试论秦皇岛地区臭氧浓度变化特点及影响因素

　　下面文章遵照《环境空气质量标准》中数据有效性的相关规定，对秦皇岛市2014—2017年的臭氧监测数据进行分析。结果发现：臭氧浓度值空间变化不明显。日变化呈现明显的单峰特征，2015—2017年的年均值呈逐年上升趋势，超标值多出现在6月—8月。夏季O3-8h与日平均气温相关系数较高，臭氧污染多发生在气温高于20℃的地区;与风向的相关性较弱，西南偏南风向时容易出现高浓度臭氧。当气温大于10℃时，在不同的温度区间内，臭氧与PM2.5呈正相关性。

　　关键词：臭氧,污染特征,气象因子,秦皇岛市

　　臭氧作为大气中微量气体元素之一，主要存在于大气层的平流层中，可以起到保护地球生物和阻挡紫外线等作用;然而在近地面过量的臭氧却对人体健康及植被、农作物有严重损害，破坏生态环境，是一种污染物质。高浓度臭氧对人的眼睛和呼吸道有很强的刺激性，可能会造成哮喘病人出现严重的呼吸问题，还会破坏人体的免疫机能，加速人体机能衰老并且损害肺功能等，臭氧的危害必须引起人类的高度重视。近年来，近地面环境空气的臭氧污染问题日益突出，尤其在京津冀地区，臭氧已经成为主要污染物之一。

　　随着《环境空气质量标准》(GB3095—2012)(以下简称《标准》)的逐步实施，许多城市已经开展臭氧监测及其污染特征的分析。京津冀地区处于亚热带地区，尤其在夏季太阳辐射较强烈，臭氧污染较突出。根据生态环境部每月公布的74个全国重点环保城市空气质量监测情况报告的数据可知，与2013年相比，京津冀地区臭氧的年平均浓度上升了6.7μg/m3，上升幅度为13.3%。因此，开展环境空气近地面中的臭氧浓度规律的调查研究，降低臭氧浓度值水平迫在眉睫。本研究对秦皇岛市建成区近地面臭氧浓度变化特征及相关气象因子进行分析，以期为该区域内的臭氧污染防治和研究服务。

　　1监测方法

　　1.1监测点位布设

　　秦皇岛市在城市建成区共有国、省控环境空气自动监测点位9个。环境空气自动监测主要监测项目有CO、SO2、NO2、O3、PM10、PM2.5。

　　1.2监测方法和仪器

　　秦皇岛市9个大气自动监测点位均使用河北先河环保科技股份有限公司提供的设备，其中包括SO2分析仪S50、NOx分析仪S40、O3分析仪S10、CO分析仪S30、PM10颗粒物监测仪XHPM2000E、PM2.5颗粒物监测仪XHPM2000E、多参数动态气体校准仪XHCAL2000、零气发生器XHZ2000、气象仪五参数VantagePro2、城市环境摄像系统(先河)等仪器。臭氧自动监测仪采样紫外光度法，采样频次为24h自动连续监测。

　　1.3监测结果统计方法

　　按《标准》中对数据有效性的相关规定进行数据统计和计算，按照相应的标准值进行评价分析。臭氧日最大8h滑动均值(O3-8h)的日超标标准值为160μg/m3。

　　1.4监测质量控制保证

　　臭氧项目的监测过程中，质量控制和质量保证工作参照河北省秦皇岛环境监测中心《程序文件》中自动监测工作程序、运行管理作用指定书等文件的要求进行，监督第三方运行人员做好零点/跨度检查及校准、精度检查、多点校准、O3标准和流量传递认证等工作。

　　2结果与分析

　　根据《标准》规定，臭氧的年评价指标为全年臭氧日最大8h滑动均值(O3-8h)第90百分位数<规定标准限值160μg/m3。汇总秦皇岛市各点位数值对全市的臭氧浓度变化情况进行评价分析。2014—2017年O3-8h的年评价值分别为113μg/m3、107μg/m3、149μg/m3、170μg/m3。除了2017年超标外，其他年份均达标。2015—2017年的年均值呈逐年上升趋势，上升幅度分别为39.3%、14.1%。

