CHƢƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.3. Biến động nồng độ Ơzơn theo tháng và mùa
Khí hậu ở miền Bắc là vùng khí hậu cận nhiệt đới ẩm nên có sự phân chia 4 mùa rõ rệt với mùa xuân (tháng 2, tháng 3, tháng 4), mùa hè (tháng 5, tháng 6, tháng 7), mùa thu (tháng 8, tháng 9, tháng 10), mùa đông (tháng 11, tháng 12, tháng 01). Ngồi ra, cịn phân chia theo 2 mùa chính là mùa mƣa (cuối mùa xuân tới đầu mùa thu) và mùa khô (cuối mùa thu tới đầu mùa xuân). Nồng độ trung bình Ơzơn và NOx tại 3 địa điểm nghiên cứu theo từng tháng thể hiện trong Bảng 11.
ảng 11 Nồng độ (O3 và NOx) trung bình theo tháng tại 3 địa điểm nghiên cứu (μg/m3)
Địa điểm Thời gian
Trạm Hà Nội Trạm Quảng Ninh Trạm Phú Thọ
O3 NOx O3 NOx O3 NOx Tháng 1 61,1 108,7 45,8 83,9 25,6 61,1 Tháng 2 46 94,4 29,1 7,2 27,5 35,1 Tháng 3 40,6 104,8 18,2 37,9 8,8 36,7 Tháng 4 67,5 98,1 27,7 57,0 9,5 19,5 Tháng 5 85 78,8 65,2 58,3 28,2 23,6 Tháng 6 22,4 83,6 35,2 24,1 43,9 18,2 Tháng 7 35,6 90,7 73,2 37,5 15,6 22,7 Tháng 8 50,8 88,9 28,4 46,0 13,7 5,1 Tháng 9 46,7 94,6 36,4 15,8 18,1 22,5 Tháng 10 68,2 99,1 30,2 32,5 30 34,2 Tháng 11 79,9 86,1 28,6 39,7 12,6 32,4
Địa điểm Thời gian
Trạm Hà Nội Trạm Quảng Ninh Trạm Phú Thọ
O3 NOx O3 NOx O3 NOx
Tháng 12 79,8 118,5 54,8 34,9 20,2 4,5
H nh 17 Diễn biến nồng độ Ơzơn tại 3 địa điểm trong năm, giá trị trung bình theo từng tháng
Tháng 2, 3, 4 là khoảng thời gian mùa xn, lúc này nồng độ Ơzơn tầng mặt giảm từ tháng 2 đến tháng 3 sau đó bắt đầu tăng nhanh vào tháng 4. Tháng 2, 3 thời tiết tại miền bắc vẫn còn hơi se lạnh sau khi kết thúc mùa đông, thời gian mặt trời chiếu sáng trong ngày vẫn cịn ngắn, vào tháng 4 tần suất ngày có nắng nhiều tăng lên dẫn tới bức xạ mặt trời tăng tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành của Ơzơn mặt đất. ƣớc sang thời kì mùa hè ( tháng 5, 6, 7) là khoảng thời gian ngày dài hơn đêm, mặt đất bị ảnh hƣởng nhiều hơn bởi bức xạ mặt trời khiến cho nồng độ Ơzơn tầng mặt đạt giá trị cực đại vào tháng 5. Nồng độ Ơzơn tại 03 địa điểm nghiên cứu đều đạt giá trị cực đại vào mùa hè, thời điểm này nhiệt độ tăng cao và thời gian chiếu sáng của mặt trời dài hơn tạo điều kiện có lợi cho việc hình thành Ơzơn tầng mặt từ các tiền chất. Tuy nhiên, đối với khu vực Hà Nội và Phú Thọ giá trị nồng độ thấp nhất vào tháng 6. Lý giải điều này là vào thời điểm đó miền Bắc đang vào mùa mƣa, mƣa nhiều khiến khơng khí đƣợc làm sạch tự nhiên khiến cho việc số ngày
nồng độ cao ít hơn các ngày đƣợc làm sạch dẫn đến trung bình nồng độ các chất ơ nhiễm vào thời điểm này giảm xuống rõ rệt.
