环境科学  2022, Vol. 43 Issue (1): 170-179   PDF    
淄博市城郊臭氧污染特征及影响因素分析
王雨燕1, 杨文2, 王秀艳1, 王帅1, 白瑾丰1, 程颖1     
1. 南开大学环境科学与工程学院, 天津 300350;
2. 中国环境科学研究院, 北京 100012
摘要: 本文基于淄博市2019年18个自动监测站连续1 a的O3与前体物(NOx、VOCs和CO),及常规气象监测数据(气温、相对湿度、风速和能见度),选取城区和郊区代表性站点,研究了O3与前体物的污染特征以及O3生成的影响因素.结果表明,淄博市2019年O3-8h浓度超标率为25.8%,超标天多出现在5~9月;城区NOx浓度高于郊区,而O3和VOCs浓度较低;各污染物的小时变化率具有明显的季节特征,秋冬季节O3上升和前体物下降时间均较春夏季节晚1 h左右,且O3生成累积的高峰时段缩短,城区O3浓度的整体上升速率高于郊区;对O3及各影响因素的相关性分析、偏相关分析及线性回归分析得到,O3与前体物和相对湿度呈负相关,与能见度、气温和风速呈正相关,各因素间存在相互影响;城区站点O3生成的主控因子有相对湿度、NOx、能见度和VOCs等,郊区站点为相对湿度、气温、NOx和VOCs等.
关键词: 挥发性有机物(VOCs)      臭氧(O3)      污染特征      影响因素      相关性分析     
Characteristics of Ozone Pollution and Influencing Factors in Urban and Suburban Areas in Zibo
WANG Yu-yan1 , YANG Wen2 , WANG Xiu-yan1 , WANG Shuai1 , BAI Jin-feng1 , CHENG Ying1     
1. College of Environmental Science and Engineering, Nankai University, Tianjin 300350, China;
2. Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China
Abstract: In this study, we obtained monitoring data of O3 and its precursors (NOx, VOCs, and CO), as well as meteorological data (temperature, relative humidity, wind speed, and visibility), in 2019 to analyze the characteristics of O3 pollution and the influencing factors in urban and suburban areas. The results showed that the O3 episodes accounted for 25.8% of the whole observation period, mostly occurring from May to September. The concentration of NOx in urban areas was higher than that in suburban areas, whereas the concentrations of O3 and VOCs were lower. The hourly rate of variation in each pollutant had obvious seasonal characteristics; for example, the time of O3 rise and precursor decline in autumn and winter was approximately 1 h later than that in summer, and the peak period of O3 generation and accumulation was shortened. The increase rate in O3 in urban areas was higher than that in suburban areas. Correlation analysis and partial correlation analysis were used to study the relationship between O3 and its influencing factors. The results showed that O3 was negatively correlated with precursors and relative humidity and positively correlated with visibility, temperature, and wind speed, and these factors interacted with each other. According to the multivariate linear regression analysis, the main controlling factors in urban areas were relative humidity, NOx, visibility, and VOCs, whereas in suburban areas they were relative humidity, temperature, NOx, and VOCs.
Key words: volatile organic compounds (VOCs)      ozone (O3)      pollution characteristics      influencing factors      correlation analysis     

近年来, 随着我国大气污染防治工作的加强, PM2.5及其它常规污染物已取得明显改善, 而臭氧(O3)浓度却呈上升趋势[1, 2], 已成为不少地区的首要污染物[3, 4].近地面O3浓度高、持续时间长且危害性大, 威胁人类健康甚至生命[5~7], 同时O3还是光化学烟雾的主要成分, 可破坏空气质量, 对生态系统造成不利影响, 因此O3控制成为目前研究热点[8~10].

O3是重要的二次污染物, 具有强氧化性, 主要由其前体物VOCs、NOx和CO通过一系列复杂的光化学反应产生[11], O3与前体物之间呈高度的非线性关系, 因此, 控制前体物排放对降低O3浓度具有重要意义.其中, VOCs由于其不同物种的化学结构特征和光化学反应活性不同, 对O3形成的贡献也存在差异, 许多研究得到烯烃和芳香烃是O3形成潜势较高的物质[12, 13].

