長三角區(qū)域臭氧時空分布特征研究

汪水兵 張 紅 易明建 洪星園 衛(wèi)尤文

（1．安徽省環(huán)境科學(xué)研究院，安徽 合肥 230071；2．中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院，安徽 合肥 230026；3．安徽建筑大學(xué)，安徽 合肥 230601）

0 引言

近年來PM2.5濃度得到了較好的控制，但O3濃度有上升趨勢。根據(jù)2015～2019年全國環(huán)境質(zhì)量公報數(shù)據(jù)顯示，我國337個城市除臭氧濃度在逐年上升外，其余污染物濃度均有不同程度的降低，其中SO2、CO、PM2.5、PM10和NO2濃度年評價值分別下降了52.0%、22.0%、28.6%、19.5%和3.3%，而臭氧年均評價指標(biāo)上升了20.1%。研究表明，我國臭氧污染較為嚴(yán)重地區(qū)主要集中在長三角、珠三角、京津冀及周邊地區(qū)[6-7]；且O3濃度季節(jié)性變化特征明顯，夏秋季節(jié)濃度高[1-2]；長三角O3污染主要分布在上海及其周邊城市，臭氧高濃度值主要集中在4～10月[3-4]，且對流層O3濃度呈顯著的緯度地帶性差異，O3濃度隨著緯度的升高而增加[5]。而珠三角臭氧高濃度值主要集中在7～10月[8]，京津冀地區(qū)臭氧高濃度值集中在5～9月[9]。該文利用長三角區(qū)域典型城市O3實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)性分析了O3時空分布特征，以期為區(qū)域O3污染防治提供支撐。

1 數(shù)據(jù)與方法

O3濃度數(shù)據(jù)來自全國城市空氣質(zhì)量實時公布平臺公布的監(jiān)測數(shù)據(jù)，選取長三角地區(qū)9個地級市（上海、寧波、紹興、舟山、南京、杭州、合肥、蕪湖、安慶），2018年1月1日0時～2018年12月31日0時共74 694組小時數(shù)據(jù)，有效監(jiān)測數(shù)據(jù)占比94.7%。O3-8hmax計算公式為N1=avg{c0，c1，c1...c7}，N2=avg{c1，c2，c3...c8}，N3=avg{c2，c3，c4...c9}依次推出，N17=avg{c16，c17，c48...c23}，O3-8hmax=max{N1，N2，N3...N17}，其中N1表示一天24 h內(nèi)0：00～7：00時段內(nèi)的臭氧8 h滑動均值，N2表示一天24 h內(nèi)1：00-8：00時段內(nèi)的臭氧8 h滑動均值，以此內(nèi)推N17表示一天24 h內(nèi)16：00～23：00時段內(nèi)的臭氧8 h滑動均值，O3-8hmax表示臭氧日最大滑動均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 臭氧季均濃度變化分析

季均濃度分析表明：2018年長三角區(qū)域9個典型城市春季O3濃度在65 μg·m-3～88 μg·m-3，平均濃度為79 μg·m-3，變異系數(shù)（標(biāo)準(zhǔn)差/平均值）范圍在：0.43～0.77，其中東部地區(qū)（沿海城市）和北部地區(qū)（內(nèi)陸城市）春季臭氧濃度變化范圍分別在：80 μg·m-3～87 μg·m-3，65 μg·m-3～86 μg·m-3，變異系數(shù)分別為：0.43～0.53，0.49～0.77；夏季在60 μg·m-3～97 μg·m-3，平均濃度為81 μg·m-3，變異系數(shù)范圍：0.44～0.71，其中東部地區(qū)（沿海城市）和北部地區(qū)（內(nèi)陸城市）夏季臭氧濃度變化范圍分別在：60 μg·m-3～81 μg·m-3，78 μg·m-3～97 μg·m-3，變異系數(shù)分別為：0.44～0.64，0.55～0.71。

