2020, Vol. 45引用本文 |
| 武汉市O3时空分布及其影响因素分析 |  [PDF全文] |
臭氧(O3)是地球大气的微量组成成分，在平流层和对流层均有分布。由于O3具有强氧化性，可参与多种化学反应，因而近地面O3对人类健康、建筑材料等具有极大危害[1]。O3污染主要源于对流层中发生的光化学反应，该过程是指人类活动排放到大气中的碳氢化合物和氮氧化物等一次污染物在紫外光作用下发生化学反应生成以O3为主的二次污染物，这些污染物混合形成的有害淡蓝色烟雾被称为光化学烟雾。
近年来随着经济发展，我国O3污染问题也逐渐凸显。目前，对O3污染的研究较多集中于京津冀、长三角和珠三角区域[2-4]，对于华中地区的关注则相对较少。武汉市在近些年处于高速发展状态[5, 6]，面临的O3污染比较严峻，尤其在夏季O3污染频发[7]。本文基于相关数据，研究了武汉市O3污染的时空分布特征，初步分析了O3浓度与气象要素、部分大气污染物之间的相关性，为治理O3污染提供了理论参考。
1 武汉O3污染时空分布特征大气污染物浓度数据：本文涉及到的大气污染物包括O3、CO、NO2、PM2.5、PM10等5种，其监测数据由武汉市21个监测点提供，分为日数据和小时数据。根据《环境空气质量标准》(GB3095-2012)，O3的日数据用日最大8 h平均浓度值代表，其他4种污染物日数据则使用24 h平均浓度值表示，另外本文中涉及到的各污染物月平均、季平均浓度计算方式以及超标界定均参考该标准，武汉市整体O3浓度则使用所有大气监测点O3数据的平均值来表示。
气象数据：从中国气象数据网下载“中国地面国际交换站气候资料日值数据集(V3.0)”，从中筛选出武汉站点的气象观测数据，包括日照时长、日均气温、日均风速和日均相对湿度。以上数据时间范围为2018-01~2019-02。
1.1 时间分布选取2018年1月至12月武汉各监测点O3日数据，计算武汉市O3月平均浓度，统计每月超标天数(O3日超标定义为日最大8 h平均浓度大于160 μg/m3)，结果如图 1所示。
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| 图 1 2018年武汉市O3月平均浓度与超标天数 Fig.1 Average Monthly Concentration of O3 and Over-Standard Days in Wuhan in 2018 |
从图 1中可以看出，武汉市O3月平均浓度和超标天数最高峰都出现在6月，分别达到149.62 μg/m3和20 d。从全年来看，O3浓度和超标天数的变化趋势较为一致：1~4月是上升期，O3月均浓度由52.6 μg/m3增长到114.88 μg/m3，月超标天数由0增长到17 d/月，上升幅度较大; 4~10月是O3月平均浓度、月超标天数的高峰时期，分别稳定在114~150 μg/m3、10~20 d/月，主要因为该时间段武汉市太阳辐射强度大、温度高，因此光化学反应强烈，O3生成速率快; 10~12月由于晚秋和冬季到来，太阳辐射开始下降，光化学反应减弱，O3浓度降至37.08 μg/m3，月超标天数也下降为0。
已有研究表明，O3浓度在一天内随时间推移会呈现出比较明显的变化规律[8]。由图 1可知，2018年武汉市夏季(6~8月)O3污染相对其他季节更为突出。因此本文选择6~8月O3小时数据，取每天同时刻的O3浓度计算平均值，结果如图 2所示。
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| 图 2 2018年武汉市夏季O3小时浓度变化 Fig.2 Hourly Variation of O3 Concentration in Wuhan in Summer of 2018 |
