楊碧波，杜治舜，侯 樂，王 闖，李建熹

（遼寧省沈陽(yáng)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

引言

臭氧（O3）是大氣中的一種重要?dú)怏w，既存在于地球的下層大氣（對(duì)地球表面有害），又存在于高層大氣（對(duì)地球生物具有保護(hù)作用），主要來(lái)源于自然源和人為源。自然源臭氧主要由太陽(yáng)紫外線輻射與大氣中的氧氣發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生，而人為源臭氧則主要來(lái)源于工業(yè)排放、交通尾氣和農(nóng)業(yè)活動(dòng)。

盡管臭氧在地球的高層大氣中扮演著屏蔽有害紫外線輻射的重要角色，但在地表大氣中的高濃度臭氧卻是一個(gè)環(huán)境問題。這種地表臭氧是一種強(qiáng)氧化劑，能夠?qū)θ祟惤】岛蜕鷳B(tài)系統(tǒng)造成廣泛危害，長(zhǎng)期暴露于高濃度臭氧的環(huán)境中，可引發(fā)人類呼吸系統(tǒng)疾病、心血管問題以及免疫系統(tǒng)異常。此外，臭氧對(duì)植物生長(zhǎng)和農(nóng)作物產(chǎn)量也具有負(fù)面影響，因而對(duì)生態(tài)平衡產(chǎn)生不利影響。鑒于臭氧對(duì)人類和環(huán)境的潛在危害，對(duì)其濃度的時(shí)空分布特征及其影響因素進(jìn)行深入研究至關(guān)重要。本研究旨在探索臭氧濃度在不同時(shí)間和地點(diǎn)的分布規(guī)律，分析導(dǎo)致這些變化的多種因素，以提供科學(xué)技術(shù)支持，從而改善城市空氣質(zhì)量，保護(hù)人類健康，以及維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的健康。通過(guò)深入研究臭氧的時(shí)空分布特征和影響因素，我們可以更好地理解和應(yīng)對(duì)這一環(huán)境問題，推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。

1 概述

在過(guò)去幾十年里，許多研究已經(jīng)致力于探討臭氧濃度的時(shí)空分布和影響因素。

1.1 臭氧濃度的時(shí)空分布特征

早期的研究已經(jīng)明確了臭氧濃度在不同季節(jié)和地理位置之間存在顯著的變化。例如，有研究者發(fā)現(xiàn)，城市地區(qū)通常在夏季經(jīng)歷高峰值臭氧濃度，而在冬季濃度較低。此外，一些研究指出，城市區(qū)域和郊區(qū)的臭氧濃度之間存在明顯差異，城區(qū)通常表現(xiàn)出更高的臭氧濃度。

1.2 影響因素分析

研究表明，氣象條件是影響臭氧濃度的重要因素之一。高溫和高濕度條件有助于臭氧的形成，而風(fēng)速和大氣穩(wěn)定度也會(huì)對(duì)臭氧濃度產(chǎn)生影響[1]。此外，人為源臭氧的排放如汽車尾氣和工業(yè)廢氣，已經(jīng)得到了廣泛研究，并確定為地表臭氧的主要來(lái)源之一[2]。然而，盡管人為源臭氧的研究已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)展，仍然存在一些知識(shí)空白和研究缺口需要進(jìn)一步探討。首先，雖然相關(guān)學(xué)者已經(jīng)對(duì)氣象條件的影響進(jìn)行了廣泛研究，但是對(duì)于不同氣象參數(shù)之間復(fù)雜的相互作用和季節(jié)性變化的深入理解仍然不足。其次，關(guān)于工業(yè)排放和交通排放等人為源臭氧的準(zhǔn)確貢獻(xiàn)仍然需要更加全面的調(diào)查和分析。最后，地理特征對(duì)臭氧分布的影響也需要進(jìn)行更深入地研究，尤其是城市化程度對(duì)城市臭氧濃度的潛在影響。因此，本研究旨在填補(bǔ)這些知識(shí)空白，通過(guò)詳細(xì)的數(shù)據(jù)收集和分析，更全面地理解臭氧濃度的時(shí)空分布特征以及各種影響因素之間的復(fù)雜關(guān)系，這將有助于我們更好地應(yīng)對(duì)城市空氣質(zhì)量問題，從而保護(hù)環(huán)境和人類健康。

