王義耕，廖國(guó)蓮，陳 丹，潘潤(rùn)西，和凌紅

（1.廣西壯族自治區(qū)氣象臺(tái)，南寧 530022；2.廣西壯族自治區(qū)氣象科學(xué)研究所，南寧 530022；3.廣西壯族自治區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，南寧 530028）

引言

大氣中的臭氧（O3）大約90%集中在平流層中，約10%集中在對(duì)流層中［1］，近地層中的O3是典型的二次污染物，也是造成我國(guó)城市大氣復(fù)合污染的重要因素。近年來(lái)隨著“大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃”和“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”的實(shí)施，我國(guó)霧霾狀況逐年好轉(zhuǎn)，PM2.5污染天數(shù)顯著減少，但以O(shè)3為代表的光化學(xué)污染卻有逐年加重的趨勢(shì)。因此，目前對(duì)于O3污染的研究備受?chē)?guó)內(nèi)外關(guān)注。曹庭偉等［2］分析了成渝城市群O3污染時(shí)空分布特征及其影響因子；彭麗等［3］研究指出臭氧的垂直分布主要受光化學(xué)反應(yīng)和動(dòng)力輸送作用影響，自由對(duì)流層甚至平流層的臭氧也會(huì)輸送至地面，從而影響地面的臭氧濃度；Verstraeten 等［4］研究指出O3的生命期會(huì)有幾小時(shí)至幾天，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。然而學(xué)者們針對(duì)廣西地區(qū)O3研究并不多，有少量的研究也多集中在單個(gè)特定城市［5－6］。對(duì)O3污染典型過(guò)程研究是O3污染治理的基礎(chǔ)，2021 年6 月6—8 日廣西發(fā)生了一次大范圍長(zhǎng)時(shí)間的O3區(qū)域污染過(guò)程，時(shí)間長(zhǎng)，持續(xù)3d 之久，范圍廣，累計(jì)出現(xiàn)21 城次的污染天。本文從高空和地面天氣形勢(shì)、地面氣象要素、邊界層風(fēng)場(chǎng)特征、O3區(qū)域輸送等多個(gè)方面，對(duì)該次過(guò)程進(jìn)行了系統(tǒng)全面分析，為廣西O3污染的預(yù)報(bào)預(yù)警和防控減排提供參考。

1 資料與方法

O3濃度數(shù)據(jù)來(lái)自廣西壯族自治區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心2021 年6 月5—8 日全區(qū)逐日逐時(shí)監(jiān)測(cè)資料，根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）（HJ663－2012）》的O3濃度數(shù)據(jù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)O3數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行篩選，進(jìn)行了嚴(yán)格的質(zhì)控。氣象數(shù)據(jù)來(lái)自廣西壯族自治區(qū)氣象局信息中心提供的同時(shí)段地面臺(tái)站常規(guī)氣象觀測(cè)資料（氣溫、風(fēng)速、降水量、相對(duì)濕度），高空及地面實(shí)況天氣圖來(lái)自中國(guó)氣象局CMA-Cast 信息系統(tǒng)下發(fā)的Micaps 高空地面資料。

利用廣西地區(qū)地面氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)、臭氧濃度數(shù)據(jù)和臭氧激光雷達(dá)觀測(cè)資料，并運(yùn)用質(zhì)點(diǎn)后向軌跡方法，分析了此次區(qū)域性臭氧污染過(guò)程的形成機(jī)理。HYSPLIT－4 模型是由美國(guó)國(guó)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在過(guò)去20a 間聯(lián)合研發(fā)的一種用于計(jì)算和分析大氣污染物輸送、擴(kuò)散軌跡的專(zhuān)業(yè)模型［7］。模型所用數(shù)據(jù)是NCEP 的GDAS 資料，空間分辨率為1°×1°。

