導(dǎo)語：臭氧污染特征與氣象因子的相關(guān)性研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：為研究承德市臭氧污染特征及與氣象因子相關(guān)性，采用2015-2019年承德市5個(gè)國控環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測站點(diǎn)O3連續(xù)小時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究.結(jié)果表明：近5年承德市環(huán)境空氣O3污染天數(shù)均超過100d，O3年均濃度值從2015年149μg/m3下降為2019年的126μg/m3.以臭氧為首要污染物的天數(shù)占總污染天數(shù)的比重呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，從2015年41.0%發(fā)展為2019年46.6%.O3濃度呈現(xiàn)春夏濃度較高，冬季濃度低的典型季節(jié)分布特征，夏季O3污染天數(shù)范圍為101-127d，并且污染天主要出現(xiàn)在4-9月.O3的日變化曲線呈單峰型分布，午后15:00左右出現(xiàn)峰值，NO2的變化趨勢(shì)與O3相反，二者的相關(guān)系數(shù)為-0.50.承德市區(qū)O3濃度空間分布呈現(xiàn)出西北高于其它地區(qū)的特征，各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)O3的高值濃度受到偏南風(fēng)和偏東風(fēng)的明顯影響.O3濃度與溫度呈現(xiàn)正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.76，與風(fēng)速和相對(duì)濕度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，在風(fēng)速小于1.8m/s時(shí)，O3濃度值常常高于100μg/m3.

關(guān)鍵詞：臭氧；承德；污染特征；氣象因子

近年來，隨著大氣環(huán)境污染物綜合治理工作的深入開展，顆粒物污染已經(jīng)得到有效的控制，《2013-2016年中國環(huán)境狀況公報(bào)》顯示，全國74個(gè)重點(diǎn)城市PM2.5質(zhì)量濃度均值與2013年相比下降了35%.目前，我國大氣污染從傳統(tǒng)的煤煙型向復(fù)合型污染轉(zhuǎn)變，全國74個(gè)重點(diǎn)城市的臭氧平均濃度從2013到2016年呈現(xiàn)逐年上升的趨勢(shì),臭氧成為繼顆粒物之后人們密切關(guān)注的另一種重要污染物.國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)臭氧污染問題開展了多方面的研究，如臭氧濃度受到氣象條件的較大影響，溫度、濕度、風(fēng)速和降水等條件均會(huì)影響O3的生成[1-2].除氣象條件外，O3濃度還與大氣能見度和前體物有關(guān)，即大氣氣溶膠對(duì)太陽紫外輻射的衰減作用可以使O3產(chǎn)率降低，同時(shí)高濃度的揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）和NOx是導(dǎo)致O3超標(biāo)的重要原因[3].國內(nèi)對(duì)O3的研究主要集中在京津冀、珠三角和長三角等發(fā)達(dá)地區(qū)，2008年由中國環(huán)境監(jiān)測總站組織的北京、上海、重慶、天津、沈陽、青島和廣東省針對(duì)臭氧污染監(jiān)測的結(jié)果顯示，北方城市夏季O3超標(biāo)天數(shù)較多，上海春季超標(biāo)天數(shù)較多，而廣東秋季超標(biāo)天數(shù)最多[4].承德地理位置與京津緊密相連，是河北省與北京的重要門戶，是保障京津生態(tài)安全的天然屏障.盡管承德市的環(huán)境空氣質(zhì)量處于河北省排名靠前位置，但是承德市狹長的山谷地形不利于污染物擴(kuò)散，輕度污染以上天數(shù)占全年天數(shù)的三分之一左右.近年來，承德市的臭氧污染問題越來越突出，臭氧污染占總污染天數(shù)的比重呈逐年增加趨勢(shì)，污染強(qiáng)度主要以輕度、中度為主.2019年，承德市聚焦重點(diǎn)污染因素和季節(jié)污染物特征，以“減煤、治企、控車、抑塵”為重點(diǎn)，持續(xù)開展大氣污染防治春季百日攻堅(jiān)和夏季大會(huì)戰(zhàn)行動(dòng)；啟動(dòng)了中灤煤化工2臺(tái)落后產(chǎn)能設(shè)備取締工作，完成鋼鐵、焦化、電力行業(yè)深度整治項(xiàng)目14個(gè)；淘汰35蒸噸/h及以下燃煤鍋爐2251臺(tái)，完成35蒸噸/h以上超低排放改造27臺(tái)；壓減焦炭產(chǎn)能59萬t；完成燃?xì)忮仩t低氮燃燒改造87臺(tái)，治理揮發(fā)性有機(jī)物企業(yè)26家，實(shí)施重型運(yùn)輸車輛禁限行；推廣新能源汽車882輛，淘汰國二、國三排放標(biāo)準(zhǔn)柴油貨車1212輛，一系列政府行動(dòng)大大減少了VOCs、氮氧化物等臭氧前體物的濃度，進(jìn)而改善了臭氧污染現(xiàn)狀.本研究對(duì)承德市近5年的O3濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并結(jié)合氣象數(shù)據(jù)，探究承德地區(qū)O3的污染特征及影響因素，為O3污染防控提供科學(xué)依據(jù).

