2019年江蘇省光化學污染監測及臭氧氣象條件分析

陳 昊，潘 晨，嚴文蓮，康志明

（江蘇省氣象臺，江蘇南京 210008）

0 引言

光化學污染近年來逐漸成為大氣環境污染中的主要污染類型之一。顆粒物污染會直接對能見度產生影響，而光化學污染由于其沒有明顯的能見度下降特征，對其監測及分析依賴于以光譜分析為主的儀器［1］。在全國大氣污染監測網絡中，O3作為主要的光化學污染監測要素之一，通過近地面O3濃度監測，可有效反映監測點周邊空氣污染狀況。O3污染一方面受氣象條件因素影響，另一方面受人為排放影響［2］。通過對氣象條件的定量分析，可以估算出氣象條件對O3污染濃度變化的影響［3］。

1 資料與方法

本研究中，衛星遙感觀測資料采用歐空局所發展的第二代極軌氣象衛星MetOp-B星所搭載的O3業務監測傳感器（GOME-2）的大氣光化學成分反演產品集［4］。氣象觀測資料采用江蘇省氣象局在省內布設的國家氣象基本站的常規氣象要素觀測資料，高空觀測分析采用鹽城、南京、徐州3個無線電探空觀測站的大氣垂直廓線觀測資料。地面大氣污染要素觀測資料采用中國環境監測總站直管的省內70個國控站。所有衛星、氣象、大氣污染要素資料的時間段選取2018年1月1日至2019年12月31日。

2 結果分析

2.1 2019年江蘇省O3質量濃度分析

2019年江蘇省13個地級市O3平均質量濃度為70 g/m3，比2018年上升1.0%。O3質量濃度夏季最高、春季次之、冬季最小。5—7月江蘇省平均O3濃度為一年中最高，12月為一年中最低。與2018年相比，3月、5月和7—9月O3平均質量濃度上升，其余月份持平或下降（見圖1）。

圖1 2019年江蘇省O3逐月平均值及與2018年對比

2.2 衛星遙感主要大氣污染成分特征分布對比

大氣光化學污染成分有許多種，常見的可通過衛星監測的成分主要有O3、二氧化氮（NO2）、二氧化硫（SO2）、甲醛（HCHO）、一氧化溴（BrO）［5］。本研究選用衛星遙感數據對2019及2018年全年上述光化學污染成分在江蘇省上空的分布特征進行分析。

2.2.1 O3柱濃度空間分布

2019年衛星遙感江蘇省O3柱濃度空間平均值為293.01 DU，相比2018年的302.23 DU，下降3.1%，全省大部分地區O3柱濃度均呈下降趨勢，O3分布呈南少北多的趨勢。分析顯示，盡管2019年地表O3濃度相比2018年上升，但遙感分析顯示O3柱濃度呈下降趨勢（見圖2）。

2.2.2 NO2柱濃度空間分布

NO2是形成光化學煙霧、酸雨主要因素之一，可導致大氣能見度降低。人為污染產生的NO2主要來自化石燃料（煤）、石油、天然氣等燃燒和燃油發動機及機動車尾氣排放，是大氣污染的主要成分。2019年衛星遙感全省NO2柱濃度空間平均值為4.221 015 mol/cm2，相比2018年的4.310 15 mol/cm2，略下降1.9%，其中淮河以南地區下降明顯，沿淮中部地區略有上升（見圖3）。

2.2.3 SO2柱濃度空間分布

由于化石燃料和石油、天然氣等通常都含有硫化物，因此燃燒時會產生SO2。大氣中的SO2既來自人為污染又來自自然釋放。人為污染來源是SO2的主要來源，主要包括：化石燃料和石油、天然氣為燃料的火力發電廠、工業鍋爐、生活取暖等行業排放，機動車尾氣排放等。2019年衛星遙感全省SO2柱濃度空間平均值為0.56 DU，相比2018年的0.55 DU，略上升1.8%，其中沿淮中部及東南部部分地區上升明顯，蘇南南部、沿江中部、淮北部分地區有所下降（見圖4）。

2.2.4 HCHO柱濃度空間分布

圖2 2019年江蘇省平均O3柱濃度空間分布及與2018年對比

圖3 2019年江蘇省平均NO2柱濃度空間分布及與2018年對比

HCHO是大氣中一種非常重要的有機微量成分,主要來源于生物質燃料排放以及大氣中光化學反應的產物。在人為活動中主要來源于機動車污染排放等，其對大氣光學煙霧、O3產生與清除等具有重要意義。2019年衛星遙感江蘇省HCHO柱濃度空間平均值為1.431 016 mol/cm2，相比2018年的1.391 016 mol/cm2，略上升2.8%，其中江淮之間中部、淮北中部及沿江中部地區有所下降，東南部、沿海及江淮之間西部地區有所上升（見圖5）。