此外, 气象因素对O3的生成也有重要影响, 人们从O3与前体物VOCs和NOx的排放特征及相关性[14~16]、O3与其它大气污染物以及与气象要素的关系[17, 18]等方面做了许多研究.程念亮等[19]的研究认为北京地区O3浓度与气压、湿度和能见度成反比, 与风速和温度成正比; Wang等[20]的研究得到各影响因素之间存在相互作用, O3浓度受到风速和日照时长等气象因素的共同作用; 王玫等[21]的研究指出对于京津冀地区, 不同季节影响O3浓度的主导因素不同, 春、夏、秋季节气温是影响O3浓度变化的主要因素, 而冬季为相对湿度与风速; Liu等[22]对全国的O3浓度和影响因素进行了研究, 得到气象和前体物及其相互作用对O3浓度的影响具有较大的区域性差异.因此对不同地区O3污染特征及与气象因子和前体物关系的研究是非常有必要的.

本文通过淄博市环境自动监测系统, 获取全市18个监测站点连续1 a的污染物和气象数据, 分析了淄博市2019年O3污染情况; 分别选取城市和郊区两个代表性站点, 研究了O3与前体物的浓度水平和变化特征, 结合VOCs反应活性分析、O3及其影响因素的相关性分析和多元线性回归分析等方法, 分析了前体物和气象因素对O3生成的影响.本研究结果可用于识别不同地区大气O3形成的关键因素, 以期为减轻淄博O3污染提供技术支持.

1 材料与方法 1.1 研究区域

淄博市位于山东省中部(35°55′20″~37°17′14″N, 117°32′15″~118°31′00″E), 属温带季风气候, 年平均气温13.9℃, 南部主要为山地, 北部为平原.淄博是一个典型的重化工城市, 工业是主要的经济支柱, 石化、陶瓷、医药和建材等行业成为山东省乃至全国重要的生产基地.经济的快速发展也引发了一系列的空气污染问题, 尤其是2017~2019年期间, O3浓度同比分别上升12.2%、4.1%和10.9%, 且超过环境空气质量二级标准, O3污染严重.

淄博市18个VOCs在线监测站点及其分布如图 1所示, 从北到南依次为高青县3个, 桓台县1个, 临淄区5个, 张店区2个, 周村区2个, 淄川区2个, 博山区2个以及沂源县1个, 同时获取各站点的常规气态污染物和气象数据.通过分析各站点的地理位置、经济和产业发展, 选取城区和郊区的代表站点进行研究.东孙站点(37°01′14″N, 117°56′57″E)位于张店区东孙路, 是主城区所在地, 附近有较多居民区, 同时东部临近高速公路, 交通便利; 常家站点(37°12′58″N, 117°49′50″E)位于高青县北部, 距县城5 km, 自然资源丰富, 主要发展生态农业及生态旅游.

红色五角星为所选代表性站点, 北侧常家为郊区站点, 中部东孙为城区站点 图 1 淄博市在线监测站点分布示意 Fig. 1 Distribution of monitoring stations in Zibo

1.2 数据获取

本文选取气温、相对湿度、风速和能见度作为气象因子[23, 24], NOx、CO、VOCs和O3作为污染物因子[25, 26].这些数据通过淄博市环境自动监测系统获取, 连续在线观测时间为2019年, 时间分辨率为1 h.

VOCs在线监测仪器分别为Synspec GC-955型(615/815系列)气相色谱仪及Thermos-5900型VOCs在线分析仪, 分析方法均为GC-FID.为了保证数据可比性, 本文所选城、郊站点的分析仪器均为Thermos-5900.检测物种为美国EPA光化学评价监测站规定的56种VOCs(PAMs), 其中烷烃类29种, 烯烃类10种, 炔烃类为乙炔, 芳香烃类16种.为了保证测量数据的准确性和可靠性, 对各站点的自动检测仪器进行定期检查和校准.每周进行单点校准, 每月进行5点校准定量VOCs浓度, 保证线性相关系数高于0.99, 线性响应关系明显.分析结束后, 根据各物质在标准谱图中的保留时间, 对得到的样品谱图的峰窗漂移情况进行人为检查和修正, 保证数据的准确性.同时, 在数据处理前剔除异常值, 保证数据的有效性.

