福建中心城區與武夷山大氣背景區域臭氧濃度變化特征及成因初探

謝松巖

(福建省國家大氣環境背景值武夷山監測站，福建 南平 354302)

臭氧(O3)是大氣中極為重要的二次污染物之一,由于高化學活性,可以參與大氣光化學反應的全過程,高濃度的O3對人類健康、動植物生長及地表生態系統存在嚴重危害[1-2]。近年來，大氣中O3已成為許多城市的首要污染物，受到越來越多專家學者及公眾的關注和重視[3-4]。在中心城區,O3生成的主要來源為局部地區的大氣光化學反應[5]。在背景區域，O3形成機制則大不相同[6]。本文通過分析國家背景環境空氣質量監測武夷山站(以下簡稱：武夷山背景點)2016—2020年O3監測數據，并結合其他主要污染物及福建全省68個城市主要污染物年平均濃度，探討背景區域O3濃度變化特征及來源，以期為更好地研究O3形成機制提供參考。

1 武夷山背景點概況

武夷山背景點由中國環境監測總站建立，是我國 16個大氣背景監測站之一，監測站點位于武夷山國家公園摩天嶺頂峰，海拔高度1139 m，站點周邊視野開闊，近距離內沒有影響氣流的障礙物，且周圍 50 km 范圍內無顯著人為污染源，受局地排放源的影響很小，因此采集的大氣樣品能反映華東森林及高山區域大氣成分的背景特征，可用于研究大氣的區域性污染特征和污染物的遠距離輸送。

2 2016—2020年污染物濃度特征結果與探討

2.1 武夷山背景點O3濃度逐日變化情況

圖1為武夷山背景點2016—2020年O3日最大8小時平均濃度逐日變化。結果顯示，2016—2020年武夷山背景點O3濃度超過國家一級標準的范圍為34.2%～60.5%，超過國家二級標準的范圍為2.3%～8.5%[7]，且2018—2020年出現下降趨勢，尤其是2020年有明顯下降，超過國家一級標準的天數占比由2018年的60.5%下降至2019年的51.3%，再下降至2020年的34.2%；超過國家二級標準的天數占比由2018年的8.5%下降至2019年的3.3%，再下降至2020年的3.1%。

(a)2016年

(b)2017年

(c)2018年

(d)2019年

(e)2020年

2.2 污染物年平均濃度變化情況

圖2為2016—2020年武夷山背景點及福建省中心城區(68個城市)主要污染物年平均濃度變化。結果顯示：近5年武夷山背景點各污染物濃度2016—2017年總體呈上升趨勢，2017—2020年總體呈逐年下降趨勢，尤其是2020年下降明顯，與全省中心城區年平均濃度變化趨勢基本一致，且除O3日最大8小時平均濃度第90百分位數外，各污染物濃度值均遠低于中心城區平均值。O3濃度則高于全省中心城區平均值，高出比例范圍為10.0%～28.4%，5年平均高出22.6%。

(e)PM2.5

一般認為，背景濃度應代表研究區域內未受人類活動直接影響的自然情況。但由于大氣的流動性，監測的濃度不僅可能受研究區域內人為排放源的影響，而且可能受研究區域外排放源遠距離輸送的影響[6]。監測濃度中包含本地區的自然排放和區域外的遠距離輸送。因此2017—2020年的下降趨勢，與華東區域污染物的防控措施及在新冠肺炎疫情影響下人為活動、工業生產等相對減少，污染物排放相應降低有關。

(a)SO2

(b)NO2

(c)CO

(d)O3

(e)PM10

3 O3成因初析

對流層O3的來源主要有兩種:平流層的向下輸送和對流層光化學過程產生。有研究表明，平流層O3濃度遠高于對流層，在一定氣象條件下，富含O3的平流層大氣注入近地面，導致對流層O3濃度升高[2,8]。光化學生成則是中心城區O3的主要來源。O3生成受到前體物濃度的影響，SO2、NOx、VOCs、CO 等物質都是對流層O3生成的前體物，它們對近地面和對流層O3的光化學過程有著重要作用[3-6,9]。此外太陽紫外輻射、氣溫、風速、風向、相對濕度、降水等氣象因素也影響O3光化學反應的進程[10]。大氣氣溶膠通過衰減紫外輻射可顯著降低O3的產率，對O3光化學反應過程也有重大影響[11]。因此，由于不同地區地理環境以及污染物的物理化學性質不同，O3光化學反應體系具有各自的特殊性和局地性。

武夷山背景點O3日最大8小時平均濃度第90百分位數高于福建省中心城區平均值，背景區域O3來源也與中心城區不同。O3在對流層的垂直分布特征決定了不同高度站點O3濃度的差異，日照、垂直混合、溫度、風等氣象條件和地理因素等都會對O3的分布和變化產生不同影響。高山站點O3濃度相對較高，且更容易受到平流層向下輸送的影響。此外，之前的研究結果表明，武夷山背景點還容易受到長三角、珠三角的遠距離輸送影響[6]。因背景點O3生成的前體物濃度低，光化學生成不是武夷山背景點O3的主要來源。

4 結論

2016—2020年福建中心城區的O3濃度變化規律與武夷山背景點的O3濃度變化規律基本一致。武夷山背景點主要污染物SO2、NO2、CO、PM10、PM2.5濃度均遠低于中心城區平均值，O3濃度則高于全省中心城區平均值，這與O3在對流層的垂直分布特征和武夷山背景點的O3來源不同有關。

武夷山背景點O3日最大8小時平均濃度存在超過國家一級標準和國家二級標準的現象，超標天數比例2018—2020年顯現下降趨勢，2020年明顯下降。

武夷山背景點除O3外其他主要污染物濃度2016—2017年總體呈現上升趨勢，2017—2020年總體呈現逐年下降趨勢，尤其是2020年下降明顯，與華東區域污染物防控措施的實施及在新冠肺炎疫情影響下人為活動、工業生產等相對減少，污染物排放相應降低有關。

5 結束語

在偏僻的農村,人口較少,當地經濟以農、林業為主,周圍為大片農田和林場,森林主要由落葉松和闊葉樹木構成的較清潔地區、背景地區O3濃度也居高不下，說明O3濃度受區域尺度物理化學過程、自然源和

人為源的多重影響形成機理相對復雜[4]。由于生物VOCs、遠距離水平輸送、平流層注入、光化學反應、季節變化對O3濃度的影響都很大,僅控制人為因素達不到預期效果。如何結合各影響因素，真正做到對O3的有效控制，還需進一步系統、深入地研究。近幾年，依托國家大氣污染防治攻關聯合中心，進一步統籌國家和地方環境、氣象、監測、行業等領域的專家團隊和科研力量，系統分析近年來O3污染的時空分布特征，及其與污染物排放和氣象條件的對應關系，科學識別關鍵前體污染物及生成潛勢，密切追蹤重點控制行業，為開展專項污染防控提供堅實的科學支撐。

總之，2020年福建全省城市環境空氣質量平均達標天數比例98.8%，比全國平均水平高11.8%；森林覆蓋率66.8%，連續42年保持全國首位。而O3污染仍然是當前影響福建大氣質量的首要污染物，針對O3污染成因復雜，受大自然各種條件的影響較大的特點，將O3做為評價中心城市的主要污染物之一是否科學，還有待商榷。