2018-2022年德阳市环境空气臭氧污染特征及相关因素分析

李 沙 肖 勇 高韦韦 刘嫒琳

四川省德阳生态环境监测中心站 四川 德阳 618000

本文利用2018-2022年德阳市环境空气质量监测数据，系统分析O3污染的变化体征，探讨O3与前体物NOx和VOCs的相关性，以期为德阳的大气污染防治提供科学依据。

1 研究方法

1.1 德阳市环境空气自动在线监测系统

德阳市共有4个国控环境空气自动在线监测点位，分别为东山公园、西小区、市教育局、耐火材料厂，四个点位均对环境空气中O3、SO2、CO、NO2、PM10和PM2.5进行在线监测。其中PM10和PM2.5采用β射线法颗粒物监测仪监测，O3采用紫外吸收法监测仪监测，NO2采用化学发光法监测仪监测。德阳市VOCs自动在线监测系统于2020年建成，VOCs采用FID差减法监测，2021年实现联网上传数据。本文整理了2018-2022年德阳市环境空气中O3、NO2和VOCs自动在线监测数据[1]。

1.2 评价标准

根据《环境空气质量标准》（GB3095-2012）中环境空气功能区分类和质量要求，德阳市环境空气质量标准为二级标准，O3的浓度限值是：日最大8小时平均0.16mg/m3或1小时平均0.20mg/m3。O3的评价方法依据《环境空气质量标准》（GB3095-2012）、《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》（HJ633-2012）及《环境空气质量评价技术规范（试行）》（HJ663-2013）。德阳市环境空气O3的日评价方法是4个国控自动监测站O3日最大8h平均浓度值，记为O3-8h；年评价标准是O3日最大8h平均第90百分位值，记为O3-8h-90%[2]。

2 结果与讨论

2.1 德阳市O3浓度的年变化情况

根据2018-2022年德阳市环境空气自动监测系统中O3在线监测数据，其有效监测天数、超标天数、优良率及O3-8h-90%年均浓度等见表1。2018至2022年德阳市环境空气中O3超标天数和O3-8h-90%年均浓度呈曲线上升模式，2018年O3超标天数为20天，占总超标天数比率为29.9%，2022年O3超标天数上升至40天，占总超标天数比率增至67.8%，已经超过颗粒物超标天数比率，成为全年最主要的超标污染物。O3-8h-90%年均浓度从0.142mg/m3增长至0.165mg/m3。全年臭氧浓度日均值最低值主要集中在冬季（12-2月），日均值最高值主要集中在夏季（6-8月）[3]。

表1 2018-2022年O3有效监测天数、超标天数、优良率及O3-8h-90%年均浓度统计表

2.2 德阳市O3浓度的月变化情况

2018-2022年德阳市环境空气监测系统中在线监测数据O3-8h月平均值见图1。2018-2022年O3-8h月均浓度在0.060mg/m3-0.233mg/m3波动，最大值出现在2020年5月，最小值出现在2018年12月，变化规律呈较明显的倒“V”字型。从整体上看O3-8h月均浓度从每年1月份开始逐渐上升，在5-8月出现高值，秋冬季9-12月又开始呈下降趋势，全年出现O3污染的季节主要集中于春夏季。从2018-2022年夏季6、7月O3-8h月均浓度分析，O3-8h月均浓度基本呈逐年上升的趋势[4]。

图1 2018-2022年环境空气O3-8h月变化趋势

2.3 污染日和非污染日O3浓度日变化情况

选取2018-2022年O3-8h年最大值当天的小时数据分析1:00至24:00时臭氧浓度变化情况，如图2所示。德阳市臭氧的日循环存在“前夜累积阶段”、“臭氧抑制阶段”、“臭氧光化学生成阶段”和“臭氧消耗阶段”四个阶段[5]，2021年O3-8h年最大值当天O3浓度日变化呈明显的双峰型。前夜累计阶段即日出前臭氧浓度随着时间变化幅度很小，从凌晨1点至5点呈缓慢的下降趋势；臭氧抑制阶段即日出后为太阳紫外线较弱的时段，同时随着早交通高峰的到来，臭氧前体物氮氧化物、碳氧化物和碳氢化物等浓度逐渐升高，特别是一氧化氮的增加，作为还原物质进一步消耗了臭氧，使臭氧浓度在 5至 8 时持续下降，出现一天中的最低值；臭氧光化学生成阶段即随着太阳紫外线增强和气温的升高，臭氧浓度从8时开始逐渐升高，一般在15至18时达到最大值；然后从18时左右直到午夜时段为臭氧浓度下降阶段，此阶段为臭氧消耗阶段[5]。