2 臭氧濃度的時(shí)空分布特征研究

2.1 對(duì)不同季節(jié)的臭氧濃度進(jìn)行對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)不同季節(jié)的臭氧濃度進(jìn)行比較分析，可以觀察到臭氧濃度在不同季節(jié)之間的顯著差異。

2.1.1 夏季是臭氧濃度較高的季節(jié)

這是因?yàn)橄募練鉁厣吆腿照諘r(shí)間增加導(dǎo)致臭氧生成速度加快。高溫和強(qiáng)烈的陽(yáng)光照射會(huì)促使氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物等臭氧前體物質(zhì)的光解反應(yīng)加快，因而產(chǎn)生更多的臭氧，所以夏季臭氧濃度相對(duì)較高[3]。

2.1.2 冬季臭氧濃度相對(duì)較低

這是因?yàn)槎練鉁剌^低，光照較弱，臭氧的生成速度減慢。在低溫和弱光照條件下，臭氧前體物質(zhì)的光解反應(yīng)減緩，導(dǎo)致生成的臭氧減少。因此，冬季的臭氧濃度相對(duì)較低[4]。

2.1.3 春季和秋季的臭氧濃度處于中等水平

這是因?yàn)榇杭竞颓锛镜臍鉁睾凸庹諚l件相對(duì)復(fù)雜。春季氣溫逐漸回升，但光照較弱，而秋季氣溫逐漸降低，但光照較強(qiáng)。這些因素共同影響著臭氧的生成速度。因此，春季和秋季的臭氧濃度處于中等水平。

2.2 臭氧濃度的空間分布分析

臭氧的時(shí)空分布特征對(duì)于研究該地區(qū)空氣質(zhì)量具有重要意義。

（1）城市中心地區(qū)的臭氧濃度通常較高，而郊區(qū)的臭氧濃度較低。這可能是由于城市中心地區(qū)的工業(yè)排放和交通污染等人為因素較多，導(dǎo)致臭氧的生成速率增加，從而使臭氧濃度較高。而郊區(qū)的自然環(huán)境和氣象條件相對(duì)較好，臭氧生成速率較低，因此臭氧濃度較低。

（2）除了城市中心地區(qū)，一些特定區(qū)域的臭氧濃度也較高，這可能與工業(yè)排放、交通污染等因素有關(guān)。例如，工業(yè)區(qū)域往往會(huì)排放大量工業(yè)廢氣，其中可能包含臭氧生成的前體物質(zhì)，從而導(dǎo)致臭氧濃度升高。此外，交通密集區(qū)域也可能存在較高的臭氧濃度，因?yàn)槠囄矚庵械牡趸锖蛽]發(fā)性有機(jī)物可以參與臭氧生成的化學(xué)反應(yīng)。

臭氧濃度的空間分布還受到氣象條件的影響。例如，高溫、高濕度和強(qiáng)陽(yáng)光照射等氣象條件有利于臭氧的生成。因此，在夏季或者氣象條件較為炎熱、潮濕的時(shí)期，臭氧濃度往往較高。此外，風(fēng)向和風(fēng)速也會(huì)對(duì)臭氧的傳輸和分布產(chǎn)生影響。當(dāng)風(fēng)向?qū)⒊粞踉磪^(qū)的排放物帶到目標(biāo)區(qū)域時(shí)，臭氧濃度可能會(huì)升高；而當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，臭氧濃度可能會(huì)降低，因?yàn)轱L(fēng)能夠帶走臭氧。

3 影響臭氧濃度的因素分析

3.1 大氣溫度對(duì)臭氧濃度的影響

大氣溫度是影響臭氧濃度的重要因素之一。隨著氣溫的升高，空氣中的臭氧生成速度會(huì)增加。這是因?yàn)楦邷丨h(huán)境有利于氮氧化物的光化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生更多的臭氧。此外，高溫還會(huì)加速臭氧的光解速度，使其分解為氧氣和單質(zhì)氧。因此，在高溫環(huán)境下，臭氧的生成速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其分解速度，從而導(dǎo)致臭氧濃度的升高。而在低溫環(huán)境下，臭氧的光解速度會(huì)減慢，臭氧濃度相對(duì)較低。這是因?yàn)榈蜏貢?huì)抑制臭氧分子的能量轉(zhuǎn)移和碰撞，使其分解速率減緩。此外，低溫環(huán)境下氮氧化物的生成速度也會(huì)減慢，從而減少了臭氧的生成來(lái)源。因此，在低溫環(huán)境下，臭氧的生成速度和分解速度相對(duì)接近，所以臭氧濃度也相對(duì)較低。

