昆明市近地層臭氧特征分析及對(duì)策研究

鄒靈宇，楊芳園，段燕楠，李曉鵬

(云南省昆明市氣象臺(tái)，云南 昆明 650000)

0 引言

臭氧(O3)是全世界都十分關(guān)注的一種大氣痕量氣體，大氣中的O3主要分布在平流層，平均濃度最大區(qū)域在距地面20～30km的平流層。平流層O3幾乎可以吸收波長在0.2～0.3μm的全部紫外輻射，對(duì)生物圈起著保護(hù)作用。距離地球表面15km范圍內(nèi)的對(duì)流層O3僅占大氣O3總量的10%左右，是大氣的主要二次污染物之一，其濃度的增加是地表大氣光化學(xué)煙霧及溫室氣體的主要成分，具有強(qiáng)氧化性，高濃度O3污染會(huì)對(duì)人體健康、農(nóng)作物生長、生態(tài)環(huán)境等造成負(fù)面影響[1-3]。

隨著經(jīng)濟(jì)和城市化的迅速發(fā)展，O3污染問題日益凸顯，在傳統(tǒng)的二氧化硫(SO2)、顆粒物(PM10及PM2.5)等污染得到一定改善的情況下，全國多地出現(xiàn)了O3取代傳統(tǒng)污染物成為首要或超標(biāo)污染物的情況。2019年全國空氣質(zhì)量總體穩(wěn)中有進(jìn)，但O3濃度明顯上升，全國337個(gè)地級(jí)及以上城市O3濃度同比上升6.5%，以O(shè)3為首要污染物的超標(biāo)天數(shù)占總超標(biāo)天數(shù)的41.8%，導(dǎo)致全國優(yōu)良天數(shù)比率同比損失2.3個(gè)百分點(diǎn)。O3濃度上升逐漸成為僅次于PM2.5的影響優(yōu)良天數(shù)的重要因素[4]。

針對(duì)O3污染國內(nèi)外開展了大量研究，內(nèi)容包括O3反應(yīng)生成機(jī)理、污染變化規(guī)律、相關(guān)氣象及排放條件、對(duì)生物體的影響及光化學(xué)污染控制對(duì)策等。長三角地區(qū)主要污染特征表現(xiàn)為秋、冬季高濃度顆粒物和夏季高濃度O3。從春末到秋季，強(qiáng)烈的太陽輻射和較高的氣溫有利于大氣光化學(xué)反應(yīng)加劇，地面O3在午后迅速上升，看似干凈透明的空氣也可能出現(xiàn)輕度污染，因?yàn)镺3濃度超標(biāo)了，此現(xiàn)象也稱為晴空污染[5]。在長三角地區(qū)，5—8月O3污染最嚴(yán)重，沿海城市O3濃度要高于內(nèi)陸城市，且城市O3濃度與城市民用汽車保有量顯著相關(guān)[6-7]。由于O3濃度水平與其前體物排放變化具有非線性變化響應(yīng)特征，且各地區(qū)污染排放狀況不同，因此，O3光化學(xué)反應(yīng)具有局地性特征，不同地區(qū)O3污染特征也不盡相同。上海市2017年O3-8h年均濃度為2013年以來的最高值，主要體現(xiàn)為夏半年O3濃度的上升[8]，O3污染多發(fā)生在日照強(qiáng)、溫度高、風(fēng)速低的氣象條件下[9]，前體物VOCs中芳香烴和烯烴類對(duì)上海O3生成貢獻(xiàn)最大[10]。江蘇省O3污染最嚴(yán)重的是南部城市南京、無錫、常州和蘇州[11]。南京市區(qū)夏季O3生成對(duì)VOCs較敏感，屬于VOCs控制區(qū)，VOCs各組分中烷烴的O3生成潛勢最大[12]。沿海城市秦皇島O3濃度夏季最高，春季次之，冬季最低，與氣溫變化趨勢基本一致，呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化，其春夏兩季O3濃度基礎(chǔ)值偏高[13]。西安市夏季O3濃度最高，因O3-8h造成的污染占總污染天數(shù)的1/3[14]。和昆明同樣位于青藏高原附近的蘭州市主城O3污染主要集中在4—8月，每日14—16時(shí)處于高值區(qū)[15]。

