我國城市臭氧污染防治現狀研究綜述

楊俊，布多，劉君，杜梅

(西藏大學理學院，拉薩 850000)

臭氧在常溫下是一種具有特殊臭味的藍色氣體，氧化性較強。大氣平流層中臭氧占比超過90%，且平流層中的臭氧可作為地球保護層，吸收太陽光中的紫外線。而近地面臭氧濃度過高，則會對人體健康有嚴重威脅[1]，并造成農作物產量下降[2]，損害森林生態功能[3]。因此，近年來臭氧污染防治逐步納入我國大氣污染防治工作議事日程。

近年來，我國臭氧污染形勢日益嚴峻。在中國知網數據庫總庫中，以“臭氧污染”為主題，獲得1988—2020 年的年度論文發表趨勢圖(圖1)。由圖1 可見，自1988 年以來，關注臭氧污染的研究論文數量不斷上升，特別是2014年以來，關于臭氧污染的論文發表數量大幅度地增加。臭氧作為一種典型的二次污染物，其形成機理、時空分布特征以及應對措施是當前研究的熱點。從全國整體來看，我國臭氧污染呈現區域化的特點，大型城市群的臭氧污染更為嚴重。

圖1 中國知網“臭氧污染”年度論文發表趨勢

1 臭氧研究進展

國外臭氧污染研究較早，自20 世紀40 年代美國洛杉磯光化學煙霧事件以來，國外就開展了對臭氧污染的系統性研究。臭氧是光化學煙霧的主要成分之一，可作為光化學煙霧的特征物質。當前臭氧污染在全球范圍內的大城市和工業集中區域都已出現過，且日趨嚴重。我國工業化進程起步相對較晚，20 世紀70 年代在甘肅省蘭州市西固區出現過光化學煙霧現象[4]，這是我國最早被確認的存在光化學煙霧現象的地區。李金龍等[5]對此研究認為，蘭州市西固區的光化學煙霧事件是由當地石油化工廠排放廢氣造成的，光化學氧化劑濃度最高值出現在10 ∶00 到14 ∶00 之間。在此之后，我國陸續開展了臭氧污染的相關研究，但一直較為零散，且缺乏系統性。直到2012 年《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)發布后，全國339 個地級及以上城市相繼展開了臭氧監測工作。目前，關于臭氧污染的研究和分析主要基于觀測和數值模擬兩大類方法[6]。

基于觀測開展臭氧污染研究較為常見。例如通過儀器監測、衛星遙感、統計學分析方法等途徑，分析臭氧濃度時空分布特征及其相關影響因素。空氣質量監測能夠實時動態掌握監測區域內各種污染物的具體分布情況，精準反應空氣污染程度，以及了解影響空氣質量的各類因素[7]。生態環境部(http://www.mee.gov.cn/)的信息顯示，目前我國已經建立覆蓋全國339 個地級及以上城市的空氣質量監測體系，這為我國臭氧和其他空氣污染物現狀分析和治理對策研究提供了重要數據支撐。

空氣質量模型是研究大氣復合污染形成機制以及區域污染聯防聯控的有效手段，目前利用數值模擬法針對性地研究大氣復合污染已經成為一種趨勢。空氣質量模型可用于測算源分擔率，能夠幫助制定有效的削減污染物排放政策。當前國際上典型的空氣質量模式主要包括ISC3、AERMOD、ADMS、CALPUFF 等法規化中小尺度模型，NAQPMS、CAMX、WRF-CHEM、CMAQ 等綜合型區域尺度模型和GEOS-CHEM等全球尺度空氣質量模型。根據實際條件，選擇合適的空氣質量模型能夠準確分析臭氧等大氣污染物的時空演變規律，為有關部門制定大氣污染治理提供科學參考。

2 我國城市臭氧污染現狀

2.1 我國城市臭氧污染的整體情況

目前我國城市臭氧污染嚴重區域主要集中在我國東部沿海發達地區[8]。圖2 為全國338 個地級及以上城市各項污染物的月均值，數據源于生態環境部網頁2016 年1 月到2020 年12 月城市空氣質量月報(無2016 年12 月)。