2 臭氧區(qū)域污染實(shí)況

2021 年6 月5 日，廣西全區(qū)臭氧濃度明顯上升，14 個(gè)地級(jí)市空氣質(zhì)量都是良，O3日最大8h 滑動(dòng)平均濃度都超過(guò)100μg·m-3，貴港最大達(dá)138μg·m-3。6 月6 日10 時(shí)，臭氧濃度大幅上升，貴港14 時(shí)臭氧小時(shí)值203μg·m-3，達(dá)到臭氧小時(shí) 值輕度污染（200μg·m-3，下同），17 時(shí)出現(xiàn)最高峰值261μg·m-3，臭氧污染天主要集中在南部的防城港、北海、貴港和南寧。6 月7 日臭氧濃度上升趨勢(shì)加劇，13 時(shí)已有9個(gè)城市小時(shí)值超過(guò)160μg·m-3，6 個(gè)城市出現(xiàn)單站臭氧小時(shí)值輕度污染；污染區(qū)域逐步擴(kuò)大，臭氧污染帶總體北移，集中在中南部，9 個(gè)城市出現(xiàn)臭氧日污染，分別是貴港、玉林、柳州、百色、來(lái)賓、欽州、梧州、崇左和賀州。6 月8 日，受南海季風(fēng)槽北抬影響，臭氧污染帶繼續(xù)北移，臭氧污染帶集中在中北部，賀州、來(lái)賓、柳州、貴港、玉林、百色、河池和桂林，共8個(gè)城市出現(xiàn)污染，賀州臭氧濃度上升最為明顯，河池出現(xiàn)了自2016 年以來(lái)的首次臭氧污染天。受南海季風(fēng)槽逐漸北抬影響，此次區(qū)域性臭氧污染過(guò)程總體呈現(xiàn)由南向北移動(dòng)的趨勢(shì)，累計(jì)出現(xiàn)21 城次的污染天，貴港不僅污染最嚴(yán)重，連續(xù)3d 出現(xiàn)臭氧污染，而且臭氧濃度全區(qū)最高，O3日最大8h 滑動(dòng)平均濃度達(dá)214μg·m-3。

3 高空及地面天氣形勢(shì)

選取6 月7 日08 時(shí)高空及地面實(shí)況天氣圖（略）：500hPa 位勢(shì)高度場(chǎng)、地面氣壓場(chǎng)、850hPa 風(fēng)場(chǎng)、925hPa 風(fēng)場(chǎng)。6 月6—8 日，從500hPa 位勢(shì)高度場(chǎng)分析，廣西都處于500hPa 高壓脊的底部，從地面氣壓場(chǎng)分析，地面都受變性高壓脊控制，從高空到地面都受高壓脊影響，造成廣西地區(qū)持續(xù)無(wú)云或少云，使得到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射增強(qiáng)，有利于O3生成。從850hPa 風(fēng)場(chǎng)分析，6 日南海季風(fēng)槽位于瓊州海峽，7日北抬至兩廣地區(qū)海洋和陸地交界處，8 日進(jìn)一步北抬至沿海城市，在南海季風(fēng)槽逐漸北抬過(guò)程中，季風(fēng)槽外圍下沉氣流也逐漸北抬，造成廣西此次臭氧污染由南向北移動(dòng)的趨勢(shì)。從925hPa 風(fēng)場(chǎng)分析，污染期間兩廣地區(qū)大氣邊界層盛行偏東風(fēng)，6 日東南風(fēng)，7 日轉(zhuǎn)偏東風(fēng)，8 日又轉(zhuǎn)東南風(fēng)，且風(fēng)速較大。6月5—8 日，廣東省多個(gè)城市出現(xiàn)了臭氧污染，臭氧濃度高，在大氣邊界層偏東風(fēng)作用下，臭氧源源不斷地向廣西地區(qū)輸送，是造成廣西此次大面積長(zhǎng)時(shí)間臭氧污染的一個(gè)重要的原因。以下“后向軌跡圖”進(jìn)一步了說(shuō)明此次廣東臭氧輸入過(guò)程。

