北京及周邊地區(qū)典型站點近地面O3的變化特征

劉希文,徐曉斌,林偉立 (.中國氣象科學(xué)研究院,中國氣象局大氣成分觀測與服務(wù)中心,中國氣象局大氣化學(xué)重點開放實驗室,北京 0008；2.武漢中心氣象臺,湖北 武漢 430074)

O3是自然大氣中的重要組成部分,其中90%分布于平流層,10%在對流層.對流層 O3是光化學(xué)反應(yīng)的重要產(chǎn)物,地表高含量的O3對人類以及動植物都有極強(qiáng)的危害[1-13].隨著大氣光化學(xué)研究的深入,局地光化學(xué)污染事件已得到了較好的控制,受特定天氣過程、地形特征、盛行風(fēng)向等條件影響造成的區(qū)域O3污染問題卻備受國內(nèi)外關(guān)注[1-25],因此加強(qiáng)對近地面O3區(qū)域分布觀測研究具有重要意義.

國內(nèi)外已有許多針對城區(qū)與郊區(qū)近地面 O3變化特征的比對分析.Pochanart等[1]對日本境內(nèi)的4個位于島嶼的觀測站的O3資料進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)大氣輸送是站點之間季節(jié)差異的主要原因;Debaje等[2]對近海的農(nóng)村站點以及位于城區(qū)站點O3與氣象條件展開了討論; Bronnimann等[3]對瑞士多個觀測站長期的近地面O3的變化趨勢做了詳細(xì)分析.在我國,近地面 O3的研究主要是圍繞城市里的單個站點或者是區(qū)域性站點開展的[4,11-13,15,18-22],對處于同一區(qū)域內(nèi)的城區(qū)與郊區(qū)O3變化情況的比對分析尚不多見,目前這方面的研究主要集中在珠江三角洲、長江三角洲、京津等發(fā)達(dá)地區(qū)以及代表不同區(qū)域本底大氣站點.Lam 等[5]、Gao等[7]和So等[9]對香港城市大氣O3變化特征以及與前體物相關(guān)性、大氣輸送的影響做了探討;Xu等[6]、丁國安等[14]和徐曉斌等[16]研究了中國不同區(qū)域本底大氣O3以及其他污染物的變化特征;Lin等[8,25]分析了河北固城站與北京以及北京與上甸子站氣態(tài)污染物的變化特征并討論了區(qū)域輸送對北京大氣環(huán)境的可能影響;王會祥等[17]利用長三角地區(qū)6個站點的觀測數(shù)據(jù)對O3及其他污染物做了比對分析,得到了該地區(qū)污染物分布特征;劉潔等[24]分析了北京與上甸子本底站O3及前體物的城郊差異.本文利用2008年6月至2009年5月在北京城區(qū)及周邊3個不同類型站點的氣態(tài)污染物觀測資料,分析O3的變化特征及與氣象條件的關(guān)系.

1 站點信息及觀測方法

固城生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象試驗站(簡稱“固城站”)位于華北平原東北部的河北省定興縣固城鎮(zhèn)(115°07’E,39°08’N, 海拔 15.1m);北京城區(qū)的觀測點位于北京市海淀區(qū)中國氣象局培訓(xùn)中心樓頂(簡稱“培訓(xùn)中心站”)(116°32’E, 39°94’N,海拔93m);上甸子本底監(jiān)測站(簡稱“上甸子站”)(117°07’E, 40°39’N,海拔 293.9m)位于北京密云縣高嶺鎮(zhèn)的上甸子村,建于 1983年,其大氣污染水平可用于研究我國華北經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)域大氣本底狀況.3站地理位置見圖 1.受太行山脈和華北平原的地形影響,3站的盛行風(fēng)向大致相同,為東北風(fēng)和西南風(fēng)(圖2),北京城區(qū)的培訓(xùn)中心測點處在距地35m左右的高度,盛行風(fēng)向略有不同,為東北風(fēng)和偏南風(fēng).

