西寧市環境空氣中臭氧濃度時空演變特征分析

索有芳，王娜

(青海省生態環境監測中心，青海 西寧 810007)

引言

高空中臭氧層是地球生態圈的重要組成部分，它吸收并阻隔了絕大部分的紫外線輻射，是生命的“保護傘”，但近地面O3濃度增加，對人體健康和植物生長的危害不容忽視[1-3]。近年來，隨著經濟快速增長和城市化進程的不斷加速，我國大氣環境正面臨以PM2.5污染和O3污染共存的復合型污染問題。但今年來O3污染逐步顯現，且開始呈現增長的趨勢，成為繼PM2.5之后的主要大氣污染物[4]。

西寧市位于青海省人口集中的東部城市群的河湟谷地，因四面環山的不利地形，致使空氣中污染物濃度不斷積累增高，大氣擴散稀釋能力較差，從而整體影響環境空氣質量。近年來西寧市環境空氣中O3濃度逐年增加，日均值出現超標現象日益增加，O3污染已逐步顯著。主要表現在超標天數增加，平均濃度升高，首要污染物中O3占比增加等方面。本文利用2016—2021年西寧市內4個國控空氣質量監測站點數據，分析了西寧市O3污染的變化特征及規律，初步分析氣象要素對O3的影響，為O3污染區域防控提供參考。

1 數據來源與分析方法

目前西寧市對外實時發布的空氣質量國控監測站點共有4個，包括湟中區第五水廠(對照點)、城西區(青海師范大學城西校區)、城北區(城北區政府)和城東區(西寧市世紀職業技術學校)，監測指標包括SO2、NO2、CO、O3、PM10和PM2.5以及氣象五參數，本文選取2016—2021年逐時O3濃度數據，采用統計學方法進行分析。氣象數據來源于2015—2020年《青海統計年鑒》。

環境空氣質量評價標準執行《環境空氣質量標準》[5](GB3095-2012)和《環境空氣質量指數(AQI)技術規定(試行)》[6](HJ633-2012)。

2 結果與討論

2.1 首要污染物占比變化趨勢

圖1為西寧市2016—2021年環境空氣中首要污染物占比較高的3項污染物變化趨勢。從圖中可以看出，2016—2021年西寧市環境空氣中PM10作為首要污染物的占比呈下降趨勢，從2016年的43.2%下降至2021年的31%，下降了12.2%。表示近年來全省開展“藍天保衛戰”的各項工作以及 “抑塵、減煤、控車、治企”等大氣污染防治的措施效果顯著。PM2.5占比從2016年的13.4%上升至2020年的22.7%，上升了9.3%，但2021年較2020年出現下降。O3占比遠高于PM2.5，且呈上升趨勢，從2016年的15.6%上升至2021年的35.1%，上升了19.5%，說明西寧市大氣氧化性逐年升高，NOx和VOCs等O3前體物排放量大，在太陽光強烈輻射下，光化學反應更有利于O3的生成，空氣中O3濃度上升，O3已逐漸取代顆粒物成為西寧市首要污染物占比最高的污染物之一。

圖1 2016—2021年西寧市PM10、PM2.5和O3首要污染物占比變化趨勢

2.2 O3濃度年變化趨勢

圖2為西寧市2016—2021年O3平均濃度和O3第90百分位日最大8h平均濃度(以“O3-8h-90per”表示)的變化趨勢。從圖2看出，2016—2021年西寧市環境空氣中O3平均濃度和O3-8h-90per濃度均呈上升趨勢，從2016—2021年，O3平均濃度上升26.4%，O3-8h-90per濃度上升26.8%。

圖2 2016—2021年西寧市O3平均濃度、O3-8h-90per濃度變化趨勢

2.3 O3濃度月變化趨勢

分析2016—2021年西寧市O3-8h-90per濃度的月變化(圖3)可以發現，自2月開始O3濃度逐漸升高，到每年6～8月(夏季)O3濃度達到峰值，O3污染的高發季節就出現在這一時段，其中2017年7月和2021年7月O3-8h-90per濃度高達170μg/m3以上，超過國家二級標準。進一步分析發現，西寧市每年6～8月處于平均氣溫最高，平均日照時數較多的時段，說明西寧市O3濃度受溫度、光照和太陽輻射等氣象因子的影響顯著。10月以后氣溫偏低，不利于O3反應生成，濃度顯著下降，O3最低濃度均出現在12月。