1.3 数据分析 1.3.1 VOCs的O3生成潜势计算

VOCs物种繁多、组成复杂, 不同种类的VOCs光化学反应活性差异较大, 对O3生成的贡献也不尽相同.基于每个单独化合物的浓度和最大增量反应活性(MIR)是计算O3形成潜势(OFP)的一种常用的方法, 通过估计在最佳条件下每个化合物的最大O3产量, 从而可以确定O3形成的最重要物种, 计算公式如下:

(1)

式中, OFP为某物种的O3生成潜势, μg·m-3; ρ(VOCs)是该物种的实际检出浓度, μg·m-3; MIR为该物种的反应系数, 各物种的MIR值主要由Carter[27]实验模拟计算得到.

1.3.2 O3影响因素分析

不同气象因子及前体物与O3之间存在密切的相互作用, 为避免各因素之间的相互影响而导致的分析结果偏差, 本研究采用偏相关分析检验各变量(前体物、气象参数)与O3生成之间的关系.首先对所有变量进行两两相关分析, 当两个变量都与第三个变量相关时, 可以将第三个变量作为控制变量, 从而分析前两个变量是否相关, 该方法可以在一定程度上消除多变量间相互干扰的影响, 进而分析各变量与O3生成的相关性.最后, 结合多元线性回归方法, 定量分析不同地区影响O3浓度的主导因子, 使结果更加合理可靠.

2 结果与讨论 2.1 淄博市O3总体污染特征

统计分析表明, 根据我国《环境空气质量标准》(GB 3095-2012), 淄博市2019年18个监测站点O3日最大8 h滑动平均值(O3-8h)超过国家二级标准(160 μg·m-3)的平均超标天数为94 d, 占监测总天数的25.8%, 超标现象主要出现在5~9月.根据我国《环境空气质量评价技术(试行)》(HJ 663-2013)规定, 以第90百分位ρ(O3-8h)作为判定城市O3年度、季度和月度是否超标的指标, 计算结果表明, 全市18个站点全年90百分位的ρ(O3-8h)范围为183~227 μg·m-3, 年均评价结果均为超标, 整体污染情况严重.淄博市2019年ρ(O3-8h)与超标天数的月变化情况如图 2所示.

图 2 ρ(O3-8h)与超标天数月变化 Fig. 2 Monthly average of ρ(O3-8h)and excessive days

图 2显示, 淄博市2019年ρ(O3-8h)月变化呈现“M”型分布特征, 全年出现两个峰值, 1~6月ρ(O3-8h)持续上升, 在6月达到全年最高值202.42 μg·m-3, 而后开始下降, 9月稍有反弹, ρ(O3-8h)比8月高29.60 μg·m-3, 这主要是由于气象条件的影响.经统计, 8月阴雨天气较多, 总降雨12 d, 其中连续降雨5 d, 8月平均相对湿度较高为77%, 高于7月和9月, 平均气温为25.5℃, 低于7月的气温, 同时降水通过冲刷降低O3前体物浓度而影响O3生成, 因此, 8月ρ(O3-8h)明显降低, 该变化趋势同样在京津冀[20]、江苏[28]和南京[29]等地被发现.同时ρ(O3-8h)也呈现出较明显的季节特征, 夏季最高为172.08 μg·m-3, 冬季最低为58.34 μg·m-3. O3-8h月均超标天数与浓度的变化特征相一致, 6月和7月的超标天数最多为25 d和20 d, 其次为9月超标16 d, 秋末和冬季时段(11、12、1和2月)未出现超标现象.

2.2 城、郊站点前体物及O3浓度变化特征 2.2.1 日变化特征

图 3所示, 城区和郊区两站点前体物与O3浓度的日变化特征较为相似, 但变化幅度与浓度水平均存在差异.两站点NOx、CO和VOCs浓度均表现为白天低, 夜间高, 而O3浓度变化特征相反.城区站点的NOx浓度和变化幅度明显高于郊区, VOCs和O3浓度低于郊区, 分析其原因一方面是由于城区NO/NOx的比值较高, 高浓度的NO会大量消耗O3, 使得O3浓度下降, 另一方面则是因为通常郊区的植被覆盖率较高, VOCs排放量高于城区, 通过光化学反应促进O3的生成[30].两站点VOCs和CO的浓度变化均呈现出较明显的双峰趋势, 分别在07:00~09:00和19:00之后出现峰值, 城区站点VOCs早高峰出现时间较郊区晚1~2 h, 且夜间和凌晨的NOx浓度较高, 这可能是由于NOx主要来源于汽车尾气, 其排放水平依赖于道路交通, 由于城区货车、柴油车交通管制, 夜间19:00之后及凌晨才可进入城区, 因此使得NOx排放较高.两站点的O3浓度变化均呈现出明显的单峰分布特征, 峰值出现在13:00~16:00, 总体表现出O3与前体物浓度变化趋势对应相反的特征.