地面O3測所用儀器為TE49C 型O3分析儀,為紫外吸收光度法,其最低檢測限為1×10-9.為了減少空氣中顆粒物對測量的影響,在儀器入口處裝有5μm的Teflon過濾膜,并每10天更換1次.儀器在使用之前及每季度經(jīng)TE49CPS O3校準(zhǔn)儀多點校準(zhǔn).每天進(jìn)行零點檢查和跨度檢查,以保證觀測結(jié)果的準(zhǔn)確性.取得1min平均地面O3,單位為1×10-9,文中的小時平均值為整點前后30min O3的平均值.

圖1 觀測站點分布Fig.1 The location of China Meterological Administration of Beijing (CMA), Shangdianzi Background Station (SDZ),and Gucheng Station (GCH) of Hebei province

圖2 觀測期間(2008-06-01～2009-05-31)上甸子本底站、培訓(xùn)中心、固城站風(fēng)向頻率分布Fig.2 Wind frequency roses of SDZ, GCH, and CMA from June,2008 to May, 2009

2 結(jié)果與討論

2.1 三站O3時間序列變化和頻譜分布

2.1.1 時間序列變化 表 1給出了各站氣態(tài)污染物1年的統(tǒng)計平均值.結(jié)果顯示,位于北京郊區(qū)的上甸子站O3濃度最高,北京城區(qū)的培訓(xùn)中心站次之,處于農(nóng)村地區(qū)的固城站稍低于培訓(xùn)中心站;一次污染物則與O3的站點分布特點相反,培訓(xùn)中心站和固城站除 NO/NO2/NOx差距明顯外,其他污染物幾乎相當(dāng).污染物的空間分布反映了各站周圍排放源的特點,上甸子站位于相對清潔、人口密度較小的農(nóng)村地區(qū),所以CO、NOx、SO2最低,O3最高;O3與其他主要污染物空間分布特征與So等[9]在香港的觀測結(jié)果類似.

表1 固城、培訓(xùn)中心、上甸子站氣態(tài)污染物觀測期間(2008.06～2009.05)O3及其前體物平均值(±σ)Table 1 Averages (±σ) of major air pollutants at GCH, CMA and SDZ from June, 2008 to May, 2009

由圖3可見,受局地O3前體物的光化學(xué)反應(yīng)以及大氣輸送的影響,3個站點O3季節(jié)變化趨勢類似,基本都是夏季高、冬季底.夏季O3濃度的波動最大、冬季則最小,夏季在太陽輻射強(qiáng),前體物較多的情況下,光化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)烈,將產(chǎn)生較多O3[6-9,11],使其濃度升高,但是當(dāng)光照或前體物缺少時,或氣象條件利于大氣擴(kuò)散,則會導(dǎo)致 O3濃度迅速降低,O3濃度冬季波動要比夏季大很多;各站在春、夏、秋季O3峰值出現(xiàn)時刻接近,可能是所選 3個站點地理位置分布與華北北部大氣污染物西南輸送通道比較吻合,加之 3站局地風(fēng)向都是白天盛行西南風(fēng),晚上為東北風(fēng),所以輸送對3站O3以及前體物的影響不容忽視[6,8,15,21,25].3個站點之間O3季節(jié)變化的差異主要體現(xiàn)在其濃度水平上,相對清潔的上甸子站O3濃度最高、固城站次之、培訓(xùn)中心站最低.