圖3 2016—2021年西寧市O3-8h-90per濃度月變化趨勢

2.4 O3濃度日變化趨勢

圖4 2020—2021年西寧市O3平均濃度日變化趨勢

2.5 O3超標分析

按照《環境空氣質量指數(AQI)技術規定》(HJ633-2012)，統計2016—2021年西寧市主城區及西寧市4個國控站點O3各個級別分布情況，統計結果如表1所示。西寧市主城區O3超標率從2016年未出現超標，到2021年超標率達到4.11%，期間除2017年超標率較高外，O3超標呈上升趨勢。從4個國控站點的平均值來看，青海師范大學城西校區O3超標率最高，為2.05%；西寧市世紀職業技術學校和城北區政府次之，分別為1.73%和1.60%；第五水廠(對照點)最小，為1.4%。從年際變化來看，4個站點的超標率2016—2021年基本表現為上升的變化趨勢，其中2021年O3污染最為嚴重，城北區政府、第五水廠(對照點)、西寧市世紀職業技術學校和青海師范大學城西校區4個站點空氣質量等級達到三級的天數分別為18d、14d、13d、10d，西寧市世紀職業技術學校還出現了1d四級(中度污染)的空氣質量。2021年超標率從大到小的排列順序依次為城北區政府(5.16)>第五水廠(對照點)(3.90)>西寧市世紀職業技術學校(3.66)>青海師范大學城西校區(2.83)。

表1 2016—2021年西寧市及4個國控站點O3-8h各級別天數統計

2.6 O3濃度分布

圖5為2016—2021年西寧市O3-8h濃度分布情況。O3-8h日均濃度分布頻率相對較高區間在60～120μg/m3，峰值頻率和濃度小于40μg/m3的頻率逐年下降，但譜寬逐年加寬，2019年O3-8h濃度大于110μg/m3出現的頻率明顯增多，特別是120～180μg/m3頻率增幅較為明顯。說明西寧市O3-8h濃度有向高濃度區間發展的趨勢。

圖5 2016—2021年西寧市O3-8h濃度分布

2.7 氣象要素對O3的影響

2015—2020年西寧市月O3-8h平均月濃度與平均氣象要素的關系見圖6所示。從圖6可以看出，O3-8h濃度與氣溫大致呈正相關，高溫伴隨著高強度的太陽輻射，就會產生較高的光化學反應，冬季太陽輻射較弱，O3光化學反應處于較低效率的狀態。在不同季節，O3濃度與降雨量的相關性有所變化，春季、秋季和冬季O3-8h濃度與降雨量大致呈正相關，夏季基本呈負相關，降雨量多相對濕度就高，通過濕度清除作用降低O3濃度。夏季O3-8h濃度與風速負相關性顯著，低風速下污染物濃度的積累效應導致O3濃度反而升高，其他3個季節呈正相關，不同季節，風速大小對污染物濃度的影響不同。O3-8h濃度與日照時數夏季呈正相關，秋冬季呈負相關，其他季節影響不明顯。由于西寧市特殊的地理位置及氣候原因，春、冬氣溫低、降雨少，夏季氣溫高、日照強，因此西寧市夏季O3光化學反應受氣溫、降雨、風速、日照時數等因子的影響更為顯著，其他3個季節影響不明顯。

圖6 2015—2020年西寧市O3-8h平均月濃度與平均氣象要素的關系

3 結論

(1)自2016年以來，西寧市以O3為首要污染物的占比逐年增加，2021年達到近年內最高值35.1%。

(3)從2016—2021年O3超標情況看，西寧市主城區O3超標率呈上升趨勢，到2021年超標率達到最高4.11%。4個國控站點中青海師范大學城西校區O3超標率最高(2.05%)，西寧市世紀職業技術學校和城北區政府次之(分別為1.73%和1.60%)，第五水廠(對照點)最小(1.4%)，另外4個站點超標率年際變化基本表現為上升的趨勢。從O3-8h日均濃度分布頻率看，O3濃度較高區間在60～120μg/m3，譜寬逐年加寬，濃度在120～180μg/m3出現的頻率明顯增多，說明西寧市O3濃度有向高濃度區間發展的趨勢。

(4)因西寧市特殊的地理位置及氣候原因，夏季O3受氣溫、降雨、風速、日照時數等因子的影響更為顯著，其他3個季節影響不明顯。