1研究區(qū)域概況

承德市位于河北省東北部，東壤遼寧，南鄰北京、天津、秦皇島、唐山，西顧張家口，北倚內(nèi)蒙，是燕山腹地的重要城市.承德市屬于季風(fēng)氣候區(qū)，全年最多風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，年均風(fēng)速為1.4-4.3m/s，年均氣溫范圍為3-17℃，年均降雨量402.3-882.6mm.

2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取與評(píng)價(jià)規(guī)則

2.1環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取文中所用O3和NO2監(jiān)測數(shù)據(jù)（2015-2019年）來源于全國城市空氣質(zhì)量實(shí)施平臺(tái)，選取承德市區(qū)5個(gè)環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測國控站點(diǎn)作為研究對(duì)象，分別是位于北部的離宮監(jiān)測站（117.94°E，41.01°N,位于承德市中心北部，無施工揚(yáng)塵，車流量較少，植被覆蓋率高，空氣質(zhì)量好）、中部的中國銀行監(jiān)測點(diǎn)（117.95°E，40.98°N,位于市中心，是承德市的商業(yè)中心，附近車流量和人流量較大）、西部的文化中心監(jiān)測點(diǎn)（117.82°E，40.97°N，位于雙灤區(qū)建設(shè)局附近）、南部的開發(fā)區(qū)監(jiān)測點(diǎn)（117.96°E，40.94°N，處于開發(fā)建設(shè)階段，施工和在建項(xiàng)目較多，同時(shí)進(jìn)出居民區(qū)的車流量也較大）和鐵路監(jiān)測點(diǎn)（117.97°E，40.92°N，位于雙橋區(qū)立交橋附近，毗鄰承德南互通樞紐站，車流量非常大）.2.2觀測儀器承德市5個(gè)站點(diǎn)O3監(jiān)測儀器均為美國熱電環(huán)境儀器公司ThermoFisher生產(chǎn)的49CO3分析儀，檢測方法為紫外光度法，原理為O3分子吸收波長為254nm的紫外光，根據(jù)檢測樣品通過紫外光時(shí)被吸收的程度來計(jì)算出O3的體積分?jǐn)?shù).NO2監(jiān)測儀器為ThermoFisher42C基于化學(xué)發(fā)光法的NO-NO2-NOx分析儀.根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定》（HJ633-2012）分級(jí)方法，O3最大8h滑動(dòng)平均（O3-8h）>160μg/m3為O3超標(biāo)日.地面氣象資料使用監(jiān)測站氣象參數(shù)逐小時(shí)觀測資料.本研究中相關(guān)系數(shù)的評(píng)價(jià)規(guī)則為，高度正相關(guān)：1.000-0.500；中度正相關(guān)：0.499-0.300；低度正相關(guān)：0.299-0.000；低度負(fù)相關(guān)：0.000-（-0.299）；中度負(fù)相關(guān)：（-0.300）-（-0.499）；高度負(fù)相關(guān)：（-0.500）-（-1.000）.

