气象条件对沈阳市环境空气臭氧浓度影响研究

王 闯，王 帅，杨碧波，张丽辉，王 磊，刘 闽

沈阳市环境监测中心站 国家环境保护大气有机污染物监测分析重点实验室，辽宁 沈阳 110015

臭氧是天然大气中重要微量组分，大部分集中在10～30 km的大气平流层，其中20～25 km处浓度最高。臭氧能够吸收太阳紫外线，对地面生物圈具有重要保护作用。臭氧也是一种强氧化剂，若近地面或对流层大气中臭氧浓度增加，会对人类健康造成危害［1］，还会影响动植物生长导致农作物减产［2］，给生态环境带来严重危害［3］。作为近地面大气中重要的污染物之一，臭氧的主要来源不是直接通过污染源排放，而是由人类活动排放的NOx和非甲烷烃类等污染物在大气中的光化学过程所产生的，因此，多数研究将臭氧作为光化学烟雾污染的重要指标。本文针对日益严重的空气污染，选择臭氧为研究对象，研究了臭氧浓度变化特征，分析臭氧浓度在不同时间的变化规律，并结合气象数据分析其对臭氧浓度的影响，以期为掌握光化学污染及臭氧污染态势提供参考。

1 监测概况

1.1 监测点位

自2008年开始，沈阳市作为国家环保局的臭氧监测试点城市之一，开始臭氧监测工作，自2013年1月1日起，沈阳市11个国控点位全部开始臭氧监测。按地理位置将城市分为城市中心区、城市次中心区、近郊区点位3类。其中，城市中心区包括二毛、太原街、小河沿、文艺路、北陵5个点位，城市次中心区包括张士、东软、浑南二3个点位，近郊区包括辽大、炮兵学院、辉山3个点位。

1.2 监测项目及方法

沈阳市11个点位均采用Thermo 49i型紫外光度法臭氧分析仪监测臭氧数据，仪器量程0～0.1至400 mg/m3，最低检出限为0.002 mg/m3，零位漂移为每24小时不超过0.002 mg/m3，响应时间为20 s。仪器每天24小时连续采样监测，每分钟记录一次数据，臭氧浓度由仪器自带软件记录。

1.3 监测数据及统计方法

选取2013年沈阳市臭氧监测数据及沈阳市气象局提供的相关气象数据，共计天数为365 d。按《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)中二级标准的浓度限值160 μg/m3进行臭氧监测数据的超标判定，即当日最大滑动8 h平均值大于160 μg/m3，则当日超标;采用Microsoft excel软件进行数据处理和作图。

2 结果与分析

2.1 监测结果概述

2013年沈阳市臭氧日最大8小时平均第90百分位数为140 μg/m3，达到国家二级标准。如图1所示，2013年全市、城市中心区、城市次中心区及近郊区臭氧日最大8 h第90百分位数分别为 140、134、140、148 μg/m3;臭氧年均值浓度分别为 95、90、94、97 μg/m3;其中，城市近郊区臭氧年均浓度最高。全年沈阳市臭氧超标天数为27 d，从图2可以看出，近郊区超标天数最多。两种结果均表明，城市近郊区臭氧浓度高于其他地区。

图1 沈阳市不同区域臭氧年均值及最大滑动8小时第90百分位数对比

图2 沈阳市不同区域臭氧超标天数对比

2.2 臭氧变化趋势分析

2.2.1 臭氧季节变化特征

沈阳市不同区域臭氧浓度季节变化如图3所示。可以看出，沈阳市不同区域及全市臭氧浓度季节变化趋势基本一致，夏季臭氧浓度较高，冬季最低，春季大于秋季。从不同区域对比看，各季节中城市近郊区臭氧浓度最高，城市次中心次之，而城市中心区最低。

图3 沈阳市不同区域臭氧浓度季节变化对比

2.2.2 臭氧浓度月际变化特征

2013年不同区域臭氧浓度月际变化情况见图4。可见，3个区域变化趋势基本一致，1—4月各区域臭氧月均值逐渐上升;5—6月臭氧月均值浓度上升至最大，且上升幅度较大，3个区域5—6月臭氧月均值浓度约为4月的1.5倍左右;7—12月臭氧月均值浓度逐渐下降。

图4 沈阳市不同区域臭氧浓度月变化对比

由图4还可以看出，城市中心区、城市次中心区最高月平均浓度出现在5月，近郊区最高月平均浓度出现在6月;城市中心区、城市次中心区最低月平均浓度出现在12月，近郊区最低月平均浓度出现在1月。

