兰州市主城区2015-2020年近地面臭氧污染特征.pdf
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1、【目的】研究兰州市主城区近地面臭氧(O3)污染特征。【方法】基于20152020年兰州市主城区4个环境空气质量监测点近地面O3以及NOx、CO、SO2、NO2、PM2.5、PM10监测数据,运用反距离空间分析法和对数线性模型开展研究。【结果】20152020 年兰州市主城区 O3年均浓度值从 2015 年的 46.62 g/m3上升至 2020 年的62.49 g/m3,O3月平均浓度值高值出现在夏季。O3同大气污染因子之间存在负相关关系,O3月均值和不同污染因子月均值之间的负相关系数为NOx(0.706 7)CO(0.664 6)SO2(0.652 7)NO2(0.573 3)PM2.5(0
2、.568 5)PM10(0.208 3)。PM2.5和NOx与O3小时浓度值在不同季节的相关性变化趋势一致。【结论】O3的空间分布呈现出了“孤岛状”“片状”“面状”的分布特征,O3在整个主城区的分布呈现出污染加剧的趋势。关键词:兰州市主城区;O3;反距离空间插值;污染特征;对数线性模型中图分类号:X823 文献标志码:A 开放科学(资源服务)标识码(OSID):文章编号:1003-4315(2023)03-0153-07Characteristics of near surface ozone pollution in the main urban area of Lanzhou from 2
3、015 to 2020CHENG Huibo1,LI Xiaohong1,YANG Fan1,SHEN Jie2(1.Gansu Province Environmental Monitoring Center,Lanzhou 730000,China;2.School of Nuclear Science and Technology,Lanzhou University,Lanzhou 730000,China)Abstract:【Objective】The characteristics of near-surface ozone(O3)pollution in the main urb
4、an area of Lanzhou were studied.【Method】Based on the monitoring data(O3,NOx,CO,SO2,NO2,PM2.5,PM10)from four ground-level air quality monitoring points in the main urban area of Lanzhou from 2015 to 2020,the research is conducted by using inverse distance space analysis method and logarithmic linear
5、model.【Result】From 2015 to 2020,the annual average concentration of O3 in the main urban area of Lanzhou increased from 46.62 g/m3 in 2015 increased to 62.49 g/m3 in 2020,the high value of monthly average concentration of O3 occurs in summer.There is a negative correlation between O3 and air polluti
6、on factors.The negative correlation coefficient between the monthly mean value of O3 and the monthly mean value of different pollutants is NOx(0.706 7)CO(0.664 6)SO2(0.652 7)NO2(0.573 3)PM2.5(0.568 5)PM10(0.208 3).The hourly concentration values of NOx,PM2.5 and O3 have the same trend in different s
7、easons.【Conclusion】The spatial distribution of O3 shows the distribution characteristics of island,sheet and surface.The distribution of O3 in the whole metropolitan area shows the trend of increasing polDOI:10.13432/ki.jgsau.2023.03.020第一作者:程慧波,博士,正高级工程师,主要从事生态环境监测研究。E-mail:通信作者:李晓红,正高级工程师。E-mail:基
