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      氣象條件對(duì)沈陽市環(huán)境空氣臭氧濃度影響研究

      2015-04-26 00:56:00楊碧波張麗輝
      關(guān)鍵詞:臭氧濃度太陽輻射晴天

      王 闖,王 帥,楊碧波,張麗輝,王 磊,劉 閩

      沈陽市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站 國(guó)家環(huán)境保護(hù)大氣有機(jī)污染物監(jiān)測(cè)分析重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽 110015

      臭氧是天然大氣中重要微量組分,大部分集中在10~30 km的大氣平流層,其中20~25 km處濃度最高。臭氧能夠吸收太陽紫外線,對(duì)地面生物圈具有重要保護(hù)作用。臭氧也是一種強(qiáng)氧化劑,若近地面或?qū)α鲗哟髿庵谐粞鯘舛仍黾樱瑫?huì)對(duì)人類健康造成危害[1],還會(huì)影響動(dòng)植物生長(zhǎng)導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)[2],給生態(tài)環(huán)境帶來嚴(yán)重危害[3]。作為近地面大氣中重要的污染物之一,臭氧的主要來源不是直接通過污染源排放,而是由人類活動(dòng)排放的NOx和非甲烷烴類等污染物在大氣中的光化學(xué)過程所產(chǎn)生的,因此,多數(shù)研究將臭氧作為光化學(xué)煙霧污染的重要指標(biāo)。本文針對(duì)日益嚴(yán)重的空氣污染,選擇臭氧為研究對(duì)象,研究了臭氧濃度變化特征,分析臭氧濃度在不同時(shí)間的變化規(guī)律,并結(jié)合氣象數(shù)據(jù)分析其對(duì)臭氧濃度的影響,以期為掌握光化學(xué)污染及臭氧污染態(tài)勢(shì)提供參考。

      1 監(jiān)測(cè)概況

      1.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位

      自2008年開始,沈陽市作為國(guó)家環(huán)保局的臭氧監(jiān)測(cè)試點(diǎn)城市之一,開始臭氧監(jiān)測(cè)工作,自2013年1月1日起,沈陽市11個(gè)國(guó)控點(diǎn)位全部開始臭氧監(jiān)測(cè)。按地理位置將城市分為城市中心區(qū)、城市次中心區(qū)、近郊區(qū)點(diǎn)位3類。其中,城市中心區(qū)包括二毛、太原街、小河沿、文藝路、北陵5個(gè)點(diǎn)位,城市次中心區(qū)包括張士、東軟、渾南二3個(gè)點(diǎn)位,近郊區(qū)包括遼大、炮兵學(xué)院、輝山3個(gè)點(diǎn)位。

      1.2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及方法

      沈陽市11個(gè)點(diǎn)位均采用Thermo 49i型紫外光度法臭氧分析儀監(jiān)測(cè)臭氧數(shù)據(jù),儀器量程0~0.1至400 mg/m3,最低檢出限為0.002 mg/m3,零位漂移為每24小時(shí)不超過0.002 mg/m3,響應(yīng)時(shí)間為20 s。儀器每天24小時(shí)連續(xù)采樣監(jiān)測(cè),每分鐘記錄一次數(shù)據(jù),臭氧濃度由儀器自帶軟件記錄。

      1.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)方法

      選取2013年沈陽市臭氧監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及沈陽市氣象局提供的相關(guān)氣象數(shù)據(jù),共計(jì)天數(shù)為365 d。按《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)中二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的濃度限值160 μg/m3進(jìn)行臭氧監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的超標(biāo)判定,即當(dāng)日最大滑動(dòng)8 h平均值大于160 μg/m3,則當(dāng)日超標(biāo);采用Microsoft excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖。

      2 結(jié)果與分析

      2.1 監(jiān)測(cè)結(jié)果概述

      2013年沈陽市臭氧日最大8小時(shí)平均第90百分位數(shù)為140 μg/m3,達(dá)到國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。如圖1所示,2013年全市、城市中心區(qū)、城市次中心區(qū)及近郊區(qū)臭氧日最大8 h第90百分位數(shù)分別為 140、134、140、148 μg/m3;臭氧年均值濃度分別為 95、90、94、97 μg/m3;其中,城市近郊區(qū)臭氧年均濃度最高。全年沈陽市臭氧超標(biāo)天數(shù)為27 d,從圖2可以看出,近郊區(qū)超標(biāo)天數(shù)最多。兩種結(jié)果均表明,城市近郊區(qū)臭氧濃度高于其他地區(qū)。