　　2.1时间变化特征

　　2.1.1月际变化特征

　　秦皇岛市2014—2017年臭氧日最大8h滑动均值每年不同浓度区间月，臭氧超标多出现在6月—9月。3月—4月的初春季节也可能出现臭氧污染，这与太阳辐射逐步增强、未进入汛期、降雨量不足有关，目前对于这个时段的污染成因还没有十分成熟的科学结论[1]。

　　2.1.2日际变化特征

　　在不同季节，温度、光照等自然因素变化情况存在很大差异，臭氧浓度变化也有相应的差异存在。结合京津冀地区季节变化的实际情况，将2017年划分为3月—5月、6月—8月、9月—11月、12月—次年2月共4个时间段，对秦皇岛市建成区内臭氧24h的变化情况进行统计分析。秦皇岛市2017年不同季节的小时均值臭氧，在不同季节里臭氧小时浓度平均值在一天中均呈单峰单谷型规律变化，14:00—17:00达到浓度峰值，5:00—7:00达到浓度谷值，夜晚浓度较低且变化幅度平缓。

　　秦皇岛市臭氧浓度日循环变化规律大致与珠江三角城市[2]、上海市[3]和大连市[4]臭氧单日循环规律相同。秦皇岛市臭氧浓度日变化基本存在四个阶段，即前夜累积阶段，主要指日出前，臭氧随着时间变化的幅度较小，浓度值基本呈缓慢下降的趋势阶段;浓度抑制阶段，主要指日出后，臭氧开始形成，但因太阳紫外线较弱，同时随着早高峰带来的臭氧前提物浓度升高，消耗了部分臭氧，使其在6:00—7:00出现一天中的谷值阶段;光化学生成阶段，主要指随着太阳辐射的增强和气温的升高，臭氧浓度值逐步上升出现一天中的峰值阶段;浓度消耗阶段，主要指夜间，随着太阳辐射的变弱和还原物质对臭氧的消耗，臭氧浓度值开始下降的阶段。

　　臭氧总浓度值在6月—8月为全年最高，12月—次年2月份为全年最低，全年浓度值按由大到小排列为6月—8月>3月—5月>9月—11月>12月—次年2月，符合夏季高、冬季低的典型特征;6月—9月和9月—11月的日最大值出现时间均为16:00左右，3月—5月和12月—次年2月的出现时间均为15:00左右。“臭氧周末效应”指的是臭氧前体物质周末的浓度水平相比工作日有所降低，但臭氧浓度值却增加的一种反比现象。自1970年起，该现象就在很多的臭氧研究观测中得到验证，国外有法国[5]、加拿大、美国[6]的部分城市，国内有北京[7]、上海[3]、济南[8]等城市。

　　3臭氧与主要因子的相关性分析

　　近地面空气中的臭氧主要来源于人类活动，但臭氧浓度变化与气温、风向以及PM2.5浓度变化密切相关。

　　3.1臭氧与气温的关系

　　秦皇岛市臭氧日最大8h滑动均值与日平均气温相关性系数为0.527，呈显著正相关。将一年分为春季3月—5月、夏季6月—8月、秋季9月—11月、冬季11月—次年2月分别进行臭氧日最大8h滑动均值与日平均气温相关性分析。夏季的相关系数最高为0.820，呈显著正相关。当气温大于20℃时，臭氧浓度对温度的敏感性明显升高，表面太阳辐射达到一定强度后对臭氧的产生有较大影响。臭氧污染主要出现在夏季，春季气温处于上升阶段，臭氧污染也时有发生。秋冬季节气温较低，无臭氧污染出现。