4 污染原因分析

4.1 氣象條件分析

2021 年6 月6—8 日受高壓脊影響，太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，廣西大部分地區(qū)出現(xiàn)晴熱天氣。期間全區(qū)分別有32 站、31 站、13 站最高氣溫大于等于35℃，最高為三江站36.9℃，出現(xiàn)臭氧污染的城市最高氣溫在32.5～35.4℃之間，絕大部分在34.0℃左右。高溫可促進(jìn)光化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行和植物排放VOCs 的濃度［8］，有利于O3生成，O3濃度增加較快，O3濃度與氣溫呈現(xiàn)較為一致的正相關(guān)。降水有利于O3及其前體物的洗涮和濕清除，同時(shí)雨天云量較多，云對(duì)太陽(yáng)輻射有散射和吸收作用，從而減少到達(dá)地面的紫外線光強(qiáng)，不利于生成O3的光化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行。三天中除了8 日沿海城市有分散性小雨外，出現(xiàn)臭氧污染的城市降水量都是0，無(wú)降水有利于O3累積，O3濃度與降水量呈現(xiàn)較為明顯的反相關(guān)。

從地面氣壓場(chǎng)來(lái)看（圖略），整個(gè)廣西等壓線稀疏，氣壓梯度小，地面為微風(fēng)或靜風(fēng)，天氣靜穩(wěn)。地面風(fēng)速大小決定了大氣擴(kuò)散能力，地面風(fēng)速越小，大氣水平擴(kuò)散能力越弱。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，出現(xiàn)臭氧污染的城市地面日平均風(fēng)速大小在0.9m·s-1～2.4m·s-1之間，絕大多數(shù)在2.0m·s-1以下，風(fēng)速較小，大氣水平擴(kuò)散條件差，小風(fēng)速不利于O3由城市向郊區(qū)擴(kuò)散，聚集在城區(qū)形成O3高值區(qū)。O3濃度與地面風(fēng)速呈現(xiàn)較為明顯的負(fù)相關(guān)。相對(duì)濕度對(duì)O3的生成、消除有重要影響，當(dāng)相對(duì)濕度大時(shí)，大氣中的水汽通過(guò)消光機(jī)制影響太陽(yáng)輻射而使紫外輻射衰減，減緩了光化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生；濕度較高情況下，空氣中水汽所含的自由基（·HO2和·OH）等迅速將臭氧分解為氧分子，直接消耗O3，降低O3濃度；相對(duì)濕度較高有利于O3的濕清除，高濕環(huán)境也是形成濕清除的重要指標(biāo)［9］。因而相對(duì)濕度小反而有利于O3生成，O3濃度與相對(duì)濕度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，出現(xiàn)臭氧污染的城市地面日平均相對(duì)濕度大小55.0%～74.8%之間，絕大多數(shù)在70.0%以下，各站點(diǎn)臭氧峰值集中出現(xiàn)在13∶00—16∶00，一天中光化學(xué)反應(yīng)最強(qiáng)的時(shí)段，小時(shí)相對(duì)濕度更小，在42.6%～60.0%之間，這種相對(duì)濕度非常有利于O3生成。

4.2 后向軌跡分析

為了分析本次O3外來(lái)傳輸?shù)膩?lái)源，利用NOAA的HYSPLIT 模型做玉林觀測(cè)點(diǎn)后向軌跡分析（圖1）。質(zhì)點(diǎn)的經(jīng)緯度選定污染較重的玉林觀測(cè)點(diǎn)（110.117°E、22.667°N），氣團(tuán)的時(shí)間選定O3濃度大幅上升的北京時(shí)間6 月7 日12∶00（圖中時(shí)間是世界時(shí)），分別從3 個(gè)高度（800m、500m 和100m）進(jìn)行質(zhì)點(diǎn)后向24h 軌跡追蹤，污染物主要聚集在大氣邊界層內(nèi)，故選的3 個(gè)高度都低于大氣邊界層的高度。到達(dá)玉林的24h 后向軌跡模型顯示，距地面800m（綠色）、500m（藍(lán)色）和100m（紅色）的污染氣團(tuán)高起低落來(lái)自珠三角地區(qū)。由圖可知，前12h 污染氣團(tuán)主要是水平傳輸，從珠三角地區(qū)傳入廣西境內(nèi)，后12h 除了水平傳輸，污染氣團(tuán)向下垂直傳輸也明顯加快，將臭氧輸送至地面，造成廣西境內(nèi)的O3濃度劇增。