Vào mùa đơng (mùa khơ) lƣợng mƣa ít hơn kèm theo việc ánh nắng mặt trời cũng ít hơn, các phản ứng hóa học tạo ra Ơzơn cũng khó khăn hơn, nhƣng theo các số liệu lại cho thấy vào mùa này nồng độ Ơzơn vẫn tăng cao. Vào mùa đơng, do ít mƣa nên các khối khí ơ nhiễm ít có khả năng đƣợc làm sạch, vào ban ngày trời vẫn có nắng khiến cho lớp khơng khí bề mặt ấm hơn trong khi lớp khí ở trên càng lên cao càng giảm nhiệt độ, tới buổi tối nhiệt độ của khối khí lạnh đi do phát ra bức xạ hồng ngoại dẫn đến nhiệt độ khơng khí tăng dần theo chiều cao (hiện tƣợng nghịch đảo nhiệt). Khối khơng khí chứa chất ơ nhiễm vào buổi sáng không thể bốc lên cao mà bị giữ lại tại mặt đất khiến cho nồng độ các chất ô nhiễm giảm rất chậm vào buổi tối cộng thêm việc tích tụ sau nhiều ngày nên nồng độ của O3 vào khoảng thời gian này có giá trị lớn và có thể kéo dài trong nhiều ngày, dẫn đến nồng độ O3 trung bình của mùa đơng cao
Ơzơn là một chất gây ô nhiễm thứ cấp và nồng độ của nó trong khơng khí xung quanh bị ảnh hƣởng bởi hai nhóm yếu tố độc lập: tỷ lệ phát thải các chất ơ nhiễm chính và điều kiện khí tƣợng. Tỷ lệ tạo Ơzơn liên quan đến các yếu tố này một cách phức tạp. Nhƣ là một phép tính tốn nồng độ Ơzơn, mơ hình hồi quy tuyến tính nhiều nồng độ các tiền chất và yếu tố ảnh hƣởng rồi từ đó đƣợc thực hiện để tìm ra các phƣơng trình dự đốn về nồng độ chất gây ô nhiễm với các giả thuyết hồi quy gần nhƣ thỏa mãn. Với các biến số độc lập tốc độ gió, hƣớng gió, nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, bức xạ tổng, NO, NO2, SO2, CO với mục tiêu tìm ra các biến số phù hợp nhất với dữ liệu Ơzơn theo thứ tự mức độ ảnh hƣởng.
Xây dựng cơng thức tính tốn nồng độ Ơzơn tại 3 địa điểm nghiên cứu từ các yếu tố mơi trƣờng khác: Mục tiêu chính của phần này là chọn một tập con của các biến cung cấp phƣơng trình tính tốn tốt nhất cho việc mơ hình hóa nồng độ Ơzơn tầng mặt bằng cách sử dụng phƣơng pháp hồi quy đa biến. Các biến độc lập ban đầu
đƣợc lựa chọn là các biến có tải trọng lớn, kết hợp với mỗi thành phần chính trong phƣơng trình hồi quy có hệ số xác định cao (P<0,01).
Sau khi phân tích từng yếu tố riêng lẻ, sử dụng mơ hình hồi quy đa biến để phân tích ảnh hƣởng tổng hợp của các yếu tố (khí tƣợng và mơi trƣờng) tới sự biến động nồng độ Ozone tầng mặt. Trong đó, Ozone là biến số phụ thuộc với 10 biến số độc lập (Tốc độ gió, nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, bức xạ, NO, NO2, SO2, CO). Kết quả xác định ma trận tƣơng quan (Pearson) của 10 biến số tại 03 trạm quan trắc. Các hệ số tƣơng quan có ý nghĩa thống kê (P<0,001) đƣợc tô đậm.