昆明地處低緯高原地區(qū)，屬山地季風(fēng)氣候，有“春城”之稱。但隨著城市建設(shè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市環(huán)境空氣質(zhì)量的改善和持續(xù)提升面臨新的形勢和挑戰(zhàn)。根據(jù)昆明市環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)，近年來昆明市的污染日絕大部分是O3污染造成的，已超越PM2.5、PM10成為昆明輕度污染天數(shù)的主要影響因素。因此研究昆明近地面O3特征十分必要。

1 資料與方法

空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)來源于中國環(huán)境監(jiān)測總站提供的昆明市5個(gè)國家城市空氣質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)逐小時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，5個(gè)環(huán)境監(jiān)測站(圖1)分別位于昆明市主城區(qū)龍泉鎮(zhèn)站、東風(fēng)東路站、金鼎山站、呈貢新區(qū)站、碧雞廣場站和官渡區(qū)博物館站。數(shù)據(jù)分析時(shí)段為2015—2019年。昆明市數(shù)據(jù)為各站點(diǎn)區(qū)域評(píng)價(jià)綜合指標(biāo)(西山森林公園為清潔對(duì)照點(diǎn))。

圖1 昆明市環(huán)境監(jiān)測站點(diǎn)分布圖

空氣質(zhì)量指標(biāo)采用《GB 3095-2012環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》分析，O3小時(shí)數(shù)據(jù)為1h內(nèi)算術(shù)平均值，O3日數(shù)據(jù)為日最大8h滑動(dòng)平均值(以下簡寫為O3-8h)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)按照《HJ 663-2013環(huán)境空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》(試行)進(jìn)行，年度評(píng)價(jià)時(shí)采用城市區(qū)域評(píng)價(jià)O3-8h第90百分位數(shù)與O3-8h標(biāo)準(zhǔn)限值比較得出結(jié)果，數(shù)據(jù)為中國環(huán)境監(jiān)測總站對(duì)外公布數(shù)據(jù)。

2 昆明市近地層O3污染現(xiàn)狀分析

2.1 環(huán)境空氣質(zhì)量總體概況

2013年開始，昆明市開始采用新修訂的《GB 3095-2012環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)，2015年以來昆明市主城空氣質(zhì)量優(yōu)良率穩(wěn)定保持在98%以上，輕度污染天數(shù)基本保持在10d以內(nèi)，且優(yōu)級(jí)天數(shù)呈現(xiàn)逐年增長趨勢(表1)。總體而言，昆明市空氣質(zhì)量優(yōu)良率在全國處于較高水平，位于省會(huì)城市前列。

2019年，昆明市空氣質(zhì)量顯著改善，可吸入顆粒物(PM10)、細(xì)顆粒物(PM2.5)、二氧化硫(SO2)、一氧化碳(CO)4項(xiàng)污染物濃度為2015年以來最低一年(圖2)。但O3濃度出現(xiàn)了明顯上升的趨勢，O3也成為了昆明市2015年以來各項(xiàng)污染物控制指標(biāo)中唯一逆勢上升的一項(xiàng)。

對(duì)昆明市2015—2019年逐年空氣質(zhì)量進(jìn)行變化趨勢分析，值得關(guān)注的是，在各年份出現(xiàn)輕度污染的天數(shù)中，O3為首要污染物的輕度污染天數(shù)顯著增多，出現(xiàn)最多天數(shù)為2019年的8d(表1)。O3已超越傳統(tǒng)因素成為造成昆明市輕度污染的主要影響因素。

