佛山市禅城区地面臭氧浓度观测和特征分析

1、佛山市禅城区地面臭氧浓度观测和特征分析 佛山科学技术学院资源环境系(陈鉴辉 欧阳国安 黄锦联 卢辉 叶庆荣 颜晋聪)指导老师：徐颂2005-09-14目 录1 研究的意义与目的22 地面臭氧概述33.1监测布点33.2监测时间和频次43.3监测方法53.4评价标准54 臭氧浓度的空间变化54.1 校园内7个地点地面臭氧浓度情况54.2 校园内中午复印室和非复印室臭氧浓度情况74.3 不同功能区地面臭氧浓度情况85 地面臭氧浓度的时间变化95.1地面臭氧浓度的日变化95.2 地面臭氧浓度的季节变化106 气象条件对臭氧形成的影响126.1 天气对地面臭氧浓度的影响126.2 湿度、温度对地面臭氧

2、浓度的影响情况157 结论17致谢18参考文献：18佛山市禅城区地面臭氧浓度观测和特征分析佛山科学技术学院资源环境系(陈鉴辉 欧阳国安 黄锦联 卢辉 叶庆荣 颜晋聪)指导老师：徐颂摘要：通过试验观察,给出了广东省佛山市禅城区佛山大学校区和佛山大道、惠景城、陶瓷城对地面臭氧浓度连续观测结果，对影响地面臭氧浓度的主要因子进行了分析，并得到了较好的结果。该地区冬季的地面臭氧浓度较高于春初，季节性变化明显。地面臭氧浓度的日变化呈单峰型,峰值出现在当地时间12：00时左右，早晚浓度出现低值并接近相等。校内不同地点、不同功能区、不同天气状况下地面臭氧浓度存在明显的差异性。地面臭氧浓度与温度成正比，与湿度成

3、反比，伴随降水等天气过程交替的太阳紫外辐射量的变化对地面臭氧浓度具有控制性影响,两者呈正相关关系，具有局地光化学过程臭氧生成的典型变化特征。另外复印机室和交通干线的机动车辆，地风速,降水,太阳总辐射等气象因素的变化对地面臭氧浓度具有不同程度的影响。关键词：地面臭氧；地面臭氧浓度；太阳紫外辐射；光化学反应。1 研究的意义与目的南极臭氧空洞以及近年来对流层臭氧增加等的观测事实，引起人们对臭氧以及由臭氧引起的环境问题的高度重视。近年的研究表明，自然排放、人为影响以及大气中化学生成的非甲烷碳氢化合物(NMHC)、CO、NOx(NO、NO2)等对地面臭氧浓度的变化有着重要影响。近几年的观测还证明，随着人

4、为活动排放的氮氧化物的增加，不仅使城市污染大气中的臭氧浓度升高，也使干净背景大气中的臭氧浓度明显上升。地面臭氧浓度过高，将加快城市光化学烟雾的频率、加快材料老化、影响人类健康、导致农作物减产，对生态环境造成严重影响。处于经济腾飞阶段的佛山市禅城区，其工业布局密集，机动车数量的飞速增加，给城市环境带来严重的困扰。研究佛山市禅城区臭氧浓度分布规律和变化特征，对了解佛山禅城区的大气污染有着十分重要的意义。2 地面臭氧概述地面臭氧由工厂的烟囱和汽车的排气管排出的污染物通过化学反应形成的。这些污染物多含不稳定的有机化合物和一氧化氮，这两者在静止的空气中，通过阳光的作用，就形成了无色无味的臭氧分子。高层大

5、气中的自然臭氧层可以帮人类抵挡有害的紫外线辐射，而地面臭氧则会损害人类和动植物的健康。由于其形成需要充足的阳光，臭氧问题主要发生在夏天，但在某些环境污染严重的地区，4月至10月期间都可能出现地面臭氧含量猛增的现象。在大多数地区，形成臭氧的物质有13到一半是由轿车、卡车和其他内燃型引擎排放的,另外发电厂、化工厂、冰箱、电机运转中放出的火花、静电复印及电视机的工作过程激光印刷机、负离子发生器、紫外灯、电子消毒柜以及许多工业产品和民用产品在使用过程中都能产生大量的臭氧。室内的臭氧可以氧化空气中的其他化合物而自身还原成氧气；还可被室内多种物体所吸附而衰减，如橡胶制品、纺织品、塑料制品等。臭氧是室内空气

