鄧 聰

( 云南省環(huán)境監(jiān)測中心站，云南 昆明 650034)

云南省16個(gè)城市主城區(qū)大氣O3污染特征研究

鄧 聰

( 云南省環(huán)境監(jiān)測中心站，云南 昆明 650034)

分析了云南省16個(gè)城市2015年全年O3質(zhì)量濃度變化特征，結(jié)果表明，云南省O38h濃度超標(biāo)天數(shù)達(dá)62d，主要發(fā)生在3—5月，除了云南地處高原強(qiáng)紫外線照射及干旱氣象因素外，東南亞國家森林區(qū)域密集火點(diǎn)煙氣排放也是重要原因之一。從地域分布看，芒市和景洪等城市O3超標(biāo)現(xiàn)象最為嚴(yán)重，形成了區(qū)域型O3污染特征。 相關(guān)性分析表明，NO2與O3成顯著負(fù)相關(guān)，說明NO2參與的光化學(xué)反應(yīng)形式是O3生成的重要方式，日照時(shí)數(shù)較多的5月份促進(jìn)了大氣氧化能力，局地NO2對(duì)O3生成的貢獻(xiàn)加強(qiáng)，導(dǎo)致這個(gè)時(shí)期O3污染現(xiàn)象頻發(fā)。

O3；污染特征；季節(jié)變化；NO2相關(guān)性；云南

O3污染已成為我國城市空氣污染的主要問題之一。人類活動(dòng)排放的NOX和揮發(fā)性有機(jī)物引起的大氣光化學(xué)反應(yīng)是導(dǎo)致近地面O3污染的重要原因。較高的大氣O3濃度會(huì)加快材料老化，影響人類健康，導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的危害。O3作為重要的溫室氣體之一，在地球輻射平衡中扮演著重要角色，可以對(duì)全球氣候變化造成影響[1-10]。

云南省地處我國西南云貴高原，近年來工業(yè)快速發(fā)展及汽車保有量的迅速增加，促使該區(qū)域空氣污染特征由煤煙型向煤煙型-汽車尾氣型混合污染轉(zhuǎn)化，主要體現(xiàn)在以高細(xì)顆粒物濃度和高O3濃度為代表的大氣光化學(xué)污染幾率增大，嚴(yán)重影響城市空氣質(zhì)量和人體健康。云南高原輻射強(qiáng)烈，存在較長時(shí)間的旱季(尤其是11月—次年5月)，O3污染特征研究較少，尤其是對(duì)長時(shí)間序列O3及其前體物的相關(guān)性研究較少。本研究采用2015年云南省16個(gè)城市的O3和NO2濃度的連續(xù)在線觀測數(shù)據(jù)，分析了O3時(shí)空分布及相關(guān)性，重點(diǎn)對(duì)春季較高的臭氧濃度進(jìn)行分析，以期為云南省制定有效的大氣污染控制政策提供科學(xué)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