表1 2013—2019年昆明市主城區(qū)空氣質(zhì)量狀況

2.2 昆明近地層O3變化情況分析

2.2.1 濃度年度變化近年呈持續(xù)上升趨勢

2015年以來昆明O3濃度持續(xù)緩慢上升，平均增速為5.11%每年，2019年較2015年O3-8h年平均濃度上升21.81%，雖然增幅較大，但未超過年均值二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，且優(yōu)于日最大O3-8h標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)比全國和西南地區(qū)主要城市，2015年北京和成都O3濃度居于高值，這也是開展O3污染研究起步最早的城市之一。經(jīng)過5a的重視和治理，北京和成都O3濃度均持續(xù)控制下降，2019年O3濃度較2015年分別下降了6.40%和12.56%。而上海和重慶則表現(xiàn)為前兩年小幅上升，2017年開始回落，2019年O3濃度較歷史最高分別下降17.13%和3.07%(圖3)。

圖3 2015—2019年昆明與北京等城市O3年度變化對(duì)比

2.2.2 季節(jié)變化為春季平均值高于其他季節(jié)

對(duì)昆明的四季進(jìn)行氣候?qū)W劃分，春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月，冬季為12月—次年2月。昆明春季O3小時(shí)濃度最高，夏、秋、冬季較低，其中秋季最低，春季白天O3污染持續(xù)時(shí)間長，且夜間O3濃度也相對(duì)較高(圖4)。

圖4 2015—2019年昆明O3-1h濃度季節(jié)變化

從近年來趨勢看，春季、冬季O3平均小時(shí)濃度呈現(xiàn)上升趨勢，而夏季、秋季保持穩(wěn)定(圖5)。

圖5 2015—2019年昆明O3-1h濃度季節(jié)性差異

2.2.3 O3日最大8小時(shí)平均濃度日變化呈逐年升高趨勢

根據(jù)環(huán)境空氣資料監(jiān)測數(shù)據(jù)，2015—2019年昆明主城區(qū)O3-8h年平均濃度分別為78μg/m3(2015年)、82μg/m3(2016年)、80μg/m3(2017年)、83μg/m3(2018年)、89μg/m3(2019年)，均低于《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)濃度限值100μg/m3，但是濃度呈現(xiàn)逐年升高的趨勢(圖2)。

圖2 昆明市2015—2019年空氣污染物年度情況

2.2.4 小時(shí)變化呈現(xiàn)“單峰型”

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，昆明主城區(qū)環(huán)境空氣O3平均濃度日內(nèi)呈現(xiàn)“單峰型”，其中0—8時(shí)呈現(xiàn)整體平穩(wěn)下降趨勢，8時(shí)達(dá)到每日的谷值，此后，呈現(xiàn)快速上升趨勢，至14—17時(shí)達(dá)到每日的峰值，而后，呈現(xiàn)快速下降趨勢，至22時(shí)趨于平穩(wěn)(圖6)。2019年峰值明顯高于其他年份。

圖6 2015—2019年昆明主城區(qū)O3日變化

3 昆明近地層O3濃度超標(biāo)因素分析

3.1 地形因素

昆明主城區(qū)為典型的“馬蹄形”盆地地形，東、西、北三面環(huán)山，南部為滇池水體，常年盛行西風(fēng)和西南風(fēng)。自然風(fēng)從西部、南部地勢較為平坦的區(qū)域進(jìn)入主城區(qū)，受到北面、東面山體阻擋下沉，空氣中攜帶的污染物隨氣流下沉，不利于污染物的擴(kuò)散。同時(shí)，昆明地區(qū)冬春季夜間常年存在近地層逆溫，不利于污染物的擴(kuò)散，而污染物中含有大量的氮氧化物、揮發(fā)性有機(jī)物，為O3產(chǎn)生提供了基礎(chǔ)物質(zhì)。

3.2 氣象因素

90%的O3存在于大氣平流層，對(duì)流層O3僅占10%。近地層O3一般是在高溫、強(qiáng)光照條件下，揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)和氮氧化物(NOX)發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行二次轉(zhuǎn)化而成。因此，太陽輻射、氣溫、相對(duì)濕度是影響近地層O3形成的主要?dú)庀笠蜃印?/p>