6、中最常见的一种氧化型污染物。臭氧具有强烈的刺激性，对人体有一定的危害。它主要是刺激和损害深部呼吸道，并可损害中枢神经系统，对眼睛有轻度的刺激作用。当大气中臭氧浓度为0.1mg/m3时，可引起鼻和喉头粘膜的刺激；浓度在0.1-0.2mg/m3时，引起哮喘发作，导致上呼吸道疾病恶化，同时刺激眼睛，使视觉敏感度和视力降低。臭氧浓度在2mg/m3以上可引起头痛、胸痛、思维能力下降，严惩时可导致肺气肿和肺水肿。此外，臭氧还能阻碍血液输氧功能，造成组织缺氧；使甲状腺功能受损、骨骼钙化，还可引起潜在性的全身影响，如诱发淋巴细胞染色体畸变，损害某些酶的活性和产生溶血反应。有统计表明，每当地面低层臭氧增多，到医

7、院急诊室来看病的哮喘病人就会增多36。在地面臭氧含量高时做户外运动的人们也会因吸入过多臭氧而损害肺部。据美国环保署原来规定，在臭氧浓度为.的环境中只适宜停留小时，现在则进一步规定在浓度为.的环境中只能停留小时。3 监测采用的技术方法3.1监测布点为了全面反映佛山市禅城区O3浓度的分布情况，笔者在佛山市禅城区设立4个监测区，分别是佛山大学校区和陶瓷城、惠景城、佛山大道。这些地方邻接佛山市区，商贸、交通运输、工业发达，特别是陶瓷制造业，空气污染情况比较严重，由于位于城市的中心附近，城市现代化建筑设施密集，人工草皮等人工景观植被是其代表性植被。这四个区各代表不同的功能区，分别是学校、工业区、住宅新区

8、和交通干线。具体监测位置是：在佛山大学校区内均匀分布了七个观测点：佛大北门、佛大南门、会通楼左侧、气象站、社区宿舍、西区宿舍、中区五座以及五个复印机室观测点：佛大商业街艺角复印室、行政楼复印室、基础楼环建学院办工室、佛大南区十四座复印室、教工生活区师专第四座后；佛山陶瓷城南侧的行人道；佛山海事局对面马路的行人道；佛山大道江湾立交处的行人道。佛大校区观测点分布图（红色标记）3.2监测时间和频次时间为2004-11-15至2005-01-02和2005-02-25至2005-03-22，共76天。监测频次是每天三次7：008：00、12：0013：00、21：3022：30分别对学校内七个观测点进

9、行地面臭氧浓度观测；11：0012：00对复印室进行每天一次的观测；另外每个周六、周日的13：4014：35对佛山大道、惠景城、陶瓷城进行观测；典型天气在所有点都观测。3.3监测方法使用监测仪器为美国ECO公司生产的便携带臭氧检测仪A-21ZX，检测量程为0-10ppm，分辨率为0.01ppm，在中等温度的条件下，它可以作为户外臭氧浓度监测用，当平均含量低于0.10ppm时，也可以作为一种长久的监测仪器在室内使用便携带臭氧检测仪在使用前和实验结束前工作正常，测量数据可信、准确。地面臭氧浓度监测仪器和记录数据单位均为ppm，本文采用ppm作为数据比较单位，它与国际单位的转化关系为：1ppm=2.