ảng 12 Ma trận hệ số tƣơng quan tại khu vực Trạm Hà Nội
O3 Tốc độ gió Nhiệt độ Độ ẩm Áp suất Bức xạ NO NO2 SO2 CO
O3 1 Tốc độ gió 0,165051 1 Nhiệt độ 0,731469 0,739113 1 Độ ẩm -0,72765 -0,74295 -0,99958 1 Áp suất 0,075938 -0,5224 -0,47354 0,47882 1 Bức xạ 0,972434 0,096903 0,676501 -0,67209 0,182141 1 NO -0,0685 0,111745 -0,11427 0,112568 0,272838 -0,12226 1 NO2 0,689751 0,625792 0,77694 -0,77929 0,01951 0,674186 0,338504 1 SO2 0,683684 -0,0215 0,31015 -0,31241 0,532073 0,736159 0,429353 0,70298 1 CO 0,210256 0,526334 0,371145 -0,37469 0,035993 0,167178 0,782836 0,73644 0,52864 1
ảng 13 Ma trận hệ số tƣơng quan tại khu vực Trạm Quảng Ninh
O3 Tốc độ gió Nhiệt độ Độ ẩm Áp suất Bức xạ NO NO2 SO2 CO
O3 1 Tốc độ gió 0,888379 1 Nhiệt độ 0,890515 0,957303 1 Độ ẩm -0,9002 -0,9592 -0,9991 1 Áp suất -0,09893 -0,43609 -0,22149 0,213364 1 Bức xạ 0,951467 0,748723 0,810377 -0,82247 0,190786 1 NO 0,109576 0,093114 0,132842 -0,15378 0,34867 0,196193 1 NO2 0,628469 0,323044 0,34272 -0,3604 0,416216 0,760075 0,258751 1 SO2 0,795521 0,799347 0,872568 -0,88014 0,007395 0,80649 0,289248 0,470997 1 CO -0,05009 0,161656 0,186974 -0,19212 0,027801 -0,05146 0,834138 -0,08437 0,253685 1
ảng 14 Ma trận hệ số tƣơng quan tại khu vực Trạm Phú Thọ
O3 Tốc độ
gió Nhiệt độ Độ ẩm Áp suất Bức xạ NO NO2 SO2 CO
O3 1 Tốc độ gió 0,427918 1 Nhiệt độ 0,908367 0,730233 1 Độ ẩm -0,91222 -0,71958 -0,99932 1 Áp suất -0,2505 -0,72578 -0,51746 0,522527 1 Bức xạ 0,93609 0,134917 0,752196 -0,7585 -0,00407 1 NO -0,45813 -0,37685 -0,51774 0,514123 0,542348 -0,40559 1 NO2 -0,07872 0,478003 0,180176 -0,17578 -0,15279 -0,26315 0,438896 1 SO2 0,143822 0,125045 0,182712 -0,17965 -0,03486 0,151474 -0,26903 0,047711 1 CO -0,3929 0,228413 -0,18589 0,190971 0,069746 -0,49882 0,707325 0,825166 -0,10225 1
Phân tích hồi quy đa biến
Ozone là một chất gây ơ nhiễm thứ cấp và nồng độ của nó trong khơng khí xung quanh bị ảnh hƣởng bởi hai nhóm yếu tố độc lập: tỷ lệ phát thải các chất ơ nhiễm chính và điều kiện khí tƣợng. Tỷ lệ tạo Ozone liên quan đến các yếu tố này một cách phức tạp. Nhƣ là một phép tính tốn nồng độ Ozone, mơ hình hồi quy tuyến tính nhiều nồng độ các tiền chất và yếu tố ảnh hƣởng rồi từ đó đƣợc thực hiện để tìm ra các phƣơng trình dự đốn về nồng độ chất gây ô nhiễm với các giả thuyết hồi quy gần nhƣ thỏa mãn. Với các biến số độc lập tốc độ gió, hƣớng gió, nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, bức xạ tổng, NO, NO2, SO2, CO với mục tiêu tìm ra các biến số phù hợp nhất với dữ liệu Ozone theo thứ tự mức độ ảnh hƣởng.
Nghiên cứu thực hiện 3 phân tích hồi quy đa biến cho mỗi địa điểm.
ảng 16 Phân tích hồi quy đa biến tại Trạm Quảng Ninh
ảng 17 Phân tích hồi quy đa biến tại Phú Thọ
Phân tích thành phần chính
Trong q trình nghiên cứu cho thấy có rất nhiều yếu tố ảnh hƣởng tới nồng độ Ozone. Tuy nhiên, các yếu tố này lại có sự tƣơng quan mạnh với nhau dẫn đến kết quả của mơ hình hồi quy tuyến tính đa biến bị sai lệch. Phân tích thành phần chính là phƣơng pháp chuyển hệ trục tọa độ cũ sang hệ trục tọa độ mới nhằm giữ lại các thành phần có thể giải thích đƣợc (60-90)% tổng biến thể của biến dự báo.
Kết quả tại khu vực Hà Nội
Sau khi tiến hành phân tích thành phần chính lần 1 kết quả thu đƣợc cho thấy có 3 thành phần đƣợc tạo thành nhƣng chỉ có thể giữ lại đƣợc 3 biến chính là NO2, độ ẩm và nhiệt độ. Chỉ có các giá trị tải với trị tuyệt đối >50% đƣợc giữ lại
ảng 18 Phân tích PCA của trạm quan trắc Hà Nội
Sau khi phân tích ta thấy có một số yếu tố nằm cùng lúc ở các thành phần khác nhau, tiến hành loại các biến tƣơng quan cùng lúc với các thành phần chính và chạy phân tích lần 2 ta đƣợc kết quả ở hình 21 chỉ cịn lại 1 thành phần duy nhất và giải thích đƣợc 90,28% biến thiên. Với kết quả tại địa điểm Hà Nội ta thấy rằng thành phần chính sau khi phân tích đƣợc nạp chủ yếu bởi 3 yếu tố độ ẩm, nhiệt độ và nồng độ NO2, các giá trị cịn lại có ít sự đóng góp nên đƣợc loại bỏ. Các giá trị thành phần chính sau đó đƣợc sử dụng làm các biến độc lập trong một phân tích hồi quy theo từng bƣớc để xác định các biến độc lập ban đầu có ý nghĩa quan trọng đối với sự thay đổi của nồng độ Ozone.