秋季在53 μg·m-3～74 μg·m-3，平均濃度為64 μg·m-3，變異系數(shù)范圍在：0.43～0.87，其中東部地區(qū)（沿海城市）和北部地區(qū)（內(nèi)陸城市）秋季臭氧濃度變化范圍分別在：58 μg·m-3～72 μg·m-3，53 μg·m-3～74 μg·m-3，變異系數(shù)分別為：0.43～0.72，0.47～0.87；冬季在31 μg·m-3～62 μg·m-3，平均濃度為45 μg·m-3，變異系數(shù)范圍在：0.39～0.78，變異系數(shù)范圍在：0.43～0.87，其中東部地區(qū)（沿海城市）和北部地區(qū)（內(nèi)陸城市）冬季臭氧濃度變化范圍分別在：41 μg·m-3～62 μg·m-3，31 μg·m-3～59 μg·m-3，變異系數(shù)分別為：0.39～0.70，0.49～0.78；由此可知，長三角地區(qū)臭氧濃度基本呈現(xiàn)夏季＞春季＞秋季＞冬季的季節(jié)變化特征；春秋冬三季臭氧濃度沿海城市，高于內(nèi)陸城市；夏季內(nèi)陸城市臭氧濃度高于沿海城市。且秋冬季臭氧濃度的變異系數(shù)較春夏大，說明臭氧濃度在春夏季隨時間變化的擾動較秋冬季大；通常情況下東部地區(qū)各季節(jié)的臭氧濃度變異系數(shù)較北部地區(qū)小，說明東部地區(qū)臭氧濃度變化幅度較北部地區(qū)小，隨時間的擾動弱。

2.2 臭氧月均濃度變化分析

月均濃度分析表明,如圖1所示：東部地區(qū)（上海市、寧波市、紹興市和舟山市）臭氧月均濃度27 μg·m-3～106 μg·m-3，北部地區(qū)（南京市、杭州市、合肥市、蕪湖市和安慶市）19 μg·m-3～116 μg·m-3，通常情況下長三角地區(qū)臭氧月均濃度變化主要呈“M”型雙峰值，高值從4月份開始持續(xù)到10月份結(jié)束，一般在1月份到第一個峰值之間臭氧濃度隨著溫度的升高而升高，在5月份或者6月份達(dá)到第一個峰值。達(dá)到峰值之后，長三角受季風(fēng)氣候影響，進(jìn)入“梅雨”季節(jié)，降水量增加，導(dǎo)致臭氧濃度逐漸下降，通常在7月降低到谷值，在達(dá)到谷值后，臭氧濃度開始上升，達(dá)到第二個峰值，之后臭氧濃度隨溫度的降低而降低。但是東部地區(qū)及北部地區(qū)由于地理位置存在一定的差異導(dǎo)致月均濃度變化均存在一定的一致性與差異性特征。

一致性主要表現(xiàn)為：1～7月份，O3月均濃度先升高后降低，7月份達(dá)到相對低值，10月份之后持續(xù)降低。升高的主要原因是本地O3前體物的排放在溫度逐漸升高，太陽輻射逐漸加強(qiáng)，光化學(xué)反應(yīng)加強(qiáng)條件下，二次轉(zhuǎn)化加快，O3濃度升高；降低的主要原因是7月份長三角區(qū)域為“梅雨”季節(jié)，降雨量增大，云層和降水對太陽輻射具有削弱作用，降低光化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)度。10月份后溫度降低，太陽輻射減弱，日照時間變短，光化學(xué)反應(yīng)變?nèi)?，不利于O3生成。

差異性主要表現(xiàn)為：7～10月份，東部地區(qū)和北部地區(qū)O3月均濃度變化存在明顯的差異，北部地區(qū)O3濃度下降更快，到9～10月份已經(jīng)明顯要比東部地區(qū)濃度更低。其主要原因一方面是由于東部地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度平均要高于北部地區(qū)，O3生成反應(yīng)的前體物濃度更高和大氣氧化性更強(qiáng)，另一方面，由于地理位置和海陸性質(zhì)有明顯差別，東部更靠近海洋，氣候相對溫暖濕潤，北部地區(qū)位于內(nèi)陸氣溫下降快，寒潮大風(fēng)天氣更多，使得O3能夠生成和積累的條件不足。