      圖1 沈陽市不同區(qū)域臭氧年均值及最大滑動(dòng)8小時(shí)第90百分位數(shù)對(duì)比

      圖2 沈陽市不同區(qū)域臭氧超標(biāo)天數(shù)對(duì)比

      2.2 臭氧變化趨勢(shì)分析

      2.2.1 臭氧季節(jié)變化特征

      沈陽市不同區(qū)域臭氧濃度季節(jié)變化如圖3所示??梢钥闯觯蜿柺胁煌瑓^(qū)域及全市臭氧濃度季節(jié)變化趨勢(shì)基本一致,夏季臭氧濃度較高,冬季最低,春季大于秋季。從不同區(qū)域?qū)Ρ瓤?,各季?jié)中城市近郊區(qū)臭氧濃度最高,城市次中心次之,而城市中心區(qū)最低。

      圖3 沈陽市不同區(qū)域臭氧濃度季節(jié)變化對(duì)比

      2.2.2 臭氧濃度月際變化特征

      2013年不同區(qū)域臭氧濃度月際變化情況見圖4。可見,3個(gè)區(qū)域變化趨勢(shì)基本一致,1—4月各區(qū)域臭氧月均值逐漸上升;5—6月臭氧月均值濃度上升至最大,且上升幅度較大,3個(gè)區(qū)域5—6月臭氧月均值濃度約為4月的1.5倍左右;7—12月臭氧月均值濃度逐漸下降。

      圖4 沈陽市不同區(qū)域臭氧濃度月變化對(duì)比

      由圖4還可以看出,城市中心區(qū)、城市次中心區(qū)最高月平均濃度出現(xiàn)在5月,近郊區(qū)最高月平均濃度出現(xiàn)在6月;城市中心區(qū)、城市次中心區(qū)最低月平均濃度出現(xiàn)在12月,近郊區(qū)最低月平均濃度出現(xiàn)在1月。

      2.2.3 臭氧濃度日變化特征

      沈陽市不同區(qū)域臭氧濃度的日變化曲線見圖5。從圖5可以看出,3個(gè)區(qū)域臭氧濃度的日變化規(guī)律大致相同,均呈單峰變化。夜間臭氧濃度較低,6:00—7:00臭氧濃度最低,隨后臭氧濃度開始大幅上升,最大值都出現(xiàn)在午后14:00,之后臭氧濃度又逐漸降低。這種變化特征與太陽輻射的日變化規(guī)律相似,白天較強(qiáng),夜間減弱。

      圖5 沈陽市不同區(qū)域臭氧濃度日變化對(duì)比

      2.3 氣象條件對(duì)臭氧濃度的影響

      2.3.1 天氣現(xiàn)象對(duì)臭氧濃度的影響

      對(duì)比冬季1—2月、12月和夏季6—8月期間,晴天與非晴天時(shí)臭氧濃度平均值見圖6。

      圖6 不同天氣現(xiàn)象下臭氧濃度對(duì)比

      由圖6可見,夏季晴天、非晴天下臭氧濃度平均值分別為137、131 μg/m3,冬季晴天、非晴天下臭氧濃度平均值分別為54、47 μg/m3。夏季在晴天及非晴天下,臭氧濃度均高于冬季;夏季晴天臭氧濃度高于非晴天臭氧濃度,說明在溫度高、太陽輻射較強(qiáng)時(shí)間段,臭氧濃度較高。

      2.3.2 細(xì)顆粒物(PM2.5)對(duì)臭氧濃度的影響

      如圖7所示,在臭氧與PM2.5濃度日變化規(guī)律中,臭氧濃度上午逐漸上升,中午達(dá)到最高,下午又逐漸降低,而PM2.5濃度則與臭氧的變化趨勢(shì)恰好相反,呈現(xiàn)先降后升的趨勢(shì)。臭氧和PM2.5的日變化規(guī)律存在顯著負(fù)相關(guān)性,可用方程y=-0.437 2x+141.12來表示,相關(guān)系數(shù)(R2)為0.659。在空氣濕度較大,能見度低天氣條件下,PM2.5濃度容易升高,此時(shí),太陽輻射也會(huì)減弱,進(jìn)而影響臭氧的產(chǎn)生。