2.2.3 臭氧浓度日变化特征

沈阳市不同区域臭氧浓度的日变化曲线见图5。从图5可以看出，3个区域臭氧浓度的日变化规律大致相同，均呈单峰变化。夜间臭氧浓度较低，6:00—7:00臭氧浓度最低，随后臭氧浓度开始大幅上升，最大值都出现在午后14:00，之后臭氧浓度又逐渐降低。这种变化特征与太阳辐射的日变化规律相似，白天较强，夜间减弱。

图5 沈阳市不同区域臭氧浓度日变化对比

2.3 气象条件对臭氧浓度的影响

2.3.1 天气现象对臭氧浓度的影响

对比冬季1—2月、12月和夏季6—8月期间，晴天与非晴天时臭氧浓度平均值见图6。

图6 不同天气现象下臭氧浓度对比

由图6可见，夏季晴天、非晴天下臭氧浓度平均值分别为137、131 μg/m3，冬季晴天、非晴天下臭氧浓度平均值分别为54、47 μg/m3。夏季在晴天及非晴天下，臭氧浓度均高于冬季;夏季晴天臭氧浓度高于非晴天臭氧浓度，说明在温度高、太阳辐射较强时间段，臭氧浓度较高。

2.3.2 细颗粒物(PM2.5)对臭氧浓度的影响

如图7所示，在臭氧与PM2.5浓度日变化规律中，臭氧浓度上午逐渐上升，中午达到最高，下午又逐渐降低，而PM2.5浓度则与臭氧的变化趋势恰好相反，呈现先降后升的趋势。臭氧和PM2.5的日变化规律存在显著负相关性，可用方程y=－0.437 2x+141.12来表示，相关系数(R2)为0.659。在空气湿度较大，能见度低天气条件下，PM2.5浓度容易升高，此时，太阳辐射也会减弱，进而影响臭氧的产生。

图7 臭氧与PM2.5浓度日变化规律对比

2.3.3 能见度对臭氧浓度的影响

如图8所示，在日变化规律中，臭氧浓度随能见度升高而增大。能见度高时，天气晴朗、云量少、太阳辐射较强，利于臭氧形成的光化学反应，臭氧浓度也随之增加。因此，臭氧和能见度日变化规律存在显著正相关性，可用方程 y=1.455x+44.7来表示，相关系数(R2)为0.921。

图8 臭氧与能见度变化规律

2.3.4 日变化中气温对臭氧浓度的影响

如图9所示，在日变化规律中，臭氧浓度随温度升高而增加，臭氧和温度均在13:00达到最大值。臭氧是在太阳辐射下通过光化学反应由一次污染物经反应生成的，而温度是由太阳辐射而逐渐升高，因此，臭氧和温度的日变化规律大致相似，并存在较好的正相关性，可用方程y=6.774x+3.368 5来表示，相关系数(R2)为0.932。

2.3.5 风速对臭氧浓度的影响

臭氧浓度与风速变化规律见图10，风速大时，臭氧浓度较高，反之风速小时，臭氧浓度也较小。风速对臭氧浓度的影响主要表现在:风对空气中污染物迁移扩散作用。风速较小时，由于臭氧本身的不稳定性，在随风迁移的过程中，臭氧就被分解成氧原子和氧分子;风速较大时，臭氧能在未完全分解前就被监测到，而且风速大还有利于降低与臭氧发生光化学反应前体物的浓度，从而降低光化学反应对臭氧的消耗。此外，温度升高可加剧空气对流，使风速增大，高温也是有助于臭氧浓度的升高的因素。因此，臭氧浓度与风速呈正相关变化，可用方程y=22.212x+1.109 1表示，相关系数(R2)为0.963。

图9 臭氧与温度的日变化规律

图10 臭氧与风速的变化规律

2.3.6 湿度对臭氧浓度的影响

臭氧浓度与相对湿度变化规律见图11，臭氧浓度达到高峰时，相对湿度处于较低水平，反之亦然。相对湿度是绝对湿度与最高湿度之间的比，它的值显示水蒸气的饱和度有多高。相同条件下，湿度越大，水蒸气饱和度越高。在湿度较高情况下，空气中水汽所含的自由基H、OH等迅速将臭氧分解为氧分子，降低臭氧浓度。使臭氧浓度与湿度呈负相关变化，可用方程y=－1.484 4+67.68表示，R2=0.958 1。

图11 臭氧与相对湿度的变化规律

3 讨论与结论

3.1 讨论

3.1.1 臭氧浓度变化规律

很多针对城市臭氧浓度季节变化规律的研究结果基本一致，如北京［4］、成都［5］、济南［6］、南昌［7］、东莞［8］等地均是夏季近地面臭氧浓度较高，而冬季较低。本研究的结论与上述观点一致，沈阳地区近地面臭氧浓度夏季高于冬季。夏季太阳辐射强、气温高等因素引起光化学反应剧烈，导致近地面臭氧浓度有明显的季节变化特征。

