豫北“盆地”型城市臭氧污染日變化特征及污染過程分析
——以林州市為例

張雪珍 王振楠 李秀陽 孫天寶 邊帥鵬 王 彬

(中科宇圖科技股份有限公司,北京 100101)

近些年來,隨著我國(guó)大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃深入推進(jìn),空氣質(zhì)量總體好轉(zhuǎn),PM2.5濃度持續(xù)下降,但部分地區(qū)近地面O3污染問題日漸凸顯,O3超標(biāo)問題已成為制約城市空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良天數(shù)持續(xù)上升的關(guān)鍵因素[1-2]。近地面O3作為典型的二次污染物,是由交通、工業(yè)等排放的氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)化合物等前體物在大氣中經(jīng)過復(fù)雜的光化學(xué)反應(yīng)生成,一旦生成,O3在對(duì)流層中會(huì)有幾天至幾周的生命期,繼而會(huì)通過遠(yuǎn)距離傳輸影響下風(fēng)向地區(qū)[3-4]。

相關(guān)研究表明[5-6],O3具有明顯季節(jié)變化特征及日變化特征,京津冀地區(qū)大部分城市O3濃度呈現(xiàn)夏季最高,春季、秋季次之,冬季最低的季節(jié)特征;O3日變化特征表現(xiàn)為日間隨著太陽輻射強(qiáng)度增強(qiáng),大氣光化學(xué)反應(yīng)增強(qiáng),O3濃度逐漸累積升高,此后隨著太陽輻射減弱,光化學(xué)反應(yīng)速率減慢,O3生成能力下降,同時(shí)在氮氧化物的滴定作用下O3被消耗,O3濃度逐漸降低,呈明顯的單峰型特征[7]。除明顯的單峰型特征外也會(huì)出現(xiàn)雙峰型、夜間升高等污染特征,而O3濃度在夜間持續(xù)升高現(xiàn)象與區(qū)域輸送密切相關(guān)。

本文對(duì)2021年林州市省控站點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析,探討林州市臭氧污染日變化特征以及典型臭氧高濃度過程的輸送特征,以期為林州市推動(dòng)臭氧的協(xié)同治理提供有效的科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與方法

本研究所用的污染物濃度數(shù)據(jù)來源于林州市省控點(diǎn)2021年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及全國(guó)空氣質(zhì)量發(fā)布APP。林州市O3年度污染情況按O3日最大8小時(shí)滑動(dòng)平均質(zhì)量濃度第90百分位數(shù)(O3-8 h-90 per)進(jìn)行評(píng)價(jià),O3日數(shù)據(jù)采用O3日最大8小時(shí)滑動(dòng)平均質(zhì)量濃度(O3-8 h)進(jìn)行評(píng)價(jià),O3小時(shí)污染情況采用O3小時(shí)濃度(O3-1 h)進(jìn)行評(píng)價(jià)。后向軌跡使用https://www.ready.noaa.gov/HYSPLIT.php在線數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖。數(shù)據(jù)處理分析使用Excel 2016、Origin 2018等軟件。

2 結(jié)果與討論

2.1 林州市臭氧污染特征

2021年林州市O3日最大8小時(shí)平均第90百分位濃度為188 μg/m3,在安陽市四縣市中排名最高,臭氧污染較嚴(yán)重。以O(shè)3為首要污染物的污染天共79天,占全年污染總天數(shù)的56%,制約著林州市空氣質(zhì)量改善。

林州市O3污染天主要分布在4月至9月,其中4月有2天,5月有14天,6月有23天,7月有14天,8月有15天,9月有11天。對(duì)4月至9月O3濃度日變化特征進(jìn)行分析(圖1),結(jié)果顯示,O3濃度在5：00-9：00相對(duì)較低,這可能與早間人類活動(dòng)排放的NO對(duì)O3滴定作用有關(guān),O3濃度在13：00-19：00處于高值時(shí)段,主要與臭氧前體物光化學(xué)反應(yīng)生成臭氧并不斷積累有關(guān),尤其是在光照和輻射條件較強(qiáng)的午后。此外,需要注意的是在6月O3高值可持續(xù)到夜間20：00-23：00。

