《基于近年来空气质量监管报告的L市近地面臭氧变化特征研究》8700字

PAGEIII基于近年来空气质量监管报告的L市近地面臭氧变化特征研究摘要近年来，国内许多城市都出现了臭氧浓度超标的情况。臭氧浓度逐年上升表明当前臭氧污染已经不容忽视，又因为臭氧的形成因素非常的复杂，所以臭氧成为当下国内外研究者的研究焦点。兰州市是我国较早的工业开发区，所以该地区的大气污染问题一直备受关注。近年来，兰州市O₃浓度不断上升，因此研究兰州市近地面O₃变化特征及相关影响因素具有重大的意义。本研究通过兰州市2015年—2020年的空气质量监管报告，对兰州市近地面臭氧浓度的时空分布特征及相关影响因素进行了分析。通过分别控制时间、温度、风速、降水等气象因素研究了兰州市近地面臭氧浓度与这些气象因素之间的相关性。并且通过对臭氧前体物NOx和VOCs浓度变化的研究，进一步得出近地面臭氧污染的成因。其结果表明：1.2015年—2020年兰州市空气质量有所好转，通过政府实施的一些措施，将颗粒物浓度控制的较好，相比之前浓度有所下降。SO2浓度也呈现逐年下降的趋势。但近地面O₃浓度依旧在逐年上升，所以目前逐渐增长的臭氧浓度严重影响了兰州市空气质量达标。2.兰州市近地面O₃浓度日变化呈现典型的“单峰型”曲线。由于气温、风速、降水等气象因素影响，导致O₃浓度在14:00—17:00最高，06:00—09:00最低。3.O₃浓度与其前体物NOx和VOCs浓度变化呈明显的负相关。[关键词]O3浓度；前体物；气象因素；O3防治;兰州市目录TOC\o"1-3"\h\u一、绪论 （1）（一）研究目的及意义 （1）（二）国内外研究现状 （2）1.国外研究现状 （2）2.国内研究现状 （3）（三）研究内容 （4）二、资料与方法 （5）（一）资料 （5）1.气象资料 （5）2.大气污染物资料 （5）（二）研究方法 （6）1.描述性统计分析 （6）2.污染物浓度限度以及超标标准 （6）3．EXCEL的相关性CORREL分析 （6）三、兰州市近地面O3浓度时空变化分析及其影响因素分析 （6）（一）兰州市2015年—2020年O3时空变化特征分析 （6）1.兰州市臭氧浓度的时间变化特征 （9）2.兰州市臭氧浓度的空间变化特征 （10）四、兰州市近地面臭氧浓度影响因素分析 （11）（一）气象条件对兰州市近地面臭氧浓度的影响 （11）1.气温对臭氧浓度的影响 （11）2.相对湿度对臭氧浓度的影响 （12）3.风速对臭氧浓度的影响 （13）4.降水对臭氧浓度的影响 （13）（二）前体物对兰州市近地面臭氧浓度的影响 （14）1.NO2对臭氧浓度的影响 （14）2.VOCs对臭氧浓度的影响 （16）五、兰州市臭氧污染防治对策 （16）（一）完善臭氧污染防治法律法规 （16）（二）不断优化能源结构 （17）（三）持续调整产业结构 （17）参考文献 （18）PAGEIII一、绪论（一）研究目的及意义随着经济和科技水平的不断发展，我国城市O₃浓度急剧上升。呈上升趋势的近地面臭氧浓度不仅影响了区域环境的空气质量，而且严重危害了我们人类的身体健康。目前，我国大气污染的格局已经发生了转变，成为PM₂.₅和O₃的复合型污染。空气中存在较多的臭氧前体物，如氮氧化物（NOx）和挥发性有机物VOCs，这些前体物经过紫外线的照射，就会发生光化学反应，然后生成一种淡蓝色烟雾，这些烟雾的主要包括O₃、醛类以及各种过氧酰基硝酸酯，但主要成分是O3，占比达90％以上[1]。因为O₃的化学活性比较强，所以在许多大气的光化学反应中都有O₃的参与，从而引起光化学烟雾、酸雨、大气能见度降低等对流层污染现象[2]。O₃浓度升高能够刺激到人类或者动物的眼睛和呼吸道，严重的话还会损害人体的肺功能，导致各类疾病的发生[3]。目前，大气近地面O₃污染越来越严重,污染持续的时间也越来越长,又因为O₃无色无味，在感官上与颗粒物污染有所不同,在生活中很难被人类觉察，所以更要引起我们的重视。