貴州省城市臭氧時空分布特征研究

黃 璽 王永紅* 王 琴 張春暉 鐘敏文 徐 徐 趙曉韻 劉 群 高蘭蘭 王德賢 羅 皓 陳 龍 余 楊 周 婷

(1.貴州省環(huán)境科學研究設計院，貴陽 550081；2.貴陽市空氣質量預測預警中心，貴陽 550002；3.貴州省環(huán)境監(jiān)測中心站，貴陽 550081；4.貴州眾藍科技有限公司，貴陽 550081；5.貴州省環(huán)境監(jiān)控中心，貴陽 550081)

臭氧對人體健康和生態(tài)環(huán)境都會造成影響，高濃度臭氧能夠刺激人體呼吸道粘膜，造成呼吸加速、胸悶等[1]，能夠加劇心腦血管疾病的發(fā)病率[2]，高濃度臭氧還會造成植物葉片壞死、導致農作物減產等[3]。研究顯示，全球的臭氧背景濃度逐年升高，北半球中緯度地區(qū)的臭氧年增長速率在1%左右[4]，我國西部山區(qū)瓦里關全球臭氧背景站點濃度增長速率約為0.2～0.3 ppbv/yr[5]，我國華北平原泰山站點夏季臭氧濃度增長速率為2.2±1.2 ppbv/yr[6]。

近年來，隨著臭氧逐漸進入城市大氣污染的主要污染物行列，人們對城市臭氧污染的關注日益提高。貴州省的城市臭氧污染形勢從無到有，污染城市從少到多，污染程度也從小到大。為了摸清城市臭氧污染的規(guī)律，把握臭氧污染的來源和傳輸情況，有效地進行城市空氣臭氧污染預測預警和預防治理，貴州省有關大氣環(huán)境污染研究的單位在貴州省生態(tài)環(huán)境廳的大力支持下協(xié)同開展了貴州省城市臭氧的時空分布特征的調查研究。

1 貴州省城市臭氧的區(qū)域分布特點

1.1 臭氧濃度年變化特征

貴州省2016—2018年臭氧濃度年變化分布見圖1。由圖1可知，無論臭氧小時濃度的年平均值還是最大8小時濃度值，三年來貴州城市臭氧水平總的說都是中西部多于東部，年際變化不大。造成這一差異的基本原因是貴州省太陽輻射的東西差異，太陽輻射的差異則是地形造成的。由于貴州省地形西高東低，西部處于云貴高原烏蒙山主體，海拔在1 500 m以上，多晴朗天氣；東部則經常處于高原東側斜坡地帶的鋒面云系影響下，多陰雨天氣。這也表明貴州城市空氣臭氧來源與太陽輻射驅動的光化學機制有關。貴州省太陽輻射分布見圖2[7]，由圖2可知，貴州省太陽輻射的年平均總量分布西部比東部多40%以上，這是貴州省臭氧西部高東部低的主要原因；另一原因則是和植被覆蓋有關，貴州植被覆蓋率東部比西部高，大量研究指出植物的VOCs排放量在空氣臭氧光化學前體物中的貢獻占比很大。

2016年臭氧濃度

2017年臭氧濃度

2018年臭氧濃度

2016—2018年平均臭氧濃度圖1 2016—2018年臭氧濃度年變化分布(左：小時濃度；右：最大8小時濃度)