2.1.2 O3頻譜分布 基于O3小時平均值統(tǒng)計各站不同濃度 O3的出現(xiàn)頻度,濃度間隔為2×10-9,結(jié)果見圖4.由圖4可見,上甸子站O3在30×10-9～40×10-9之間出現(xiàn)的頻率最高,上甸子與王會祥等[17]報道的浙江臨安本底站、上海佘山站類似;固城站和培訓(xùn)中心站 O3呈指數(shù)衰減分布特點,O3濃度大多出現(xiàn)在 0～10×10-9的低值區(qū).而王會祥等[17]報道的江蘇句容和浙江嘉興站屬于此類型.從站點曲線分布差異可以看出,全年固城和培訓(xùn)中心站O3濃度要低于上甸子站.上甸子站和培訓(xùn)中心站全年O3小時均值超過國家一級標(biāo)準(zhǔn)為6.5%,固城站為4.7%.

2.2 三站近地面O3的日變化和季節(jié)變化

2.2.1 日變化 作為大氣光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物,O3濃度高低與天氣條件的關(guān)系極為密切,有著典型的日變化規(guī)律[11-19],其中,太陽輻射強(qiáng)度是 O3濃度日變化程度的關(guān)鍵因素.

圖5給出了不同季節(jié)3個站O3的平均日變化.不同季節(jié)O3的日較差和濃度水平在3個站點具有相似的變化趨勢,表現(xiàn)為夏季最大、最高,春季大于秋季,冬季最小、最低.這種季節(jié)變化特點與很多文獻(xiàn)[9,19]類似,其可能原因是:在夏季,太陽輻射較強(qiáng),光化學(xué)反應(yīng)劇烈,混合層高度高,大氣很容易混合均勻,并且上述特點晝、夜差異明顯;冬季與夏季的大氣狀況恰好相反,混合層高度低,靜穩(wěn)天氣增多,地面大氣污染物不易擴(kuò)散從而聚集到地表,加之溫度低,太陽輻射、光化學(xué)反應(yīng)弱,而且冬季晝夜差異小于其他季節(jié);3個站點春季O3高于秋季的可能原因是,春季北半球?qū)α鲗颖尘爸递^高,此外,北京及周邊區(qū)域受季風(fēng)的影響,使得秋季陰雨天氣過程明顯多于春季,導(dǎo)致其光化學(xué)反應(yīng)弱于春季.由圖5可見,3個站點之間O3日變化既類似,也存在一定的差異,主要體現(xiàn)在 3個站點同一季節(jié)O3峰值出現(xiàn)時間、日較差幅度以及濃度水平方面.在不考慮各站太陽輻射強(qiáng)度差異的情況下,白天大氣輸送可能是造成站點之間峰值錯位的原因[10,24].3站同一季節(jié)O3日較差表現(xiàn)為,培訓(xùn)中心冬季日較差最小,夏季最大,固城站和上甸子站相當(dāng);濃度水平則是,上甸子站最高,固城站次之,培訓(xùn)中心站最低.

圖3 觀測期間(2008-06-01～2009-05-31)上甸子、固城、培訓(xùn)中心站O3小時均值時間序列Fig.3 The time series of hourly averages of O3 concentrations at SDZ, GCH and CMA during the observation period

圖4 觀測期間(2008-06-01～2009-05-31)上甸子、固城、培訓(xùn)中心站O3小時均值頻譜分布Fig.4 Frequency distributions of hourly average values of O3 at SDZ, CMA,and GCH from June,2008 to May,2009

圖5 不同季節(jié)上甸子、固城、培訓(xùn)中心站的日變化Fig.5 Diurnal variations of ozone concentrations at GCH, CMA, and SDZ in different seasons

圖6 上甸子、固城、培訓(xùn)中心站O3月變化Fig.6 The monthly statistics of (O3 average ±σ) at GCH,CMA, and SDZ