结合臭氧浓度日变化曲线，臭氧浓度呈明显的单峰型分布，日最大值出现在午后13:00左右，最小值出现在凌晨6:00前后，这与各地区城市典型臭氧浓度日变化规律一致［9-10］。

3.1.2 臭氧浓度与气象条件的关系

臭氧作为2次污染物，即与其前体物，如氮氧化物、碳氧化物等密切相关，也与气象条件有很大的联系。气象条件在臭氧形成及转化过程中起到重要作用，它通过环境变化影响臭氧浓度。研究分析了近地面臭氧浓度分别与PM2.5污染浓度、不同天气、能见度、温度、风速及湿度之间的关系。其中，PM2.5浓度、湿度与臭氧浓度呈负相关，能见度、温度及风速均与臭氧浓度呈正相关，且风速和温度与臭氧浓度的相关性更好，说明这两个因素对臭氧浓度影响较大。

臭氧浓度变化受到不同天气条件的影响，太阳辐射是影响近地面臭氧浓度的重要因素之一［11-12］。在不同气象条件下，太阳辐射变化导致臭氧浓度的变化。晴天、高温、能见度大时臭氧浓度较高，而阴雨天或出现雾霾，能见度较低、低温的天气臭氧浓度较低。太阳辐射强度与近地面臭氧浓度密切相关，变化趋势相同。太阳辐射强弱直接影响光化学反应速度，从而导致臭氧浓度发生变化。

3.2 结论

1)沈阳地区1年中城市近郊臭氧浓度高于次中心区域及城市中心。臭氧浓度夏季最高，春秋次之，冬季较低。臭氧浓度日变化呈单峰趋势，夜间变化平缓，白天变化剧烈。6:00—7:00间臭氧浓度最低，随后臭氧浓度开始大幅上升，最大值都出现在午后13:00，之后臭氧浓度又逐渐降低。

2)晴天时臭氧浓度高于非晴天，特别是夏季晴天，臭氧浓度最高。

3)臭氧浓度日变化趋势是单峰变化，与温度变化趋势相似，在时间上较温度略有滞后。气温在日出后7:00左右迅速升高，13:00左右达到最大，与臭氧浓度达到最大值接近。温度变化与太阳辐射密切相关，太阳辐射强弱直接影响光化学反应速度，从而影响了臭氧浓度的变化。

4)细颗粒物对臭氧浓度呈负相关变化，出现雾霾天气细颗粒污染浓度较高，能见度较低，同时减弱太阳辐射，进而减慢光化学反应速度，降低了臭氧浓度。

5)天气、能见度、温度、风速及湿度都会影响臭氧浓度的变化，臭氧浓度的超标是多种因素共同作用的结果。

［1］陈丹青，师建中，王娟，等．潮汕地区地面臭氧浓度的变化特征［J］．仲恺农业工程学院学报，2012，6:17-21．

［2］王春乙，关福来．臭氧浓度变化对我国主要农作物产量的可能影响［J］．应用气象学报，1995，6(1):69-74．

［3］单文坡，殷永泉，杜世勇，等．夏季城市大气臭氧浓度影响因素及其相关关系［J］．环境科学，2007，7:1 276-1 281．

［4］宗雪梅，王庚辰，陈洪滨，等．北京地区边界层大气臭氧浓度变化特征分析［J］．环境科学，2007(11):2 615-2 619．

［5］袁野，范莉，邹玉林，等．成都市大气中臭氧的分布及污染水平［J］．城市环境与城市生态，2003，16(2):44-45．

［6］殷永泉，李昌梅，马桂霞，等．城市臭氧浓度分布特征［J］．环境科学，2004，25(6):16-20．

［7］万志勇，杨辛．南昌市环境空气臭氧污染现状分析［J］．气象与减灾研究，2007(6):69-74．

［8］陈玲，夏冬，贾志宏，等．东莞市近地面臭氧质量浓度变化特征［J］．广东气象，2011，33(1):60-63．

［9］安俊琳，王跃思，李昕，等．北京大气中NO、NO2和臭氧浓度变化的相关性分析［J］．环境科学，2007，28(4):706-711．

［10］陈魁，郭胜华，董海燕，等．天津市臭氧浓度时空分布与变化特征研究［J］．环境与可持续发展，2010(1):17-20．

［11］张爱东，王晓燕，修光利．上海市中心城区低空大气臭氧浓度特征和变化情况［J］．环境科学与管理，2006，31(6):21-26．

［12］殷永泉，单文坡，纪霞，等．济南市区近地面臭氧浓度变化特征［J］．环境科学与技术，2006(10):49-53．