大氣O3采樣點(diǎn)位共計(jì)40個(gè)，即云南省16個(gè)城市的環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測站點(diǎn)，包括昆明(7個(gè)點(diǎn)位)、玉溪(3個(gè)點(diǎn)位)、麗江(3個(gè)點(diǎn)位)、紅河(3個(gè)點(diǎn)位)、曲靖(2個(gè)點(diǎn)位)、保山(2個(gè)點(diǎn)位)、昭通(2個(gè)點(diǎn)位)、思茅(2個(gè)點(diǎn)位)、臨滄(2個(gè)點(diǎn)位)、楚雄(2個(gè)點(diǎn)位)、文山(2個(gè)點(diǎn)位)、西雙版納(2個(gè)點(diǎn)位)、大理(2個(gè)點(diǎn)位)、德宏(2個(gè)點(diǎn)位)、怒江(2個(gè)點(diǎn)位)和迪慶(2個(gè)點(diǎn)位)。采樣點(diǎn)均能代表各個(gè)城區(qū)的空氣質(zhì)量，采樣點(diǎn)設(shè)在離地高約3m，觀測時(shí)間為2015 年1月1日—12月31日。主要觀測儀器采用美國熱電公司生產(chǎn)的49i型紫外光度法O3分析儀，最低檢測限1.0μg/m3；42i 型化學(xué)發(fā)光法NO-NO2-NOX分析儀，最低檢測限1.0μg/m3。兩臺(tái)儀器均為每天連續(xù)24h采樣監(jiān)測，每5min記錄1次數(shù)據(jù)，每隔15d都進(jìn)行氣體流量校正及目標(biāo)物標(biāo)定1次，O3分析儀采用儀器自帶的O3發(fā)生器進(jìn)行標(biāo)定。數(shù)據(jù)處理采用Microsoft Excel及Origin軟件，剔除因儀器維護(hù)和標(biāo)定、設(shè)備故障等原因造成的異常值后，對(duì)5min 數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均，得到小時(shí)均值，在此基礎(chǔ)上計(jì)算日均值和月均值等。氣象資料均來自當(dāng)?shù)貧庀蟛块T數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)均通過數(shù)據(jù)訂正。

2 結(jié)果與討論

2.1 濃度水平

基于2015年環(huán)境空氣污染物小時(shí)均值質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)序列，計(jì)算了云南省16個(gè)城市O38h濃度均值，40個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位全年O38h平均濃度為76.37±33.21μg/m3。16個(gè)城市8hO3濃度超標(biāo)天數(shù)總計(jì)達(dá)62d(O3標(biāo)準(zhǔn)值為160μg/m3)，主要發(fā)生在干燥少雨的3—5月及紫外輻射較強(qiáng)的6—8月，發(fā)生O3超標(biāo)污染天氣的9個(gè)城市為：昆明(6d)、紅河(4d)、曲靖(9d)、保山(2d)、昭通(3d)、思茅(8d)、臨滄(3d)、西雙版納(12d)、德宏(15d)。

圖1給出了云南16個(gè)城市2015年O3濃度的日均值變化曲線，可見16個(gè)城市在3月(24d)、4月(7d)、5月(23d)、6月(1d)、7月(5d)、8月(2d)均出現(xiàn)明顯的O3濃度超標(biāo)污染，明顯高于其他月份。從云南省氣象特征分析可知，6—11月是云南地區(qū)的多雨季節(jié)，雨量充沛，日照天數(shù)少，在一定程度上減少了O3光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生速率，導(dǎo)致整體O3濃度水平不高，本研究過程中2015年7月晴天數(shù)較多，日照充足，氣溫較高，因此從圖1可以明顯看出7月及8月絕大多數(shù)城市O3濃度出現(xiàn)高峰值。3—5月屬于云南地區(qū)的干燥少雨季節(jié)，持續(xù)的強(qiáng)烈日照為大氣光化學(xué)反應(yīng)形成O3創(chuàng)造了有利條件，是導(dǎo)致此期間云南16城市O3濃度升高的重要原因。