3.2 光照強(qiáng)度對(duì)臭氧濃度的影響

光照強(qiáng)度是影響臭氧濃度的重要因素之一。光照能夠促進(jìn)臭氧的生成和分解過(guò)程，所以當(dāng)陽(yáng)光充足時(shí)，光照可以加速臭氧的光解速度，從而降低臭氧濃度。這是因?yàn)楣庹漳軌蛱峁┳銐虻哪芰?，促使臭氧分子發(fā)生光解反應(yīng)，并將臭氧分解為氧氣和單質(zhì)氧，這樣臭氧濃度就會(huì)減少。因此，在陽(yáng)光充足的情況下，臭氧濃度相對(duì)較低。

3.3 風(fēng)速對(duì)臭氧濃度的影響

風(fēng)速是指空氣運(yùn)動(dòng)的速度，對(duì)臭氧濃度有著重要影響。較高的風(fēng)速可以將空氣中的臭氧帶走，減少其積累，使?jié)舛冉档?。這是因?yàn)轱L(fēng)可以將臭氧分子從一個(gè)地區(qū)吹散到另一個(gè)地區(qū)，使其稀釋。相反，較低的風(fēng)速會(huì)導(dǎo)致臭氧在空氣中滯留，導(dǎo)致臭氧濃度相對(duì)較高。風(fēng)速的變化還會(huì)影響臭氧的擴(kuò)散和傳輸，進(jìn)而影響其濃度分布。

3.4 大氣壓強(qiáng)對(duì)臭氧濃度的影響

較高的大氣壓強(qiáng)通常會(huì)導(dǎo)致臭氧濃度的下降。這是因?yàn)楦邏簠^(qū)域的空氣下沉，增加了大氣層中的壓力。當(dāng)空氣下沉?xí)r，會(huì)壓縮大氣中的分子，包括臭氧分子。這種壓縮效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致臭氧分子的濃度減少。相反，較低的大氣壓強(qiáng)可能導(dǎo)致臭氧濃度的上升。低壓區(qū)域的空氣上升，減少了大氣層中的壓力。當(dāng)空氣上升時(shí)，臭氧分子會(huì)擴(kuò)散到更高的高度，從而增加了臭氧的濃度。

3.5 相對(duì)濕度對(duì)臭氧濃度的影響

相對(duì)濕度的增加會(huì)對(duì)臭氧濃度產(chǎn)生影響。當(dāng)相對(duì)濕度增加時(shí)，空氣中的水蒸氣含量也會(huì)增加，這會(huì)導(dǎo)致臭氧分子與水蒸氣發(fā)生反應(yīng)，形成臭氧消耗物質(zhì)。這些化合物會(huì)消耗空氣中的臭氧分子，從而降低臭氧濃度。相對(duì)濕度較高的情況常常出現(xiàn)在夏季。夏季氣溫升高時(shí)，空氣中的水蒸氣含量也會(huì)增加，從而導(dǎo)致相對(duì)濕度的增加。當(dāng)相對(duì)濕度增加時(shí)，空氣中的臭氧濃度往往會(huì)下降，這是因?yàn)樗魵鈺?huì)與臭氧分子發(fā)生反應(yīng)，形成臭氧消耗物質(zhì)，如過(guò)氧化氫和羥基自由基，而這些化合物會(huì)消耗空氣中的臭氧分子，從而降低臭氧濃度。

3.6 人類活動(dòng)對(duì)臭氧濃度的影響

人類活動(dòng)對(duì)臭氧濃度的影響是多方面的。

3.6.1 工業(yè)排放

許多企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量廢氣，其中包括氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物。當(dāng)這些廢氣排放到大氣中，就會(huì)受到光照和氣象條件的影響，與空氣中的其他成分發(fā)生反應(yīng)。特別是在夏季高溫、高濕的條件下，這些廢氣成分與氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物相互作用，會(huì)產(chǎn)生臭氧。沈陽(yáng)作為一個(gè)工業(yè)重鎮(zhèn)，企業(yè)廢氣排放問題一直備受關(guān)注。由于沈陽(yáng)的地理位置和氣候條件，使大氣中的氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物更容易與其他成分發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生臭氧。