10、14mg/m3。具体使用方法：手持检测器，离地面约1米。当风速较大时,风直接吹向臭氧检测仪的检测口，仪器读数会比正常值偏大，因此,监测时要利用身体阻挡一部分来风，以减少大风对检测仪器的影响。在每个监测点监测时，启动检测仪3分钟后且读数变化稳定后,方可记录读数，同时注意记录各点天气状况。对陶瓷城、惠景城、佛山大道3个监测点进行监测时须对交通流量进行统计。3.4评价标准采用国家环境空气质量标准(GB3095-1996)进行评价，其中对臭氧的浓度限值见下表3-1： 表3-1 环境空气质量标准(GB3095-1996)对O3的浓度限值污染物名称取值时间浓度限值浓度单位一级标准二级标准三级标准臭氧(O3

11、)1小时平均0.120.160.20毫克/立方米(标准状态)4 臭氧浓度的空间变化4.1 校园内7个地点地面臭氧浓度情况从表4-1和图4-1可知，2004-11-15至2005-01-02佛大校内7个观测点早午晚地面臭氧小时平均浓度均高于国家二级标准，中午时佛大北门，会通楼左侧，中区五座，气象站，西区宿舍超过国家三级标准。这说明禅城区佛大校区O3浓度偏高，中午O3浓度污染特别严重。校内7个观测点早午晚地面臭氧小时平均浓度具有相同的变化规律，最小值都是出现在佛大南门，最大值在西区宿舍，其它从小到大依次为社区宿舍（东区4座），佛大北门，会通楼左侧，中区五座，气象站。由于是在同一个校区内，范围比较小

12、，地面臭氧浓度外部影响条件基本相同，经过比较分析得出初步原因主要是由于这7个地点的人流量不同所导致的，地面臭氧浓度与人流量成反比。佛大南门，社区宿舍，佛大北门监测时人流量都比较大，监测地点地面臭氧浓度数据易受人流量的影响出现较大幅度的下降，因此监测数据较小；而会通楼左侧，中区五座监测时人流量都比较小，但还是对地面臭氧浓度有较小影响，监测数据适中；气象站，西区宿舍监测时人流量几乎为零，可以忽略不计，地面臭氧浓度影响最小，表现为监测数值最大。表4-1 11、12月校内7个监测点早午晚O3浓度小时均值（ppm）监测时间 监测地点南门社区宿舍北门会通楼中区气象站西区宿舍7点小时浓度均值0.07300.

13、07350.07430.07480.07520.07650.076512点小时浓度均值0.08860.08950.09410.09500.09500.09550.095522点小时浓度均值0.07380.07380.07520.07620.07670.07710.0771平均小时浓度均值0.07850.07890.08120.08200.08230.08300.0830图4-111、12月校内7个监测点早午晚O3浓度均值比较图4.2 校园内中午复印室和非复印室臭氧浓度情况表4-2和图4-2给出了2004-11-15至2005-01-02校园内中午5个复印室和7个非复印室12个地点的地面臭氧浓度

14、大小的比较情况。除佛大南门和社区宿舍地面臭氧小时平均浓度超过国家二级标准外，其他地方均超过国家三级标准。地面臭氧浓度最小值出现在佛大南门，平均浓度为0.088636ppm，最大值出现在教工生活区师专第四座后复印室，平均浓度为0.09875ppm，五个复印室地点的地面臭氧浓度均高于7个非复印室地点。这是由于复印机工作时可以产生大量的臭氧，对周围环境的臭氧浓度产生一定的影响，并且复印机数量越多，工作时间越久，臭氧产生越多。据美国环保署原来规定，在臭氧浓度为.的环境中只适宜停留小时，现在则进一步规定在浓度为.的环境中只能停留小时。人如果在复印室这种地面臭氧浓度比较高的环境下长期工作与生活，患呼吸道疾

15、病的几率将大大提高。表4-2 11、12月校内中午复印室和非复印室O3浓度小时均值（ppm）校内非复印室南门社区宿舍北门会通楼中区气象站西区宿舍12点小时浓度均值0.08860.08950.09410.09500.09500.09550.0955校内复印室艺角行政楼环建学院办公室南区十四座师专四座12点小时浓度均值0.09560.09590.09690.09810.0988图4-211、12月校内中午复印室和非复印室臭氧浓度比较图4.3 不同功能区地面臭氧浓度情况2004-11-15至2005-01-02佛山大学与佛山大道、惠景城、陶瓷城各点中午地面臭氧浓均高于国家三级标准，地面臭氧污染非常严