2.3 臭氧日最大8 h平均濃度變化分析

日最大8 h平均濃度分析表明（如圖2所示）：東部地區(qū)在5 μg·m-3～270 μg·m-3，平均濃度為93 μg·m-3，變異系數(shù)變化范圍為0.39～0.48；北部地區(qū)在5 μg·m-3～263 μg·m-3，平均濃度為102 μg·m-3，變異系數(shù)變化范圍為0.40～0.57；東部地區(qū)臭氧濃度的變化范圍較北部地區(qū)大，但是東部地區(qū)臭氧濃度均值較北部地區(qū)小，說明北部地區(qū)臭氧高濃度污染較為集中，而東部地區(qū)日最大8 h濃度隨時間變化的擾動性較北部地區(qū)弱。O3日最大8 h平均濃度東部地區(qū)和北部地區(qū)變化趨勢相似，大致呈現(xiàn)“M”型；超標(biāo)易發(fā)生在4～10月份（見表1），東部地區(qū)共超標(biāo)96 d，其中春季超標(biāo)49 d，夏季超標(biāo)30 d，秋季超標(biāo)17 d，分別占總超標(biāo)天數(shù)的51%、31.3%、17.7%，說明東部地區(qū)臭氧超標(biāo)主要集中在春季，夏季次之；此外，東部地區(qū)各城市的臭氧超標(biāo)率在3.3%～10.1%，其中上海市的臭氧超標(biāo)率最高舟山最低，且上海市夏季臭氧超標(biāo)率較高是導(dǎo)致東部地區(qū)夏季臭氧濃度超標(biāo)較高的主要貢獻(xiàn)城市。北部地區(qū)臭氧超標(biāo)總天數(shù)為230 d，其中春季超標(biāo)77 d，夏季超標(biāo)121 d，秋季超標(biāo)32 d，各季節(jié)臭氧超標(biāo)天數(shù)占總天數(shù)的比例分別為：33.5%、52.6%、13.9%，由此可見，北部地區(qū)臭氧超標(biāo)主要集中在夏季，春季次之；北部地區(qū)各地市臭氧超標(biāo)率為8.8%～16.4%，其中蕪湖、南京較高。東部地區(qū)超標(biāo)天數(shù)少于北部地區(qū)，主要是東部地區(qū)受海陸風(fēng)和海洋性季風(fēng)影響顯著，清潔的海洋氣團(tuán)對本地污染源有稀釋作用，而北部地區(qū)多處于內(nèi)陸，工業(yè)較集中，污染物排放量大，二轉(zhuǎn)化易造成O3超標(biāo)。東部地區(qū)臭氧超標(biāo)主要集中在春季，北部地區(qū)主要集中在夏季的主要原因是：在春季季風(fēng)有利于將內(nèi)陸城市和北方的大氣污染物向東南沿海地區(qū)輸送[5]，導(dǎo)致東部沿海城市臭氧濃度高于內(nèi)陸城市；而夏季海洋性季風(fēng)影響顯著，盛行偏南風(fēng)[10]，東部地區(qū)受到來自洋面的清潔空氣稀釋作用，臭氧濃度下降，北部地區(qū)處于內(nèi)陸，臭氧濃度維持較高水平。

表1 長三角9市2018年O3最大8 h平均濃度超標(biāo)頻次

圖1 東部地區(qū)與北部地區(qū)O3月均濃度變化對比分析圖

圖2 O3日最大8 h平均濃度變化趨勢圖

3 結(jié)語

長三角區(qū)域O3季均濃度春秋冬三季東部地區(qū)高于北部地區(qū)，而夏季北部地區(qū)高于東部地區(qū)。主要原因是季風(fēng)有利于將內(nèi)陸城市和北方的大氣污染物向東南沿海地區(qū)輸送，導(dǎo)致東部沿海城市O3濃度高于內(nèi)陸城市；而夏季海洋性季風(fēng)影響顯著，盛行偏南風(fēng)，東部地區(qū)受到來自洋面的清潔空氣稀釋作用，O3濃度下降，北部地區(qū)處于內(nèi)陸，O3濃度維持較高水平。

O3月均濃度東部地區(qū)與北部地區(qū)均存在一定的差異性與一致性。一致性主要體現(xiàn)在1～7月份，O3月均濃度先升高后降低，7月份達(dá)到相對低值后再回升，10月份之后持續(xù)降低。一般情況下O3濃度隨著日照強(qiáng)度增加而升高，7月份的低值主要是因為長三角區(qū)域為“梅雨”季節(jié)，云層和降水對太陽輻射具有削弱作用，降低光化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)度。差異性主要體現(xiàn)在7～10月份，北部地區(qū)城市O3濃度及其變化的一致性更強(qiáng)，而且在9月份之后濃度下降的速度和幅度相比東部地區(qū)更大。

O3日最大8 h平均濃度東部地區(qū)和北部地區(qū)變化趨勢相似，大致呈現(xiàn)“M”型，超標(biāo)易發(fā)生在4～10月份，且東部地區(qū)超標(biāo)天數(shù)少于北部地區(qū)。主要是東部地區(qū)受海陸風(fēng)和海洋性季風(fēng)影響顯著，清潔的海洋氣團(tuán)對本地污染源有稀釋作用，而北部地區(qū)多處于內(nèi)陸，工業(yè)較為集中，污染物排放量大，二次轉(zhuǎn)化后易造成O3超標(biāo)。