2.2.2 季節(jié)變化 圖6給出了3個站點O3月平均及標(biāo)準(zhǔn)偏差的變化.各站O3季節(jié)變化趨勢相似.氣溫和太陽輻射的季節(jié)差異會導(dǎo)致冬季濃度最低,夏季最高.各月的標(biāo)準(zhǔn)偏差顯示,夏季離散程度最大,冬季最小,與 O3日變化的季節(jié)差異有關(guān).從圖6中可以看出,上甸子O3最大值出現(xiàn)在6月份[(63±27)×10-9],最小值出現(xiàn)在 12 月份[(19±12)×10-9];培訓(xùn)中心站則是最大值出現(xiàn)在 7月份[(51±32)×10-9],而11、12、1、2、3月O3均在10×10-9左右,其中2月O3處于全年最低;固城站與培訓(xùn)中心站的逐月變化特點類似,最大值也出現(xiàn)在 7月份[(48±26)×10-9],11、12、1、2 月 O3均在 13×10-9左右,其中2月O3全年最低.固城站冬季O3濃度整體高于培訓(xùn)中心站.位于清潔地區(qū)的上甸子站O3逐月濃度均高于固城站和培訓(xùn)中心站,一方面可能是城市以及人口密集的農(nóng)村地區(qū) NO濃度較高(表1),抑制了O3的積累,而本底地區(qū)NOx和VOC的比值更適合O3的生成[24],另一方面,受東亞夏季風(fēng)的影響,上甸子站在夏季剛好處于北京城區(qū)的下風(fēng)向,有利于接受來自城區(qū)的O3前體物及其輸送過程中產(chǎn)生的O3,而冬季情況則剛好相反,盛行風(fēng)向轉(zhuǎn)變?yōu)闁|北風(fēng),上甸子更多地受較為清潔的氣團(tuán)控制,O3的化學(xué)損耗降低[8,10,25].北京

城區(qū)與河北固城冬季O3濃度變化微小的原因可能是,冬季其前體物排放、太陽輻射以及光化學(xué)損耗差異較小,北方冬季靜穩(wěn)天氣頻繁出現(xiàn),不利于O3以及前體物的擴(kuò)散.

2.3 近地面O3的影響因素

2.3.1 O3與一次污染物及氣象因子的相關(guān)關(guān)系 表 2是基于各站氣態(tài)污染物與氣象數(shù)據(jù)小時均值計算得到的相關(guān)系數(shù).由表2可知,各站O3與 NO、NO2、NOx、RH 呈負(fù)相關(guān),與溫度、風(fēng)速(WS)等呈正相關(guān).冬季 O3與 NO、NO2、NOx相關(guān)性要好于夏季,而O3與溫度以及相對濕度的相關(guān)性則是夏季好于冬季.值得關(guān)注的是,O3與CO、SO2在夏季呈正相關(guān),冬季呈負(fù)相關(guān).培訓(xùn)中心站的O3和風(fēng)速相關(guān)性的冬夏差異最明顯,表明在夏季城區(qū) O3水平和垂直方向混合比較均勻,受風(fēng)速的影響較小,而冬季由于O3濃度平均值低于10×10-9,局地氣流的擾動就顯得比較重要.從3個站點 O3與風(fēng)速冬季和夏季的正相關(guān)以及 O3與SO2、CO冬、夏季的差異可以看出,各站周邊排放源和大氣擴(kuò)散能力以及大氣輸送等的季節(jié)變化對氣態(tài)污染物之間關(guān)系的影響.培訓(xùn)中心站與固城站O3與SO2、CO相關(guān)性在冬季和夏季的巨大差異,間接反映了在2008年夏季為保證奧運會的成功舉辦對北京及其周邊地區(qū)的排放控制做了卓有成效的努力,當(dāng)然夏季的光化學(xué)消耗對 氣態(tài)污染物CO、SO2等的影響也很重要.

