2018年國慶前后廣東省臭氧污染過程分析

沈 勁,劉瑀菲,晏平仲,汪 宇,潘澤凱,陳多宏

(1.廣東省環境監測中心，國家環境保護區域空氣質量監測重點實驗室，廣東 廣州 510308；2.廣東省環境監測中心，廣東省環境保護大氣二次污染研究重點實驗室，廣東 廣州 510308；3.中國科學院大氣物理研究所,北京 100029；4.中科三清科技有限公司,北京 100029)

經過多年的努力，我國珠江三角洲(即珠三角)地區的一次污染物已經得到有效的控制[1]，細顆粒物(PM2.5)等受到人們廣泛關注的污染物也于近幾年得到了一定程度的控制[2]，2015年珠三角地區的PM2.5濃度在我國三大重點污染區域中率先達到國家二級標準[3]，并連續四年穩定達標。根據粵港澳珠三角區域空氣監測網絡粵方子站2006年以來的監測結果顯示，多項污染物濃度均呈波動下降趨勢[4]，但珠三角地區臭氧(O3)的平均濃度呈波動上升趨勢[5]，2006年珠三角地區O3的平均濃度為48 μg/m3，2018年上升至60 μg/m3，近12年間珠三角地區O3的平均濃度上升了25.0%，上升速度約為每年1 μg/m3。高濃度O3一方面對人體[6]、農作物[7]和生態健康[8]有直接的影響，另一方面會增強大氣氧化性[9]，不斷氧化SO2和NO2等氣態污染物，生成較高濃度的PM2.5。

相對于北方地區O3污染明顯的季節特征，我國珠三角區域O3污染的時間跨度大。近年來觀測發現，廣東省在春、夏季節容易出現O3濃度極值現象，而秋季(10月份)O3濃度的平均值較高[10]。秋季是廣東省O3污染的典型季節，主要由于秋季經常會出現日照強、云量少、風力弱等氣象條件，有利于光化學反應而生成較高濃度的O3[11]。2018年國慶節前后，廣東省出現了一次O3污染事件，此次污染過程持續時間長(11 d)、覆蓋范圍廣(19座城市)，首要污染物主要為O3。因此，深入研究此次O3污染事件污染過程的成因與發展過程，一方面可以增加對華南地區O3污染的認識，另一方面將有助于廣東省O3污染防治對策的制定。為此，本文采用三維空氣質量模型CAMx的綜合過程分析模塊，研究了不同物理化學過程對本次O3污染事件的影響與貢獻，以為珠三角地區O3污染控制提供依據。

1 數據與方法

1.1 空氣污染物濃度數據與氣象資料

本研究的空氣污染物濃度數據來源于廣東省空氣質量監測網絡。廣東省空氣質量監測網共布設了102個城市空氣質量監測點位，監測項目包括二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、可吸入顆粒物(PM10)、細顆粒物(PM2.5)、臭氧(O3)、一氧化碳(CO)和降塵等指標，該監測網絡執行國家規定的QA/QC標準[12]。

本研究的氣象數據主要使用廣東省生態氣候中心提供的氣象資料，模型需要的氣象場數據來源于美國國家環境預報中心(NCEP)1.0°×1.0°的 FNL再分析數據，其主要為模擬提供初始場輸入。

1.2 三維空氣質量模型

本研究以美國ENVIRON公司開發的帶擴展模塊的綜合空氣質量模型CAMx(v6.20)[13]為核心，以中尺度氣象模型WRF(v3.3)[14]為驅動力，采用MODIS衛星遙感反演得到的地形數據提供模型所需的地形資料；采用耦合排放源清單處理模型SMOKE[15]和自然源估算模型MEGAN[16]提供排放源清單支持(基于2018年氣象場)，內置清華大學開發的MEIC清單和全球變化前沿研究中心開發的REAS清單[17](基準年為2010年)，搭建區域空氣質量模擬平臺WRF/SMOKE/CAMx，以支撐廣東省O3污染研究。為了更好地反映本地的排放，參考廣東地區的精細源清單對排放源清單進行了本地化處理[18]，廣東省精細源清單的基準年為2015年。O3前體物(NOx與VOCs)的排放集中于珠三角的中部，即珠江口周邊城市。模型的參數設置可參考相關文獻資料[19]。