Kết quả tại khu vực Quảng Ninh
Tƣơng tự với Quảng Ninh tuy nhiên các biến giữ lại sau khi phân tích thành phần chính lần 2 tại đây là nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió và SO2. Thành phần thu đƣợc giải thích đƣợc 93,43% biến thiên số liệu.
Kết quả tại khu vực Phú Thọ
Kết quả ở Phú Thọ tƣơng tự với Hà Nội khi thành phần chính cịn lại đƣợc nạp bởi với 3 yếu tố là nhiệt độ, độ ẩm và NO2. Thành phần thu đƣợc giải thích đƣợc 68,63% biến thiên giá trị.
Cơng thức tính tốn nồng độ Ơzơn theo mối quan hệ với các thành phần mơi trƣờng sau khi tính tốn thống kê
- Mối liên hệ Ơzơn với một số thành phần môi trƣờng tại Hà Nội:
O3HN = [Độ ẩm*(-0,997) + nhiệt độ*(0,978) + NO2*(0,981)]*0,742 + (58,440 ± 4,220)
= Độ ẩm*(-0,739) + nhiệt độ*(0,725) + NO2*(0,727) + (58,440 ± 4,220) với R2 = 53%
- Mối liên hệ Ơzơn với một số thành phần môi trƣờng tại Quảng Ninh:
O3QN = [Độ ẩm*(-0,994) + nhiệt độ*(0,991) + tốc độ gió*(0,963) + SO2*(0,917)]* 0,897 + (66,294 ± 4,382)
= Độ ẩm*(-0.891) + nhiệt độ*(0.888) + tốc độ gió*(0,863) + SO2*(0,822) + (66,294 ± 4,382) với R2 = 79,5%
- Mối liên hệ Ơzơn với một số thành phần mơi trƣờng tại Phú Thọ:
O3PT = [Độ ẩm*(0,998) + nhiệt độ*(-0,987) + NO2*(0,332)]*0,872 + (70,625 ± 6,222)
= Độ ẩm*(0.870) + nhiệt độ*(-0,860) + NO2*(0,289) + (70,625 ± 6,222) với R2 = 74,9%
KẾT LUẬN
Trong khuôn khổ luận văn "Nghiên cứu biến động nồng độ Ơzơn tầng mặt trong
khơng khí tại một số khu vực ở miền Bắc Việt Nam" đã đạt đƣợc một số kết quả nhƣ sau:
1. Tổng hợp, thu thập và xử lý tài liệu, dữ liệu có liên quan đến kết quả nghiên cứu của đề tài để xây dựng tổng quan các vấn đề nghiên cứu nhƣ tổng quan tình hình nghiên cứu Ơzơn trên thế giới và ở Việt Nam, nghiên cứu xu hƣớng biến động Ơzơn trên thế giới và mối quan hệ với các yếu tố.
2. Biến động nồng độ Ơzơn theo giờ trong ngày tại các khu vực nghiên cứu dao động trong khoảng 8,8 μg/m3 đến 79,9 μg/m3, khu vực có nồng độ Ơzơn tầng mặt cao nhất là Hà Nội gấp đôi Quảng Ninh và gấp 4 lần Phú Thọ. Vào các thời điểm trong ngày cả 3 khu vực đều cho thấy sự thăng giáng của nồng độ Ơzơn theo quy luật tăng lên vào buổi sáng, đạt giá trị cực đại vào buổi trƣa và giảm dần vào chiều tối, cƣờng độ ánh sáng là nguyên nhân chính ảnh hƣởng tới sự biến động nồng độ Ơzơn tầng mặt.
3. Các ngày trong tuần nồng độ Ơzơn và các chất ô nhiễm cao vào các ngày từ thứ 2 đến thứ 7. Tuy nhiên, nồng độ Ơzơn có giá trị thấp vào ngày cuối tuần nguyên nhân có thể hiểu là do các hoạt động kinh tế xã hội đều hạn chế vào cuối tuần.