2.2 空間及季節(jié)分布特征

圖2給出了16個(gè)城市O3的季節(jié)平均濃度變化， 16個(gè)城市O3濃度均值的季節(jié)分布表明，春季( 3—5月)O3濃度季節(jié)平均值較高，為100.81μg/m3；其次是冬季(12月—2月)，為70.52μg/m3；再次是夏季(6—8月)69.65μg/m3，與冬季相差不多；O3濃度最低的季節(jié)是秋季(9—11月)，為61.13μg/m3。出現(xiàn)這種季節(jié)分布特征的主要原因可能與氣象因素相關(guān)，氣溫、大氣穩(wěn)定度及紫外輻射強(qiáng)度都對(duì)城市區(qū)域大氣O3濃度的分布有重要影響。春季氣候干燥少雨，日照充足，而7、8 月間較多的云量和陰雨天氣造成日照不足，短波輻射通量較常年平均值減少，短波輻射通量的這種季節(jié)差異是導(dǎo)致O3濃度季節(jié)變化特征的重要原因。云南夏季多雨，日照時(shí)數(shù)低于春季，且氣溫隨降雨而降低，導(dǎo)致夏季云南大部分城市O3濃度低于春季O3濃度。其次外來源傳輸對(duì)區(qū)域O3濃度分布也有重要影響。春季東南亞毀林造田采用火燒森林方式，排放了大量煙氣及O3污染物，對(duì)下風(fēng)向的云南省大部分區(qū)域都有可能造成影響。O3的日變化主要受制于太陽短波輻射的日變化，正午太陽短波輻射通量達(dá)到最大，大氣光化學(xué)反應(yīng)增強(qiáng)，O3峰值一般在14∶00—15∶00到來，2～3h的滯后一般歸因于前體物的消耗和光化學(xué)反應(yīng)所必須的時(shí)間，有NOX參與的光化學(xué)反應(yīng)是O3生成的主要方式。

2.3 相關(guān)性分析

對(duì)流層O3與NO 、NO2的相互關(guān)系可簡要概括為：人類活動(dòng)排放的NOX，進(jìn)入對(duì)流層大氣中，在太陽光照射下，生成原子氧和NO，原子氧和O2結(jié)合生成O3，同時(shí)大氣中的VOCS和CO等還原態(tài)物質(zhì)迅速消耗NO，O3與NO 、NO2處于動(dòng)態(tài)平衡[11]。氣象條件是影響近地面O3濃度的最主要因素之一，是造成O3濃度晝夜變化、日際變化、季節(jié)變化、年際變化的主要原因，大氣光化學(xué)反應(yīng)能量來源于太陽輻射中的紫外線，因此O3濃度一般在紫外線充足的晴好天氣下的白晝較高。由于陰雨天氣太陽輻射通量容易發(fā)生劇烈波動(dòng)，以及大量水汽的存在可能對(duì)O3、NO和NO2的相互關(guān)系產(chǎn)生較為復(fù)雜的影響，因此本文在討論O3與NOX的相互關(guān)系時(shí)，僅使用晴天和多云天氣下白晝的觀測資料。

采用Pearson相關(guān)分析法，進(jìn)一步分析氣象參數(shù)—溫度(Temperature)和太陽紫外輻射強(qiáng)度(UV)對(duì)污染物濃度的影響。表1中，給出了云南典型城市昆明的氣象參數(shù)與O3、NO、NO2的相關(guān)性，溫度和O3在0.05水平上顯著相關(guān)，即置信區(qū)間在95%，紫外指數(shù)和O3則在0.01水平上顯著相關(guān)，即置信區(qū)間在99%，可見紫外指數(shù)與O3的聯(lián)系相對(duì)于溫度更加緊密，紫外輻射強(qiáng)度與O3顯著正相關(guān)。紫外指數(shù)與NOx的相關(guān)性不顯著，主要原因是影響NOx濃度的不僅僅是光化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，還與機(jī)動(dòng)車尾氣NOx的持續(xù)排放有關(guān)，但紫外指數(shù)與NOx整體仍呈現(xiàn)正相關(guān)性。