3.6.2 交通尾氣

由于工業(yè)城市的交通流量龐大，車輛數(shù)量眾多。因此，車輛燃燒產(chǎn)生的廢氣排放量較大，這些廢氣中會(huì)含有大量氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物。隨著車輛數(shù)量的增加，交通尾氣的排放也相應(yīng)增加。這些廢氣中的氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物與大氣中的氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物相互反應(yīng)，形成光化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而增加了臭氧的生成。

3.6.3 燃燒活動(dòng)

煤炭、石油和天然氣燃燒是主要的能源消耗方式，且在燃燒過(guò)程中釋放的氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生重要影響。中國(guó)東北，氣候寒冷，大氣穩(wěn)定層較低，加上高能耗和高排放的工業(yè)結(jié)構(gòu)，使得該地區(qū)的空氣質(zhì)量問題日益嚴(yán)重。氮氧化物（NOx）和揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）是空氣污染的重要組成部分。在燃燒過(guò)程中，在高溫、高壓條件下，煤炭、石油和天然氣中的氮和氧發(fā)生反應(yīng)生成氮氧化物，揮發(fā)性有機(jī)物則是燃料中未完全燃燒的碳?xì)浠衔?。這些氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物排放到大氣中后，在光照和氣象條件相互作用下形成臭氧[5]。由于高能耗和工業(yè)排放的影響，臭氧生成速率較高。夏季高溫和強(qiáng)烈的日照條件加劇了臭氧的形成。

3.6.4 農(nóng)業(yè)活動(dòng)

農(nóng)業(yè)活動(dòng)也會(huì)對(duì)臭氧濃度產(chǎn)生影響。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，常常會(huì)使用農(nóng)藥和化肥，其中的一些化學(xué)物質(zhì)可能會(huì)釋放出氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物，進(jìn)而參與臭氧的形成。此外，農(nóng)業(yè)燃燒活動(dòng)如秸稈焚燒，也會(huì)釋放出大量的氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物，從而進(jìn)一步增加了臭氧生成的可能性。

3.6.5 生活排放

人類的生活活動(dòng)也會(huì)對(duì)臭氧濃度產(chǎn)生一定影響。例如，家庭、商業(yè)和服務(wù)業(yè)的燃燒活動(dòng)（如烹飪、供暖等）會(huì)釋放氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物，這些廢氣排放到大氣中后，與其他成分相互作用也會(huì)形成臭氧。此外，交通工具也會(huì)產(chǎn)生尾氣，增加了臭氧生成的機(jī)會(huì)。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究對(duì)臭氧濃度的時(shí)空分布特征及其影響因素進(jìn)行了深入研究，并得出以下結(jié)論：

（1）臭氧濃度在不同季節(jié)之間存在明顯的變化。通常情況下，夏季時(shí)臭氧濃度呈現(xiàn)出明顯的高峰，而冬季濃度相對(duì)較低。這一季節(jié)性變化主要受氣象條件的影響，如高溫和陽(yáng)光有助于臭氧的形成。

（2）不同地區(qū)的臭氧濃度存在差異。城市地區(qū)通常臭氧濃度更高，而郊區(qū)地區(qū)較低。這種地理差異可能受到交通排放、工業(yè)活動(dòng)和地形等因素的影響。

（3）氣象條件對(duì)臭氧濃度的影響至關(guān)重要。高溫、陽(yáng)光和風(fēng)速等因素對(duì)臭氧濃度具有顯著的影響。因此，在空氣質(zhì)量管理和政策制定過(guò)程中要充分考慮氣象因素。

（4）長(zhǎng)期數(shù)據(jù)分析顯示，臭氧濃度的季節(jié)性和地域性趨勢(shì)可能隨時(shí)間而變化。因此，需要進(jìn)行長(zhǎng)期趨勢(shì)的研究。

綜上所述，臭氧濃度的時(shí)空分布特征是一個(gè)復(fù)雜的問題，受到多種因素的影響。深入研究這些特征有助于我們更好地理解和應(yīng)對(duì)空氣質(zhì)量問題，從而保護(hù)人類健康和生態(tài)系統(tǒng)的健康。未來(lái)的研究可以進(jìn)一步探討氣象參數(shù)、人為源排放和長(zhǎng)期趨勢(shì)之間的關(guān)系，從而制定出更加有效的環(huán)境政策和措施。