表2 夏季和冬季上甸子、固城、培訓(xùn)中心站O3與其他污染物及氣象因子的相關(guān)關(guān)系Table2 Correlation coefficients (R) between O3 and other pollutants and meteorological parameters at GCH, CMA, and SDZ in winter (DJF) and summer (JJA)

2.3.2 O3與局地風(fēng)的關(guān)系 大氣擴(kuò)散理論和實踐研究表明,風(fēng)既能輸送污染物,又能使污染物與空氣混合降低濃度,因而風(fēng)對污染物濃度變化起很大作用,是大氣污染研究中必須關(guān)注的因子.雖然站點的地面風(fēng)向并不能完全反映區(qū)域大氣的運動特點,只能提供局地瞬時氣流來向,但是結(jié)合污染物觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計,也能得出一些大氣輸送的信息.圖7為3站O3平均濃度隨風(fēng)向的變化情況.當(dāng)風(fēng)向為偏南或西南時,3站O3濃度均高于其他方位;當(dāng)風(fēng)向為東北時,O3低于其他方位.本文局地風(fēng)對O3的輸送特征與Lin等[8,25]和Meng等[10]利用氣團(tuán)軌跡模式得出的區(qū)域輸送對固城和上甸子站O3的影響較為一致.

圖7 上甸子、固城、培訓(xùn)中心站O3風(fēng)向分布Fig.7 Dependence of O3 at GCH, CMA, and SDZ on wind direction

3 結(jié)論

3.1 觀測期間(2008-06-01-2009-05-31)固城、培訓(xùn)中心、上甸子站氣態(tài)污染物的年平均值顯示,位于北京遠(yuǎn)郊上甸子的O3濃度處于最高水平,位于北京城區(qū)的中國氣象局培訓(xùn)中心站次之,位于河北農(nóng)村的固城站稍低于培訓(xùn)中心站.一次污染物與O3的站點分布特點相反.

3.2 上甸子站 O3在 30×10-9～40×10-9之間的濃度出現(xiàn)的頻率最高,河北固城站和中國氣象局培訓(xùn)中心站O3呈指數(shù)衰減分布特點,濃度大多出現(xiàn)在 0～10×10-9范圍內(nèi).全年 O3小時均值超過國家一級標(biāo)準(zhǔn)的情況是,上甸子站和培訓(xùn)中心站為6.5%,固城站為4.7%.

3.3 各站O3的日變化曲線走勢大致相同,不同季節(jié)O3日較差和濃度水平在3個站點具有相似的變化趨勢,表現(xiàn)為夏季最大、最高,春季大于秋季,冬季最小、最低.各站同一季節(jié)O3峰值出現(xiàn)時間、日變化幅度以及濃度水平方面存在一定差異.

3.4 上甸子站 O3最大和最小值月平均值分別出現(xiàn)在6月和12月份,而培訓(xùn)中心站和固城站的最大和最小值都分別出現(xiàn)在7月和2月份.后2個站點可能由于較高的NO濃度使得冬春季節(jié)O3均處于持續(xù)低值.

3.5 各站O3與NO、NO2、NOx、RH呈負(fù)相關(guān);與溫度、風(fēng)速等呈正相關(guān).冬季O3與NO、NO2、NOx相關(guān)性好于夏季,而O3與溫度及相對濕度的相關(guān)性則是夏季好于冬季.值得關(guān)注的是,O3與CO、SO2在夏季呈正相關(guān),冬季呈負(fù)相關(guān).O3與風(fēng)速的相關(guān)性冬、夏季差異最明顯的是培訓(xùn)中心站,3個站點O3與風(fēng)速的正相關(guān),以及O3與SO2、CO相關(guān)關(guān)系冬、夏季的差異均間接反映了大氣輸送對各站O3影響的程度.這種影響在夏季明顯強(qiáng)于冬季,在上甸子站強(qiáng)于其他2個站點.

3.6 三個站的地理位置與盛行風(fēng)向大致相同,為東北風(fēng)和西南風(fēng).3站O3風(fēng)向玫瑰圖顯示,當(dāng)風(fēng)向為偏南時,O3高于其他方位;當(dāng)風(fēng)向為東北時,O3最低或次之.

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致謝：感謝上甸子大氣本底站和固城生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象試驗站的工作人員協(xié)助現(xiàn)場觀測.