图 2显示武汉O3日浓度呈“单峰型”特点，峰值出现在白天午后。结合具体时间阶段来看，20点到次日6点是O3稳定低浓度阶段，此阶段由于缺少阳光辐射，光化学反应发生的条件不足，故而缺乏O3的主要生成途径，O3生成量低; 6点到8点是O3浓度轻微下降阶段，该时段人类活动开始增加，以汽车尾气和工厂为主要方式的NO、NO2、碳氢化合物(HC)等排放量迅猛提升，此时NO、HC被空气中现存的O3氧化使得O3被消耗，而太阳辐射又不够强烈导致光化学反应过程中O3的生成速率低于其消耗速率，所以该时段内O3浓度稍微降低; 8点到14点是O3浓度持续上升阶段，该阶段内空气中已经存在较多NO2，而且光照条件已经充分满足光化学反应的发生，因此NO2光解的产物O3开始积累，到14点左右O3浓度到达一天中的峰值; 14点到20点是O3浓度下降阶段，该时段内太阳高度角变小，辐射变弱，从而光化学反应减弱直至傍晚消失，导致O3生成量小于其消耗量，所以O3浓度持续下降。
1.2 空间分布武汉市分为7个主城区(江岸区、江汉区、硚口区、汉阳区、武昌区、青山区、洪山区)和6个远城区(汉南区、蔡甸区、东西湖区、黄陂区、新洲区、江夏区)。由图 1可知，4~10月是2018年武汉O3污染相对严重的时间段，因此本文选取该时期内武汉各监测点O3的日数据求平均值，然后在ArcGIS 10.4软件中进行克里金插值，得到武汉O3浓度分布，结果如图 3所示。
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| 图 3 2018年4月至10月武汉市O3平均浓度分布 Fig.3 Average Distribution of O3 Concentration in Wuhan City from April to October 2018 |
分析图 3可知，武汉O3高浓度区域主要分布于北部、东北部、东部以及西南一隅，包括黄陂区、新洲区大部、东西湖区东北部、青山区东北部、洪山区东北部以及蔡甸区和汉南区的西南结合部。结合整体来看，武汉远城区O3污染比主城区更为严重。
造成O3污染区域差异的原因是多方面的。首先是污染源企业的分布，例如武汉市主城区东北部是武汉化学工业区所在地，该区是华中地区重要的石油化工生产基地，集中了较多的污染源企业。这些企业在运作过程中产生的氮氧化物、挥发性有机物等都是光化学反应中臭氧形成的重要前体物，因而会给该地区造成比较严重的O3污染。
其次，武汉市主城区的污染企业向远城区搬迁转移是造成远城区O3浓度较高的重要原因。近年来，武汉市大力开展城区工业污染的整治，推动三环线内石化、印刷、汽修、家具制造行业企业向远城区搬迁。例如黄陂区、新洲区由于接收有较多的污染企业，氮氧化物和挥发性有机物的排放量上升，因而当地O3浓度偏高。
除上述原因之外，主城区O3与远城区之间的输送效应、当地对污染治理力度等也是影响O3空间分布的重要因素。
2 武汉O3影响因素分析 2.1 与气象要素相关性研究表明，气象因子对O3的生成和积累存在多种作用机制[9]。为了探究武汉O3浓度与气象要素之间的相关性，本文选取2018-03~2019-02武汉O3和气象要素的日监测数据，按照春季(3~5月)、夏季(6~8月)、秋季(9~11月)、冬季(12月~次年2月)划分四季。先在SPSS软件中对每列数据的同类污染物数据进行K-S检验(Kolmogorov-Smirnov test)，发现均不满足正态分布，因此使用Spearman相关系数来衡量各个季节O3浓度与气象要素的相关程度，结果如表 1所示。
| 表 1 2018-03~2019-02武汉四季O3与气象要素Spearman相关系数 Tab.1 Spearman Correlation Coefficient Between O3 and Meteorological Factors in Wuhan from March 2018 to February 2019 |
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由表 1可知，在所有季节中，武汉日照时长、日均相对湿度与O3浓度分别呈现显著的正相关与负相关关系; 日均气温与O3在春秋季呈现显著正相关关系，在夏冬两季相关性则不显著; 日均风速与O3在春夏季节呈现明显的负相关关系，在秋冬季节的相关性不显著。从全年角度来看，武汉日照时长、日均气温与O3呈正相关关系，前者的相关性大于后者; 武汉日均风速、日均相对湿度与O3呈现负相关关系，后者的相关性大于前者。
日照时长、日均气温与光化学反应的强弱紧密相关，当一天内日照时间越长、气温越高时，大气中的光化学反应强度越大，O3生成量越多。因此日照时长、气温与O3浓度呈正相关关系。
