兰州市主城区2015~2020年近地面臭氧污染特征

Characteristics of near surface ozone pollution in the main urban area of Lanzhou from 2015 to 2020

摘要

目的 研究兰州市主城区近地面臭氧（O₃）污染特征。 方法 基于2015~2020年兰州市主城区4个环境空气质量监测点近地面O₃以及NO_x、CO、SO₂、NO₂、PM_2.5、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 2015~2020年兰州市主城区O₃年均浓度值从2015年的46.62 μg/m³上升至2020年的62.49 μg/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NO_x（0.706 7）> CO（0.664 6）> SO₂（0.652 7）> NO₂（0.573 3）> PM_2.5（0.568 5）> PM₁₀（0.208 3）。PM_2.5和NO_x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。

Abstract

Objective The characteristics of near-surface ozone （O₃） pollution in the main urban area of Lanzhou were studied. Method Based on the monitoring data （O₃，NO_x，CO，SO₂，NO₂，PM_2.5，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 model. Result From 2015 to 2020，the annual average concentration of O₃ in the main urban area of Lanzhou increased from 46.62 μg/m³ in 2015 increased to 62.49 μg/m³ in 2020，the high value of monthly average concentration of O₃ occurs in summer.There is a negative correlation between O₃ and air pollution factors.The negative correlation coefficient between the monthly mean value of O₃ and the monthly mean value of different pollutants is NO_x （0.706 7）> CO （0.664 6） > SO₂ （0.652 7） > NO₂ （0.573 3） > PM_2.5（0.568 5）>PM₁₀（0.208 3）.The hourly concentration values of NO_x，PM_2.5 and O₃ have the same trend in different seasons. 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 pollution.

Graphical abstract

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

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20~50 km的平流层，O₃的存在，保护着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PM_2.5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、PM_2.5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NO_x、CO、 SO₂、 NO₂、 PM_2.5、 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2015~2020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。

W_i=\frac{h_i^{-\mathrm{p}}}{{\sum }_{j=\mathrm{1}}^n{h}_j^{-\mathrm{p}}}（1）

式中：P是一个任意正实数，一般P=2，h_i 是离散点到插值点的距离。

h_i=\sqrt[]{(x-x_i{)}^{\mathrm{2}}+(y-y_i{)}^{\mathrm{2}}}（2）

（x，y）为插值点坐标，（x_i，y_i ）为离散点坐标。

W_i=\frac{{[\frac{R-h}{Rh}]}^{\mathrm{2}}}{{\sum }_{j=\mathrm{1}}^n{[\frac{R-h}{Rh}]}^{\mathrm{2}}}（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1~3在ArcGIS 10.8中进行反距离（IDW）空间插值。

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2015~2020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。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，2015~2020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 μg/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 μg/m³）一级标准，6月份O₃浓度值最高，达到了104.17 μg/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 μg/m³）一级标准，是12月份的2.88倍，季节性变化明显，这同北方城市2015~2019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 μg/m³和78.41 μg/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 μg/m³和90.78 μg/m³，最低值同样出现在12月份，为12.16 μg/m³。兰州职工医院只有2016~2018年的监测值，但O₃浓度的峰值和平均值逐年上升，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3~5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。

2.1.2 空间变化特征

基于GIS软件对兰州市主城区2015~2020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，2015~2020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NO_x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40.48 μg/m³增至了2020年的68.68 _{μg/m³，高值从2015年的52.98 μg/m³增至2020年的68.96 μg/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。}

2.2 O₃与大气污染因子的关系

对兰州市主城区不同站点2015~2020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NO_x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 4，兰州市主城区整体负相关性CO次之，为-0.664 6，SO₂、NO₂、PM_2.5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。PM_2.5同O₃之间的负相关系数在2015年最低，在2019年最高。近些年兰州市主城区大气环境污染治理取得了明显成效，作为首要污染物的PM_2.5近些年持续下降，SO₂、NO_x污染程度得到显著改善，但和其存在负相关关系的O₃月平均浓度值持续升高，污染程度加重。选取负相关系数最大的2016年兰州生物制品研究所O₃和SO₂数据（-0.919 1）、2017年兰州生物制品研究所O₃和NO_x数据（-0.925 6）、2017年中铁勘察第一设计院O₃和PM_2.5数据（-0.796 5）分析O₃同SO₂、NO_x、PM_2.5之间的变化趋势。