3結(jié)果分析

3.1承德市O3年變化特征2016-2019年，PM2.5年均濃度呈現(xiàn)逐年下降的趨勢(shì)，顆粒物年均濃度分別為39.5、34.3、29.1和29.33μg/m3，以顆粒物為首要污染物的天數(shù)呈逐年減少的趨勢(shì).與顆粒物污染相反，以O(shè)3為首要污染物污的天數(shù)占總污染天數(shù)的比重呈逐年增加趨勢(shì)，臭氧污染形式日益嚴(yán)重.圖1顯示了2015-2019年O3濃度的變化以及以O(shè)3為首要污染物占全年總污染天數(shù)的百分比.2015-2018年承德市O3濃度年均值分別為149、142、132和137μg/m3臭氧濃度年均值整體呈下降趨勢(shì).2017年承德市以O(shè)3為首要污染物的天數(shù)為113天，占全年總污染天數(shù)的39%，低于PM2.5和PM10的60%.2018年承德市O3年均濃度較2017年略有上升，以O(shè)3為首要污染物的天數(shù)占總污染天數(shù)基本與2017年持平，為40%.由于承德市在2019年開展了大氣污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)、同時(shí)啟動(dòng)了煤化工企業(yè)落后產(chǎn)能設(shè)備取締工作、實(shí)施了鋼鐵、焦化、電力行業(yè)深度整治項(xiàng)目、從嚴(yán)治理揮發(fā)性有機(jī)物企業(yè)、淘汰老舊機(jī)動(dòng)車和全面供應(yīng)國六標(biāo)準(zhǔn)的車用汽柴油、嚴(yán)厲打擊黑加油站點(diǎn)等一系列污染防治措施，2019年臭氧濃度較前4年有較大幅度下降，O3年均濃度為126μg/m3，然而以臭氧為首要污染物的天數(shù)占總污染天數(shù)上升到46%，稍低于顆粒物的49%.3.2承德市O3季節(jié)變化特征承德市四季分明，考慮到O3的光化學(xué)反應(yīng)受到氣象因素的影響，因此其在各季節(jié)的變化特征也有所不同，據(jù)此對(duì)近年來不同季節(jié)變化加以分析（見圖2）.2015-2019年承德市O3濃度呈現(xiàn)春夏兩季高，秋冬兩季低的特征，表現(xiàn)為夏季>春季>秋季>冬季，這一變化特征與承德市溫度變化趨勢(shì)比較一致，呈現(xiàn)典型的季節(jié)分布特征.O3的生成對(duì)溫度比較敏感，夏季高溫、陽光照射最強(qiáng)，O3具有全年最高濃度值，2015-2019年O3夏季濃度范圍為170.2-210.3μg/m3，均超過《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095-2012）的二級(jí)濃度限值的要求.由于冬季太陽輻射減弱，生成O3的光化學(xué)反應(yīng)能力降低，而且冬季處于供暖季容易發(fā)生霧霾等空氣污染，導(dǎo)致空氣能見度低從而紫外線輻射減少，因此O3濃度相比于夏季明顯降低，近5年O3冬季濃度范圍為96.7-120.7μg/m3.春季O3的高峰現(xiàn)象可能由春季多發(fā)“對(duì)流層頂折疊”現(xiàn)象及對(duì)流層上部高濃度O3通過沉降和平流作用向下輸送所造成[5].3.3承德市O3月變化特征2015-2019年，承德市臭氧月平均濃度具有比較一致的單峰分布特征（見圖3），O3污染主要集中在4-9月，6月達(dá)到最大濃度（199-238μg/m3），冬季濃度低，到12月份達(dá)到谷底（65-72μg/m3）.值得注意的是2018年4月份，承德市區(qū)和下轄各縣均出現(xiàn)臭氧濃度超標(biāo)的異常現(xiàn)象，12個(gè)縣（市）區(qū)首要污染物均為O3，造成2018年臭氧年均濃度高于2017年.主要原因是我國O3污染呈現(xiàn)連片式、區(qū)域性污染特征，主要集中在遼寧中南部、京津冀及周邊、長三角、武漢城市群、陜西關(guān)中地區(qū)及成渝、珠三角區(qū)域.2018年1-4月，全國338城市O3-8h平均濃度分別為86、104、134、157μg/m3，呈逐月升高趨勢(shì).承德毗鄰北京，位于山谷地形區(qū)域，受到區(qū)域性污染物傳輸及不利氣象條件的影響，承德市2018年4月的O3濃度出現(xiàn)較大幅度反彈.比較近五年來臭氧各月超標(biāo)天數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果（見圖4），可以發(fā)現(xiàn)每年的1、2、11、12月均無臭氧污染天數(shù).O3污染主要集中在4-9月，污染天數(shù)分別為117（2015）、127（2016）、110（2017）、101（2018）和113d（2019），污染日數(shù)較多集中在5-7月.