图 3 城、郊站点前体物及O3日均浓度变化 Fig. 3 Daily average of precursors and O3 in urban and suburban areas

O3作为一种典型的二次污染物, 主要是由其前体污染物在大气中的光化学反应产生的, 其单峰变化模式主要是由于太阳辐射和温度变化的影响.在O3生成积累阶段(07:00~14:00), 由于太阳辐射增强, VOCs与NOx发生光化学反应, VOCs与· OH反应生成RO2, RO2可将NO氧化成NO2, NO2通过光解生成NO和O原子, O原子与O2反应生成O3, 使得该时段内VOCs和NOx浓度降低, O3浓度升高, 14:00~15:00出现峰值; 随着午后太阳辐射降低, 光化学反应减弱, O3浓度下降, 前体物浓度上升; 傍晚起, 由于交通晚高峰的到来, VOCs和NOx排放增加, 消耗减少, NO经O3氧化生成NO2, 使得前体物浓度累积升高, 而O3浓度下降.

2.2.2 时变化特征

为进一步研究不同季节O3及前体物浓度的小时变化特征, 使用小时浓度变化率进行定量分析, 即当前时刻的气体浓度相对前一时刻的相对变化比率, 计算公式如下:

(2)

式中, [X]t和[X]t-1表示第t时刻和t-1时刻对应的O3及其前体物浓度.

城区与郊区站点各季节NOx、CO及VOCs浓度下降与O3浓度上升的小时变化速率见图 4图 5.

图 4 城区前体物与O3浓度小时变化率 Fig. 4 Hourly change rate of precursors and O3 in urban areas

图 5 郊区前体物与O3浓度小时变化率 Fig. 5 Hourly change rate of precursors and O3 in suburban areas

图 5表明, 前体物与O3浓度的小时变化率表现出明显的季节特征.从变化速率上看, 不考虑输送的影响, O3浓度的正变化率(d[X]/dt>0)表明O3的光化学生成在浓度变化中起主要作用, 负变化率(d[X]/dt < 0)表明O3的反应消耗损失占主导.城区与郊区O3浓度上升的平均小时变化速率均为秋季最高, 春季最低, 城区全年O3上升速率整体高于郊区约5%, 上升时间低于郊区约1 h, 郊区O3浓度积累更高.对于前体物来说, 负小时变化率表明因光化学反应而消耗, 浓度降低, 正变化率表明浓度升高.对于城区站点, NOx浓度的平均小时变化速率始终高于VOCs和CO, 即光化学反应速率最快, 在O3上升最快的秋季, NOx与VOCs的消耗速率也最快, 平均小时变化率分别为19.0%和13.4%.对于郊区站点, 同样为秋季NOx与VOCs下降速率最快分别为18.4%和18.2%.CO浓度的平均小时变化率较低, 且负值出现时间较NOx和VOCs略晚, 主要原因可能是由于CO在大气化学反应中惰性相对较大, 对O3浓度变化影响不及其他前体物所导致.

从变化时间上看, 夏季从06:00~15:00期间, O3小时变化率为正值, O3持续产生并大量积累, 城区和郊区ρ(O3)分别升高了140.16 μg·m-3和147.13 μg·m-3, 而秋季累积时间缩短为07:00~14:00, 两站点ρ(O3)累积量分别为100.30 μg·m-3和105.67 μg·m-3.经统计分析, 秋季影响O3光化学反应的气象因素变化较夏季快, 两站点秋季气温和相对湿度等因素的变化率均较夏季高2% ~3%, O3产生时间较夏季短, 因此总体表现出秋季O3小时变化率较高但整体浓度水平不及夏季的现象.同时, VOCs组成及O3生成潜势变化也是影响O3生成的重要因素.下面就O3生成影响因素展开分析.