圖2 貴州省太陽輻射分布

同時，一個城市的空氣臭氧污染實際上來自種類繁多的源排放綜合影響，尤其是在達到臭氧水平超標的污染事例中，往往是多種源的疊加貢獻造成了濃度超標；如果只關注受強日照、高氣溫、低濕度、邊界層靜風等氣象因子影響的光化學機制在晴天下午造成的臭氧污染，那么這種個例在貴州出現(xiàn)并不多；在一些城市，不少高濃度臭氧污染個例是出現(xiàn)在弱光照、低氣溫、潮濕多霧、邊界層大風的夜間[8-10]。也有研究者指出一個區(qū)域大氣臭氧來自前體物(NOx、VOCs)+光化學過程貢獻的不超過50%[11]。貴州省中部臭氧較多的另一個可能的原因是該地區(qū)受遠距離輸送來的雷暴閃電臭氧影響較大[9]。一些城市的空氣臭氧還可能來自各種高壓放電設施的貢獻疊加[12]。從環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的代表性來看，由于臭氧具有很大的化學活性，在空氣中易被分解清除，城市大氣監(jiān)測站點的臭氧監(jiān)測數(shù)據(jù)在時間上和空間上的代表性都很有限。所以現(xiàn)有的城市臭氧分布特征的調查研究工作還是粗略的，有較大的局限性。

2 貴州省城市臭氧的季節(jié)變化

圖3是不同季節(jié)貴州城市臭氧的分布，春夏季是全年中臭氧的高濃度季節(jié)，其主要原因在于太陽輻射較強和植物生長排放的BVOC較多。從圖3中可以看出，春季以中南部較多，夏季以中北部較多。

春 季

夏 季

秋 季

冬 季圖3 貴州省城市臭氧2016—2018年平均分布的季節(jié)特點(左：小時濃度； 右：最大8小時濃度)

3 貴州省城市臭氧幾種典型的日變化

3.1 城市居民集中區(qū)和郊區(qū)的不同日變化

貴州省的城市臭氧濃度主要和太陽輻射驅動的光化學機制有關，因此在一天當中表現(xiàn)出很明顯的夜間小中午大的特征；但在城市的某些監(jiān)測點位附近由于存在一些特定的臭氧或其前體物質VOCs排放源，也表現(xiàn)出日變化不明顯的特點。以貴陽市為例，圖4是貴陽市2013—2016年平均的9個城區(qū)國控監(jiān)測點(紅色)和郊區(qū)清潔對照點桐木嶺(綠色)的臭氧小時濃度時間曲線。圖4中城區(qū)平均臭氧濃度白天比夜間高110%(相差43 μg/m3)，郊區(qū)桐木嶺臭氧濃度白天只比夜間高50%(相差20 μg/m3)；而且作為清潔對照點的桐木嶺臭氧年平均濃度比城市區(qū)域高出75%。桐木嶺和貴陽市區(qū)的最大區(qū)別是桐木嶺夜間—清晨存在很高的臭氧濃度，其中的原因似乎不在于桐木嶺在郊區(qū)而在于當?shù)赜辛硗獾某粞醢l(fā)生源[12]。這類臭氧濃度分布較典型，在貴州并不罕見。

圖4 貴陽市區(qū)與郊區(qū)桐木嶺臭氧的日變化比較(2013—2016年平均)

3.2 城市臭氧的夜間高值現(xiàn)象

圖5是貴陽市2013—2016年出現(xiàn)夜間臭氧濃度高于當日白天濃度的96個個例平均O3日變化曲線和正常情況的比較，全部正常資料的臭氧日平均濃度為54.09 μg/m3，而高值出現(xiàn)在夜間的96次個例臭氧日平均濃度為60.03 μg/m3，比正常4年平均值多5.9%，而在夜間則高出60%以上。這些日子幾乎都是低溫陰雨的天氣，和光化學反應要求的有利條件完全相反，其出現(xiàn)的季節(jié)主要在冬春季，夏秋季很少(見圖6)。實地調查表明郊區(qū)桐木嶺的臭氧水平與光化學機制關聯(lián)度很小，主要受附近的風電場及高壓輸變電設施影響[12]。

圖5 貴陽市2種O3日變化曲線

圖6 貴陽市2013—2016年出現(xiàn)夜間O3高值的季節(jié)分布

3.3 長時間的連續(xù)臭氧高值

貴州省一些城市還有一種臭氧長時間連續(xù)維持100 μg/m3的高濃度的情況(圖7)。它也表明當?shù)卮嬖谄渌煌谔栞椛潋寗拥姆枪饣瘜W機制臭氧發(fā)生源。