1.3 O3污染綜合過程分析方法

O3濃度的變化受化學過程、水平與垂直輸送、沉降等一系列復雜大氣過程的綜合影響，CAMx的綜合過程分析模塊(IPR)[20]可用于估算各物理過程和凈化學過程對O3濃度的影響。IPR模塊通過分別計算歐拉連續性方程等號右邊的各項，便可以得出氣相化學過程、水平平流與擴散、垂直對流與擴散、沉降以及其他過程對指定網格的污染物濃度的小時貢獻量。 歐拉連續性方程如下：

上面公式中等號右邊第一項表示水平平流，東南西北邊界的O3水平通量可以區別對待，即可以定量某網格或區域4個邊界對該網格或區域的O3貢獻；第二項表示垂直對流對O3的貢獻；第三項表示擴散對O3的貢獻；第四項表示排放對O3的貢獻，由于O3是二次污染物，排放源清單沒有O3的一次排放，因此這一項為0；第五項表示化學過程對O3的貢獻，其可以分為氣相化學和非均相化學兩部分，但由于O3的生成主要受氣相化學的影響，因此本文并未考慮非均相化學對O3的貢獻；最后一項表示沉降過程對O3的貢獻，可分為干沉降和濕沉降兩部分。基于過程的分析對深入研究O3污染具有重要意義，其有助于定量不同物理化學過程對O3濃度的影響與貢獻，以明確各邊界的O3輸通量、本地O3化學生成的強烈程度等。

2 結果分析與討論

2.1 2018年國慶前后廣東省O3污染態勢

本文按照我國《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)、《環境空氣質量評價技術規范(試行)》(HJ 663—2013)和《環境空氣質量指數(AQI)技術規定(試行)》(HJ 633—2012)等相關標準對2018年國慶前后廣東省城市空氣質量進行了評價，其評價結果見圖1和圖2。

圖1 2018年9月28日—2018年10月10日廣東省 環境空氣質量指數(AQI)的等級分布Fig.1 Distribution of ambient air quality index (AQI) grades in Guangdong Province from September 28,2018 to October 10,2018

圖2 2018年國慶前后廣東省污染較嚴重城市的O3日 最高評價濃度Fig.2 The maximum evaluation concentration of ozone in the polluted cities in Guangdong Province around the National Day in 2018

由圖1和圖2可見，2018年9月29日—10月9日，廣東省共出現111個城次空氣質量輕度污染、8城次空氣質量中度污染(見圖1)，其中江門市3次、珠海市2次以及中山市、湛江市、佛山市各1次；O3濃度高值區域分布在廣東省西南部，珠三角西南部O3濃度最高，江門、中山、珠海等市接連出現中度O3污染，O3日最高評價濃度(即O3濃度日8 h滑動平均的最大值)為241 μg/m3(發生于10月7日江門市)；江門市作為全省空氣質量污染最嚴重的城市之一，污染過程中O3濃度波動上升，始終處于輕度污染水平之上(見圖2)。

2.2 O3污染氣象條件分析

2018年國慶前后廣東省O3污染期間，大氣中層基本維持副高脊控制(見圖3)，以下沉氣流為主，污染物垂直擴散受到抑制，9月30日—10月9日白天輻射較強，不同城市代表性站點日最高小時氣溫均接近30℃(見圖4)，光化學反應活躍，有利于O3的生成；近地面受弱的高壓脊控制，風力較弱，水平擴散不利，偏東北氣流的水平平流和傳輸過程(見圖5)使得O3污染區集中在珠三角中西部、西南部和粵西地區。

圖3 9月30日—10月2日廣東省合成氣象場(左) 10月3日—10月4日合成氣象場(右)Fig.3 Composite field in September3-October2 (left) and composite field in October 3-October 4 (right) in Guangdong Province

圖4 2018年國慶前后廣東省污染較嚴重城市的日 最高小時氣溫Fig.4 Maximum hourly temperatures in the polluted cities in Guangdong Province around the National Day 2018

圖5 2018年國慶前后廣東省污染較嚴重城市的風向-風速玫瑰花圖Fig.5 Rose diagrams of wind in the polluted cities in Guangdong Province around the National Day 2018

2.3 O3污染綜合過程分析

本文以廣東省污染最嚴重的江門市為分析對象，選取江門市東湖監測站點為該市區的代表性點位，定量研究了2018年國慶前后不同物理化學過程對珠三角西部重污染區O3污染的影響。采用CAMx模型模擬了2018年9月中下旬到10月中旬江門市東湖監測站點的O3濃度，并將模擬值與實測值進行了對比，其結果見圖6。