16、重（表4-3和图4-3）。地面臭氧浓度最低值出现在佛山大学0.09522293ppm，最高值为佛山大道0.104ppm，陶瓷城、惠景城分别为0.096ppm和0.098ppm。数据显示交通干线的地面臭氧浓度最高，这与它们的大气污染（主要是机动车尾气污染）程度的排列次序相同。这表明二次污染物O3的高浓度中心与一次污染物的浓度中心基本重合。这是由于交通干线的机动车辆处于高温燃烧状态下产生大量的氮氧化物和易挥发性有机化合物、水蒸汽，通过地表热能和太阳光对水蒸汽、氧化氮以及易挥发性有机化合物等物质综合作用形成大量的臭氧，从而造成城市内近地面大气的臭氧浓度增高，引起光化学烟雾污染。其原理是：在光化学反应

17、中，O3的产生是在“引发反应”这一环节：NO2+hvNO+OO2+O+MO3+MO3+ NONO2+O2“引发反应”原理为：NO2的光解导致O3的生成；丙烯氧化生成了具有活性的自由基，如HO、HO2、RO2等；HO2和RO2等促进了NO向NO2转化，提供了更多的生成O3的NO2源。因此，机动车尾气浓度越大，路边大气NO浓度越大,生成的O3浓度越大。因此车流量特别大的佛山大道附近地面臭氧浓度比其它地方要高。佛大监测点比其他3个监测点在相应时段的浓度均值低。这是因为佛大气象站监测点远离马路，可以视为清洁区，其浓度变化主要受气象因素和上风区的影响。在风的输送下，光化学反应中O2与O生成的O3得以扩散

18、到佛大气象站。这就可以清楚解释了O3高浓度中心与一次污染物浓度中心重合的原因。表4-3 11、12月不同功能区中午O3浓度小时均值比较（ppm）监测地点佛山大学陶瓷城惠景城佛山大道11、12月中午小时浓度均值0.09520.09600.09800.1040图4-311、12月不同功能区中午地面臭氧浓度比较图5 地面臭氧浓度的时间变化5.1地面臭氧浓度的日变化禅城区佛山大学各监测点地面臭氧浓度日变化呈抛物线分布，早晚臭氧浓度出现低值并且接近相等，中午出现一天的最高值，臭氧浓度的日变化呈单峰型，日最高值与日最低值相差为0.0225ppm，日变化特征非常明显。中午臭氧浓度较高的原因与白天氧分子的光离

19、解和湍流输送有关。中午是大气受日照辐射最强烈的时间。紫外线辐射量日最大值出现时间多数在1214时,冬夏季日最大值出现时间没有明显差别。240nm以下的紫外光可引起O2的光解产生的O与O2发生反应。总反应式为：O2+hvO+OO+ O2+MO3+M 即便是阴天或阴雨天，O3也可以通过湍流向下输送至地面。这就是各监测点臭氧浓度均值呈抛物线变化的主要原因。表5-1 11、12月份校内7个监测点不同时段的日变化（ppm）时间地点南门社区宿舍北门会通楼中区气象站西区宿舍时段均值7点0.07300.07350.07430.07480.07520.07650.07650.074812点0.08860.089

20、50.09410.09500.09500.09550.09550.093322点0.07380.07380.07520.07620.07670.07710.07710.0757图5-111、12月份校内7个监测点不同时段的日变化比较图5.2 地面臭氧浓度的季节变化5.2.1佛大气象站监测点冬季臭氧浓度均值比春季大结合资环系谭海斌同学在4月做的佛大气象站O3浓度监测数据，进行O3浓度随季节变化规律的分析。得出冬季臭氧浓度均值比春季大（表5-2、图5-2）。 表5-2佛大气象站冬春浓度均值表 月份气象站浓度均值（ppm）11月0.081512月0.08383月0.07874月0.080图5-2 佛