圖1 林州市2021年4月至9月O3污染的日變化特征

2.2 臭氧污染日分型

分析林州市2021年79d O3污染日的日變化曲線,根據(jù)O3的日變化曲線將79d O3污染日特征分為單峰型、雙峰型、多峰型、夜間降幅小型4種類型。

2.2.1 典型單峰型

統(tǒng)計(jì)的79 d O3污染日中有56d為單峰型,占比70.9%。“單峰型”污染日的O3濃度變化符合典型日循環(huán)變化規(guī)律[8],8：00開始,隨著太陽輻射的逐漸增強(qiáng),溫度不斷升高,大氣中的O3前體物發(fā)生光化學(xué)反應(yīng),臭氧濃度逐漸升高,峰值出現(xiàn)在14：00-17：00之間,比紫外輻射強(qiáng)度峰值推遲約2～4 h,隨著太陽輻射的逐漸減弱,O3濃度開始逐漸降低。以5月9日O3日變化為例詳細(xì)說明典型單峰型的O3日變化特征和原因,當(dāng)日O3質(zhì)量濃度為79～252 μg/m3。如圖2所示,可將當(dāng)日O3日循環(huán)分為三個(gè)階段,O3日循環(huán)的第一階段,前體物累積時(shí)段為1：00-6：00,即日出前O3濃度隨著時(shí)間變化幅度很小,濃度值整體偏低;O3日循環(huán)的第二階段,O3抑制階段為6：00-8：00,日出后為太陽紫外線較弱時(shí)段,O3前體物氮氧化物濃度逐漸升高,作為還原物質(zhì)消耗了O3,使O3在此時(shí)段濃度值最低;O3日循環(huán)的第三階段,O3光化學(xué)生成階段為9：00-17：00,隨著溫度逐漸升高,O3前體物發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)使得O3的濃度逐漸升高,16：00達(dá)到峰值,比日最高溫度晚1 h,隨著溫度逐漸下降,O3濃度下降。一般這種情況多發(fā)生在區(qū)域氣象條件改變時(shí),如高溫、低濕、強(qiáng)輻射、弱風(fēng)背景下,主要是在區(qū)域氣象不利時(shí),本地污染排放光化學(xué)反應(yīng)造成。

圖2 5月9日林州市O3、NO2、溫度小時(shí)變化曲線

2.2.2 雙峰型

統(tǒng)計(jì)的79 d O3污染日中有19d為雙峰型,占比24.1%。第一個(gè)O3濃度峰出現(xiàn)在12：00-15：00時(shí),第二個(gè)O3濃度峰出現(xiàn)在16：00-19：00,較第一峰延后約3～5 h。

以7月30日、31日O3日變化為例詳細(xì)說明雙峰型的O3日變化特征和原因。如圖3所示,7月30日O3質(zhì)量濃度在18～199 μg/m3,8：00隨著溫度逐漸升高,光化學(xué)反應(yīng)增強(qiáng),O3濃度呈上升趨勢(shì),13：00達(dá)到第一個(gè)峰值156 μg/m3,15：00時(shí)溫度逐漸下降,但O3在17：00后卻開始逐漸升高,在19：00達(dá)到第二個(gè)峰值。當(dāng)日林州市主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南、西南風(fēng),上風(fēng)向鶴壁、新鄉(xiāng)等地區(qū)午后O3濃度高達(dá)180～210 μg/m3,在偏南風(fēng)作用下,污染向下風(fēng)向輸送,造成林州市O3濃度在17：00逐漸升高,19：00達(dá)到峰值。

圖3 7月30日(上)、31日(下)林州市O3、NO2、溫度小時(shí)變化曲線

7月31日O3在14：00出現(xiàn)第一個(gè)濃度峰,主要由本地臭氧前體物光化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致;O3在16：00出現(xiàn)第二個(gè)峰值,當(dāng)日主導(dǎo)風(fēng)向東南風(fēng),15：00起風(fēng)力增強(qiáng),受上風(fēng)向高濃度污染氣團(tuán)傳輸影響,O3濃度再次升高,而林州地勢(shì)四周高、中間低,為典型盆地特征,污染物易堆積,造成第二個(gè)峰值濃度高于第一個(gè)峰值濃度。

2.2.3 多峰型

在統(tǒng)計(jì)的79 d O3污染日中有3d為多峰型,占比3.8%。以6月26日O3日變化為例,詳細(xì)說明多峰型的O3日變化特征和原因。從圖4可以看出,8：00隨著溫度升高,O3濃度上升,12：00達(dá)第一個(gè)峰(223 μg/m3)后O3濃度呈下降趨勢(shì),O3濃度15：00再次升高,16時(shí)達(dá)到第二個(gè)峰值(225 μg/m3),21時(shí)達(dá)到第三個(gè)峰值(216 μg/m3)。分析原因認(rèn)為:第一個(gè)濃度峰其形成原因與典型單峰形的O3濃度峰形成原因相同,均由白天光化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致,第二個(gè)濃度峰和第三個(gè)濃度峰與傳輸有關(guān)。

圖4 6月26日林州市O3、NO2、溫度小時(shí)變化曲線

2.2.4 夜間降幅小型

在統(tǒng)計(jì)的79 d O3污染日中有1d為夜間降幅小型。從圖5可以看出,O3濃度于15：00達(dá)到峰值,隨著溫度下降,O3濃度未呈明顯下降趨勢(shì),持續(xù)維持較高水平,晚間20：00開始逐漸下降,降幅較小。有研究指出[9],受山谷風(fēng)局地環(huán)流影響,可能存在白天谷風(fēng)將O3輸送至邊界層以上,夜晚山風(fēng)又將其輸送回地面附近的傳輸機(jī)制,造成晚上臭氧不降的情況,其次區(qū)域間高臭氧污染氣團(tuán)的水平輸送也會(huì)造成夜間臭氧升高事件的發(fā)生。故分析認(rèn)為本次O3濃度夜間降幅小與區(qū)域臭氧傳輸及本地獨(dú)特的環(huán)流形勢(shì)有關(guān)。