风对污染物有冲淡稀释作用，风速越大，污染物与空气其他成分越能充分混合，越有利于污染物的稀释和扩散，因而风速与O3浓度呈负相关关系。
相对湿度与O3浓度呈负相关则主要有两方面的原因：①大气中的水汽对太阳辐射有消光机制，因此造成光化学反应减弱，O3生成量少; ②高湿度有利于降雨形成，进而对O3及其前体污染物产生湿清除作用。
2.2 与其他大气污染物相关性NO2、CO作为光化学反应中参与生成O3的前体物，对O3的浓度有直接影响[10]。同时，颗粒物(PM2.5、PM10)与O3也可能存在直接或间接的相互作用机制[11-15]。为研究这些大气污染物浓度与O3浓度之间的相关性，选取2018-01~2019-02武汉市NO2、CO、PM2.5、PM10与O3的浓度监测数据，在SPSS中分4个季节做Spearman相关分析，得出的相关系数见表 2。
| 表 2 2018-03~2019-02武汉四季O3与NO2、CO、PM2.5、PM10相关系数 Tab.2 Correlation Coefficients Between O3 and NO2, CO, PM2.5 and PM10 in Wuhan from March 2018 to February 2019 |
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从表 2可知，NO2、CO与O3在所有季节中均呈现出显著的负相关关系; PM2.5与O3在春、秋、冬表现为显著负相关，在夏季无显著相关关系; PM10与O3在夏、冬季表现为显著负相关，在春、秋季相关关系则不显著。总体来看，这4类污染物与O3的相关程度大小：NO2>CO>PM2.5>PM10。
从光化学反应的过程来看，空气中的NO2在强光条件下能大量光解，生成O3等二次污染物，这是近地面O3的主要来源。除NO2外，CO是生成O3的另一前体物，当空气中存在较多挥发性有机物时，CO与有机物的羟基(OH)首先发生氧化反应，该过程中生成的游离氢原子与O2结合形成过氧基HO2，HO2可将人为排放的NO氧化为NO2，从而为光化学反应生成O3提供大量NO2。由于NO2、CO与O3存在的这种反应物和生成物的关系，因而前两者与O3符合“此消彼长”的特征。
PM2.5、PM10作为颗粒物，当其空气浓度较大时，它们对阳光辐射具有散射、衰减的作用，因而能减弱光化学反应，降低O3的生成，所以PM2.5、PM10与O3呈现出一定的负相关关系。
3 结束语1) 时间分布：从2018年分布来看，武汉O3浓度在1~4月处于上升期，4~10月处于全年高峰期，10~12月处于下降期。从日分布来看，武汉O3日浓度白天高于夜间，呈“单峰型”分布，峰值一般出现在14时左右。O3浓度的时间变化与太阳辐射、前体物排放量等密切相关。
2) 空间分布：武汉O3高浓度区域主要分布于北部、东部、东北部以及西南部，结合整体来看，远城区O3污染普遍比主城区更为严重。造成这些区域差异的主要原因是污染源企业的分布以及主城区高污染企业向外围搬迁转移。
3) O3与气象因素相关性：武汉O3浓度与日照时长、气温呈正相关关系，与风速、相对湿度呈负相关关系。具体原因如下：当日照时间较长时，日平均气温一般也较高，有利于大气中光化学反应的发生，因此能生成较多的O3，反之O3生成量较低; 风对污染物有冲淡稀释作用，风速越大，污染物与空气越能充分混合，越有利于污染物的稀释和扩散; 相对湿度越高，说明大气中水汽含量越高，首先水汽对太阳辐射有消光作用，因而削弱了光化学反应，降低O3生成量，其次高湿度有利于降水形成，进而对O3及其前体污染物产生湿清除作用。这些气象要素与O3相关程度大小：日照时长>气温，相对湿度>风速。
4) O3与前体物(NO2、CO)、颗粒物(PM2.5、PM10)相关性：武汉O3浓度与NO2、CO、PM2.5、PM10均呈负相关关系。具体原因为：NO2、CO在光化学反应中是O3的前体物，因而符合“此消彼长”的特征; PM2.5、PM10作为颗粒物，空气中其浓度越高，对阳光辐射的散射、衰减作用越强，这在一定程度上可以减弱光化学反应，降低O3的浓度。这4种大气污染物与O3的相关程度大小：NO2>CO>PM2.5>PM10。
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