21、大气象站冬春季臭氧浓度对比11月、12月的O3浓度均值为0.0815ppm和0.0838ppm ，而春季的3月、4月的浓度均值只有0.0787ppm和0.080ppm，均为国家二级标准。受日照强弱变化影响，冬季干燥少云，有利于近地面的光化学反应，从而导致O3浓度值增大。5.2.2佛大气象站监测点冬春季O3浓度均值日变化对比 从表5-3、图5-3可知：佛大气象站冬季O3浓度均值比春季大；冬春两季的日变化的峰值在12时，冬季日变化比较明显。表5-3 佛大气象站冬春各时段日对照冬季浓度均值（ppm）春季浓度均值（ppm）7时0.07650.076212时0.09550.081622时0.07830.

22、0769图5-3 冬春臭氧浓度日对照冬春两季12时浓度变化明显，原因是：污染物在近地面的迁移和扩散是重要的影响因素。污染物在近地面大气中的迁移和扩散有这3种方式：污染物向下风向的迁移、湍流的输送作用和浓度扩散。冬季风力比春季的大，更利于大气污染物的水平扩散和湍流输送。因此冬季佛大监测点的12时O3浓度均值比春季的要大。冬春季的7时和22时浓度均值相近，与冬春季12时浓度变化形成鲜明对比。这说明日照是影响O3浓度的关键因素。6 气象条件对臭氧形成的影响6.1 天气对地面臭氧浓度的影响表6-1和图6-1给出了2004-11-15至2005-01-02佛山大学校区内阴、雨、晴、夜晚不同天气状况下地面

23、臭氧浓度平均浓度的比较情况。晴天的O3浓度比阴天、雨天、夜晚大。雨天情况下，地面臭氧浓度值为0.0733ppm，是四种天气状况下的最小值，其它依次为夜晚0.0756ppm，阴天0.0791ppm，最大值出现在晴天状况下为0.0966ppm，此值比其它三个数值大0.016ppm以上，特殊性比较明显。这也说明了日照是影响O3浓度的关键因素。表6-1 各天气状况下佛大地面O3浓度均值天气浓度均值（ppm）晴天0.0966阴天0.0791夜晚0.0756雨天0.0733图6-1不同天气状况下佛大地面臭氧浓度变化图表6-2、图6-2 更加详细地分析了2004-11-15至2005-01-02佛山大学校区

24、内同地点不同天气状况下地面臭氧浓度的情况，校区内7个观测点阴、雨、晴、夜晚四种天气状况下的平均臭氧浓度均呈现相同的变化特征，即各个地点地面臭氧浓度从大到小的天气状况依次为晴、阴、夜晚、雨，且晴天状况下的地面臭氧浓度值远远大于其它三种天气状况下的值。表6-2 同地点不同天气状况下地面O3浓度均值时间地点北门南门会通楼气象站社区宿舍西区宿舍中区五座均值雨天0.070.07330.07330.07470.07330.07670.07330.0735夜晚0.07530.07370.07630.07760.07370.07680.07630.0757阴天0.07940.07650.0790.07920.

25、07650.0810.080.0788晴天0.09690.09150.09920.09290.09380.09850.09850.0959图6-2 同地点不同天气状况下地面臭氧浓度变化图为了进一步分析同一地点不同天气状况下的地面臭氧浓度不同的原因，表6-3和图6-3分别给出气象站3月2、12、13号三天晴天和2月26，3月5、7、9、10、11、16、19、21、22号十天阴天的平均臭氧浓度早午晚日变化图。臭氧浓度的日变化可以简单地概括为早晚浓度较低，接近相等，在中午1200时附近达到一日的最大值。综合来看，无论是晴天还是阴天，地面臭氧浓度在7：30时表现为一日的较低值，随着太阳紫外辐射的增强