2.3 VOCs组成及O3生成潜势

图 6表示了城区和郊区站点各季节不同种类VOCs的质量分数及依据公式(1)计算得到的OFP贡献情况.

图 6 城、郊站点不同季节各类VOCs质量分数与OFP贡献比 Fig. 6 Mass fractions of various VOCs and their OFP contributions in different seasons in urban and suburban areas

图 6(a)可知, 城区站点各季节的VOCs组成均以烷烃和芳香烃类为主; 烷烃从春季到冬季逐渐升高, 浓度为43.95~72.70 μg·m-3, 质量分数为50%以上; 其次是芳香烃, 夏季最低(25.18 μg·m-3), 质量分数为30.8%, 秋季最高(50.05 μg·m-3), 质量分数为39.4%; 烯烃浓度较低, 质量分数为10%左右.郊区站点的VOCs排放组成表现为夏季以烷烃和烯烃为主, 其他季节以烷烃和芳香烃为主; 烷烃明显高于其他组分, 质量分数达60% ~70%以上, 夏季浓度最高(110.51 μg·m-3), 春季最低(75.09 μg·m-3); 烯烃浓度夏季最高16.40 μg·m-3, 质量分数为11.1%; 芳香烃为冬季最高(36.07 μg·m-3), 质量分数为26.2%, 夏季最低(14.24 μg·m-3), 质量分数为9.6%.图 6(b)为两站点四季各类VOCs的OFP贡献比, 其中, 城区站点四季OFP贡献均以芳香烃为主, O3生成贡献比秋季最高为63.0%, 冬季最低为45.0%, 其次为烯烃, 贡献比夏季最高(36.2%), 秋季最低(19.4%); 郊区站点春、秋、冬三季的OFP以芳香烃贡献比最高, 分别为50.9%、42.0%和54.9%, 其次为烷烃, 夏季则表现为烯烃的O3生成贡献比最高为48.4%, 烷烃次之, 为34.8%.

两站点烷烃的排放浓度均远高于烯烃和芳香烃, 但其O3生成潜势却低于二者, 或略高于烯烃, 这主要是由于烯烃和芳香烃的高反应性, 在光化学反应中更易被消耗生成较高浓度的O3, 故而对O3生成的贡献更大.表 1分别列出了城、郊两站点VOCs质量分数及OFP贡献比较高的前10物种.

表 1 城、郊站点VOCs质量分数和OFP贡献比前10物种 Table 1 Top ten species of VOCs mass fraction and OFP contribution in urban and suburban areas

表 1显示, 城区站点VOCs质量分数排放前10物种中包含6种烷烃, 3种芳香烃及乙烯, 其中甲苯质量分数最高11.7%, 其次为丙烷, 质量分数为8.4%; OFP贡献比前10物种中包含6种芳香烃, 3种烯烃及正丁烷, 其中间/对-二甲苯、甲苯和乙烯贡献比均大于10%.对于郊区站点, VOCs质量分数前10物种中包含8种烷烃, 2种芳香烃, 其中丙烷质量分数最高为13.3%, 芳香烃中以甲苯排放浓度最高, 质量分数为6.9%; OFP贡献前10物种中包含4种芳香烃, 3种烯烃及3种烷烃, 其中间/对-二甲苯贡献12.2%, 其次为甲苯(8.9%)和乙烯(7.2%)等.可以看出, 城区与郊区站点的VOCs主要活性物种具有一定相似性, 间/对-二甲苯和甲苯等苯系物对O3生成贡献较大, 这些物质多作为溶剂使用行业的原辅材料[31], 因此应加强该类行业的管控.同时, 异戊二烯的排放浓度虽然较低, 但OFP的贡献比超过6%, 因此, 也需要关注异戊二烯的排放.

2.4 气象因素对O3生成的影响

气象条件在O3形成、沉降、传输和稀释中扮演着重要角色, 对于不同的情况和地区, 影响O3浓度的主导因素不同.本研究主要分析气温、相对湿度、风速和能见度要素对O3及前体物浓度的影响, 见图 7.

