中緯度沿海與內(nèi)陸城市邊界層O₃及NO₂、CO變化特征對比分析

摘要：以2009-2017年山東省4個沿海城市（青島、煙臺、威海、日照）和4個內(nèi)陸城市（德州、聊城、菏澤、濟寧）的O3濃度及與其相關(guān)密切的NO2、CO濃度逐時監(jiān)測資料為基礎，對比分析中緯度沿海和內(nèi)陸城市邊界層O3、NO2和CO污染變化特征并探討緣由，發(fā)現(xiàn)沿海和內(nèi)陸城市的O3污染在2012-2017年呈逐漸加重的趨勢，內(nèi)陸城市尤其顯著，NO2、CO出現(xiàn)減弱的相反趨勢;中緯度沿海城市邊界層O3污染的季節(jié)變化表現(xiàn)出與低緯度城市相類似的“M”形雙峰結(jié)構(gòu)，NO2、CO則表現(xiàn)為冬強夏弱的“V”形結(jié)構(gòu);O3濃度的日變化為白天強夜間弱，NO2、CO則表現(xiàn)為早晚高的雙峰曲線。

關(guān)鍵詞：O3濃度;沿海城市;中緯度;邊界層

中圖分類號：X831 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）06-0-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.06.075

Comparative analysis of the variation characteristics of O3，NO2 and CO in the boundary layer in coastal cities and inland cities in the middle latitude regions in China

Zhang Yong

（Zibo Meteorological Bureau，Zibo Shandong 255000，China）

Abstract：Based on the hourly monitoring data of O3 concentration，and its closely related NO2 and CO concentration in four coastal cities （Qingdao， Yantai， Weihai， Rizhao） and four inland cities （Dezhou， Liaocheng， Heze and Jining） in Shandong Province from 2009 to 2017，we compared and analyzed variations of O3，NO2 and CO pollutants in the boundary layer in both coastal and inland cities in mid-latitude regions， and explored their causes. It is found that O3 pollution showed an aggravating tendency in coastal and inland cities from 2012 to 2017， especially remarkably in inland cities.However，NO2 and CO pollution showed an opposite tendency.Seasonal variation of O3 pollution in the boundary layer of coastal cities in the mid-latitude showed an M-shaped bimodal structure， similar to that in low latitude cities， while NO2 and CO show a V-shaped structure with a maximum in winter and a minimum in summer.The diurnal variation of O3 concentration is featured with a high concentration in the daytime and a low one in the night，while NO2 and CO concentration show a bimodal curve with a high concentration both in the morning and evening.

Key words：O3 concentration;Coastal cities;Mid-latitude;Boundary layer

O3是大氣的微量成分，也是光化學污染的主要成分之一，與PM2.5一起被認為是影響當今環(huán)境質(zhì)量最重要的兩種大氣污染物[1]。近地層濃度較高時會對人體健康造成傷害，導致農(nóng)作物減產(chǎn)[2-5]。關(guān)于對流層O3的研究，北美和歐洲的研究結(jié)果表明北半球?qū)α鲗哟髿釵3濃度正以平均每年約1.0%的速度增長，人口集中的工業(yè)發(fā)達地區(qū)的增長速度更快。

近年我國人口稠密的城市發(fā)展帶來的邊界層光化學煙霧、O3濃度超標等污染事件發(fā)生的頻率越來越高。初步結(jié)果表明，不同區(qū)域年、季節(jié)和日變化也隨區(qū)域有不同程度的差異，南方和北方、城市和郊區(qū)也有較大差異。城市中的O3主要是由人類排放污染氣體在合適的氣象條件下反應生成的，在此過程中地理環(huán)境及氣象條件的不同造成臭氧分布特征的不同。沿海城市和內(nèi)陸城市臭氧污染分布特征的對比研究很少見到。

