陳 龍 趙健敏 羅 皓 張藍(lán)月

(1. 貴州眾藍(lán)科技有限公司，貴陽(yáng) 550081；2.貴州楚云環(huán)?？萍加邢薰荆F陽(yáng) 550081；3.貴州省山地資源研究所，貴陽(yáng) 550002)

近些年來(lái)，貴州省的一些城市近地面臭氧污染已經(jīng)逐漸取代顆粒物成為了空氣質(zhì)量的關(guān)注重點(diǎn)。而目前大部分對(duì)于臭氧產(chǎn)生濃度超標(biāo)的分析多集中于光化學(xué)生成機(jī)制以及大氣光化學(xué)污染時(shí)段的天氣型變化，比如唐貴謙等(2010)[1]對(duì)北京地區(qū)的近地面臭氧受天氣型變化的影響進(jìn)行了分析，卻鮮少有人對(duì)非光化學(xué)條件下的天氣型變化對(duì)近地面臭氧濃度的影響進(jìn)行研究，王宏等(2011)[2]對(duì)福州市近地層臭氧超標(biāo)的天氣成因分析提到了臺(tái)風(fēng)及雷暴天氣對(duì)近地層臭氧濃度抬升的影響。

高蘭蘭等[3]在對(duì)國(guó)外文獻(xiàn)的調(diào)研中提到，在20世紀(jì)中后期不少學(xué)者通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)證明了閃電過(guò)程中的電暈放電會(huì)產(chǎn)生臭氧的事實(shí)，而雷暴閃電產(chǎn)生臭氧的過(guò)程大致包括兩個(gè)部分，其一是閃電產(chǎn)生大量氮氧化物，然后與空氣中的VOCs和自由基發(fā)生光循環(huán)反應(yīng)再產(chǎn)生臭氧；其二是閃電直接電離空氣中的氧分子從而產(chǎn)生臭氧。迄今大多數(shù)研究者都專注于前一種(NOx+VOCs)的光化學(xué)臭氧反應(yīng)機(jī)制。然而費(fèi)雷雷[4]對(duì)香港地區(qū)的地面空氣監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出，香港地區(qū)的地面NOx濃度在雷暴活躍季節(jié)閃電日均有一定幅度的上升，而近地面O3濃度則顯著降低，這可能主要是NOx對(duì)O3的滴定效應(yīng)所導(dǎo)致的，這個(gè)現(xiàn)象也出現(xiàn)在R.Venkanna等[5]對(duì)印度西部浦那地區(qū)的近地面NOx和O3的調(diào)查研究個(gè)例中。

本文主要對(duì)閃電直接產(chǎn)生的臭氧對(duì)近地面臭氧濃度的影響進(jìn)行分析。K.Minschwanner等(2008)[6]在美國(guó)新墨西哥州索科羅地區(qū)發(fā)生的一次雷暴活動(dòng)中，通過(guò)探空氣球探測(cè)得出O3分子的生成率為1(0.35-1.6)×1027個(gè)/次閃電，同時(shí)K.Minschwanner等指出閃電附近的電暈放電可能是對(duì)流活躍區(qū)臭氧的另一個(gè)區(qū)域來(lái)源。H.Bozem等(2014)[7]在南美洲蘇里南地區(qū)利用飛機(jī)、探空氣球等設(shè)備對(duì)熱帶雨林地區(qū)的對(duì)流層強(qiáng)雷暴云體流入和流出的異戊二烯、甲醇、乙腈、丙酮、臭氧、NOx等相關(guān)物質(zhì)進(jìn)行了取樣探測(cè)，通過(guò)結(jié)合遙感資料以及動(dòng)力學(xué)過(guò)程估算出O3分子的生成率為5.12×1028個(gè)/次閃電。

Chandrakala Bharali等[8](2015) 在印度東北部雅魯藏布江河谷的迪布魯格爾地區(qū)進(jìn)行了2012年-2014年春夏季節(jié)的數(shù)據(jù)采集和分析，指出了迪布魯格爾地區(qū)的臭氧來(lái)源除了光化學(xué)反應(yīng)機(jī)制以外，區(qū)域性的雷暴閃電產(chǎn)生的臭氧也可能是該地區(qū)近地層臭氧的主要來(lái)源。

本文通過(guò)結(jié)合地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和雷暴閃電等氣象資料，以貴州省一次區(qū)域性強(qiáng)雷暴天氣對(duì)近地面出現(xiàn)高濃度臭氧的影響進(jìn)行了分析，為貴州省區(qū)域性臭氧污染的預(yù)警預(yù)報(bào)提供技術(shù)支持。