3.2.1 太陽輻射

太陽輻射是氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物化合生成O3的關(guān)鍵氣象因子。紫外輻射越強(qiáng)，光化學(xué)反應(yīng)越劇烈，越有利于O3生成。昆明地處低緯度高原地區(qū)，太陽輻射強(qiáng)，年日照時(shí)數(shù)2118h，其中春季日照時(shí)數(shù)達(dá)687h為四季最多。尤其是冬、春季節(jié)，陰雨天氣少，晴空日數(shù)多，天空云量少，為春季O3生成提供了充足的光化學(xué)條件。

3.2.2 氣溫

在一定的溫度條件下，O3的光化學(xué)反應(yīng)會(huì)加快，昆明春季雖然夜間氣溫處于10℃左右，但日出后近地面氣溫迅速攀升，在3月中下旬晴朗天氣時(shí)，日最高氣溫可維持在20℃以上，相對(duì)我國大部分地區(qū)，溫度較高。因此，在春季相對(duì)高溫及強(qiáng)太陽輻射的共同作用下，揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)和氮氧化物(NOX)會(huì)促進(jìn)O3的產(chǎn)生。

3.2.3 相對(duì)濕度

近地層O3濃度與相對(duì)濕度呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)，空氣濕度大，不利于O3的產(chǎn)生。昆明春季多以平直的偏西氣流控制為主，大范圍、長時(shí)間的降水過程少，空氣較為干燥，地面平均相對(duì)濕度為60%，為四季中的最低。因此，春季較其他季節(jié)相比，不利于近地層O3的清除。

3.3 O3前體物

3.3.1 揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)

揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)不僅存在于化工生產(chǎn)和生活制造，它還廣泛存在于自然植被之中。植物在較高的氣溫和充足的陽光條件下可排放大量高O3生成活性的揮發(fā)性有機(jī)物。由于昆明自然植被豐富，森林、植被所產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)物可能較其它城市更多，從大自然中產(chǎn)生的基礎(chǔ)含量也可能更高。并且，揮發(fā)性有機(jī)物的種類繁多，不同有機(jī)物的化學(xué)活性不同，高活性的揮發(fā)性有機(jī)物能更高效率地生成O3。

3.3.2 氮氧化物(NOX)

除了工業(yè)排放氮氧化物外，機(jī)動(dòng)車是氮氧化物的主要排放源。隨著城市的快速發(fā)展，昆明機(jī)動(dòng)車保有量逐年增加，目前已達(dá)到相當(dāng)數(shù)值，用于城市生活保障、物流運(yùn)輸、城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等的高排量大型車輛顯著增加，以及私家車保有量快速上升，致使機(jī)動(dòng)車排放的氮氧化物(NOX)等污染物總量也不斷攀升，為O3污染物的產(chǎn)生提供了更多的氮氧化物來源。

3.4 昆明可能存在的O3輸送通道

3.4.1 外源長距離輸送

長距離輸送是影響對(duì)流層O3分布和收支的一個(gè)重要因子，其時(shí)間尺度多在3～30d。相關(guān)研究表明，昆明春季存在由東南亞區(qū)域傳輸而來的生物質(zhì)燃燒顆粒物源，對(duì)昆明地區(qū)大氣顆粒物的“貢獻(xiàn)率”較大，伴隨顆粒物輸送的還有O3前體物等污染物，從而可能存在來自東南亞的O3輸送，導(dǎo)致昆明O3總量上升。

3.4.2 平流層O3向下傳輸

中國科學(xué)院大氣物理研究所在香格里拉等地的O3觀測研究表明，在大氣的垂直方向上，每年會(huì)有比較明顯的對(duì)流層頂重建過程。當(dāng)對(duì)流層頂重建時(shí)，平流層中的O3存在向下輸送到對(duì)流層的現(xiàn)象，且可能達(dá)到近地層。O3的垂直輸送多出現(xiàn)在春季，但至多影響2～3d。

