徐 潔

(遼寧省大連生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，遼寧 大連 116023)

1 引言

大氣中的臭氧(O3)大約90%集中在平流層中，能夠吸收210～290 nm波段的全部太陽紫外輻射，起到保護(hù)人類健康及地球生態(tài)系統(tǒng)健康的作用；約10%的O3集中在對(duì)流層中，這部分O3是大氣主要污染物之一，會(huì)損害人類健康[1]。對(duì)流層中的O3是典型的二次污染物，由氮氧化物(NOx)和揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)在一定的太陽光照射下經(jīng)過光化學(xué)反應(yīng)生成的，是造成我國大氣復(fù)合污染的重要因素。O3的生命期會(huì)有幾天至幾周，在一定風(fēng)場(chǎng)的作用下會(huì)出現(xiàn)跨城市或區(qū)域的污染傳輸特征[2,3]。

國內(nèi)外大量研究表明，近地面O3污染的原因不僅與氣象因素、O3背景濃度的升高、NOx或VOCs排放的增加有關(guān)，同時(shí)區(qū)域性的傳輸也是重要的原因之一[4～9]。O3污染特征和成因在不同城市和區(qū)域之間不盡相同[10]，對(duì)不同地區(qū)的O3污染特征和成因需要單獨(dú)的研究分析。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展及機(jī)動(dòng)車保有量的增加，近年來大連市的O3污染問題愈發(fā)嚴(yán)重。目前，國內(nèi)外對(duì)大連市O3具體污染過程及案例的深入研究較為缺乏，本研究對(duì)2015年4月25～27日的一次臭氧中度污染過程進(jìn)行了多維度的分析，探討此次污染過程的濃度變化規(guī)律、本地生成特征、區(qū)域傳輸特征及污染成因，為大連市臭氧污染成因分析、臭氧重污染預(yù)測(cè)預(yù)警及臭氧污染治理提供科學(xué)依據(jù)。

2 方法與材料

大連市區(qū)SO2、NO2、O3和PM2.5濃度數(shù)據(jù)來源于大連市10個(gè)國控空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，PAN(過氧乙酰硝酸酯)、紫外輻射、激光雷達(dá)數(shù)據(jù)、氣象要素?cái)?shù)據(jù)來自大連市大氣復(fù)合污染綜合觀測(cè)站，大連市大氣復(fù)合污染綜合觀測(cè)站于大連市主城區(qū)，周圍多為居民區(qū)、醫(yī)院、學(xué)校等，無工業(yè)污染源，臨近大連南北交通主干道中山路，具有較好的代表性。

后向軌跡模型采用由美國國家海洋和大氣管理局 (NOAA) 的空氣資源實(shí)驗(yàn)室和澳大利亞氣象局聯(lián)合研發(fā)的HYSPLIT-4模型，后向軌跡模擬采用的氣象數(shù)據(jù)來自美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)的GDAS數(shù)據(jù)，氣流高度選取100 m、500 m和1500 m，模擬氣團(tuán)33 h后向軌跡。

3 污染過程分析

4月25～27日，大連市區(qū)出現(xiàn)一次O3污染過程。25日為單峰型，26日和27日為夜間升高型。4月24日，空氣質(zhì)量為良(AQI為72)，最高溫僅為22 ℃，光化學(xué)反應(yīng)程度較低；25日，最高溫升至24 ℃，光化學(xué)反應(yīng)條件較好，地面風(fēng)向轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，高空轉(zhuǎn)為平直流型，擴(kuò)散條件轉(zhuǎn)差，空氣質(zhì)量躍升為中度污染(AQI為161)，O3濃度達(dá)到226 μg/m3；26日，最高溫升至26 ℃，光化學(xué)反應(yīng)條件持續(xù)向好，但是地面風(fēng)速略有增大，擴(kuò)散條件較25日略有好轉(zhuǎn)，空氣質(zhì)量降為輕度污染(AQI為139)，O3濃度降至202 μg/m3；27日，最高溫降至23 ℃，光化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)度減弱，但高空流型轉(zhuǎn)為槽前，不利于污染物的垂直擴(kuò)散，空氣質(zhì)量仍維持輕度污染(AQI為110)，O3濃度略有下降，為170 μg/m3；28日，冷空氣來臨，最高溫降至14 ℃，地面風(fēng)轉(zhuǎn)為東風(fēng)和東北風(fēng)，水平擴(kuò)散條件較好，空氣質(zhì)量改善為良(AQI為66)，O3濃度也降至119 μg/m3。