图 7 城、郊站点O3浓度与气象因素的变化 Fig. 7 Changes in O3 concentration and meteorological conditions in urban and suburban areas

图 7可以看出, 城、郊站点O3浓度与气温均表现为正相关, 即随着温度升高, O3浓度明显升高.城区站点O3浓度随气温的变化率较郊区略微平缓, 当气温大于15℃时, 两站点的O3浓度上升加快, 气温超过30℃时, 城区与郊区站点的ρ(O3)超过100 μg·m-3, 超标率分别高达88.9%和90%, 高温可以加快光化学反应速率从而促进O3的生成.同时, 高温通常与静稳、晴朗或高紫外线辐射的大气条件有关, 该条件利于前体物反应生成O3.

城区站点O3浓度与相对湿度整体呈负相关趋势, 当相对湿度为40% ~50%时, ρ(O3)最高为68.90 μg·m-3, 而后随着相对湿度增加, O3浓度逐渐下降, 且在大于70%后, 下降速率加快.对于郊区站点而言, O3浓度随相对湿度的增加整体表现为先升高后降低的趋势, 当相对湿度范围在60% ~70%时, ρ(O3)值最高为78.47 μg·m-3, 而后随着相对湿度增加O3浓度下降.

对于能见度而言, 城区站点O3浓度随着能见度的增加而增加, 能见度大于20 km时对应ρ(O3)最高为78.52 μg·m-3.郊区站点在0~12 km范围内O3浓度随着能见度的增加而明显上升, 8~12 km时ρ(O3)最高78.45 μg·m-3, 而后随着能见度的增加O3浓度逐渐降低, 这可能是受到与O3产生相关的其他因素的综合影响.总体结果表明, 能见度越高越有利于城区站点O3的生成, 而对于郊区站点, O3产生的最适宜能见度水平为8~12 km.

风速对O3污染的影响主要表现为迁移和稀释作用, 包括对流层顶端高浓度O3的垂直输送和水平方向的传输扩散.图 7表明, 城区与郊区两站点O3浓度随风速的变化趋势相同, 当风速为1.5~2.0 m·s-1时O3浓度出现一个较为明显的下降, 低于该风速区间时O3浓度随着风速增加而增加, 在风速为2~2.5 m·s-1范围时O3浓度最高, 而后随着风速增加O3浓度降低.这种现象主要是由O3垂直和水平扩散作用的相对强弱导致的, 当风速较小时, O3垂直向下的输送作用强于水平方向的扩散作用, 有利于O3积累, 此时随着风速增加输送作用增加, 使得O3浓度升高; 当风速显著增强时, 水平方向上的输送逐渐加强并成为主导, 该作用可对O3进行稀释, 使得浓度下降.

2.5 O3生成影响因素的相关性分析

由于O3污染的季节性特征明显, 因此, 选取污染较为严重的夏季(6~8月), 通过讨论O3与气象条件及其他污染物的关系, 更好地了解O3生成的影响因素.考虑到各气象因素与前体物之间相互作用密切, 本文结合偏相关分析, 排除多个变量之间可能产生相互干扰的影响, 在对部分变量进行控制的条件下, 衡量其中某个变量与O3生成的相关程度, 使结果更加合理可靠.相关性和偏相关性分析结果见表 2表 3.

表 2 城、郊站点O3生成影响因素相关性分析1) Table 2 Correlation analysis between O3 and influencing factors in urban and suburban areas

表 3 城、郊站点O3生成影响因素的偏相关性分析 Table 3 Partial correlation analysis between O3 and influencing factors in urban and suburban areas

表 2表明, 城区和郊区两站点的O3与其前体物及气象因素均呈显著相关(P < 0.05), O3与前体物呈显著负相关性, 与能见度、气温和风速呈正相关性, 与相对湿度呈负相关, 两站点前体物与O3的相关程度表现为: NOx>VOCs>CO.城区站点气象因素与O3浓度的相关程度由高到低依次为: 相对湿度(-0.761)>气温(0.705)>能见度(0.335)>风速(0.325), 郊区为: 相对湿度(-0.588)>气温(0.518)>风速(0.409)>能见度(0.342), 可见相对湿度和气温为影响O3生成的关键因素.气象因素对前体物的影响情况与O3相反, 能见度、气温和风速与前体物呈负相关, 相对湿度呈正相关, 其中气温对前体物的影响程度最高.