      圖7 臭氧與PM2.5濃度日變化規(guī)律對(duì)比

      2.3.3 能見度對(duì)臭氧濃度的影響

      如圖8所示,在日變化規(guī)律中,臭氧濃度隨能見度升高而增大。能見度高時(shí),天氣晴朗、云量少、太陽輻射較強(qiáng),利于臭氧形成的光化學(xué)反應(yīng),臭氧濃度也隨之增加。因此,臭氧和能見度日變化規(guī)律存在顯著正相關(guān)性,可用方程 y=1.455x+44.7來表示,相關(guān)系數(shù)(R2)為0.921。

      圖8 臭氧與能見度變化規(guī)律

      2.3.4 日變化中氣溫對(duì)臭氧濃度的影響

      如圖9所示,在日變化規(guī)律中,臭氧濃度隨溫度升高而增加,臭氧和溫度均在13:00達(dá)到最大值。臭氧是在太陽輻射下通過光化學(xué)反應(yīng)由一次污染物經(jīng)反應(yīng)生成的,而溫度是由太陽輻射而逐漸升高,因此,臭氧和溫度的日變化規(guī)律大致相似,并存在較好的正相關(guān)性,可用方程y=6.774x+3.368 5來表示,相關(guān)系數(shù)(R2)為0.932。

      2.3.5 風(fēng)速對(duì)臭氧濃度的影響

      臭氧濃度與風(fēng)速變化規(guī)律見圖10,風(fēng)速大時(shí),臭氧濃度較高,反之風(fēng)速小時(shí),臭氧濃度也較小。風(fēng)速對(duì)臭氧濃度的影響主要表現(xiàn)在:風(fēng)對(duì)空氣中污染物遷移擴(kuò)散作用。風(fēng)速較小時(shí),由于臭氧本身的不穩(wěn)定性,在隨風(fēng)遷移的過程中,臭氧就被分解成氧原子和氧分子;風(fēng)速較大時(shí),臭氧能在未完全分解前就被監(jiān)測(cè)到,而且風(fēng)速大還有利于降低與臭氧發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)前體物的濃度,從而降低光化學(xué)反應(yīng)對(duì)臭氧的消耗。此外,溫度升高可加劇空氣對(duì)流,使風(fēng)速增大,高溫也是有助于臭氧濃度的升高的因素。因此,臭氧濃度與風(fēng)速呈正相關(guān)變化,可用方程y=22.212x+1.109 1表示,相關(guān)系數(shù)(R2)為0.963。

      圖9 臭氧與溫度的日變化規(guī)律

      圖10 臭氧與風(fēng)速的變化規(guī)律

      2.3.6 濕度對(duì)臭氧濃度的影響

      臭氧濃度與相對(duì)濕度變化規(guī)律見圖11,臭氧濃度達(dá)到高峰時(shí),相對(duì)濕度處于較低水平,反之亦然。相對(duì)濕度是絕對(duì)濕度與最高濕度之間的比,它的值顯示水蒸氣的飽和度有多高。相同條件下,濕度越大,水蒸氣飽和度越高。在濕度較高情況下,空氣中水汽所含的自由基H、OH等迅速將臭氧分解為氧分子,降低臭氧濃度。使臭氧濃度與濕度呈負(fù)相關(guān)變化,可用方程y=-1.484 4+67.68表示,R2=0.958 1。

      圖11 臭氧與相對(duì)濕度的變化規(guī)律

      3 討論與結(jié)論

      3.1 討論

      3.1.1 臭氧濃度變化規(guī)律

      很多針對(duì)城市臭氧濃度季節(jié)變化規(guī)律的研究結(jié)果基本一致,如北京[4]、成都[5]、濟(jì)南[6]、南昌[7]、東莞[8]等地均是夏季近地面臭氧濃度較高,而冬季較低。本研究的結(jié)論與上述觀點(diǎn)一致,沈陽地區(qū)近地面臭氧濃度夏季高于冬季。夏季太陽輻射強(qiáng)、氣溫高等因素引起光化學(xué)反應(yīng)劇烈,導(dǎo)致近地面臭氧濃度有明顯的季節(jié)變化特征。