圖2 2016 年1 月至2020 年12 月各項空氣污染物濃度趨勢

近十年來，我國空氣污染的關注點為顆粒物引致的污染，并采取一系列措施解決顆粒物污染問題。自2013 年實施《大氣污染防治行動計劃》以來，PM2.5等污染物的空氣污染形勢有所減緩。從圖2 中可以發現顆粒物、SO2和NO2等污染物濃度呈現出波動下降趨勢。ZHENG 等[9]研究也證明這一趨勢:2013—2017，我國排放的SO2、NOx、CO、PM10和PM2.5分別下降了59%、21%、23%、36%和33%。然而與之相比，臭氧污染態勢卻不容樂觀。

圖2 顯示，2016 年以來臭氧濃度一直處于較高水平。全國臭氧濃度(第90 百分位數)由2016 年141.54μg/m3上升到2018 年153.21μg/m3，而且在人口稠密和工業發達的地區臭氧濃度更高，臭氧分布有明顯的聚集性和相似性規律[10]。從2016 年開始，臭氧已經在上海和北京等城市成為首要的污染物，到了2018 年，全國共有121 個城市臭氧濃度超標，超標率達到35.8%[11]。根據2019 年中國生態環境公報，與2018 年相比，全國337 個城市的PM10和SO2濃度下降，臭氧濃度上升，PM2.5和臭氧超標天數比例上升。在168 個地級及以上城市中，以臭氧為首要污染物的超標天數占總超標天數的46.4%。其中，京津冀及周邊區域和長三角區域以臭氧為首要污染物的超標天數占總超標天數比例分別為48.2%和49.5%。臭氧污染逐漸成為主要的環境空氣質量問題。

王鑫龍等[12]對我國2015—2017 年338 個城市臭氧濃度監測數據分析表明，臭氧每年月均值變化曲線基本呈“單峰狀”，此結論與圖2顯示的臭氧濃度變化趨勢一致。臭氧濃度峰值出現在夏季月份，而冬季月份臭氧濃度最低，這與臭氧的形成條件有較大關系。在城市中，臭氧作為一種典型的二次污染物，主要由前體物經過一系列化學反應生成，在溫度較高、相對濕度較低時很容易造成臭氧大量積累，而在夏季陽光強烈的午后臭氧濃度往往是最高的。與其他污染物相比，臭氧的污染評價標準有所不同[13]，臭氧污染水平的計量通常采用最大8 小時平均值，以此可準確有效地反映臭氧污染的真實情況。

我國整體的臭氧污染形勢嚴重，同時各地區臭氧污染具體情況又不盡相同。我國幅員遼闊，氣候類型較多，地形復雜，各地太陽輻射量差異明顯，人口基數大且集中在大城市，再加上工業發展區域不平衡，這就導致我國不同地區的臭氧污染情況存在較大差異。表1 列出部分城市臭氧污染特征。

表1 我國部分城市臭氧污染特征

2.2 東部地區臭氧污染情況

改革開放以來，東部地區一直是我國經濟社會發展中心。東部地區憑借政策優惠、地理和資源優勢以及人口紅利實現了快速發展。在此基礎上，如長三角區域的大型城市群應運而生，這些城市群以中心城市為核心，向周圍輻射，城市之間經濟社會緊密聯系，產業、交通、社會生活、城市規劃和基礎設施建設相互促進、相互影響。人口稠密，交通便利，工業發達的同時也帶來了諸多隱患。根據2015—2019 年中國生態環境公報，在京津冀及周邊區域、長三角和珠三角等地區，臭氧濃度逐年升高，以臭氧為首要污染物的污染天數占總天數的比例也呈上升趨勢，如圖3 和圖4 所示。

