近地面O3濃度變化特征分析
——以長沙市天心區(qū)為例

劉燦 曾珊珊 張伏中

1. 長沙市天心區(qū)委員會辦公室 湖南 長沙 410004；

2. 株洲市生態(tài)環(huán)境事務中心 湖南 株洲 412000；

3. 湖南省環(huán)境保護科學研究院 湖南 長沙 410004

引言

近年來，隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，大氣污染逐漸由顆粒物污染為主要因子的氣溶膠污染向光化學污染過渡，引起了廣泛關注[1]。O3是大氣環(huán)境中重要的化學物質之一，是光化學煙霧的特征污染物之一[2-3]，具有非常強的氧化性，對大氣輻射、生態(tài)環(huán)境和人體健康等具有重要影響[4-5]。研究表明近地面O3主要來源于大氣中揮發(fā)性有機物（VOCs）和氮氧化物（NOx）在紫外線光照條件下發(fā)生反應生成的二次污染物[6]。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，機動車總量高速增長，O3污染問題日益凸顯。2019年，全國337個城市中有30%的城市O3超標，其中京津冀和長三角區(qū)域O3污染尤為突出。2019年，全國以O3為首要污染物的超標天數(shù)占總超標天數(shù)的41.8%，僅次于占比45%的PM2.5[7]。

長沙市天心區(qū)國控站點位于天心區(qū)政府辦公樓頂，為長沙市10個環(huán)境空氣國控站點的最南端，受北邊傳輸影響明顯。文章利用2017-2020年天心區(qū)國控站點O3監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了天心區(qū)近地面O3濃度變化特征，O3與風向、濕度氣象因子的相關性以及空氣質量綜合指數(shù)各污染物占比情況。

1 實驗部分

1.1 監(jiān)測點位

監(jiān)測點為長沙市天心區(qū)環(huán)境空氣質量國控點，位于長沙市天心區(qū)湘府中路298號，天心區(qū)政府辦公大樓南棟樓頂（東經(jīng)112.9963 北緯28.1198）。

1.2 監(jiān)測項目及方法

O3分析儀連續(xù)24小時工作，采樣頻率每分鐘一次，監(jiān)測數(shù)據(jù)由分析儀自動記錄。日常檢查維護按照《環(huán)境空氣自動檢測技術規(guī)范》（HJ/T193-2005）執(zhí)行，確保分析數(shù)據(jù)的準確有效。

1.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)及統(tǒng)計方法

數(shù)據(jù)有效性按照《環(huán)境空氣質量標準》（GB3095-2012）要求執(zhí)行，選取2017-2020年長沙市天心區(qū)O3有效監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用excel軟件進行數(shù)據(jù)處理和繪圖。

2 結果與討論

2.1 O3濃度的時間分布特征

2.1.1 O3小時平均濃度日變化規(guī)律。2017-2020年O3小時濃度在一天中呈明顯的單峰變化規(guī)律，4年來的濃度變化幅度不大。夜間O3濃度變化平緩，一般在早上8：00達到全天的最低值，O3生成的前體物在夜間逐漸累積，日出后隨著太陽輻射的逐漸增強，大氣光化學反應逐漸加強，O3濃度逐漸升高，到15：00-17：00期間達到最高值，2017年-2020年O3最高值分別出現(xiàn)在16：00、15：00、15：00、17：00，分別為95μg/m3、100μg/m3、99μg/m3、97μg/m3。綜上，近地面O3濃度與太陽輻射強度密切相關。

2.1.2 O3月濃度變化規(guī)律。2017-2020年O3濃度逐月變化如圖1所示，2017年-2020年O3月濃度值最高值分別出現(xiàn)在5月、6月、9月、5月，分別為188μg/m3、187μg/m3、207μg/m3、191μg/m3，最低值分別出現(xiàn)在12月、12月、1月、12月，分別為87μg/m3、65μg/m3、69μg/m3、83μg/m3。

圖1 2017-2020年O3月濃度變化圖

2.2 O3污染等級分布情況

通過統(tǒng)計2017-2020年天心區(qū)O3為首要污染物的污染天數(shù)得知，4-10月為O3污染的高發(fā)期。2017-2020年O3超標污染天分別為24天、23天、54天、17天。2017年在4月28日首次出現(xiàn)O3污染天，2018年在3月31日首次出現(xiàn)O3污染天，2019年在5月10日首次出現(xiàn)O3污染天，2020年在4月9日首次出現(xiàn)O3污染天且O3污染天主要集中在4-5月，O3污染呈現(xiàn)了出現(xiàn)時間越來越早、濃度越來越高、污染越來越嚴重的趨勢。

2.3 O3污染高發(fā)期（4月-10月）O3濃度與風向相關性分析

通過對2017-2020年O3污染高發(fā)期（4月-10月）O3濃度分布與風向相關性分析可知，2017年O3高值集中在西南方向和東方向，2018年O3高值主要集中在北方向，2019年O3高值集中在北方向、東北方向、東方向和南方向，2020年O3高值集中在西北方向和北方向。綜上可知，近4年來天心區(qū)O3高值在刮北風向、西北風向出現(xiàn)頻率較高。

2.4 O3污染高發(fā)期（4-10月）O3濃度與濕度相關性分析

通過對2017-2020年O3污染高發(fā)期O3濃度與濕度相關性分析可知，2017-2020年O3出現(xiàn)高值的濕度范圍逐漸擴張，說明天心區(qū)O3前體物逐年增加，造成O3高值區(qū)域增加。同時，濕度在20%~60%之間O3高值分布較多，且濕度越低，O3值越高。

2.5 O3污染高發(fā)期（4-10月）空氣質量綜合指數(shù)分析

2017-2020年4月至10月期間，O3污染高發(fā)期天心區(qū)空氣質量綜合指數(shù)中O3的占比分別為26.42%、27.79%、29.52%、30.37%，且O3的綜合指數(shù)占比在6項污染物中排名第一，占比呈逐年增長趨勢，由2017年的26.42%上漲至2020年的30.37%，提升了3.95%，表明天心區(qū)O3污染逐年加重。

3 結束語

2017-2020年長沙市天心區(qū)O3小時平均濃度呈現(xiàn)明顯的單峰變化規(guī)律，峰值出現(xiàn)在15：00-17：00；2017-2020年O3月濃度高值集中在4-10月，峰值出現(xiàn)在5月、6月和9月，低值出現(xiàn)在1月和12月。

2017-2018年長沙市天心區(qū)O3污染超標天數(shù)保持相對平穩(wěn)，2019年爆發(fā)式增長，2020年受疫情和較多臺風影響有所緩解。O3污染呈現(xiàn)了出現(xiàn)時間越來越早、濃度越來越高、污染越來越嚴重的趨勢。

2017-2020年長沙市天心區(qū)O3高值在刮北風向、西北風向出現(xiàn)頻率較高； O3高值出現(xiàn)的濕度范圍逐年擴張，O3前體物逐年增加；濕度在20%~60%之間O3高值分布較多，濕度越低，O3值越高。

2017-2020年（4月-10月）長沙市天心區(qū)O3的綜合指數(shù)占比在6項污染物中排名第一，占比逐年提升，O3污染逐年加重。