3.1 天氣形勢(shì)分析

4月25日O3達(dá)到中度污染，是本次污染過程最有代表性的一天。為進(jìn)一步了解天氣形勢(shì)對(duì)本次污染過程的影響，以4月25日為例分析大連高低空及近地面的天氣形勢(shì)變化。4月25日，大連高空流型為平直，西北風(fēng)，850 hPa高度早8時(shí)為西北風(fēng)，晚8時(shí)轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)，風(fēng)速減小，地面早8時(shí)為高壓頂部控制，晚8時(shí)轉(zhuǎn)為高壓控制，西南風(fēng)風(fēng)速較小。不論是高空還是地面的天氣形勢(shì)，均有利于西南向的京津冀和山東地區(qū)的污染傳輸，同時(shí)，大連本地地面處于高壓控制，天氣晴朗少云，紫外輻射強(qiáng)烈，有利于O3的本地光化學(xué)反應(yīng)生成。

3.2 本地生成分析

圖1為2015年4月24～28日大連市區(qū)PM2.5、O3、UV和PAN小時(shí)變化曲線。24日，紫外輻射最強(qiáng)，但溫度較低，O3濃度并不高；25日，O3與PAN和PM2.5的變化趨勢(shì)十分一致，并達(dá)到這幾日的最高水平，PAN一般被認(rèn)為是光化學(xué)反應(yīng)的指示劑，PAN濃度的升高提示光化學(xué)反應(yīng)劇烈，而光化學(xué)反應(yīng)的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生PM2.5，因此可以推斷，本地光化學(xué)反應(yīng)是是25日O3濃度升高的重要原因之一；26日，由于前一日O3夜間本底值較高，白天在此基礎(chǔ)上疊加光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生大量的O3，導(dǎo)致O3日間峰值濃度較高，達(dá)到輕度污染；27日，凌晨出現(xiàn)一個(gè)O3小峰值，從而導(dǎo)致當(dāng)日空氣質(zhì)量達(dá)到輕度污染，而0時(shí)紫外輻射為0，因此可以推斷此時(shí)出現(xiàn)的O3峰值應(yīng)可能與水平傳輸有關(guān)。

圖1 2015年4月24～28日大連市區(qū)PM2.5、O3、UV 和PAN小時(shí)變化曲線

圖2為2015年4月25～27日大連市區(qū)O3、PM2.5、SO2和NOx的小時(shí)變化曲線。25日13～21時(shí)，O3、PM2.5、SO2和NOx濃度均存在一致的波峰，而26日和27日各項(xiàng)污染物并沒有出現(xiàn)較為一致的波峰，說明25日午后至傍晚本地大氣擴(kuò)散條件較差，導(dǎo)致各項(xiàng)污染物的同步累積。因此可以推斷，本地氣象條件不利是25日大連市區(qū)O3達(dá)到中度污染的重要原因之一。

圖2 2015年4月24～27日大連市區(qū)O3、PM2.5、 SO2和NOx小時(shí)變化曲線

3.3 氣象要素分析

圖3為4月24～28日大連市區(qū)風(fēng)向風(fēng)速小時(shí)變化曲線，圖4為4月24～28日大氣穩(wěn)定度、紫外輻射、濕度、氣壓和溫度的小時(shí)變化曲線。從圖3和圖4可以看出，大連市區(qū)地面風(fēng)24日由南風(fēng)轉(zhuǎn)為風(fēng)速較大的西風(fēng)，25～27日凌晨地面風(fēng)轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)，風(fēng)速較小，27日白天仍維持南風(fēng)，風(fēng)速較大，28日地面轉(zhuǎn)為東風(fēng)。

大氣穩(wěn)定度高，不利于近地面污染物的擴(kuò)散，24日12時(shí)起，大氣穩(wěn)定度逐漸增大，25日夜間達(dá)到峰值，之后一直維持在較高水平，一直到27日夜間，大氣穩(wěn)定度才顯著下降。

紫外輻射越強(qiáng)，越有利于光化學(xué)反應(yīng)生成，24～27日，紫外輻射峰值均在30 W/m2以上，28日才開始顯著減弱。

在不降水的情況下，相對(duì)濕度越高，越有利于光化學(xué)反應(yīng)生成，24日相對(duì)濕度最低，不到20%，25日升至45%，之后一直維持在30%～60%左右。