表1 云南城市昆明大氣污染物與氣象因素相關(guān)性

2.4 臭氧傳輸來源分析

一般來說，每年3—5月云南西南側(cè)的東南亞國家進(jìn)行春種燒荒，會(huì)導(dǎo)致森林火災(zāi)，出現(xiàn)大量密集起火點(diǎn)(如圖3所示)，大量生物質(zhì)燃燒導(dǎo)致顆粒物和O3濃度急劇上升，同時(shí)，印度洋西南方向進(jìn)入云南的暖濕氣流，將這些大氣污染物輸送進(jìn)入云南境內(nèi)，造成云南省自西南方向的昆明(6d)、紅河(4d)、曲靖(9d)、保山(2d)、昭通(3d)、思茅(8d)、臨滄(3d)、西雙版納(12d)、德宏(15d)等城市地區(qū)均出現(xiàn)O3污染現(xiàn)象。同時(shí)，昆明大氣重金屬在線監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，鉀元素作為生物質(zhì)燃燒的標(biāo)識(shí)性物質(zhì)，在3月和4月濃度遠(yuǎn)高于其他月份，證明了昆明地區(qū)存在生物質(zhì)燃燒源顆粒物排放的外來傳輸源對(duì)本地大氣顆粒物的貢獻(xiàn)，從而間接說明了臭氧污染在春季存在大量的外來傳輸貢獻(xiàn)。從圖4可以看出，3月典型近地氣團(tuán)均經(jīng)過東南亞火點(diǎn)密集區(qū)域，污染物可以在近地面進(jìn)行穩(wěn)定的傳輸，從而造成云南多數(shù)城市較高的顆粒物和臭氧超標(biāo)現(xiàn)象。2015年春季云南省部分城市出現(xiàn)不同天數(shù)的臭氧超標(biāo)現(xiàn)象主要是由于極端不利的氣象條件和大量污染物隨大氣遠(yuǎn)程輸送進(jìn)入云南境內(nèi)造成的。

3 結(jié)論

(1)對(duì)云南40個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位O3觀測結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，2015年云南16個(gè)城市的O38h平均濃度為76.37±33.21μg/m3。

(2)16個(gè)城市8hO3濃度超標(biāo)天數(shù)總計(jì)達(dá)62d(O3標(biāo)準(zhǔn)值為160 μg/m3)，主要發(fā)生在干燥少雨的3—5月及紫外輻射較強(qiáng)的6—8月，發(fā)生O3超標(biāo)污染天氣的9個(gè)城市為：昆明(6d)、紅河(4d)、曲靖(9d)、保山(2d)、昭通(3d)、思茅(8d)、臨滄(3d)、西雙版納(12d)、德宏(15d)。

(3)2015年云南16城市大氣地面O3濃度的季節(jié)變化表現(xiàn)為春夏季較高，秋冬季較低：春季( 3—5月)O3濃度季節(jié)平均值較高為100.81μg/m3；其次是冬季(12月—2月)為70.52μg/m3；再次是夏季(6—8月)69.65μg/m3，與冬季相差不多；O3濃度最低的季節(jié)是秋季(9—11月)為61.13μg/m3。

(4) 相關(guān)性研究表明，氣象因素中的紫外輻射與O3區(qū)域污染密切相關(guān)，夏季大氣光化學(xué)反應(yīng)最為強(qiáng)烈，大氣氧化能力最強(qiáng)，局地NOx對(duì)O3生成的貢獻(xiàn)最大；春季O3背景值最高，區(qū)域污染最重，可能與東南亞生物質(zhì)燃燒等外來源有關(guān)。

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Research on Pollution Characteristics of Ozone in the Urban Areas of Sixteen Cities in Yunnan

DENG Cong

(Yunnan Environmental Monitoring Center, Kunming Yunnan 650034 ,China)

The changes of Ozone in the year of 2015 in sixteen cities in Yunnan were analyzed. The results showed that there were 62 days when their eight-hour ozone concentrations could not meet the national standard, which mainly occurred from March to May. Besides the dry weather conditions and strong ultraviolet radiation in plateau area in Yunnan, the exhaust gases due to the fire in the forests of east-Asian counties were the vital causes. Spatially, Mangshi and Jinghong were the areas with the highest ozone concentrations, which intended toformtypical regional ozone pollution. The correlation analysis indicated that O3was significantly negatively related to NO2showing that ozone was generated because NO2was involved in the chemical reaction. The long sunlight time in May improved the oxidizing ability of the air. Regional NO2strengthened the chemical reaction of producing ozone, which resulted in frequently occurrence of ozone pollution in some particular regions.

ozone; pollution characteristics; seasonal changes; correlation of NO2; Yunnan

2016-07-05

X51

A

1673-9655(2017)01-0036-06