因此,必须要对近地面臭氧浓度超标所造成的环境现象进行研究,为防治近地面O₃污染提供有依据、合理合法的治理手段,还给人们一个健康的生活环境。兰州市是甘肃省的省会城市，位于甘肃省的中部。其土地面积约为13085.6km²。兰州市共有5区、3县。其中5个城区包括城关区、七里河区、安宁区、西固区和红古区，3县分别是榆中县、皋兰县和永登县。兰州市属于温带大陆性气候，年均气温10.3℃，气候比较干燥，年均降水量也比较低。地貌类型复杂多样，山地、高原、河谷都有分布。兰州市是我国工业比较发达的城市，尤其在西固区，大多数大气污染物的排放源来自燃煤工业、机动车尾气及石油化工工业等一些排放有毒有害气体的人为源为主[4]。现有大量研究还表明了在一定条件下，高浓度的O₃能够腐蚀建筑材料，给经济上带来一定的损失;并且能够腐蚀土壤使土壤养分流失，从而降低农作物的年产量、抑制了植被的生长等。持续上升的O₃浓度将会带来生态环境的严重恶化，同时对人体健康构成很大的威胁，因此对近地面O₃污染的研究是目前国内外相关专家的一项重要任务[5]。兰州市近地面O₃污染状况随季节变化而发生变动。从相关数据中可以看出，2015年-2020年来兰州市近地面O3浓度以年为周期呈明显的上升趋势,甚至在2017年和2018年连续两年超出国家标准(160μg/m3)。与此同时,2015-2020年来兰州市近地面O3污染造成的超标天数逐年明显增加,从2015年的4天增加到2018年的44天。从2018年数据可看出,2018年我市环境空气质量达标天数仅有222天。其中O3为首要污染物的天数为44天，占30.8%。所以对兰州市近地面O₃变化特征分析及相关影响因素研究具有重要的现实意义。（二）国内外研究现状1.国外研究现状目前，国内外对区域近地面臭氧污染的监测手段和数据分析方法大不相同。Pearce等[6]通过研究了墨尔本地区气象因素对空气污染物的影响，得出了气象因素是影响当地空气质量的重要因素。Levy、Crutzen[7]等在70年代提出了近地面臭氧的产生主要是发生了大气光化学反应。2015年，Eder等[8]通过采用空气质量模型模拟的实验方法在日本关东地区利用2000年至2005年的人为排放量的数据，验证了人为排放污染源对臭氧浓度的影响。得出NOx和VOCs的浓度减少会增加东京中心每日最大的臭氧浓度,但会使其他地区减少日最大臭氧浓度的结论。1994年Chameides[9]提出了城市工业、农业排放所产生的臭氧，对全球生态环境质量会造成一定的影响。当前,城市化严重影响了全球环境的质量,国际上研究城市污染问题明显得到了重视，世界气象组织还为此建立了城市气象和环境研究计划及研究应对措施[10]。2.国内研究现状段玉森[11]等研究发现我国O₃污染呈明显的时空分布特征，南方城市近地面O₃浓度比北方要高;并且由于太阳辐射值的差异导致东部城市和西部城市的O₃浓度出现了偏差，甚至出现O₃污染与颗粒物污染混合的大气污染类型。同样，在京津冀[12]、长三角[13]、珠三角[14]等地区开展的研究均表明了O₃污染夏季严重、冬季较轻的变化特征。王俊秀[15]等发现南京北部郊区出现“反周末效应”现象，即NOx浓度和O₃浓度均在周末减少。O₃的累积速度以及VOCs排放的浓度变化是产生这一现象的主要原因。漏嗣佳[16]等研究了NOx和VOCs对O₃浓度分布及其生成的影响，该研究表明，NOx的减少会大大降低中国西部地区O₃浓度，但是到了冬季，NOx的减少会提高中国东北和北方地区O₃的浓度。杨雪玲[17]利用2011-2016年兰州市的各类污染物浓度数据分析了兰州污染物浓度的时空分布规律，探讨了气温、风速风向、降水等气象要素对污染物浓度分布的影响[18]。本研究通过分析2015-2020年兰州市近地面臭氧浓度数据、其他相关污染物浓度数据以及污染物超标天数，研究2015-2020年兰州市近地面臭氧的分布特征及影响因素。