图2 2018-2022年O3-8h年最大值当天臭氧小时变化情况

选取2018-2022年O3-8h年最小值当天的小时数据分析1:00至24:00时臭氧浓度变化情况，如图3所示。从变化情况来看，O3浓度极低的当天累计阶段和抑制阶段臭氧的浓度变化不大，生产和消耗阶段变化规律大致上同污染天数变化规律一致，整体上O3浓度日变化呈单峰型；2019年O3-8h年最小值当天也存在明显的累积、抑制、生产和消耗四个阶段，O3浓度日变化呈明显的双峰型[6]。

图3 2018-2022年O3-8h年最小值当天臭氧小时变化情况

2.4 臭氧浓度超标原因分析

大量研究表明，环境空气中臭氧的浓度与大气温度、大气压、风速、湿度以及臭氧形成的前体物NOx和VOCs等有紧密联系[6]。雷坚志[7]等研究表明，臭氧是由前体物NOx和VOCs在充分日照条件下经过复杂的光化学反应后生成。本文运用DPS数据处理软件对2018-2022年O3-8h年最大值和年最小值当天臭氧小时数据与NO2及VOCs的显著性关系进行分析，结果见表2。臭氧浓度在污染日与NO2和VOCs均呈显著负相关，说明氮氧化物和挥发性有机物浓度升高时臭氧浓度降低，氮氧化物和挥发性有机物浓度降低时臭氧浓度升高；臭氧浓度在非污染日与NO2和VOCs也呈显著负相关，但是相关性没有污染日显著。这与李顺姬[8]等的研究相似，臭氧污染物浓度与NOx和VOCs的显著性关系存在季节性差异[7]。

表2 2018-2022年臭氧污染日与非污染日O3与NO2及VOCs的相关性

随机选取2018，2020及2022年O3-8h年最大值和2018年，2019及2021年O3-8h年最小值当天数据分析O3和NO2小时浓度变化关系，结果见图4和图5。无论污染日还是非污染日，O3和NO2小时浓度均呈现出此消彼长的规律，这与表2分析结果一致。在夏季臭氧污染风险高的时期，减少臭氧前体物NOx和VOCs的管控对臭氧污染防治具有至关重要的作用。

图4 污染日O3与NO2日小时浓度值日变化趋势

图5 非污染日O3与NO2日小时浓度值日变化趋势

3 结论与意义

（1）德阳市2018-2022年环境空气中O3超标天数和O3-8h-90%年均浓度呈曲线上升模式，臭氧已成为全年最主要的超标污染物。

（2）德阳市2018-2022年期间环境空气O3浓度从整体上看，O3-8h月均浓度从每年1月份开始逐渐上升，在5-8月出现高值，秋冬季9-12月又开始呈下降趋势，全年出现O3污染的季节主要集中于春夏季。

（3）臭氧无论在污染日还是非污染日，大部分日循环均存在“前夜累积阶段”、“臭氧抑制阶段”、“臭氧光化学生成阶段”和“臭氧消耗阶段”四个阶段。O3浓度日变化一般在15:00至18:00时达到最大值，污染日O3浓度呈明显的双峰型，非污染日部分呈单峰型[8]。

（4）臭氧浓度与臭氧前体物NOx和VOCs呈显著负相关，且显著性关系存在季节性差异。在夏季臭氧污染防控工作中，减少NOx和VOCs的排放是臭氧污染防治管控的重要措施，尤其是在工业企业废气治理、机动车尾气治理、区域联防联控上加强精准施策。