1 資料與方法

為了體現(xiàn)污染個(gè)例的區(qū)域代表性，本文中選取的臭氧地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為貴州省黔中城市群中部分在2020年3月22日出現(xiàn)臭氧8h滑動(dòng)平均值超標(biāo)的空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)，包括4個(gè)國(guó)控站點(diǎn)和4個(gè)省控站點(diǎn)，分別為遵義市紅花崗區(qū)丁字口(國(guó)控)、遵義市新蒲新區(qū)連堰(省控)、遵義市綏陽(yáng)烈士陵園(省控)、貴陽(yáng)市息烽坪上站(省控)、貴陽(yáng)市觀山湖區(qū)鑒湖路(國(guó)控)、貴陽(yáng)市經(jīng)開(kāi)區(qū)中院村(國(guó)控)、安順市平壩區(qū)高煙坡(省控)、安順市西秀區(qū)伍家關(guān)(國(guó)控)(見(jiàn)圖1)，以上站點(diǎn)均為環(huán)境空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)城市點(diǎn)，臭氧空氣質(zhì)量濃度日評(píng)價(jià)指標(biāo)參照《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》 (GB3095—2012)。

圖1 貴州省黔中城市群空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站位置

2 污染過(guò)程分析

2.1 貴州省臭氧濃度分布及變化特征

圖2為貴州省2020年3月20日—23日臭氧日最大8h滑動(dòng)平均(O3_8h)濃度的分布圖，由全省O3_8h濃度的逐日變化可以看出，從20日—21日，貴州省由中北部向西南部地區(qū)蔓延，臭氧日最大8 h滑動(dòng)平均(O3_8h)濃度逐漸上升，超過(guò)了120 μg/m3，而這兩天貴州省及周邊地區(qū)的雷暴閃電活動(dòng)逐漸加強(qiáng)；到22日，貴州省整個(gè)黔中城市群除了畢節(jié)地區(qū)和黔南州部分地區(qū)以外，O3_8h濃度全部超標(biāo)，空氣質(zhì)量形成輕度污染，其中貴陽(yáng)市鑒湖路站點(diǎn)O3_8h濃度峰值達(dá)201 μg/m3；22日夜間至23日，黔中地區(qū)出現(xiàn)大范圍降雨(見(jiàn)表1)，且最大降水量達(dá)11.3 mm，受大風(fēng)及持續(xù)性降水影響，O3濃度顯著下降。

圖2 貴州省2020年3月20日—23日最大O3_8h濃度分布

表1 2020年3月22日夜間-3月23日凌晨黔中部分地區(qū)降水量 單位：mm

2.2 貴州省及周邊地區(qū)雷暴閃電分布

圖3為2020年3月20日—23日西南片區(qū)閃電頻次的網(wǎng)格分布圖和閃電回?fù)舴逯祻?qiáng)度分布圖。由圖可以看出，3月20日的雷暴區(qū)和高頻閃電主要集中在云南省文山州附近，不過(guò)20 km網(wǎng)格內(nèi)的閃電次數(shù)最多不過(guò)18次，當(dāng)日區(qū)域性雷暴閃電對(duì)貴州黔中地區(qū)的近地層臭氧影響還不是很大，但是受強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)擴(kuò)展的影響，3月21日的高頻閃電位置有所變化，主要集中在了湖南的湘西地區(qū)且20 km網(wǎng)格內(nèi)的閃電次數(shù)最大已經(jīng)超過(guò)了300次，閃電的頻次比起前一日迅速攀升，西南地區(qū)的雷暴閃電開(kāi)始有所增加，湖南西北地區(qū)、云南南部、廣西中西部、重慶北部與四川交界處均有雷暴閃電覆蓋，貴州也有閃電出現(xiàn)；到3月22日，區(qū)域高頻閃電主要集中到了貴州省中部，相對(duì)前兩天20 km網(wǎng)格內(nèi)最大閃電次數(shù)仍然維持在200以上，且超過(guò)80次的網(wǎng)格區(qū)域幾乎覆蓋整個(gè)貴州中部范圍，但遵義、貴陽(yáng)、安順一帶未出現(xiàn)明顯降水；22日夜間至23日，雷暴區(qū)域覆蓋了整個(gè)貴州省，中部城市群開(kāi)始出現(xiàn)較大降雨。

圖3 2020年3月20日—23日貴州省及周邊省市(區(qū))20km網(wǎng)格閃電分布(左)和閃電回?fù)舴鍙?qiáng)度分布(右)