圖5 6月15日林州市O3、NO2、溫度小時(shí)變化曲線

以上分析表明林州市O3污染日特征主要有單峰型、雙峰型、多峰型、夜間降幅小型。林州市單峰型O3日變化特征的主要驅(qū)動(dòng)因素是在高溫、低濕、強(qiáng)輻射、弱風(fēng),O3氣象條件生成有利背景下,與本地污染排放光化學(xué)反應(yīng)生成有關(guān),在此情形下,需重點(diǎn)關(guān)注本地O3前體物的減排工作。雙峰型與多峰型第一個(gè)峰值出現(xiàn)時(shí)間基本一致,由本地光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生,后續(xù)的峰值是因?yàn)樯巷L(fēng)向傳輸造成,同時(shí)林州背靠太行山,位于盆地內(nèi),不利的地形條件造成了后續(xù)污染的升級(jí)。而與其他O3污染日變化特征不同的是,夜間降幅小型可能與區(qū)域輸送以及本地獨(dú)特的局地環(huán)流形勢(shì)有關(guān)。

2.3 臭氧典型污染過程分析

2021年7月4日林州市O3-8 h濃度值高達(dá)204 μg/m3,也是O3濃度“雙峰型”最具代表性的一天。林州市O3濃度在12：00達(dá)當(dāng)日第一個(gè)小峰值193 μg/m3后小幅下降,15：00再次出現(xiàn)升高,至19：00達(dá)當(dāng)日最高值228 μg/m3,變化趨勢(shì)與周邊輝縣相似,但輝縣最高值出現(xiàn)時(shí)間(16：00)早于林州市。分析原因如下:

當(dāng)天區(qū)域受弱氣壓場(chǎng)、偏南風(fēng)控制,擴(kuò)散條件較差,污染易積累,且日間溫度較高,午間至下午光照輻射強(qiáng),有助于本地臭氧前體物反應(yīng)生成O3并積累。通過NOAA Hysplit模型對(duì)7月4日進(jìn)行后向軌跡分析(圖6),可看出不同高度的氣流均來自偏南方向,其中低空200 m、500 m氣流來自河南省中部城市。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示河南中部、北部區(qū)域出現(xiàn)O3濃度高值,大多數(shù)城市O3最大小時(shí)濃度在200 μg /m3以上,推測(cè)林州市O3濃度出現(xiàn)二次升高原因可能是受河南中部區(qū)域O3污染氣團(tuán)傳輸影響。

圖6 2021年7月4日18: 00林州市12h后向軌跡分析

進(jìn)一步選取傳輸通道上鄭州市、新鄉(xiāng)市、輝縣、林州市4個(gè)城市O3濃度進(jìn)行分析(圖7),發(fā)現(xiàn)O3峰值濃度出現(xiàn)時(shí)間從南向北推移,鄭州市在13：00出現(xiàn)O3峰值,新鄉(xiāng)在15：00出現(xiàn)峰值,輝縣在16：00出現(xiàn)峰值,林州市在19：00出現(xiàn)O3峰值且O3濃度峰值較高,故O3二次升高峰值受傳輸影響較大。

圖7 2021年7月4日O3傳輸通道上各城市O3小時(shí)變化

以上分析表明林州市7月4日O3出現(xiàn)污染的主要原因?yàn)樵诓焕麣庀髼l件下本地臭氧前體物反應(yīng)生成O3并不斷積累,疊加外來區(qū)域輸送的影響進(jìn)一步抬升了O3高值并延長(zhǎng)了高值持續(xù)時(shí)間。

3 結(jié)論

(1)2021年林州市O3為首要污染物的污染天共79天,占全年污染總天數(shù)的56%,制約著林州市空氣質(zhì)量改善。O3污染天主要發(fā)生在4-9月,整體O3濃度日變化在5：00-9：00相對(duì)較低,在13：00-19：00處于高值時(shí)段,在6月O3高值可持續(xù)到夜間20：00-23：00。

(2)通過對(duì)79d污染天日變化特征進(jìn)行分析得出,林州市臭氧污染日主要可分為典型單峰型、雙峰型、多峰型、夜間降幅小型。單峰型主要受氣象以及本地臭氧前體物影響較大,雙峰、多峰型除了本地排放影響外,外來傳輸對(duì)其多峰的發(fā)展影響較大,夜間降幅小型可能與區(qū)域輸送以及本地獨(dú)特的局地環(huán)流形勢(shì)有關(guān)。

(3)對(duì)林州2021年7月4日的一次高濃度O3污染過程分析發(fā)現(xiàn),不利氣象條件下,本地光化學(xué)反應(yīng)生成O3,大氣擴(kuò)散條件不利導(dǎo)致O3濃度累積,上風(fēng)向地區(qū)O3輸送至林州地區(qū)加重本地O3污染程度。