圖1 6 月7 日12 時(shí)到達(dá)玉林的臭氧24h 后向軌跡圖

4.3 區(qū)域輸送分析

在區(qū)域輸送不明顯時(shí)，邊界層內(nèi)O3生成由局地化學(xué)反應(yīng)主導(dǎo)，O3是揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）和氮氧化物（NOx）在太陽(yáng)紫外光照射下進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)的生成物。日落后，光化輻射不存在了，生成O3的自由基鏈?zhǔn)焦饣瘜W(xué)反應(yīng)就終止了，O3濃度迅速下降，而且O3是一種反應(yīng)性極高的氣體，也是一種強(qiáng)氧化劑［10］，O3能與多種還原性的污染物發(fā)生氣相反應(yīng)，隨著時(shí)間的推移，消耗O3的化學(xué)反應(yīng)不斷進(jìn)行，到了凌晨O3濃度會(huì)下降到很低的水平。

然而從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)看，此次O3污染過(guò)程期間，柳州柳東小學(xué)、防城港大海花園、欽州沙埠小學(xué)、玉林南江一中等站點(diǎn)晚上20∶00 后O3濃度仍然超過(guò)170μg·m-3，玉林師范學(xué)院東校區(qū)夜間23∶00 O3濃度維持163μg·m-3的超標(biāo)狀態(tài)，多地臭氧夜間高居不下。顯然這些O3不全是本地光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的，區(qū)域輸送明顯，O3隨著邊界層偏東風(fēng)，從珠三角地區(qū)傳入廣西境內(nèi)，在南海季風(fēng)槽外圍下沉氣流作用下，向下垂直傳輸，將臭氧輸送至地面，造成廣西境內(nèi)多地夜間的O3濃度仍然維持在較高水平。

地面臭氧激光雷達(dá)也監(jiān)測(cè)到了這一反常現(xiàn)象，由圖2 可見(jiàn)，凌晨近地層臭氧濃度仍然較高，6 月7日凌晨，樟木三中臭氧仍高達(dá)180μg·m-3以上，臭氧區(qū)域水平輸送和高空沉降影響顯著，這也間接解釋了此次O3區(qū)域污染過(guò)程貴港不僅污染最嚴(yán)重而且臭氧濃度全區(qū)最高的現(xiàn)象。

圖2 貴港樟木三中6 月6—8 日臭氧激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)結(jié)果

桂東北縣份也呈現(xiàn)較反常的污染規(guī)律，全區(qū)空氣質(zhì)量較好的金秀縣在6 月8 日10∶00 開(kāi)始出現(xiàn)臭氧超標(biāo)，11∶00 就開(kāi)始回落，顯然不全是本地光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生，O3區(qū)域輸送明顯。按緯度由南向北選擇柳江區(qū)、柳城縣、鐘山縣和興安縣，4 縣區(qū)的臭氧峰值變化趨勢(shì)，峰值變化基本上呈現(xiàn)先南后北，峰值時(shí)刻有顯著滯后現(xiàn)象，且都出現(xiàn)明顯的雙峰特征，表明有臭氧水平輸送影響。

5 結(jié)論

（1）受南海季風(fēng)槽北抬影響，此次臭氧區(qū)域污染過(guò)程總體呈現(xiàn)由南向北變化的趨勢(shì)。

（2）此次臭氧區(qū)域污染與本地的氣象條件密切相關(guān)，O3濃度與氣溫呈現(xiàn)較為一致的正相關(guān)，與降水量、地面風(fēng)速和相對(duì)濕度呈現(xiàn)較為明顯的負(fù)相關(guān)，本地適宜的氣象條件生成高濃度的O3是造成此次臭氧區(qū)域污染的主要原因。

（3）在邊界層偏東風(fēng)作用下，珠三角地區(qū)O3向廣西區(qū)域輸送是造成此次臭氧區(qū)域污染的次要原因。