無論是外源長距離輸送還是平流層向下輸送均可造成較大區(qū)域O3濃度抬升，從而出現(xiàn)城市地區(qū)以及非城市地區(qū)O3同步升高的現(xiàn)象。由昆明城區(qū)東風(fēng)東路、郊區(qū)西山公園站與香格里拉區(qū)域大氣本底站月平均O3濃度對(duì)比分析可見，每年季節(jié)由冬季向春季轉(zhuǎn)變時(shí)，各觀測點(diǎn)的O3濃度均出現(xiàn)了明顯的一致上升現(xiàn)象，表明春季出現(xiàn)高濃度O3上升的現(xiàn)象并不只局限于昆明，而是一種較大區(qū)域出現(xiàn)的共性問題。但是，輸送作用對(duì)昆明近地層O3升高“相對(duì)貢獻(xiàn)”還需要進(jìn)一步的觀測和分析研究。

圖7 東風(fēng)東路站(昆明城區(qū))、西山公園站(昆明郊區(qū))與香格里拉大氣本底站月平均O3對(duì)比

4 昆明近地層O3污染防治的應(yīng)對(duì)策略建議

O3在對(duì)流層是由VOCs和NOX通過一系列復(fù)雜的光化學(xué)反應(yīng)生成，已知的相關(guān)化學(xué)反應(yīng)有數(shù)千個(gè)，所以O(shè)3與這兩種前體物之間并不是簡單的線性關(guān)系。因此在制定O3的控制策略時(shí)，首先要分析清楚O3與前體物之間的相互關(guān)系，確定O3的主要控制因子，然后才能制定出更加有效的控制措施，從而事半功倍。

4.1 對(duì)VOCs和NOX的排放進(jìn)行管控

一是重點(diǎn)做好春季城市或工業(yè)區(qū)施放氮氧化物、揮發(fā)性有機(jī)物的排放控制。3—5月是O3濃度背景值高、O3光化學(xué)反應(yīng)條件較強(qiáng)的時(shí)段，且自然或外源性輸送引起的O3濃度抬升是城市地區(qū)無法控制的，由于工業(yè)源是城市及工業(yè)區(qū)揮發(fā)性有機(jī)物排放的主要來源之一，加強(qiáng)排放控制，可達(dá)到“削峰”的作用，避免高濃度O3污染。二是采取措施降低機(jī)動(dòng)車對(duì)O3污染的影響。機(jī)動(dòng)車尾氣不僅是氮氧化物，而且還是生成O3活性比較強(qiáng)的烯烴、芳香烴的主要來源，可采取提高機(jī)動(dòng)車排放標(biāo)準(zhǔn)、提升燃油質(zhì)量、鼓勵(lì)使用替代能源汽車、加強(qiáng)交通疏導(dǎo)和采取應(yīng)急性行政手段等方式，降低機(jī)動(dòng)車對(duì)O3污染的影響。三是加強(qiáng)生物質(zhì)燃燒污染控制。加強(qiáng)對(duì)鍋爐、燃燒器等的煙氣污染物排放的管控力度，加強(qiáng)餐飲服務(wù)經(jīng)營場所油煙、不規(guī)范燒烤攤點(diǎn)等的整治力度。

4.2 深入開展昆明O3污染的形成機(jī)制研究

一是科學(xué)布設(shè)揮發(fā)性有機(jī)物和O3的連續(xù)立體監(jiān)測系統(tǒng)。開展本地?fù)]發(fā)性有機(jī)物活性分析和O3的來源解析。二是加強(qiáng)O3污染成因機(jī)制研究。可參考北京、上海、南京等發(fā)達(dá)地區(qū)O3污染研究路線，尋找昆明O3污染主控因子，建立昆明市及周邊地區(qū)高分辨率的污染排放清單。分析O3與揮發(fā)性有機(jī)物和氮氧化物之間的相互關(guān)系，尋找更科學(xué)、優(yōu)化、有效的O3治理方案，以達(dá)到事半功倍的效果。