26、，地面臭氧浓度则增长很快，到中午1200时左右，太阳紫外辐射达到一日的最大值，地面臭氧浓度则增长到一日的最大值。从这一比较典型的例子可以看出，地面臭氧浓度的变化规律与太阳紫外辐射的变化规律是很密切的，即太阳紫外辐射越强，地面臭氧浓度值越大。另外由于太阳紫外辐射在大气中传输，然后到达地面，它在大气中要受到某些气体(如O3、NO、NO2等)的选择吸收而衰减，同时大气中的化学反应对太阳紫外辐射都有直接或间接的吸收，另外云、气溶胶、地表反照率等对太阳辐射的影响，它们对太阳辐射的多次散射作用，将造成大气中的光化学反应对太阳紫外辐射吸收量值的变化，所以晴天无云状况下到达近地面太阳紫外辐射削弱最小，这导致晴

27、天地面臭氧浓度值大大高于阴天、夜晚和雨天。表6-3 晴天阴天早午晚地面臭氧浓度均值地点时间天气浓度均值（ppm）佛大7：30晴天0.08佛大7：30阴天0.078佛大12晴天0.0933佛大12阴天0.085佛大22晴天0.0833佛大22阴天0.078图6-3晴天阴天地面臭氧浓度早午晚日变化图6.2 湿度、温度对地面臭氧浓度的影响情况从表6-4 、图6-4可知：随着地面大气湿度的升高，地面臭氧浓度值随之减少，即湿度与地面臭氧浓度成反比，并且地面臭氧浓度在各个湿度区间段的变化较为均衡，变化幅度比较小。从图中数据可知监测数据的湿度范围（38%98%）被平均分成了五个区间段来比较分析地面的臭氧浓度

28、。另外通过对气象站每一个地面臭氧浓度和湿度监测数据进行回归方程分析得到两者的线性方程关系式为：Y=0.084847-0.00793*X，相关系数r为-0.10173(Y为地面臭氧浓度，X为湿度)，从这条线性方程同样可得湿度与地面臭氧浓度成反比的规律，但这条线性方程并不能说明地面臭氧浓度和湿度的关系性，不能误认为地面臭氧浓度和湿度只是简单的线性关系。因为相关系数r为-0.10173，绝对值小于0.8，所以两未知数不是密切相关，需要修正。表6-4 佛大O3浓度与湿度的关系O3一小时浓度均值0.07690.0780.07830.07860.0817湿度范围（100%）86-9874-8662-745

29、0-6238-50图6-4佛大湿度对地面臭氧浓度影响图同样表6-5、图6-5 给出了2005-02-25至2005-03-22佛大校区内气象站不同温度范围下的地面臭氧浓度变化情况。从图中数据可知监测数据的温度范围（8.20C240C）被平均分成了五个区间段来比较分析地面的臭氧浓度，得到的规律是随着地面大气温度的升高，地面臭氧浓度值随之增加，即温度与地面臭氧浓度成正比，与湿度变化规律不同的是地面臭氧浓度在各个区间温度范围内变化不均衡，地面臭氧浓度在8.20C11.360C，11.360C14.52C2，14.520C17.680C，17.680C20.840C这四个区间的变化幅度较小，而温度在2

30、0.840C240C这个区间范围变化幅度特别明显。通过对数据的进一步比较分析，造成温度在20.840C240C这个区间范围变化幅度特别明显的原因是由于在这个区间范围内的温度大部分都是在中午时候的监测值，而这个时候的太阳辐射达到一天的最大值，地面臭氧浓度也达到一天的最大值，所以这个温度区间比其它区间变化特别明显。另外对气象站每个地面臭氧浓度和温度监测数据通过回归方程分析得到两者的线性方程关系式为：Y=0.066691+0.000745*X，相关系数r为0.277277 (Y为地面臭氧浓度，X为温度)，从这条线性方程同样可得温度与地面臭氧浓度成正比的规律。同样由于相关系数r为0.277277，绝对值小于0.8，所以两未知数不是密切相关，需要修正。因此这条线性方程并不能说明地面臭氧浓度和温度的关系性，不能误认为地面臭氧浓度和温度也是简单的线性关系。以上的两条线性方程只能说明