1 資料

本文以2009-2017年山東省4個沿海城市（青島、煙臺、威海、日照）和4個內(nèi)陸城市（德州、聊城、菏澤、濟寧）的O3濃度及與其相關(guān)密切的NO2、CO濃度逐時監(jiān)測資料為基礎，對比分析山東省沿海和內(nèi)陸城市邊界層O3、NO2和CO濃度及在年、季度、日等不同時間尺度上的不同分布特征，研究三種污染物之間的相關(guān)關(guān)系，為探索中緯度地區(qū)O3污染機制、防治城市光化學污染提供依據(jù)。

2 結(jié)果分析

2.1 年際變化

2.1.1 O3

從2009-2017年中緯度沿海和內(nèi)陸城市O3平均濃度的年度變化曲線可以看出（圖1），沿海城市O3年平均濃度均高于內(nèi)陸城市，說明沿海城市O3污染較內(nèi)陸更嚴重。從2009～2017年沿海和內(nèi)陸城市的O3平均濃度變化呈上升趨勢，均在2017年達到極大值，內(nèi)陸城市上升趨勢更明顯：2010年達到階段性低點后，逐年上升，2017年達到極大值;沿海城市上升趨勢較內(nèi)陸弱，在2010年達到階段性高點后，2011-2012年持續(xù)下降到階段性低點，從2013年才開始表現(xiàn)出上升趨勢，在2015-2016年還出現(xiàn)連續(xù)下降，2017年又重新上升達到極大值。2009-2017年間，沿海和內(nèi)陸城市之間O3平均濃度差距明顯縮小。

2.1.2 NO2、CO

2009-2017年沿海和內(nèi)陸城市NO2、CO平均濃度的年度變化曲線（圖1）與O3不同，NO2、CO年平均濃度沿海城市均低于內(nèi)陸，在研究期間呈下降趨勢。

沿海和內(nèi)陸的NO2濃度在都在2011年達到極大值，在2017年分別達到較小值和極小值。沿海城市和內(nèi)陸的NO2平均濃度差異也在減小，內(nèi)陸城市NO2平均濃度下降趨勢更明顯。沿海和內(nèi)陸NO2年平均濃度的波動大致同向。

在2009-2017年間，沿海和內(nèi)陸城市的CO年平均濃度呈現(xiàn)出單調(diào)遞減的趨勢，其中2010-2013年內(nèi)陸城市的CO年平均濃度出現(xiàn)大幅度下降，2013年后逐年下降幅度減緩;沿海和內(nèi)陸差異明顯減小。

2.1.3 小結(jié)

沿海和內(nèi)陸城市2009-2017年的O3、NO2和CO年平均濃度對比分析顯示，沿海城市的O3平均濃度高于內(nèi)陸，兩者均呈現(xiàn)上升趨勢，內(nèi)陸上升趨勢尤其突出;沿海NO2和CO年平均濃度低于內(nèi)陸，兩者均呈現(xiàn)下降趨勢，內(nèi)陸下降趨勢更明顯;沿海和內(nèi)陸的O3、NO2和CO年平均濃度差異明顯減小;O3和NO2、CO年平均濃度呈相反變化趨勢。

沿海和內(nèi)陸平均濃度的差異表現(xiàn)出海陸分布對O3、NO2和CO濃度的重要影響，內(nèi)陸城市SO2、PM10、PM2.5、NO2和CO等顆粒物污染較沿海嚴重，因此影響能見度和太陽輻射，沿海城市O3平均濃度高于內(nèi)陸。O3、NO2和CO濃度的年度變化說明自2010年起我國開始的大規(guī)模大氣環(huán)境治理措施取得明顯成效。

2.2 月變化

2.2.1 O3

分析中緯度沿海和內(nèi)陸城市O3月平均濃度變化曲線（圖2）可以發(fā)現(xiàn)，O3污染有顯著的季節(jié)差異，春秋重冬季輕。除了6月，其他時間沿海城市O3月平均濃度均高于內(nèi)陸城市，全年變化呈“M”形雙峰（5月和9月）分布結(jié)構(gòu)，春秋污染濃度高冬季濃度低，5月出現(xiàn)極大值，9月出現(xiàn)第二個峰值，7月、8月是相對的低谷，12月最低;而內(nèi)陸城市則呈倒“V”形單峰分布，初夏污染濃度高冬季濃度低，在6月出現(xiàn)極大值，其次是5月、7月，12月最低。