2.2.5 BrO柱濃度空間分布

BrO是O3化學中重要的痕量物種，因其作為O3破壞催化劑效率高，它在大氣化學中主要作用為破壞O3生成。其主要人為排放來源為農藥殺蟲劑、汽油添加劑等。2019年衛星遙感江蘇省BrO柱濃度空間平均值為3.311 013 mol/cm2，相比2018年的3.341 013 mol/cm2，略下降0.9%，其中沿淮中部、蘇南南部部分地區有所下降，江淮之間南部、淮北地區有所上升（見圖6）。

3 2019年O3污染氣象條件分析

3.1 氣溫和輻射

與2018年相比，2019年平均氣溫持平，大于25℃或30℃天數減少（見表1），且4—9月氣溫下降，平均總輻射上升。太陽輻射強度對大氣光化學反應具有重要影響，溫度對O3及其前體物的時間變化具有重要影響。2019年江蘇省平均氣溫為16.3℃，與2018年持平，各地平均氣溫14.9℃（贛榆）-17.7℃（昆山、吳江），呈南高北低分布（見圖7）。其中淮安和南通部分地區平均氣溫有所下降，其他地區平均氣溫略上升或持平。2019年江蘇省大于25℃或30℃日數均較2018年減少，在O3濃度易出現較高值的4—9月，月平均氣溫均較2018年同期下降（見圖8）。2019年南京、盱眙、淮安和呂泗四站平均總輻射169.7 W/m2，較2018年上升2.5%?？梢?019年的光化學條件總體略好于2018年，但不利于中度及以上O3污染的頻繁出現。

3.2 2019年大氣化學模式O3污染氣象條件綜合分析

3.2.1 氣象條件對O3的影響評估

圖4 2019年江蘇省平均SO2柱濃度空間分布及與2018年對比

圖6 2019年江蘇省平均BrO柱濃度空間分布及與2018年對比

表1 2019年氣溫和輻射情況和2018年同期比較

圖7 2019年江蘇省平均氣溫分布圖及與2018年同期對比

圖8 2019年江蘇省平均逐月氣溫及與2018年同期相比的變化率

采用大氣化學模式WRF-CHEM對2018和2019年氣象條件引起的O3的濃度變化進行模擬評估（見圖9）。結果表明，2019年的氣象條件較不利于本省沿江蘇南和西北地區的O3濃度的降低，有利于其他地區的O3濃度降低。綜合江蘇省情況而言，2019年氣象條件對O3濃度的作用與2018年持平。

3.2.2 各季節氣象條件對污染物的影響評估

圖9主要評估了氣象條件對江蘇省污染物影響的年均結果，但不同季節的大氣擴散和清除條件等都有明顯的差異。為此，采用大氣化學模式進一步細化評估了不同季節氣象條件對污染物的影響。

圖10給出了2019年氣象條件對O3影響相較于2018年同期的對比結果。與2018年相比：春季，2019年的氣象條件較有利于本省中部地區O3濃度的降低，但卻不利于其他地區O3濃度的降低；夏季，2019年的氣象條件較差，不利于全省O3濃度的降低；秋、冬季，2019年的氣象條件整體較好，有利于本省大部分地區O3濃度的降低。

4 結語

通過衛星遙感及地面大氣污染監測等手段可以有效監測大氣光化學污染的時空分布特征，2019年總體光化學污染相比2018年略高。通過分析氣象監測數據，相比2018年，2019年平均氣溫略高，大于25℃或30℃天數減少，且4—9月氣溫較2018年同期下降，平均總輻射上升，2019年的光化學條件總體略好于2018年，但在O3濃度易超標的4—9月光化學條件略弱于2018年，不利于中度及以上O3污染的頻繁出現。大氣化學模式分析也顯示，2019年整體O3污染氣象條件與2018年基本持平。通過氣象條件的分析和衛星遙感等多渠道的監測，可為未來防控O3污染提供精細化的分析支撐。

圖9 （a）2018和（b）2019年平均的O3的濃度（μg/m3）分布及（c）二者的差異

圖10 2018和2019年各季節平均O3的濃度（μg/m3）分布及二者差異