      結(jié)合臭氧濃度日變化曲線,臭氧濃度呈明顯的單峰型分布,日最大值出現(xiàn)在午后13:00左右,最小值出現(xiàn)在凌晨6:00前后,這與各地區(qū)城市典型臭氧濃度日變化規(guī)律一致[9-10]。

      3.1.2 臭氧濃度與氣象條件的關(guān)系

      臭氧作為2次污染物,即與其前體物,如氮氧化物、碳氧化物等密切相關(guān),也與氣象條件有很大的聯(lián)系。氣象條件在臭氧形成及轉(zhuǎn)化過程中起到重要作用,它通過環(huán)境變化影響臭氧濃度。研究分析了近地面臭氧濃度分別與PM2.5污染濃度、不同天氣、能見度、溫度、風(fēng)速及濕度之間的關(guān)系。其中,PM2.5濃度、濕度與臭氧濃度呈負(fù)相關(guān),能見度、溫度及風(fēng)速均與臭氧濃度呈正相關(guān),且風(fēng)速和溫度與臭氧濃度的相關(guān)性更好,說明這兩個(gè)因素對(duì)臭氧濃度影響較大。

      臭氧濃度變化受到不同天氣條件的影響,太陽輻射是影響近地面臭氧濃度的重要因素之一[11-12]。在不同氣象條件下,太陽輻射變化導(dǎo)致臭氧濃度的變化。晴天、高溫、能見度大時(shí)臭氧濃度較高,而陰雨天或出現(xiàn)霧霾,能見度較低、低溫的天氣臭氧濃度較低。太陽輻射強(qiáng)度與近地面臭氧濃度密切相關(guān),變化趨勢(shì)相同。太陽輻射強(qiáng)弱直接影響光化學(xué)反應(yīng)速度,從而導(dǎo)致臭氧濃度發(fā)生變化。

      3.2 結(jié)論

      1)沈陽地區(qū)1年中城市近郊臭氧濃度高于次中心區(qū)域及城市中心。臭氧濃度夏季最高,春秋次之,冬季較低。臭氧濃度日變化呈單峰趨勢(shì),夜間變化平緩,白天變化劇烈。6:00—7:00間臭氧濃度最低,隨后臭氧濃度開始大幅上升,最大值都出現(xiàn)在午后13:00,之后臭氧濃度又逐漸降低。

      2)晴天時(shí)臭氧濃度高于非晴天,特別是夏季晴天,臭氧濃度最高。

      3)臭氧濃度日變化趨勢(shì)是單峰變化,與溫度變化趨勢(shì)相似,在時(shí)間上較溫度略有滯后。氣溫在日出后7:00左右迅速升高,13:00左右達(dá)到最大,與臭氧濃度達(dá)到最大值接近。溫度變化與太陽輻射密切相關(guān),太陽輻射強(qiáng)弱直接影響光化學(xué)反應(yīng)速度,從而影響了臭氧濃度的變化。

      4)細(xì)顆粒物對(duì)臭氧濃度呈負(fù)相關(guān)變化,出現(xiàn)霧霾天氣細(xì)顆粒污染濃度較高,能見度較低,同時(shí)減弱太陽輻射,進(jìn)而減慢光化學(xué)反應(yīng)速度,降低了臭氧濃度。

      5)天氣、能見度、溫度、風(fēng)速及濕度都會(huì)影響臭氧濃度的變化,臭氧濃度的超標(biāo)是多種因素共同作用的結(jié)果。

      [1]陳丹青,師建中,王娟,等.潮汕地區(qū)地面臭氧濃度的變化特征[J].仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院學(xué)報(bào),2012,6:17-21.

      [2]王春乙,關(guān)福來.臭氧濃度變化對(duì)我國(guó)主要農(nóng)作物產(chǎn)量的可能影響[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),1995,6(1):69-74.

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      [4]宗雪梅,王庚辰,陳洪濱,等.北京地區(qū)邊界層大氣臭氧濃度變化特征分析[J].環(huán)境科學(xué),2007(11):2 615-2 619.

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