　　3.2臭氧与风向关系

　　秦皇岛市臭氧日最大8h滑动平均值与风向的相关性系数为0.376，相关性较弱。秦皇岛市冬季盛行风向以东北风为主，夏季盛行风向以西南风为主。高浓度臭氧容易产生在风向为东南或西南方向时，与夏季盛行西南风且臭氧浓度相对偏高的现象相符。

　　3.3臭氧与PM2.5的关系

　　秦皇岛市臭氧日最大8h滑动平均值与PM2.5浓度的相关性系数为-0.030，呈显著不相关。臭氧与PM2.5无明显的相关。根据不同气温区间划分后发现，两者存在一定的非线性关系。气温越高PM2.5浓度值越低，臭氧浓度值越大。当气温大于10℃时，不同的温度区间内，臭氧与PM2.5存在正相关性。臭氧为二次污染物，二次转化也是PM2.5的主要来源，细颗粒物通过影响光辐射通量来影响光化学反应过程与臭氧的形成;光化学反应在产生臭氧的同时也产生二次颗粒物[9]。

　　4结论

　　秦皇岛市臭氧浓度空间分布差异较小。在时间分布上自2015年起臭氧浓度均值呈逐年上升趋势，至2017年评价值超标，超标浓度多出现在6月—8月。秦皇岛市臭氧浓度日变化呈现明显的单峰特征，最低值一般出现在6:00—7:00，最高值一般出现在15:00—16:00。臭氧浓度日循环规律存在前夜累计、臭氧抑制、光化学生成和臭氧消耗四个阶段。

　　“臭氧周末效应”现象不明显。臭氧日最大8h滑动平均值与气温相关性系数为0.527，呈显著正相关。当气温大于20℃时，臭氧浓度值对于温度变化的敏感明显增高。晚春季节虽然气温不如夏季高，但出现污染的几率较高。O3-8h与风向的相关性系数为0.376，相关性较弱。夏季盛行西南风时，容易产生浓度高值。臭氧浓度值随气温的升高、PM2.5浓度值降低而增大。当气温大于10℃时，臭氧与PM2.5存在正相关性。

　　参考文献

　　[1]单文坡.大气臭氧浓度变化规律及相关影响因素研究[D].济南：山东大学，2006.

　　[2]段玉森，张懿华，王东方，等.我国部分城市臭氧污染时空分布特征分析[J].环境监测管理与技术，2011，23(增刊)：34-39.

　　[3]唐文苑，赵春生，耿福海，等.上海地区臭氧周末效应研究[J].中国科学(D辑：地球科学)，2009，39(1)：99-105.

　　[4]郑冬，李丹，纪德钰，等.大连市区近地面臭氧污染规律研究及与PM2.5等污染物的相关性分析[J].环境与可持续发展，2014，39(6)：177-180.

　　[5]PONTV，FONTANJ.ComparisonbetweenweekendandweekdayozoneconcentrationinlargecitiesinFrance[J].Atmosphericenvironment，2001，35(8)：1527-1535.

　　[6]LEBRONF.Acomparisonofweekend-weekdayozoneandhydrocarbonconcentrationsintheBaltimore-Washingtonmetropolitanarea[J].AtmosEnviron，1975，9(3)：861-863.

　　[7]王占山，李云婷，陈添，等.北京市臭氧的时空分布特征[J].环境科学，2014，35(12)：4446-4453.

　　[8]殷永泉，单文坡，纪霞，等.济南大气臭氧浓度变化规律[J].环境科学，2006，27(11)：2299-2302.

　　[9]黄艳玲，陈慧娴.佛山市臭氧浓度时间变化特征及主要影响因子[J].环境监控与预警，2017(1)：54-58

　　推荐期刊：《环境科学学报》是中国环境科学与环境工程领域最具影响力的优秀学术期刊之一，所发表的论文反映了中国相关研究领域优秀的研究成果。于1981年创刊，为月刊，由中国科学院生态环境研究中心主办，科学出版社出版。