4. Vào mùa mƣa nồng độ Ơzơn tầng mặt có giá trị thấp hơn trong khi đó sự nhiễu động lại cao hơn so với mùa khơ từ đó có thể thấy nồng độ Ơzơn tại cả 3 vị trí đều có sự phụ thuộc lớn vào thời tiết và lƣợng mƣa.
5. Nồng độ Ơzơn bị ảnh hƣởng trực tiếp bởi cƣờng độ ánh sáng mặt trời và tỉ số NO2/NO.
6. Từ các số liệu khí tƣợng và các chất ơ nhiễm xây dựng đƣợc cơng thức tính tốn nồng độ Ơzơn tầng mặt tại 3 vị trí.
7. Nghiên cứu vẫn cịn một số hạn chế nhƣ địa điểm đặt trạm quan trắc khơng khí tự động chƣa dày đặc, số liệu sử dụng là năm 2014, còn một số hiện tƣợng
bất thƣờng chƣa giải thích đƣợc nhƣ Ơzơn tăng lên vào ban đêm. Để có cái nhìn sâu sắc hơn cần tiếp tục nghiên cứu và làm rõ một số vấn đề nhƣ sự ảnh hƣởng của nhiệt độ, độ ẩm tới Ơzơn tầng mặt hay ảnh hƣởng của SO2, CO, VOCs tới nồng độ Ơzơn.
Tài liệu tham khảo
TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT
[1] Bộ Giáo dục và Đào tạo (2007), Sách giáo khoa Hóa học 10, Hà Nội.
[2] Bộ Tài nguyên và Môi trƣờng (2007), áo Cáo Môi Trƣờng Quốc Gia - Mơi Trƣờng Khơng Khí Đơ Thị Việt Nam 2007, Hà Nội.
[3] Bộ Tài nguyên và Môi trƣờng (2013), QCVN 05/2013/BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lƣợng khơng khí xung quanh, Hà Nội.
[4] Đặng Kim Chi (2006), Giáo trình Hố học Mơi trƣờng, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội
[5] Lê Văn Khoa (2009), Giáo trình Khoa học Mơi trƣờng, Nhà xuất bản Giáo dục, Hà Nội
[6] Lƣu Đức Hải, Trần Nghi (2009), Giáo trình Khoa học Trái Đất, Nhà xuất bản Giáo dục, Hà Nội.
[7] Nguyễn Nhƣ ảo Chính và Nguyễn Thanh Tâm (2013), “Khảo sát mức độ Ozone và các yếu tố tác động đến”, Đề tài nghiên cứu cấp trƣờng, Đại học quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh.
[8] Trần Ngọc Chấn (2001), Ơ nhiễm khơng khí và xử lý khí thải (tập 2), Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội .
[9] Vũ Văn Mạnh (2004), “Nghiên cứu tính biến động của tầng ơzơn khí quyển phục vụ cho việc sử dụng hợp lý tài nguyên thiên nhiên và bảo vệ môi trƣờng ở Việt Nam.”, Luận án Tiến sĩ ngành Khoa học Môi trƣờng, Đại học Khoa học Tự nhiên, Hà Nội.
Tài liệu tiếng Anh
[10] A. Fiore, D. J. Jacob, H. Liu, R. M. Yantosca, T. D. Fairlie, and Q. Li, (2003), “Variability in surface Ozone background over the United States:
Implications for air quality policy,” J. Geophys. Res., vol. 108, no. D24, p. 4787,
doi:10.1029/2003jd003855.
[11] A. I. N. Press (2004), “ARTICLE IN PRESS Significant growth in surface
Ozone at Mace Head , Ireland , 1987 – 2003,” vol. 38, pp. 4769–4778.
[12] . Chu, Y. Yao, X. Wu, T. Shiozaki, K. Sato, and Q. Fu (2016), “Quality
Assurance and Quality Control Procedures for Ozone Monitoring in China.”
Beijing
[13] C. Cartalis and C. Varotsos (1994), “Surface Ozone in Athens, Greece, at the
beginning and at the end of the twentieth century,” Atmos. Environ., vol. 28, no. 1, pp.
3–8.
[14] C. Ordóđez et al.(2004), “Changes of daily surface Ozone maxima in
Switzerland in all seasons from 1992 to 2002 and discussion of summer 2003,”
Atmos. Chem. Phys. Discuss., vol. 4, no. 6, pp. 7047–7088.
[15] C. Ordóđez, D. Barriopedro, R. García-herrera, P. M. Sousa, and J. L. Schnell (2017), “Regional responses of surface Ozone in Europe to the location of
high-latitude blocks and subtropical ridges,” pp. 3111–3131.