8、金项目:国家自然科学基金青年基金项目(21603090);甘肃省青年科技基金项目(18JR3RA022);甘肃省自然科学基金项目(21JR7RA690)。收稿日期:2022-03-25;修回日期:2022-04-24甘肃农业大学学报2023 年lution.Key words:main urban area of Lanzhou;O3;inverse distance space interpolation;pollution characteristics;log linear model臭氧(O3)是大气环境中的一种微量气体,主要分布在距离地球表面2050 km的平流层,O3的存在,保护着
9、地球上的生命体避免遭受紫外线损害1-5。而近地面O3则是指存在于近地面的一种对人体健康状况有害、影响植被生长的大气污染物6-9。高浓度的 O3 会诱发人体心脑血管疾病和呼吸道疾病,损害植物的光合作用,从而降低陆地植被初级生产力,造成显著的生态环境负效应10-12。随着经济的发展和城市化进程的加快,近些年来,我国近地面O3浓度呈现增加态势13-16,在环境空气质量监测中,作为首要污染物的O3占比天数正在逐年增加,当前O3已经成为继PM2.5之后的大气环境空气中的另一重要超标污染物,O3问题也成为我国大气环境治理中的主要问题,O3的时空分布及污染特征研究也成为近些年环境空气研究热点17-19。在经
10、济高速发展阶段,我国各大中型城市雾霾频发,呈现出污染范围广,污染程度重的态势,显著的特点就是臭氧浓度和颗粒物浓度协同污染效应加剧。相关研究表明,我国臭氧污染状况发生的范围和频率目前要高于欧洲、日本、美国、韩国等发达国家20。兰州市曾是我国大气污染最严重的城市之一,自2013年以来,当地采取了一系列的精准措施,科学防治大气污染,大气环境质量持续改善,作为首要污染物的PM10、PM2.5持续降低,2020年环境空气质量优良天数达到312 d。但是,近些年来,O3作为首要污染物,在兰州市主城区的天数占比逐年增加,因此针对O3进行连续监测,对兰州市主城区近地面O3污染特征进行研究具有重要意义。1材料与
11、方法1.1数据来源图1为根据 兰州市主城区单元控制性详细规划 划定的兰州市主城区空间范围及环境空气自动监测点位分布,4个监测站点为国控空气自动监测点位,分别为兰州西固兰炼宾馆、中铁勘察第一设计院、兰州生物制品研究所、兰州职工医院。监测大气污染因子包括 NOx、CO、SO2、NO2、PM2.5、PM10、O3,按照 HJ/T 193-2005 环境空气质量自动监测技术规范 进行监测。监测数据来源于甘肃省环境监测中心站。1.2分析方法为研究O3 时空分布特征,利用 ArcGIS 反距离(IDW)插值得到20152020年兰州市主城区O3平均浓度空间分布插值图,IDW插值公式如(1)(3),用于研究
12、兰州市主城区O3污染整体情况及不同区域之间的差异状况,在Excel中采用对数线性模型对兰州市主城区O3与不同大气污染物之间的相关关系进行分析。Wi=h-pij=1nh-pj(1)式中:P是一个任意正实数,一般P=2,hi是离散点到插值点的距离。hi=(x-xi)2+(y-yi)2(2)(x,y)为插值点坐标,(xi,yi)为离散点坐标。Wi=R-hRh2j=1nR-hRh2(3)式中:R为插值点到最远离散点的距离,n为离散点的总数。通过公式13在ArcGIS 10.8中进行反距离(IDW)空间插值。图1兰州市主城区空气质量监测点位Figure 1Air quality monitoring p
13、oints in the main urban area of Lanzhou City154第 3 期程慧波等:兰州市主城区20152020年近地面臭氧污染特征2结果与分析2.1兰州市主城区O3时空变化2.1.1时间变化特征对兰州市主城区兰州西固兰炼宾馆、兰州生物制品研究所、兰州职工医院、中铁勘察第一设计院4个监测点位20152020年O3浓度的月均值进行计算(兰州职工医院因点位变动,2019和2020年无数据),结果如图2所示。研究发现,兰州市主城区O3浓度值在夏季基本呈现出了一个最高值,这主要同夏季太阳辐射强,日照时间长,气温高,更容易产生光化学反应,造成O3浓度值在该时间段内很高有关。