3 污染成因分析

3.1 黔中城市群站點(diǎn)NOx濃度變化

對(duì)3月22日黔中城市群中的其中8個(gè)臭氧超標(biāo)的站點(diǎn)(4個(gè)國(guó)控+4個(gè)省控)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，這8個(gè)站點(diǎn)的空間分布相對(duì)比較分散，遵義綏陽(yáng)烈士陵園站點(diǎn)與安順西秀區(qū)伍家關(guān)站點(diǎn)的直線距離超過(guò)了220 km，通過(guò)對(duì)整個(gè)3月份的O3小時(shí)濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(見(jiàn)圖4)，發(fā)現(xiàn)整個(gè)3月份以遵義—貴陽(yáng)—安順為中心的黔中城市群都保持較低的臭氧濃度，只在19—22日和25—26日出現(xiàn)了兩次臭氧較高濃度。其中在3月20日—22日的11:00—19:00這個(gè)時(shí)間段貴州省黔中經(jīng)濟(jì)城市群的臭氧小時(shí)濃度均處于一個(gè)相當(dāng)高的區(qū)間，高濃度臭氧不僅出現(xiàn)在通常被認(rèn)為是光化學(xué)反應(yīng)機(jī)制生成臭氧的一個(gè)高峰時(shí)段，而且還出現(xiàn)在夜間非光化學(xué)反應(yīng)的時(shí)段。進(jìn)一步對(duì)8個(gè)站點(diǎn)NOx濃度進(jìn)行分析(見(jiàn)表2)表明：8個(gè)站點(diǎn)之間的NOx濃度并沒(méi)有時(shí)—空關(guān)聯(lián)性，初步判斷3月20日—23日黔中區(qū)域近地面的NOx濃度并未受到對(duì)流層區(qū)域雷暴閃電產(chǎn)生的NOx的影響，NOx的濃度與O3濃度之間也未見(jiàn)正的相關(guān)，說(shuō)明該時(shí)段的近地層NOx控制型光化學(xué)反應(yīng)并沒(méi)有明顯增強(qiáng)。

3.2 黔中城市群站點(diǎn)O3濃度變化

3月20日—22日貴州省及周邊地區(qū)雷暴活動(dòng)強(qiáng)烈，但并未出現(xiàn)明顯降水，黔中城市群發(fā)生多地臭氧污染；到23日雖然雷暴區(qū)域范圍更大，但當(dāng)日凌晨黔中地區(qū)開(kāi)始出現(xiàn)大范圍降雨，空氣中的臭氧受降水影響溶解稀釋，濃度下降。結(jié)合上述資料，我們認(rèn)為在3月20日—22日的11:00—19:00這個(gè)時(shí)間段，貴州省黔中城市群近地面的臭氧來(lái)源除了各站點(diǎn)所在地區(qū)的工業(yè)生產(chǎn)、社會(huì)活動(dòng)產(chǎn)生的一次臭氧和光化學(xué)反應(yīng)機(jī)制生成的二次臭氧以外，該時(shí)段黔中及周邊地區(qū)對(duì)流層強(qiáng)雷暴所產(chǎn)生的臭氧通過(guò)下沉氣流的輸送，對(duì)近地面高濃度臭氧的形成也產(chǎn)生了疊加效應(yīng)；而在3月21日夜間至3月22日凌晨，黔中區(qū)域8個(gè)站點(diǎn)都出現(xiàn)了一個(gè)夜間臭氧濃度上升的情況(見(jiàn)表3)，其中臭氧濃度增量最小的息烽坪上站也有22 μg/m3，而遵義丁字口站點(diǎn)的臭氧濃度增量則有105 μg/m3，在夜間排除光化學(xué)反應(yīng)機(jī)制產(chǎn)生臭氧的基礎(chǔ)上說(shuō)明了3月21日夜間至3月22日凌晨的近地面高濃度臭氧受區(qū)域性強(qiáng)雷暴閃電的影響很大。

表2 2020年3月20日至23日黔中城市群空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)NOx日均濃度 單位：μg/m3

表3 2020年3月21日夜間至22日凌晨黔中城市群空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)O3小時(shí)濃度 單位：μg/m3

注：空白處為數(shù)據(jù)缺失圖4 2020年3月黔中城市群空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)O3小時(shí)濃度時(shí)間剖面分布(單位：μg/m3)

4 結(jié)論

(1)貴州省及周邊省市(區(qū))2020年3月22日在強(qiáng)對(duì)流天氣的背景下，雷暴閃電活動(dòng)相對(duì)活躍，且多集中于貴州省境內(nèi)。

(2)貴州省2020年3月20日—22日的全省O3日最大8h滑動(dòng)平均濃度處于一個(gè)逐步上升的趨勢(shì)，23日因受大范圍降水影響，全省O3_8h濃度均有所下降。

(3)貴州省黔中城市群在2020年3月21日夜間—22日凌晨，在沒(méi)有光化學(xué)反應(yīng)機(jī)制參與的條件下，O3相對(duì)高值可能主要來(lái)源于區(qū)域性強(qiáng)雷暴的貢獻(xiàn)； 2020年3月22日天氣系統(tǒng)和臭氧濃度都未出現(xiàn)晝夜差別，表明此次貴州省黔中城市群近地面出現(xiàn)高濃度臭氧的原因，除了地區(qū)工業(yè)生產(chǎn)、社會(huì)活動(dòng)產(chǎn)生的臭氧和光化學(xué)反應(yīng)機(jī)制生成的臭氧外，還受到區(qū)域性強(qiáng)雷暴的疊加影響。