4.3 加強(qiáng)大氣污染多部門協(xié)同處置應(yīng)對(duì)能力

一是建立昆明市空氣污染預(yù)報(bào)預(yù)警、應(yīng)急及評(píng)估決策系統(tǒng)。強(qiáng)化生態(tài)環(huán)境部門與氣象部門的長效溝通、合作機(jī)制，聯(lián)合開展昆明市空氣質(zhì)量預(yù)測預(yù)警，建立環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)會(huì)商制度。加強(qiáng)重污染天氣形成和發(fā)展機(jī)理、大氣污染物輸送等方面的研究。二是建立重污染天氣評(píng)估聯(lián)合工作機(jī)制。開展事件發(fā)展評(píng)估等工作，為科學(xué)應(yīng)對(duì)處置提供決策支持。加快構(gòu)建政府、企業(yè)、公眾三方共同監(jiān)督管理機(jī)制，加強(qiáng)科普宣傳，提供公眾環(huán)保意識(shí)。三是開展大氣污染多類污染物協(xié)調(diào)達(dá)標(biāo)的情景分析與研究。大氣污染物種類繁多、自身變化及相互變化機(jī)制機(jī)理復(fù)雜，部分污染物之間還存在“此消彼長”的相關(guān)類型，因此需要開展大氣污染多類污染物協(xié)調(diào)達(dá)標(biāo)的情景分析與研究，多部門協(xié)同探索昆明市空氣質(zhì)量優(yōu)良率最優(yōu)防控策略，擴(kuò)大大氣污染防控范圍，形成區(qū)域聯(lián)防態(tài)勢。

5結(jié)論與討論

(1)近年來昆明市空氣質(zhì)量持續(xù)改善，但O3濃度逆勢上升，已超越顆粒物成為昆明空氣質(zhì)量優(yōu)良率的主要影響因素。2015年以來昆明市主城空氣質(zhì)量優(yōu)良率穩(wěn)定保持在98%以上，而O3則是各污染物控制指標(biāo)中唯一逆勢上升的一項(xiàng)，其變化趨勢值得關(guān)注。

(2)過去5a，昆明市O3濃度逐年均持續(xù)緩慢上升。春季O3小時(shí)濃度最高，夏、秋、冬季較低，其中秋季最低，春季白天O3污染持續(xù)時(shí)間長，且夜間O3濃度也相對(duì)較高。春季、冬季O3平均小時(shí)濃度呈現(xiàn)上升趨勢，而夏季、秋季保持穩(wěn)定。日變化中，O3日最大8小時(shí)平均濃度呈逐年升高趨勢，小時(shí)變化呈現(xiàn)“單峰型”，2019年峰值明顯高于其他年份。

(3)昆明近地層O3濃度超標(biāo)的因素：“馬蹄形”小盆地地形不利于污染物的擴(kuò)散；昆明地處低緯度高原地區(qū)，太陽輻射強(qiáng)，尤其是春季日出后地表升溫迅速和空氣相對(duì)濕度較低，都為O3的本地光化學(xué)反應(yīng)提供了良好的氣象條件；昆明自然植被豐富，揮發(fā)性有機(jī)物基礎(chǔ)含量也可能更高；昆明機(jī)動(dòng)車保有量逐年增加，為O3污染物的產(chǎn)生提供了更多的氮氧化物來源；可能存在的水平方向上的O3外源長距離輸送和大氣垂直方向上平流層O3的向下傳輸。

(4)針對(duì)昆明市近地層O3濃度控制的應(yīng)對(duì)，提出三條策略建議：①對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物和氮氧化物的排放進(jìn)行管控；②深入開展昆明O3污染的形成機(jī)制研究；③加強(qiáng)大氣污染多部門協(xié)同處置應(yīng)對(duì)能力。

對(duì)近地層O3污染的控制，目前是大多數(shù)發(fā)達(dá)及發(fā)展中城市的共同問題，不同的城市和區(qū)域O3超標(biāo)的原因大有不同，如何能對(duì)昆明O3濃度進(jìn)行有效控制，依然有很多研究要做。例如O3超標(biāo)事件中氣象因子的影響和貢獻(xiàn)率、大氣垂直方向和水平方向的遠(yuǎn)距離外源輸入通道的探究和驗(yàn)證，今后都應(yīng)開展進(jìn)一步研究。