14、在冬季,气温较低,日照时间短,且采暖期颗粒物浓度值较高,增加了气溶胶厚度,从而削弱太阳辐射,不容易产生光化学反应,该时间段内,O3浓度值较低。从兰州市主城区4个站点来看,20152020年,兰州西固兰炼宾馆O3整体呈现出了正态分布模式,2017年12月份O3浓度值最低,为 36.19 g/m3,低于环境空气质量标准(GB3095-2012)中 O3浓度日最大 8 小时平均限值(100 g/m3)一级标准,6月份O3浓度值最高,达到了104.17 g/m3,高于 环境空气质量标准(GB3095-2012)中O3浓度日最大8小时平均限值(100 g/m3)一级标准,是12月份的2.88倍,季节性变
15、化明显,这同北方城市 20152019年汾渭平原的污染状况一致,最高值出现在6月份,最低值出现在12月份15。兰州生物制品研究所2015年O3浓度值在2月份和6月份呈现出了“双峰”模式,分别达到了78.65 g/m3和78.41 g/m3,2月份的峰值可能和当月该区域人为活动增多,机动车汇集于该区域车管所办理业务存在一定的关系。中铁勘察第一设计院O3浓度值在2017 年 7 月和 2016 年 6 月相对最高,分别为:94.94 g/m3和 90.78 g/m3,最低值同样出现在 12月份,为 12.16 g/m3。兰州职工医院只有 20162018年的监测值,但O3浓度的峰值和平均值逐年上升
16、,说明O3污染情况逐年加重。综上所述,兰州市主城区O3浓度最高值出现在夏季,低值出现在冬季,这同我国北方城市的O3污染特征相近,但同我国南方地区的O3污染特征则不一致,如海口市O3浓度最高值出现在10月份,昆明则出现在35月份16,再次表明O3的污染特征即太阳辐射对其影响最大,随着太阳直射点的南北移动,O3污染呈现出不同的季节分布特征。图220152020年兰州市主城区不同站点O3月均值变化Figure 2Monthly mean change of O3 at different stations in the main urban area of Lanzhou from 2015 to
17、2020155甘肃农业大学学报2023 年2.1.2空间变化特征基于GIS软件对兰州市主城区20152020年近地面O3年平均浓度值进行空间插值,得到兰州市主城区O3质量浓度空间分布如图3所示。从图3可以得出,20152020年,兰州市主城区O3的空间分布特征呈现出了“孤岛状”“片状”“面状”的态势分布特征。O3浓度的高值区域经历了以兰州生物制品研究所为代表的“孤岛区域”向以兰州西固兰炼宾馆为代表的西固区过度,再蔓延至整个主城区西北“面状区域”。城关区相对其他区域,O3的污染状况相对改善,整个区域浓度值相对较低,西固区整体O3浓度值保持了一个相对较高的污染特征。但相比20世纪70年代西固区的光
18、化学污染事故发生时O3的污染状况得到了迅速缓解18。城关区相对于其他区域,企业分布较少,产业结构主要以第三产业为主,人为污染源排放相对较少,O3污染相对于其他区域较好;以兰炼、兰化为代表的西固区域,是兰州市重要的化工、建材和机电物流中心,企业分布较多且以化工类为主,企业排放的挥发性有机物和NOx等前体物在太阳光照的条件下更容易通过一系列的化学反应而形成O3,致使该区域O3浓度值升高。安宁区和七里河区近3 a O3污染上升趋势明显,同该区域近3 a车流量增多且该区为河谷型地形,空气流动性差,O3污染物易聚集,不易扩散存在一定的关 系。整 个 主 城 区 O3浓 度 低 值 从 2015 年 的4
19、0.48 g/m3增至了2020年的68.68 g/m3,高值从2015年的52.98 g/m3增至2020年的68.96 g/m3,整个主城区O3浓度的空间分布呈现出了污染加剧的分布状况。同全国纬向相近城市(延安、临汾、济南)和经向相近城市(成都、昆明)相比20,兰州市主城区O3污染程度要低。2.2O3与大气污染因子的关系对兰州市主城区不同站点20152020年O3与其他污染成分分年度月平均值采用对数模型进行相关性分析,相关性系数如表1所示。研究发现,兰州市主城区O3同大气污染因子之间存在负相关关系,其中O3同NOx的负相关关系最好,在2017年的中铁勘察第一设计院相关系数达到了-0.911
20、 4,兰州市主城区整体负相关性CO次之,为-0.664 6,SO2、NO2、PM2.5紧随其后,负相关系数分别为:-0.652 7、-0.573 3、-0.568 5,PM10同 O3的负相关关系最不明显,负相关系数为-0.208 3,说明PM10对O3的污染协同作用相对其他污染因子最弱,这同兰州市主城区PM10主要受沙尘、粉尘的影响有一定的关系。PM2.5同O3之间的负相关系数在2015图320152020年兰州市主城区O3浓度空间分布特征Figure 3Spatial distribution characteristics of O3 concentration in the main
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