提出兰州市大气环境质量改善方法和保护措施。（三）研究内容现如今，我国大气污染情况发生了较大的转变，臭氧污染已成为困扰着我国环境问题的一大原因之一，以兰州市为例，近年来近地面O₃浓度呈逐年上升趋势，所以对兰州市近地面O₃浓度的变化特征和影响因素研究显得更重要。本文做了以下方面的研究：（1）将2015-2020年兰州市的O₃浓度数据形成折线图并进行分析，从而得出O₃浓度的时间变化特征；（2）将各类气象因素进行对比，对兰州市近地面O₃浓度变化的影响因素作出分析研究；（3）将兰州市各监测站地区地理位置、经济活动水平和特征及人口分布特征进行对比，结合上述所有相关分析结果，研究兰州市O₃污染的产生原因；（4）O₃的前体物NOₓ、CO、VOCS等与O₃浓度息息相关，在研究分析过程中，对O₃及前体物的相关性进行分析；（5）提出兰州市O₃污染应对方案的建议，从而改善兰州市空气质量。二、资料与方法（一）资料1.气象资料本文中所用到的气象数据来源于兰州市气象局。资料内容包括：2015年至2020年兰州市的日平均气温、相对湿度、风速以及降水量等资料。2.大气污染数据本文所用到的大气污染物如O₃、NO2、SO2、PM10、PM2.5、CO等浓度监测数据来源于兰州市生态环境局（）。兰州市一共有5个国家空气质量监测点，分别是七里河区的职工医院、城关区的生物制品所、西固区的兰炼宾馆、城关区的铁路设计院和兰州大学榆中校区，其中兰州大学榆中校区为背景点。图1.兰州市空气质量监测点分布图（二）研究方法1.数据统计分析法通过已经搜集到的兰州市气象要素数据、相关大气污染物浓度的数据以及2015年-2020年兰州市空气质量情况的相关资料进行数据统计分析法。从中分析出兰州市2015年-2020年其他大气污染物浓度与O3浓度的相关性以及近六年兰州市近地面O3污染的影响因素。2.污染物浓度限度以及超标标准为了能更准确的掌握到兰州市近地面O3浓度变化特征以及其超标天数，根据我国颁发的《环境空气质量标准》（GB3095-2012）二级标准、《环境空气质量评价技术规范（试行）》（HJ663-2012）等相关标准对兰州市空气污染物浓度值做出限定，并且由此判断出兰州市近地面大气污染物是否超标以及超标天数。3.相关性分析。通过在EXCEL表格中做相关性CORREL分析，得出兰州市近地面大气臭氧浓度与臭氧前体物VOCs和NOx浓度的关系。三、兰州市近地面O3浓度时空变化分析及其影响因素分析（一）兰州市2015年—2020年O3时空变化特征分析兰州市是我国早期的重点工业发展区，兰炼、兰化等大企业在生产运行的同时给兰州市区域环境造成了严重的污染，由于兰州市地理位置处于青藏高原东北侧的黄河河谷盆地中，四面环山，使得污染物不易扩散和输送，这也是兰州市的大气污染更为严重的原因。近六年来，兰州市政府通过采取了一些措施使得兰州市大气颗粒物污染有所好转，PM10全年平均浓度从2015年120μg/m3变为2020年的77μg/m3。但O3污染却日趋严重，从2015年全年平均浓度77μg/m3变为2020年的123μg/m3。臭氧浓度大幅度上升应该得到大家的重视。图1为2015年—2020年兰州市6种大气污染物浓度按时间的分布情况，综合来看兰州市空气的污染情况有所缓和。兰州市近地面SO2浓度自2015年以来以一年为一个周期呈现逐渐下降趋势，说明兰州市政府对SO2的排放量控制的较好，SO2浓度呈现出春季、冬季较高，夏季、秋季较低的趋势，产生这一现象的原因是冬季以及初春北方供应暖气，导致大量煤炭里的硫化物被燃烧、排放，使得SO2浓度升高。NO2浓度以一年为一个周期从图总可以看出，2015、2016两年NO2浓度较为稳定，自2017年来呈现逐年上升的趋势。NO2作为O3的前体物之一，一般情况在夏季因为发生光化学反应而被消耗，而冬季光化学反应被减弱导致NO2浓度不会被消耗太多，因此NO2浓度在冬季时较高而处于夏季时较低。