圖6 2018年國慶前后江門市東湖站點O3濃度實測值與模擬值的對比Fig.6 Comparison of measured values and simulated values of ozone concentration at Donghu station, Jiangmen City around the National Day 2018

由圖6可見，模擬結果的相對標準偏差(NMB)為-0.18，即總體上模擬值比實測值略低，相關系數(r)為0.42，模擬值與實測值之間的偏差主要與排放源清單的滯后性和VOCs清單值較大的不確定性有關；總體上9月中下旬的模擬結果較差，但2018年國慶前后的模擬結果基本與實測值吻合，表明本次模擬較成功地重現了2018年國慶前后江門市的O3污染過程。

本文還通過CAMx模型的綜合過程分析模塊(IPR)定量分析了2018年國慶前后江門市東湖站點近地面層化學過程、水平輸送、上邊界輸送和沉降等物理化學過程對O3濃度的逐小時貢獻值，見圖7。

圖7 江門市東湖監測站點2018年國慶前后不同 物理化學過程對O3濃度的逐小時貢獻值Fig.7 Influence of different physical chemical processes on the ozone hourly concentration at Donghu station,Jiangmen City before and after the National Day in 2018

在2018年國慶前后O3污染期間，江門市東湖監測站點近地面層(離地面高度幾十米以下)的O3主要來自于水平輸送和上邊界的輸入，其中在白天O3濃度顯著上升時段，水平輸送的貢獻是主要的，而在下午和晚上，上邊界輸入的貢獻顯著；化學過程在全天主要起到消耗O3的作用，即NO等物質在江門市不斷消耗O3，O3的消耗速率高于其化學生成速率，總體上表現出化學過程對O3的凈消耗效應。因此，本次珠三角西部地區的O3污染事件主要是由污染物輸送導致的，即在持續的偏東北風影響下，上風向城市群排放的污染物不斷生成O3并輸送到江門市等下風向地區，造成O3濃度在江門市區等地在日間有所積累，特別是造成了上午O3濃度的快速上升；本地的化學過程并非是導致本次O3污染事件的主要原因，化學過程總體上對O3有凈消耗作用，部分抵銷了物理過程導致的O3累積。

若區分白天與黑夜以及不同高度處化學過程對O3濃度的影響，本文采用CAMx模型的綜合過程分析模塊(IPR)定量分析了2018年國慶前后江門市東湖監測站點白天與黑夜以及不同高度處化學過程對O3濃度的平均貢獻值，其結果見表1。

表1 江門市東湖監測站點9月29日—10月8日白天與黑夜以及不同高度處化學過程對O3濃度的平均貢獻值

由表1可知，最貼近地面的一層(約幾十米)O3的化學消耗過程要大于其生成過程，幾十米以上的高度(從第2層開始)則是O3的生成過程大于其被消耗的過程；化學過程在白天表現為凈增加O3的作用，其中第4層O3化學凈生成速率最大，白天(10∶00—15∶00)化學過程對O3濃度的平均貢獻值可達33 μg/(m3·h-1)，夜間(19∶00—6∶00)由于缺乏光照，化學過程對O3濃度的影響在各層均表現為凈消耗。

3 結論與建議

通過對廣東省2018年國慶前后空氣質量的分析，發現珠三角中西部、西南部和粵西地區出現了較嚴重的O3污染事件，本文使用WRF/CAMx模型的綜合過程分析工具，研究了不同物理化學過程對本次O3污染事件污染過程的影響與貢獻，得到的主要結論如下：

(1) 2018年國慶前后，廣東省出現了一次大范圍的O3污染事件，期間天氣晴朗干燥，太陽輻射強，日照時間長，光化學反應活躍，白天氣溫較高，有利于O3生成。全省共出現111個城次空氣質量輕度污染、8城次中度污染，珠三角西南部的江門市空氣污染最為嚴重，共出現了3天中度污染。

(2) 本次O3污染事件中，在持續偏東北風的影響下，江門等珠三角西南部城市處于下風向，其較嚴重的近地面層O3污染主要是由水平輸送導致；上邊界O3往下輸送主要對下午和夜間的O3有正貢獻，但化學過程對不同高度的影響則有所差異，在近地面層對O3有凈消耗作用，在幾十米以上的高度在白天則主要表現為O3凈生成。

(3) O3的城市間輸送導致了下風向地區出現較嚴重的O3污染，秋季是珠三角地區O3污染季節，建議加強珠三角中東部等地的O3前體物控制，以減輕下風向城市的O3污染。