圖7是黔西南安龍縣2018年12月和3月的O3小時濃度日期—時間變化剖面，12月代表一般情況，在中午以后O3濃度達到100 μg/m3～120 μg/m3的高峰，夜間和早晨都在30 μg/m3～50 μg/m3或更低。3月22—26日則出現(xiàn)了日夜連續(xù)維持5天的120 μg/m3以上的高濃度，而且其間看不出有明顯的白天O3峰值。這種長時間連續(xù)維持臭氧高濃度的現(xiàn)象在貴州也不罕見，每個地區(qū)都或多或少存在，其原因可能各地不同，有待繼續(xù)調查研究。

圖7 安龍縣臭氧長時間連續(xù)高濃度過程

3.4 臭氧小時濃度曲線上的“毛刺”現(xiàn)象

貴州城市臭氧濃度的連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)常常出現(xiàn)圖8中所示的孤立特高值的“毛刺”現(xiàn)象，這些數(shù)據(jù)往往作為“異常數(shù)據(jù)”被摒棄。但經過進一步的具體分析，發(fā)現(xiàn)許多這種臭氧高濃度“毛刺”常常都有遠距離外大面積區(qū)域性的強雷暴背景。因此，對于此類“毛刺”數(shù)據(jù)應仔細加以鑒別分析，不宜一概否定。

圖8中有兩次臭氧高濃度“毛刺”，一次是6月2日17—18時，一次是6月17日17時。經調查，6月2日15—18時在黔西南—黔南—黔東南共發(fā)生509次雷暴閃電，閃電高度黔南—黔東南大都在2 000 m以下的對流層低層，黔西南10～50 km的平流層上部。6月17日貴州省內無雷暴，但在西南方向云南省的曲靖、昭通、紅河、昆明等地區(qū)15—20時共出現(xiàn)雷暴閃電487次，閃電高度大都在40～50 km的平流層上部。此類局地小范圍、短歷時的臭氧濃度高值實際上在貴州省城市測點時有發(fā)生，但其原因未必全是雷暴閃電，還應進一步調查分析。

圖8 貴陽市桐木嶺2017.5.21—6.20臭氧小時濃度曲線上的“毛刺”現(xiàn)象

4 貴州省城市臭氧超標污染的變化趨勢

圖9是2016—2019年貴州省各城市出現(xiàn)臭氧最大8小時平均濃度超標(160 μg/m3)次數(shù)的逐年變化情況。

2016年

2017年

2018年

2019年圖9 貴州省各城市2016—2019年臭氧污染形勢的發(fā)展

圖9表明貴州省4年來城市臭氧的污染無論是出現(xiàn)的城市數(shù)量還是超標次數(shù)都在逐漸增加，增加較明顯的是在西部、北部和東部與四川、云南、湖南接壤的地區(qū)。雖然和國內污染較重的地區(qū)相比，貴州省總的臭氧污染形勢還不是很嚴重，但是，臭氧濃度升高的趨勢仍然很明顯，應該引起注意。

5 結論

貴州省城市大氣臭氧水平的時間—空間分布具有許多特征，各種分布特征都是由不同的臭氧來源、氣象條件和區(qū)域位置特點決定的，不存在統(tǒng)一的分布模式。本文根據(jù)大量實際調查得到的數(shù)據(jù)資料對貴州省各地臭氧水平的地域分布和年際變化，季節(jié)分布，晝夜差異，可能的臭氧來源以及全省臭氧污染形勢的變化進行了初步分析歸納。由于臭氧污染成因及其治理在當前仍是一個難度很大的新課題，本文所討論的內容還是十分粗糙，所得到的認識還有待于進一步的實踐驗證。