偏相关分析结果表明, 两站点O3与NOx表现为负相关, 但相关性系数有所降低, 城区的O3与CO相关性消失, 与VOCs表现出较弱的正相关; 郊区站点O3与VOCs的负相关性降低, 与CO呈正相关.气象条件中, 城区站点各气象因素均对O3生成的影响都具有独立性, 气温和相对湿度对O3生成的影响不变, 但相关系数降低, 而能见度和风速对O3浓度则表现为负相关, 郊区站点能见度对O3浓度的影响同样表现出负相关性, 与风速的相关性消失.可以看出, 控制变量后, 各因素对O3生成的影响发生一定变化, 比如相关程度减弱, 相关性改变, 这表明各因素间存在较为明显的相互影响现象.

2.6 O3生成影响因素的回归分析

通过以上研究发现, 前体物和气象因素都会不同程度地影响O3浓度.为进一步探索不同站点O3浓度与各影响因子之间的定量关系, 分析影响O3浓度的主导因子, 采用多元线性回归法, 并得到线性拟合方程.

两站点O3回归方程拟合结果见表 4, 相关系数R2表示线性回归方程对于各站点的适用程度, R2大于0.4表示模型是较合理的, 两站点的拟合效果均较好.各因素的系数可以反映其对O3浓度的相对重要性, P < 0.05时表明该因素可以有效预测O3的变异.另外, 通过标准化系数, 可在一定程度上反映各个因素对O3影响程度的大小, 标化系数越大, 该因素的作用越强.表 4中, 城区O3生成的主控因子有相对湿度、NOx、能见度和VOCs等, 郊区为相对湿度、气温、NOx和VOCs等.由回归方程和2.5节的偏相关分析可以看出, 两站点VOCs对O3生成的作用情况相反, 说明两地区处于不同的O3生成控制区.因此, 在控制O3时, 可以根据不同区域影响较大的因素, 采取相应的控制对策.

表 4 O3与各要素拟合关系 Table 4 Fitting relationship between O3 and each factors in urban and suburban areas

3 结论

(1) 淄博市2019年18个监测站点O3-8h平均超标天数为94 d, 超标率25.8%, 多出现在5~9月.从月变化看, 全年O3-8h浓度的月变化呈现“M”型分布特征, 分别在6月和9月出现峰值, 8月由于降水较多, 导致O3浓度明显降低.

(2) O3与前体物浓度日变化特征较为明显, NOx、CO和VOCs浓度均表现为白天低, 夜间高, 而O3浓度变化特征相反.城区站点的NOx浓度和变化幅度明显高于郊区, VOCs和O3浓度低于郊区.O3及前体物浓度的小时变化情况存在明显的季节特征, 两站点O3浓度的平均上升速率和前体物的平均下降速率均为秋季最高, 城区全年整体O3上升速率高于郊区约5个百分点.秋冬季节O3浓度上升和前体物浓度下降时间均较春夏季节晚1 h左右, 且O3生成累积的高峰时段缩短, 是秋季O3小时变化率较高但整体浓度水平不及夏季的原因.

(3) 通过VOCs反应活性分析, 得到间/对-二甲苯和甲苯等苯系物具有较高的O3生成潜势, 应重点监测, 同时, 对涉及这类物质的溶剂使用行业应加强管控, 以减少污染来源.其次为乙烯、异戊二烯及丙烯等烯烃, 也是活性较高的物种, 石化行业是其主要人为源.

(4) 城区和郊区两站点O3与前体物呈显著负相关性, 与能见度、气温和风速呈正相关性, 与相对湿度呈负相关.气象因素对前体物的影响情况与O3相反, 其中气温对前体物的影响程度最高.通过偏相关分析, 得到各因素与O3的相关程度发生改变, 表明不同因素间存在较为明显的相互影响.通过回归分析得到两站点的O3预测方程, 城区站点以相对湿度、NOx、能见度和VOCs为重要因素; 郊区站点影响O3浓度的主控因子有相对湿度、气温、NOx和VOCs.城区和郊区的VOCs对O3生成影响的差异, 说明两地区处于不同的O3生成控制区, 综合而言, 应减少VOCs、NOx的排放来控制O3浓度.

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