2.2.1 O₃同SO₂关联性分析

2016年兰州生物制品研究所监测点O₃同SO₂之间的相关性分析如图4所示。O₃小时浓度值同SO₂整体呈负相关关系，相关系数为-0.403 0。在不同的季节，其相关程度不同，负相关系数关系表现为夏季（0.344 8）>秋季（0.329 1）>春季（0.327 9）>冬季（0.049 0）。根据2016年O₃同SO₂之间数据集及图4分析得出，O₃小时浓度值大于160 μg/m³出现在SO₂浓度值为4~55 mg/m³的范围内，O₃小时浓度值大于200 μg/m³出现在SO₂浓度值为8~55 mg/m³的范围内，说明SO₂浓度值低于55 mg/m³浓度时，O₃浓度值增大。O₃小时浓度值同SO₂的相关性要低于O₃月平均浓度值同SO₂的相关性，说明SO₂对O₃污染的协同作用要低。

2.2.2 O₃同NO_x关联性分析

2017年兰州生物制品研究所监测点O₃同NO_x之间的相关性分析如图5所示。O₃小时浓度值同NO_x整体呈负相关关系，相关系数为-0.792 0，大于O₃小时浓度值同SO₂之间的相关系数，说明NO_x对O₃污染的协同作用要强于SO₂。在不同的季节，其相关程度不同，负相关系数关系为冬季（0.827 8）>春季（0.801 0）>秋季（0.746 1）>夏季（0.742 7），夏季负相关系数最低，可能同降雨较多存在一定的关系，另外O₃的高值出现在夏季，在NO_x保持一个正常水平的条件下，O₃的突发高值，降低了NO_x和O₃的负相关性。小时浓度值大于160 μg/m³出现在NO_x浓度值为11~107 mg/m³的范围内，O₃小时浓度值大于200 μg/m³出现在NO_x浓度值为28~107 mg/m³的范围内，说明NO_x浓度值107 mg/m³为对应O₃污染的一个阈值，高于107 mg/m³浓度时，气溶胶辐射效应减弱，至使O₃浓度值降低。O₃小时浓度值同NO_x的相关性要接近于O₃月平均浓度值同SO₂的相关性，说明NO_x对O₃污染的协同作用很大，O₃同NO_x的光化学循环作用共同导致了O₃浓度的增加，污染态势的加剧。

2.2.3 O₃同PM_2.5关联性分析

2017年中铁勘察第一设计院监测点O₃同PM_2.5之间的相关性分析如图6所示。O₃小时浓度值同PM_2.5整体呈负相关关系，相关系数为-0.341 8，在不同的季节，其相关程度不同，负相关系数关系为冬季（0.451 4）>春季（0.396 1）>秋季（0.382 2）>夏季（0.367 7），其变化趋势同NO_x与O₃小时浓度值相关性一致，说明NO_x同PM_2.5对O₃污染的协同作用可能一致。O₃小时浓度值大于160 μg/m³全部出现在夏秋季节，对应PM_2.5浓度值低于84 mg/m³，O₃小时浓度值大于200 μg/m³基本全部出现在夏季，对应PM_2.5浓度值低于59 mg/m³。表明气溶胶粒子浓度越低，对太阳辐射的吸收作用越弱，由此产生的光化学作用越强，越有利于O₃的形成。

3 结 论

1） 2015~2020年兰州市主城区O₃浓度值逐年上升，年均浓度值从2015年的46.62 μg/m³上升至2020年的62.49 μg/m³，O₃污染情况加重。中铁勘察第一设计院2015年12月份O₃浓度月均浓度值最低，为12.16 μg/m³，兰州西固兰炼宾馆2016年6月份最高，为104.17 μg/m³，O₃月平均浓度值高值出现在夏季。

2） 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。整个主城区O₃浓度低值从2015年的40.48 μg/m³增至了2020年的68.68 μg/m³，高值从2015年的52.98 μg/m³增至2020年的68.96 μg/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，安宁区和七里河区近3 a O₃污染上升趋势明显。

3） 兰州市主城区O₃同大气污染因子之间存在负相关关系，NO_x对O₃污染的协同作用在各污染因子中最强，O₃月均值同不同污染因子月均值之间的负相关系数为NO_x（0.706 7）> CO（0.664 6）> SO₂（0.652 7）> NO₂（0.573 3）> PM_2.5（0.568 5）> PM₁₀（0.208 3）。NO_x和PM_2.5与O₃小时浓度值在不同季节的相关性变化趋势一致，负相关系数关系为冬季>春季>秋季>夏季。

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基金资助

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)