O3是光化反應的產(chǎn)物，太陽輻射和溫度是主要影響因子。從冬季到初夏隨著太陽輻射的增強和溫度的上升光化反應隨之活躍，O3濃度上升，6月份內(nèi)陸溫度普遍高于沿海，O3濃度到達頂點，7-8月份由于降水增多，太陽輻射反而降低，O3濃度也降低;入秋后太陽輻射和溫度都開始降低光化反應受到抑制，O3濃度降低;冬季的太陽輻射和溫度達到最低時，O3濃度也最低。

2.2.2 NO2、CO

分析2009-2017年沿海和內(nèi)陸城市NO2、CO月平均濃度變化曲線（圖2）可以發(fā)現(xiàn)NO2、CO月平均濃度沿海城市均低于內(nèi)陸，沿海和內(nèi)陸均表現(xiàn)為夏季污染輕冬季重的特點，呈 “V”形單峰沿結(jié)構(gòu)。內(nèi)陸城市在春季都有小幅上升后繼續(xù)下降的波動，沿海城市無此現(xiàn)象，NO2在7月最低，1月最高;CO在6月最低，1月最高;沿海城市NO2在7月最低，1月最高;CO在6月最低，1月最高。

NO2、CO的季節(jié)變化主要是受降水沉降和邊界層氣壓影響。高壓對NO2、CO等污染物具有持續(xù)積累的作用，夏季大陸高壓強度弱范圍小，NO2、CO等污染物的積累時間短，污染較輕。秋冬季節(jié)，中國大部地區(qū)受大陸高壓控制，高壓系統(tǒng)強范圍廣，持續(xù)時間長，對污染物的持續(xù)積累作用時間長。全年中以 12 月和 1 月最為嚴重，污染范圍最大。

2.2.3 小結(jié)

沿海和內(nèi)陸城市O3、NO2和CO月平均濃度對比分析顯示，有明顯的季節(jié)變化，沿海城市全年變化呈“M”形雙峰分布結(jié)構(gòu)，春秋高冬季低，內(nèi)陸城市則呈倒“V”形單峰分布，初夏高冬季低;NO2、CO月平均濃度沿海城市均低于內(nèi)陸，也有明顯的季節(jié)變化，呈 “V”形單峰沿結(jié)構(gòu)，夏季輕冬季重，NO2的高低值分別出現(xiàn)在1月和7月，CO的高低值分別出現(xiàn)在1月和6月。內(nèi)陸城市在春季有小幅的上升后下降的波動。

2.3 小時變化

2.3.1 O3

從沿海和內(nèi)陸城市O3小時平均濃度的變化曲線可以看出（圖3），沿海和內(nèi)陸城市O3小時平均濃度均有相似特征，表現(xiàn)為早上低午后高的單峰結(jié)構(gòu)，沿海城市在14時出現(xiàn)極大值，極小值出現(xiàn)在7時，內(nèi)陸城市在15時出現(xiàn)極大值，晚于沿海城市，6時出現(xiàn)極小值，早于沿海城市，16時沿海和內(nèi)陸城市平均濃度接近。

沿海城市日出時間較內(nèi)陸早，O3小時平均濃度最高值出現(xiàn)的也因此提前，沿海城市最低值出現(xiàn)的晚于內(nèi)陸一定另有原因，值得進一步研究。

2.3.2 NO2、CO

沿海和內(nèi)陸城市NO2、CO小時平均濃度的變化曲線（圖3）可以看出，NO2、CO小時平均濃度在沿海和內(nèi)陸城市均表現(xiàn)出早晚高的雙峰結(jié)構(gòu)的日變化特點。沿海城市的NO2平均濃度極大值出現(xiàn)在早上8時，極小值出現(xiàn)在13時;內(nèi)陸城市的NO2平均濃度極大值出現(xiàn)在傍晚19時，極小值與沿海城市相同，也出現(xiàn)在13時;沿海城市、內(nèi)陸城市的CO平均濃度極大值均出現(xiàn)在早上8時，極小值均出現(xiàn)在15時。