其中，2019年3、4月超標(biāo)天數(shù)較2018年同期天數(shù)有所下降，6、8月基本持平，而5、7、9月和10月的O3超標(biāo)天數(shù)均有增加.3.4承德市O3日變化特征O3的生成主要受到NO、NO2和VOCs等前體物的影響，本文未監(jiān)測大氣中的VOCs的濃度，僅討論NO、NO2濃度與O3濃度的變化關(guān)系.NO2的光化學(xué)反應(yīng)對(duì)于O3的生成具有促進(jìn)作用，而NO的光化學(xué)反應(yīng)會(huì)將O3分解為O2，NOx的光化學(xué)反應(yīng)機(jī)理見式（1）-（3）：光化學(xué)反應(yīng)消耗NO2，NO2參與O3生成后，NO2濃度會(huì)逐漸降低,NO2為O3生成的前體物，高濃度的NO2有利于O3的生成.在市區(qū)由于機(jī)動(dòng)車排放的影響，導(dǎo)致NO2濃度較高.在光化學(xué)反應(yīng)的過程中，NO2作為前體物，濃度會(huì)逐漸降低，而O3的濃度會(huì)逐漸升高，二者之間濃度的變化趨勢(shì)是相反的，因此相關(guān)性是負(fù)相關(guān).在避暑山莊，機(jī)動(dòng)車的影響較小，NO2的濃度較低，環(huán)境溫度也低于市區(qū)，導(dǎo)致光化學(xué)反應(yīng)速率較慢，O3的生成濃度明顯受到低濃度NO2的影響.圖5a顯示NO2的日變化呈現(xiàn)“雙峰”分布特征，由于受到早高峰時(shí)段機(jī)動(dòng)車排放大量的NO在大氣中發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)的影響，NO2第一個(gè)峰值出現(xiàn)在上午9:00-10:00左右.隨后NO2隨著太陽輻射增強(qiáng)而逐漸光解，加之上午邊界層抬升有利于污染物的擴(kuò)散，使得NO2濃度在上午10:00以后逐漸降低，至下午16:00呈現(xiàn)谷值.隨著晚高峰的出現(xiàn)，機(jī)動(dòng)車排放大量的NO致使NO2濃度再一次升高，同時(shí)由于夜間邊界層高度降低低和光解反應(yīng)停滯，不利于NO2的擴(kuò)散和消耗，使得夜間NO2在00:00左右出現(xiàn)第二個(gè)峰值.承德市O3濃度日變化曲線（圖5a）呈現(xiàn)單峰變化特征，與其他文獻(xiàn)所述臭氧日變化特點(diǎn)基本一致[6-7]，O3濃度與NO2和NO濃度的相關(guān)系數(shù)r分別為-0.5和-0.65（圖5b）.夜間至次日清晨(00:00-8:00)，O3濃度維持在較低水平（46.3-67.3μg/m3），并保持較小的變化幅度.O3濃度在夜間較低，主要是由于夜間缺少太陽輻射，大氣中通過光化學(xué)反應(yīng)生成O3的速率很小；另一方面是由于混合層近地面的NO不斷消耗O3，使其濃度不斷降低.在清晨8:00左右，在太陽光持續(xù)照射下，紫外輻射增強(qiáng)，NO2的光化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致O3濃度逐漸上升，至午后15:00達(dá)到峰值（134.0μg/m3），之后隨著光照和紫外輻射減弱，O3濃度逐漸降低，直到夜間維持在較低水平.3.5承德市O3污染空間分布特征利用插值法對(duì)承德市區(qū)O3濃度空間分布進(jìn)行分析（見圖6），結(jié)果表明位于承德市區(qū)西北部雙灤經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)的文化中心監(jiān)測點(diǎn)的O3濃度最高，分別為160μg/m3（2019年）和180μg/m3（2018年），主要是由于文化中心監(jiān)測點(diǎn)緊鄰道路，同時(shí)承德市的主要鋼鐵企業(yè)、有色金屬企業(yè)、煤化工、熱電廠、礦山企業(yè)和機(jī)械制造業(yè)均分布在監(jiān)測站附近，眾多的VOCs排放企業(yè)和較大的車流量導(dǎo)致O3前體物濃度居高不下.承德市中心城區(qū)臭氧濃度相對(duì)較低，離宮監(jiān)測站點(diǎn)主要為風(fēng)景旅游區(qū)，周邊車流量較大但生產(chǎn)企業(yè)少，景區(qū)內(nèi)相對(duì)較低的NO2濃度和溫度不利于O3的生成，O3濃度略低于其它幾個(gè)監(jiān)測站點(diǎn).然而，受到周邊O3的傳輸以及景區(qū)內(nèi)茂盛植被釋放的大量烯烴類有機(jī)物是O3濃度居高不下的原因[8-9]，年均濃度分別達(dá)到154μg/m3（2019）和167μg/m3（2018）.