圖3 2015—2019 年三個城市群臭氧濃度趨勢圖

圖4 2015—2019 年三個城市群以臭氧為首要污染物的污染天數占總天數的比例

宋佳穎等[20]基于臭氧監測儀衛星反演數據研究發現，東南沿海5 個省份的大氣臭氧濃度自南向北逐漸升高，春夏季濃度高于秋冬季，臭氧濃度與風向、氣溫呈現顯著正相關，與第二產業的相關度也很高。馬偉等[21]研究發現臭氧生成受到前體物的控制，在威海市的其中一個觀測點，臭氧生成受到NOx 和VOCs 的共同控制，對活性烴類最為敏感，臭氧本地生成作用為主；而汕頭市國慶期間臭氧污染受到偏東風和東南風的影響，華東沿海和周邊區域的臭氧與前體物輸送是主要原因[22]。臭氧濃度受諸多因素的影響，因此在對臭氧污染進行分析時，需要因地制宜考慮各種因素的綜合影響。

2.3 中西部地區臭氧污染情況

與東部地區相比，中西部地區經濟社會發展整體相對滯后，臭氧污染整體情況要略微好于東部城市群地區，但是在部分地區或者城市中，特殊的地形和氣象因素對臭氧污染的形成也具有重要影響。

如拉薩[23]為典型高原城市，歷年來整體環境空氣質量均處于全國前列，但是城市海拔高，紫外輻射強，大氣環境中臭氧的本地濃度值反而比內地高。而在貴州省域的城市臭氧濃度與區域性的雷暴閃電存在著關聯，高蘭蘭等[24]研究發現，貴州城市臭氧形成污染，強雷暴活動的背景可超過95%。粗略計算表明，一個區域性的強雷暴系統會給其下風向幾十至幾百千米的城市帶來幾十μg/m3的臭氧濃度提升，從而導致該城市的臭氧濃度超標。雷暴閃電活動對臭氧形成有一定貢獻，而沙塵暴天氣則是有著相應的抑制效果。如在塔克拉瑪干沙漠腹地的塔中地區和北緣城市庫爾勒[25]，可能是沙塵氣溶粒子吸附了大氣中的大量臭氧的原因，當沙塵天氣出現后，臭氧濃度明顯下降。此外，在重慶市[26]冬季，多霧靜風的氣象條件和特殊的山地地形條件也導致重慶市冬季臭氧濃度更低。成都地處盆地之中，受冬季的季風影響較小且多云霧，成都市冬季臭氧濃度也低。相反，鄭州市地處平原，受冬季季風影響較大，冬季霧少多大風，晴朗天氣較多，因此臭氧濃度相對較高。

臭氧污染形成受到很多條件和因素的影響，與其他空氣污染物相比需要特殊對待，適合防治其他空氣污染物的手段并不一定適合防治臭氧污染。明確臭氧這樣的典型二次污染物的產生機理，才能為制定污染防治政策提供更全面的科學依據。

3 總結

綜上所述，我國臭氧污染形勢不容樂觀，以京津冀及周邊區域、長三角區域和珠三角區域的城市群為代表的北部、東部地區臭氧污染更為嚴重。中西部地區臭氧污染情況整體較輕，但是局部地區受地形和氣象條件影響，也出現過嚴重的臭氧污染情況。我國當前臭氧污染主要特征為污染持續時間長、區域差異顯著。由于臭氧濃度受太陽輻射、溫度、相對濕度、風向和風速等氣象條件影響大，且也會與顆粒物等其他污染物發生相互作用，同時臭氧可以遠距離傳輸，與前體物的關系呈非線性關系，VOCs前體物來源復雜、種類繁多、活性差異大，導致其治理難度比較大。目前國內外已針對防治臭氧污染開展了大量研究，對臭氧污染機理、污染現狀、時空分布規律以及應對措施開展了一系列的深入分析。未來防治臭氧污染的研究應該注重不斷完善臭氧監測體系，針對性加強臭氧前體物NOx 和VOCs 的協同控制，建立科學、合理、完善的臭氧治理體系。