NO2、CO小時平均濃度早晚高的雙峰日變化對應早、晚交通高峰，內(nèi)陸的晚高峰明顯高于其他。

2.3.3 小結(jié)

沿海和內(nèi)陸城市的O3、NO2和CO小時平均濃度對比分析顯示，沿海和內(nèi)陸城市O3小時平均濃度均呈現(xiàn)早上低午后高的單峰結(jié)構(gòu)，沿海城市的最高值早內(nèi)陸1小時，最低值較內(nèi)陸晚1小時;沿海和內(nèi)陸城市的NO2、CO小時平均濃度均表現(xiàn)為早晚高的雙峰日變化特點，沿海NO2最高值出現(xiàn)在早上，內(nèi)陸出現(xiàn)在傍晚，最低值均出現(xiàn)在午后，CO最高、最低值出現(xiàn)時間相同，8時和15時。

3 結(jié)論

（1）沿海城市的O3平均濃度高于內(nèi)陸，2009-2017年兩者均呈現(xiàn)上升趨勢，內(nèi)陸上升趨勢尤其突出;沿海NO2和CO年平均濃度低于內(nèi)陸，2009-2017年兩者均呈現(xiàn)下降趨勢，內(nèi)陸下降趨勢更明顯;沿海和內(nèi)陸的O3、NO2和CO年平均濃度差異明顯減小;O3和NO2、CO年平均濃度呈相反變化趨勢。海陸分布對O3、NO2和CO濃度有重要影響，研究期間內(nèi)陸城市與沿海城市的污染物濃度差異減小和光化污染物O3濃度上升都說明我國大規(guī)模大氣環(huán)境治理措施取得明顯成效，內(nèi)陸城市尤其顯著。

（2）O3平均濃度有明顯的季節(jié)變化，沿海城市全年變化呈“M”形雙峰結(jié)構(gòu)，春秋高冬季低，內(nèi)陸城市則呈倒“V”形單峰分布，初夏高冬季低，主要影響因素是太陽輻射和溫度;NO2、CO月平均濃度也有明顯的季節(jié)變化，均呈 “V”形單峰沿結(jié)構(gòu)，夏季輕冬季重，NO2的高低值分別出現(xiàn)在1月和7月，CO的高低值分別出現(xiàn)在1月和6月，主要影響因素是降水和邊界層氣壓。內(nèi)陸城市在4-5月有小幅的上升后下降的波動。

（3）沿海和內(nèi)陸城市O3小時平均濃度均呈現(xiàn)早上低午后高的單峰結(jié)構(gòu)，沿海城市日出時間較內(nèi)陸早，O3小時平均濃度最高值出現(xiàn)的也因此提前，沿海城市最低值出現(xiàn)的晚于內(nèi)陸一定另有原因，值得進一步研究。NO2、CO小時平均濃度早晚高的雙峰日變化對應早、晚交通高峰，內(nèi)陸的晚高峰明顯高于其他。

參考文獻

[1]李名升，任曉霞，于洋，等.中國大陸城市PM2.5污染時空分布規(guī)律[J].中國環(huán)境科學，2016，36（3）：641-650.

[2]秦瑜，趙春生.大氣化學基礎[M].北京：氣象出版社，2003.

[3]王庚辰.大氣O3層與O3洞[M].北京：氣象出版社，2005：52-55.

[4]紀飛，秦瑜.對流層O3研究進展[J].氣象科技，1998，26（4）： 17-23.

[5]Vingarzan R.A review of surface ozone background levels and trends[J].Atmospheric Environment，2004，38：3431-3442.

收稿日期：2020-05-03

作者簡介：張勇（1983-），男，學士學位，助理工程師。