颗粒物（PM10与PM2.5）浓度从图中总体来看近几年稍有下降，说明政府部门采用一些政策手段对颗粒物的排放进行了一定的控制，达到了减少排放、降低污染的目的。一般来说，冬季烧煤供应暖气、春季多风沙天气是造成兰州市春冬季的颗粒物浓度高于夏秋季的主要原因。CO浓度从图中来看呈现春冬季高，夏秋季低的周期性特点。兰州市近地面O3浓度以年为周期呈逐年上升趋势，且在一年中，O3浓度夏季高于冬季很多，与光化学反应有着密切的关系。兰州市2015年—2020年空气质量情况如表1所示，总体来看，兰州市空气质量自2015年以来逐渐下降。2019、2020两年达标天数有所好转。其中，优天数较少，良天数为一年中最多的天数，轻度污染天数排第二。结合图表来分析，2019、2020年兰州市空气质量较好，2018年空气污染最严重，2015-2018年兰州市的空气污染天数又逐渐增多，这也与近六年来城市近地面O3浓度增多有一定的关系，这就要求相关部门及时调整环境管理政策和采取相应环保措施来应对逐渐恶化的空气质量问题。综合以上信息，本文收集兰州市O3浓度数据并对其进行分析统计，向读者展示兰州市近地面O3浓度的时空分布特征，并研究近地面O3浓度与其他污染物之间的关系。图2.兰州市2015—2020污染物浓度时间序列表1.兰州市2015—2020年空气质量情况统计年份2015年2016年2017年2018年2019年2020年优天数10109———良天数242233224———轻度污染天数9588109———中度污染天数152712———重度污染天数222———严重污染天数169———达标天数252243233220296312达标比例69%66%64%60.20%81.10%85.20%1．兰州市臭氧浓度的时间变化特征从图3可看出，兰州市区近地面O3浓度日变化先增加后减少的趋势。是典型的“单峰型”曲线，O3浓度一般在14:00-17:00最高，最高值为137μg/m3，而在06:00-09:00时段最低，最低值为31μg/m3。O3的前体物NO2浓度的日变化与O3呈相反的变化趋势，在7:00-9:00最高，最高值为55μg/m3，这个时段NO2浓度最高的原因是在上班、上学的早高峰，人流量比较大，汽车尾气的排放量也会增多，同时一般早上太阳辐射较弱，因此减弱了光化学反应的强度，对氮氧化物的消耗也就降低了许多，导致NO2累积。NO2浓度最低出现在14:00-18:00，最低值为16μg/m3。该时段与O3浓度最高值时段接近，这是因为在此时段天气温度较高，太阳辐射较强导致光化学反应强度增加，NO2被消耗，O3逐渐被生成并累积，使得浓度升高。图3.兰州市区O3与NO2浓度的日变化特征2.兰州市臭氧浓度的空间变化特征从兰州市区生物制品所、铁路设计院、职工医院和兰炼宾馆这4个空气质量监测站点的监测数据来看，近地面O3浓度整体趋势在5-9月较高，这与一年中季节性的气温升高、太阳辐射增强、日照时间增长而增强了光化学反应的强度存在很大的关系。从图4中可看出生物制品所与铁路设计院近地面O3浓度数据相差不大，兰炼宾馆近地面的O3浓度最高，高达200μg/m3，而在铁路设计院O3浓度最低，只有51μg/m3，兰炼宾馆监测点因为位于西固区，该区多发展石油炼制、化工产业、冶炼金属产业、机械制造产业，给兰州市的环境造成了严重污染，所以其近地面O3浓度高于其他几个检测站点的O3浓度。图4.2015-2018年兰州市区4个监测站点的O3浓度的日变化曲线四、兰州市近地面臭氧浓度影响因素分析（一）气象条件对兰州市近地面臭氧浓度的影响气象要素在研究近地面O3浓度及其影响因素时起到相当重要的作用，特别是气温、太阳辐射等引起光化学反应的因素。本文通过从气温、相对湿度、风速、降水这四个方面来分析对近地面O3浓度变化的影响。1.