氣壓越低，越利于污染物的輻合和匯聚，導(dǎo)致污染物的累積。24日起，大連市氣壓一致呈降低趨勢(shì)，直至28日凌晨才開始上升。

溫度是助推臭氧光化學(xué)反應(yīng)最重要的氣象要素，溫度越高，臭氧的光化學(xué)反應(yīng)越劇烈。24～26日大連市最高溫均高于23 ℃，且呈逐日升高的趨勢(shì)，26日達(dá)到最高值26 ℃。

綜上所述，大氣穩(wěn)定度高、低壓、低風(fēng)速不利于O3的擴(kuò)散，同時(shí)高溫、高濕、紫外輻射強(qiáng)烈有利于O3的光化學(xué)反應(yīng)生成，是25日大連市區(qū)O3達(dá)到中度污染的重要原因之一。

圖3 2015年4月24～28日大連市區(qū)風(fēng)向風(fēng)速小時(shí)變化曲線

從圖5為2015年4月24～28日大連市區(qū)溫度廓線圖?？梢钥闯觯筮B市區(qū)近地面在25并與前文所述的O3濃度高值時(shí)段一一對(duì)應(yīng)，說明本地逆溫是導(dǎo)致大連市區(qū)近地面臭氧濃度再傍晚至凌晨時(shí)段濃度居高不下的重要原因之一。

3.4 后向軌跡分析

以4月25日O3中度污染為例，分析污染當(dāng)日氣團(tuán)的后向軌跡。圖6是4月25日O3濃度最高時(shí)刻17時(shí)的24 h候后向軌跡和24日14時(shí)周邊城市O3污染實(shí)況，可以看出，25日17時(shí)大連市區(qū)100m氣團(tuán)主要來源于山東西部地區(qū)，而山東西部地區(qū)的O3濃度并不高，僅達(dá)到良的水平，因此可以推斷，區(qū)域傳輸并不是4月25日O3達(dá)到中度污染的主要原因。

前文提到27日凌晨出現(xiàn)峰值的原因可能為區(qū)域傳輸影響，為進(jìn)一步印證這個(gè)推斷，繪制了27日0時(shí)以大連為受體點(diǎn)的34 h后向軌跡，并對(duì)比25日14時(shí)周邊城市污染實(shí)況(圖7)。從后向軌跡圖可以看出，27日0時(shí)大連市100 m、500 m、1500 m的氣團(tuán)均來自西南方向的江蘇南部地區(qū)，從空氣質(zhì)量實(shí)況圖可以看出，25日14時(shí)，江蘇南部地區(qū)各城市O3濃度大多高于200 μg/m3，可以進(jìn)一步印證，造成27日凌晨出現(xiàn)O3濃度峰值的原因是受到江蘇南部城市O3污染傳輸影響。

圖4 2015年4月24～28日大連市區(qū)大氣穩(wěn)定度、紫外輻射、濕度、氣壓和溫度小時(shí)變化曲線

圖5 2015年4月24～28日大連市區(qū)溫度廓線

4 結(jié)論

綜合天氣形勢(shì)分析、氣象要素分析、氣態(tài)污染物及光化學(xué)指示劑分析、后向軌跡分析，可以得出如下結(jié)論。

(1)4月25日大連市區(qū)O3達(dá)到中度污染，主要是由于溫度的急劇升高，紫外輻射強(qiáng)烈，O3的本地光化學(xué)反應(yīng)劇烈，同時(shí)受低壓輻合、逆溫、低風(fēng)速等不利的大氣擴(kuò)散條件影響，使得O3濃度累積，維持在一個(gè)較高的水平。

(2)4月26日大連市區(qū)O3維持在輕度污染，主要是由于前一日O3本底值較高，同時(shí)隨著溫度的升高，本地光化學(xué)反應(yīng)的生成大量O3。

圖6 4月25日17時(shí)大連24h后向軌跡分析和4月24日14時(shí)周邊城市O3實(shí)況

圖7 4月27日0時(shí)大連34h后向軌跡分析和4月25日14時(shí)周邊城市O3實(shí)況

(3)27日凌晨大連市區(qū)臭氧日變化呈雙峰型，在凌晨出現(xiàn)一個(gè)峰值，主要是由于0～8時(shí)近地面逆溫、風(fēng)速較小，同時(shí)受江蘇南部地區(qū)O3傳輸?shù)挠绊?，達(dá)到輕度污染。