 Seasonal evalution of O3 concentration in prefecture-level cities of Hebei Province during 2018-2019 μg/m3

2.1.3 O3濃度月評(píng)價(jià)

由圖3可見(jiàn)，2018、2019年1—12月O3濃度整體變化趨勢(shì)為先上升后下降，6月O3質(zhì)量濃度最高，分別為197、184 μg/m3，12月O3最低，分別為44、38 μg/m3。2019年9月較2018年同期O3質(zhì)量濃度高出34 μg/m3，同比上升29.06%，這也是造成2019年秋季同比上升5.58%的主要原因。2018年6月邢臺(tái)市O3質(zhì)量濃度在11地級(jí)市中最高，達(dá)到217 μg/m3(見(jiàn)表2)，2019年6月邯鄲市O3質(zhì)量濃度最高，為205 μg/m3(見(jiàn)表3)；兩年中均是張家口市6月O3質(zhì)量濃度全省最低，依次為150、148 μg/m3。

表2 2018年河北省各地級(jí)市O3濃度月評(píng)價(jià)Table 2 Monthly evalution of O3 concentration in prefecture-level cities of Hebei Province in 2018 μg/m3

表3 2019年河北省各地級(jí)市O3濃度月評(píng)價(jià)Table 3 Monthly evalution of O3 concentration in prefecture-level cities of Hebei Province in 2019 μg/m3

圖3 2018—2019年河北省O3濃度月評(píng)價(jià)Fig.3 Monthly evaluation of O3 concentration in Hebei Province during 2018-2019

其他污染物和氣象條件是影響O3濃度的重要因素[20]。選取2019年O3濃度較高的石家莊市和O3濃度較低的張家口市分析每月O3與NO2、溫度和相對(duì)濕度的關(guān)系(見(jiàn)表4)。O3濃度隨溫度升高而升高，但與NO2是此消彼長(zhǎng)的關(guān)系。齊艷杰等[21]的研究表明，NO2作為O3的前體物在高溫、強(qiáng)光下易發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)生成O3。對(duì)于相對(duì)濕度，與王玫等[16]2696研究發(fā)現(xiàn)的結(jié)論基本一致，當(dāng)相對(duì)濕度≤60%時(shí)，O3濃度隨相對(duì)濕度升高而升高；當(dāng)相對(duì)濕度>60%時(shí)，O3濃度隨相對(duì)濕度升高而降低。

表4 O3與NO2、溫度、相對(duì)濕度的關(guān)系分析Table 4 Relationship of O3 with NO2，temperature and relative humidity

2.2 O3濃度空間集聚特征

根據(jù)表5可知，兩年的全局莫蘭指數(shù)均為正值，且均通過(guò)1%水平的顯著性檢驗(yàn)，表明河北省O3濃度存在顯著的空間正相關(guān)關(guān)系且具有集聚態(tài)勢(shì)，2019年的全局莫蘭指數(shù)總體大于2018年，說(shuō)明2018—2019年空間集聚特征趨于增強(qiáng)[22]。

表5 2018—2019年河北省O3濃度全局莫蘭指數(shù)1)Table 5 Global Moran’s index of O3 concentration in Hebei Province during 2018-2019

2018—2019年河北省O3濃度空間集聚特征總體一致(見(jiàn)圖4)，熱點(diǎn)主要分布在東南部地區(qū)，集聚區(qū)域包括滄州市西部、衡水市、邢臺(tái)市和邯鄲市；冷點(diǎn)主要分布在東北部地區(qū)，集聚區(qū)域主要包括唐山市和秦皇島市，2019年相比2018年向西擴(kuò)展到了承德市和張家口市；無(wú)特征點(diǎn)主要集聚在中部地區(qū)。綜上可見(jiàn)，東南部熱點(diǎn)區(qū)域較為穩(wěn)定，該區(qū)域O3濃度較高主要有兩方面的原因：一是地形，由于河北省地勢(shì)東南低西北高，北部的燕山和西部的太行山對(duì)東南地區(qū)的污染可以起到屏障作用，根據(jù)曾佩生[23]的研究發(fā)現(xiàn)，河北省春夏季以偏南風(fēng)為主，秋冬季以偏北風(fēng)為主，東南平原地區(qū)風(fēng)速較小，污染物不易擴(kuò)散，遠(yuǎn)距離輸送來(lái)的污染物也主要在此聚集[24]；二是東南地區(qū)緯度較低，溫度偏高，加上經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平也較高，因此本地排放的NOx和VOCs較多，為O3生成提供了大量前體物[25]。

圖4 2018—2019年河北省O3濃度空間集聚特征Fig.4 The spatial agglomeration characteristics of O3 concentration in Hebei Province during 2018-2019

2.3 重污染地區(qū)O3濃度分析

由于邯鄲市、邢臺(tái)市、衡水市、石家莊市、保定市和滄州市O3濃度較高，因此本節(jié)將這些地級(jí)市作為重污染地區(qū)進(jìn)行重點(diǎn)分析。

由圖5可見(jiàn)，重污染地區(qū)超標(biāo)主要發(fā)生在6—7月，尤其是6月，2018年6月邢臺(tái)市O3質(zhì)量濃度最高，為217 μg/m3，2019年6月邯鄲市O3質(zhì)量濃度最高，為205 μg/m3。O3濃度除了受高溫、強(qiáng)光等氣象條件影響外，還可能與本地源排放有關(guān)[26-29]。

圖5 2018—2019年重污染地區(qū)O3濃度月評(píng)價(jià)Fig.5 Monthly evalution of O3 concentration in heavily polluted areas during 2018-2019

3 結(jié)論與展望

年評(píng)價(jià)表明，2018年河北省11個(gè)地級(jí)市的O3為165～204 μg/m3，2019年為158～206 μg/m3，2018、2019年超標(biāo)天數(shù)平均值分別為74、73 d，超標(biāo)率分別為20.27%、20.00%；兩年O3濃度季節(jié)變化均為夏季>春季>秋季>冬季；O3在1年中的月變化呈先上升后下降的趨勢(shì)，最高值出現(xiàn)在6月，最低值出現(xiàn)在12月。河北省各地級(jí)市O3濃度在空間上存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，呈集聚態(tài)勢(shì)，O3濃度高的熱點(diǎn)主要分布在東南部地區(qū)，O3濃度低的冷點(diǎn)主要分布在東北部地區(qū)。邯鄲市、邢臺(tái)市、衡水市、滄州市、石家莊市和保定市O3濃度較高，屬于重污染地區(qū)。

本研究分析了2018—2019年河北省O3濃度時(shí)間變化特征和空間集聚特征，但是兩年的對(duì)比還不能看出河北省O3濃度是否會(huì)持續(xù)下降。而且，由于O3生成的機(jī)理比較復(fù)雜，本研究未對(duì)O3濃度的影響因素進(jìn)行深入分析，對(duì)O3下降是否與政府減排措施有必然關(guān)系還需要進(jìn)一步驗(yàn)證，因此下一步研究應(yīng)著重從長(zhǎng)時(shí)間序列進(jìn)行分析并加強(qiáng)影響因素探究，從而為河北省O3污染治理工作提供更清晰、更明確的科學(xué)依據(jù)，提高河北省O3污染治理成效。