气温对臭氧浓度的影响气温与近地面O3浓度有着十分密切的关系，一般来说，温度越高，太阳辐射越强，光化学反应的强度就越大，近地面O3浓度就会随之升高[19]。图4表明，兰州市近地面O3浓度随月平均气温升高呈现逐渐上升的趋势，反之随着月平均气温的下降也会逐渐下降。7月份是兰州市12个月以来最炎热的一个月，其平均气温达到23.1℃，该月的近地面O3浓度也是最高的，其数值达到171μg/m3，且近地面O3浓度超标天数也是全年中最多的一个月，有26天。超标的天数与O3浓度有着相同的趋向走势，随着每日平均气温的升高，O3浓度的超标天数也不断增加。图5.兰州市区月平均气温对应的O3浓度及其超标天数2.相对湿度对臭氧浓度的影响从表2中可以看出，相对湿度小于45%时，兰州市近地面O3浓度最高，达到142μg/m3。其对应的超标天数达到最多，为64天。随着相对湿度的增加，兰州市近地面O3浓度逐渐下降。发生此现象的原因是：当相对湿度越大，水蒸气饱和程度就越大，近地面O3的前体物VOCs和NOx的浓度会受到水蒸气的稀释、冲刷，这就降低了光化学反应的强度，从而降低了O3的浓度。表2.兰州市区不同的平均相对湿度对应的O3浓度以及O3浓度超标天数平均相对湿度（RH）超标天数O3浓度（𝝁g/mg3)RH≤456414245＜RH≤554512655＜RH≤65109865＜RH≤7518275＜RH≤85066RH＞850633.风速对臭氧浓度的影响风场可以影响大气污染物的输送，其中风向能决定污染物的输送方向，而风速的大小则是污染物的清除效率或污染物的输送效率的体现[20]。从兰州市2020年风速对应近地面O3浓度的数据可以分析出兰州市区O3超标现象主要发生在风速在0.9—1.5m/s的条件下，通过表3能看出，该条件下超标天数高达21天，当风速大于1.5m/s时兰州市区未发生O3浓度超标，而且在风速为0.9—1.5m/s时O3浓度也是最高的，数值为126μg/m3，说明风速越低O3越容易被富集。当风速越低时，光化学反应发生的强度就越强，并且生成的O3不易被大气输送，从而导致O3浓度升高。当风速越大时，O3及其前体物就越容易被稀释甚至清除，因此不利于累积O3和发生光化学反应。表3.兰州市区2020年不同风速范围对应的近地面O3浓度及其超标天数风速范围（m/s)超标天数O3浓度（𝝁g/mg3)0.9-1.5211261.6-3.50924.降水对臭氧浓度的影响是否出现降水天气对近地面O3浓度也有很明显的影响，一般情况下，非降水天气的近地面O3浓度和超标天数要比降水天气的高很多，如表4所示，2020年兰州市区近地面O3超标的现象多发生在无降水天气的情况下，无降水时近地面O3的平均浓度在163μg/m3，超标天数共有17天，在有降水的情况下很少出现近地面O3浓度超标的情况，此时近地面O3的平均浓度在111μg/m3，而超标天数仅有4天。非降水天气的近地面O3浓度高于降水天气的近地面O3浓度，这是因为：一、出现降水天气时会部分清除O3以及其前体物，使得光化学反应物浓度降低，无法生成O3；二、在有降水发生的情况下，一般会出现云层变厚、云量变多的现象，从而太阳辐射得到了减弱，这样光化学反应就会受到一定的阻碍，导致近地面O3浓度下降。表4.兰州市区不同降水情况对应的O3浓度及其超标天数有无降水超标天数O3浓度（μg/mg3)降水日4111非降水日17163（二）前体物对兰州市近地面臭氧浓度的影响1.NO2对臭氧浓度的影响从图3和图5可知，兰州市近地面日变化O3浓度与NO2浓度之间存在着负相关性，当近地面O3浓度的最小时，则NO2浓度的达到最大，反之亦然成立。其原因是，当平流层中NO2的浓度较大时就能够抑制O3的生成，因此，当NO2的浓度相对较高时，O3的浓度往往低于NO2的浓度。图3.兰州市区O3与NO2浓度的日变化特征图5.