鐵路監(jiān)測點(diǎn)位于工業(yè)區(qū)，由于受到進(jìn)出承德的主要高速公路及收費(fèi)站的影響，O3的年均濃度也較高，達(dá)到147μg/m3（2019）.雙橋區(qū)的中國銀行和開發(fā)區(qū)監(jiān)測點(diǎn)分別位于城市商業(yè)中心和承德東站汽車站附近，O3年均濃度低于文化中心，但高于離宮和鐵路站點(diǎn).3.6承德市O3濃度與氣象因素相關(guān)性分析O3為大氣光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物，O3濃度除了受到氣態(tài)前體物的影響，還受到氣象條件的影響，太陽輻照度、氣溫、濕度等氣象參數(shù)均是影響光化學(xué)反應(yīng)過程的因素.O3日均濃度氣溫呈現(xiàn)顯著的相關(guān)性（圖7a），相關(guān)性系數(shù)r為0.76，表明環(huán)境溫度升高有利于O3的生成，會(huì)使光化學(xué)反應(yīng)向著O3生成的方向移動(dòng).與氣溫相反，O3濃度與濕度呈現(xiàn)中等強(qiáng)度的負(fù)相關(guān)性，r為-0.44（圖7b）.O3隨著相對(duì)濕度的升高而降低，一方面是由于相對(duì)濕度增加導(dǎo)致環(huán)境空氣中的氣溶膠濃度增加，削弱光輻射；另一方面，相對(duì)濕度的增加會(huì)促進(jìn)O3的光解，造成O3濃度降低，光化學(xué)反應(yīng)方程式如下：O3+H2O+hν→O2+2OH(4)風(fēng)速會(huì)影響O3的區(qū)域傳輸和累積擴(kuò)散，圖7c顯示O3濃度隨著風(fēng)速的增加而逐漸下降，高于100μg/m3的O3濃度值分布在平均風(fēng)速低于1.8m/s的區(qū)域內(nèi)，而風(fēng)速大于1.8m/s時(shí)O3濃度常常低于80μg/m3.風(fēng)向主要影響O3的傳輸方向，圖8顯示了各個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)O3濃度在不同風(fēng)向下的分布.各個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)的O3來源稍有不同，文化中心和鐵路監(jiān)測站點(diǎn)的O3濃度受到偏南方向傳輸?shù)挠绊懀谄巷L(fēng)下出現(xiàn)高值.值得注意的是，2個(gè)站點(diǎn)的O3濃度同時(shí)也受到偏東風(fēng)傳輸?shù)妮^大影響.開發(fā)區(qū)監(jiān)測點(diǎn)受到西南方向O3來源的影響較大，中國銀行O3濃度在東南風(fēng)的影響下獲得高值，而離宮監(jiān)測點(diǎn)在偏東風(fēng)下獲得高值.4結(jié)論（1）承德市2015-2019年O3濃度整體呈逐年降低趨勢(shì)，但是以O(shè)3為首要污染物的天數(shù)占總污染天數(shù)的比重有所增加.O3呈現(xiàn)夏季>春季>秋季>冬季的特點(diǎn).O3在5-7月的濃度最高，月均濃度均超過180μg/m3，而在10-2月的濃度值最低，月均濃度低于100μg/m3.（2）O3的24h日變化曲線呈單峰型分布，日出前后6:00左右濃度最低，午后15:00左右濃度最高.NO2的日變化濃度與O3呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)，二者的相關(guān)系數(shù)r達(dá)到-0.50.（3）O3濃度空間分布呈現(xiàn)西北部濃度高，中心城區(qū)濃度較低的特征，O3的高值濃度在各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)受到偏東風(fēng)和偏南風(fēng)的影響較大.（4）氣象因素對(duì)O3濃度有較大的影響，O3與溫度和相對(duì)濕度的相關(guān)系數(shù)分別為0.76和-0.44，即溫度越高，風(fēng)速和相對(duì)濕度越小，O3濃度越容易出現(xiàn)高值.

作者:呂瑞鶴 張進(jìn)生 薛艷龍 江曉暢 黃鳳霞 單位:1.河北科技師范學(xué)院 海洋資源與環(huán)境學(xué)院 2.南開大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院國家環(huán)境保護(hù)城市空氣顆粒物污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3.承德市環(huán)境科學(xué)研究院