兰州市O3与NOₓ浓度相关性表5是兰州市近地面O3与其前体物的CORREL相关系数分析。从表中可以看出春季CO与O3的相关性更高一些，达到了-0.9994。夏、秋、冬季NO2与O3的相关性更高，相关系数分别为-0.9978、-0.9743和-0.9111。从年均相关系数来说，NO2与O3相关性更好一些，相关系数达到-0.897，而O3和CO的相关系数只有-0.8508，相对较弱。出现这一现象的原因是与CO在光化学反应中的活性有关。表5.兰州市近地面O3与其前体物的CORREL相关系数季节NO2CO春季-0.9386-0.9994夏季-0.9978-0.7825秋季-0.9743-0.1921冬季-0.9111-0.8782年均-0.897-0.85082.VOCs对臭氧浓度的影响VOCs是挥发性有机物，也是形成近地面O3的重要前体物。VOCs的一些种类及其光化学产物都具有一定的毒性，因此它们可以危害到人体健康和生态环境。在我国VOCs的人为排放源中，主要包括机动车排放的尾气、化石燃料的燃烧以及工业生产排放等几个方面。由此可见，大量的VOCs排放对周围生态环境造成非常大的影响。又因为VOCs在大气中难以扩散，从而导致光化学反应的发生，进一步造成近地面O3浓度超标，对人体健康和生态环境造成严重威胁。五、兰州市臭氧污染防治对策（一）完善臭氧污染防治法律法规兰州市近年以来对于大气污染治理的法律法规做了严格的完善并且得到了有效的实施。针对生活中常见的大气污染问题，如沙尘污染、机动车尾气排放污染、工业生产废弃物排放等修订了专业的管理方法和预防制度，并且加大了管控力度，从污染根本上快速解决问题。对于还在升高的污染物浓度如近地面O3浓度，在此建议应当完善相关法律法规和一些政策体系，将这些政策体系作为近地面O3污染防治的法律支撑，从污染物产生的根本源头进行防治。（二）不断优化能源结构兰州市的能源结构主要以煤炭为主。煤炭的燃烧，造成NOx、CO等O3前体物的大量排放，使兰州市大气环境质量直线下降。因此建议政府进一步严格管控燃煤量，并且做好末端治理工作，从源头上减少污染物排放，着手发展清洁生产和循环经济。（三）持续调整产业结构兰州市是我国较早的工业城市，其工业结构多以石油炼制、化工产业、机械制造及有色金属冶炼等工业为主。对于违规排放、大量偷排VOCs的石油化工、石油炼制等企业，应当责令停止生产并采取强硬措施，加大惩处力度;对于表现良好、遵守法律法规、合理排放污染物并主动实施清洁生产的企业，给予适当财政奖励。政府也要鼓励工业企业开展绿色清洁生产，让它们的生产活动向绿色低碳方向发展。参考文献[1]杨克敌,衡正昌.环境卫生学[M].6版.北京:人民卫生出版社,2007:100-101.[2]陈浪,赵川,关茗洋,等.我国大气臭氧污染现状及人群健康影响[J].环境与职业医学,2017,34(11):1025-1030.[3]ZychowskiKE,LucasSN,SanchezB,etal.Hypoxia-inducedpulmonaryarterialhypertensionaugmentslonginjuryandairwayreactivitycausedbyozoneexposure[J].ToxicolApplPharm,2016,305(6):40-45.[4]祝合勇，杨太保，金庆森.兰州市城区大气污染现状及防治对策分析[J].环境科学导刊，2011，30(2):48-52.[5]秦瑜,赵春生.大气化学基础[M].北京:气象出版社,2003:85-91.[6]PearceJL,BeringerJ,NichollsN,etal.Quantifyingtheinfluenceoflocalmeteorologyonairqualityusinggeneralizedadditivemodels[J].AtmosphericEnvironment,2011,45(6):1328-1