大連市一次典型臭氧污染過程分析

徐 潔

(遼寧省大連生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，遼寧 大連 116023)

1 引言

大氣中的臭氧(O3)大約90%集中在平流層中，能夠吸收210～290 nm波段的全部太陽紫外輻射，起到保護人類健康及地球生態(tài)系統(tǒng)健康的作用；約10%的O3集中在對流層中，這部分O3是大氣主要污染物之一，會損害人類健康[1]。對流層中的O3是典型的二次污染物，由氮氧化物(NOx)和揮發(fā)性有機物(VOCs)在一定的太陽光照射下經(jīng)過光化學反應生成的，是造成我國大氣復合污染的重要因素。O3的生命期會有幾天至幾周，在一定風場的作用下會出現(xiàn)跨城市或區(qū)域的污染傳輸特征[2,3]。

國內(nèi)外大量研究表明，近地面O3污染的原因不僅與氣象因素、O3背景濃度的升高、NOx或VOCs排放的增加有關，同時區(qū)域性的傳輸也是重要的原因之一[4～9]。O3污染特征和成因在不同城市和區(qū)域之間不盡相同[10]，對不同地區(qū)的O3污染特征和成因需要單獨的研究分析。

隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展及機動車保有量的增加，近年來大連市的O3污染問題愈發(fā)嚴重。目前，國內(nèi)外對大連市O3具體污染過程及案例的深入研究較為缺乏，本研究對2015年4月25～27日的一次臭氧中度污染過程進行了多維度的分析，探討此次污染過程的濃度變化規(guī)律、本地生成特征、區(qū)域傳輸特征及污染成因，為大連市臭氧污染成因分析、臭氧重污染預測預警及臭氧污染治理提供科學依據(jù)。

2 方法與材料

大連市區(qū)SO2、NO2、O3和PM2.5濃度數(shù)據(jù)來源于大連市10個國控空氣自動監(jiān)測站，PAN(過氧乙酰硝酸酯)、紫外輻射、激光雷達數(shù)據(jù)、氣象要素數(shù)據(jù)來自大連市大氣復合污染綜合觀測站，大連市大氣復合污染綜合觀測站于大連市主城區(qū)，周圍多為居民區(qū)、醫(yī)院、學校等，無工業(yè)污染源，臨近大連南北交通主干道中山路，具有較好的代表性。

后向軌跡模型采用由美國國家海洋和大氣管理局 (NOAA) 的空氣資源實驗室和澳大利亞氣象局聯(lián)合研發(fā)的HYSPLIT-4模型，后向軌跡模擬采用的氣象數(shù)據(jù)來自美國國家環(huán)境預報中心(NCEP)的GDAS數(shù)據(jù)，氣流高度選取100 m、500 m和1500 m，模擬氣團33 h后向軌跡。

3 污染過程分析

4月25～27日，大連市區(qū)出現(xiàn)一次O3污染過程。25日為單峰型，26日和27日為夜間升高型。4月24日，空氣質(zhì)量為良(AQI為72)，最高溫僅為22 ℃，光化學反應程度較低；25日，最高溫升至24 ℃，光化學反應條件較好，地面風向轉為西南風，高空轉為平直流型，擴散條件轉差，空氣質(zhì)量躍升為中度污染(AQI為161)，O3濃度達到226 μg/m3；26日，最高溫升至26 ℃，光化學反應條件持續(xù)向好，但是地面風速略有增大，擴散條件較25日略有好轉，空氣質(zhì)量降為輕度污染(AQI為139)，O3濃度降至202 μg/m3；27日，最高溫降至23 ℃，光化學反應強度減弱，但高空流型轉為槽前，不利于污染物的垂直擴散，空氣質(zhì)量仍維持輕度污染(AQI為110)，O3濃度略有下降，為170 μg/m3；28日，冷空氣來臨，最高溫降至14 ℃，地面風轉為東風和東北風，水平擴散條件較好，空氣質(zhì)量改善為良(AQI為66)，O3濃度也降至119 μg/m3。

3.1 天氣形勢分析

4月25日O3達到中度污染，是本次污染過程最有代表性的一天。為進一步了解天氣形勢對本次污染過程的影響，以4月25日為例分析大連高低空及近地面的天氣形勢變化。4月25日，大連高空流型為平直，西北風，850 hPa高度早8時為西北風，晚8時轉為偏西風，風速減小，地面早8時為高壓頂部控制，晚8時轉為高壓控制，西南風風速較小。不論是高空還是地面的天氣形勢，均有利于西南向的京津冀和山東地區(qū)的污染傳輸，同時，大連本地地面處于高壓控制，天氣晴朗少云，紫外輻射強烈，有利于O3的本地光化學反應生成。

3.2 本地生成分析

圖1為2015年4月24～28日大連市區(qū)PM2.5、O3、UV和PAN小時變化曲線。24日，紫外輻射最強，但溫度較低，O3濃度并不高；25日，O3與PAN和PM2.5的變化趨勢十分一致，并達到這幾日的最高水平，PAN一般被認為是光化學反應的指示劑，PAN濃度的升高提示光化學反應劇烈，而光化學反應的同時會產(chǎn)生PM2.5，因此可以推斷，本地光化學反應是是25日O3濃度升高的重要原因之一；26日，由于前一日O3夜間本底值較高，白天在此基礎上疊加光化學反應產(chǎn)生大量的O3，導致O3日間峰值濃度較高，達到輕度污染；27日，凌晨出現(xiàn)一個O3小峰值，從而導致當日空氣質(zhì)量達到輕度污染，而0時紫外輻射為0，因此可以推斷此時出現(xiàn)的O3峰值應可能與水平傳輸有關。

圖1 2015年4月24～28日大連市區(qū)PM2.5、O3、UV 和PAN小時變化曲線

圖2為2015年4月25～27日大連市區(qū)O3、PM2.5、SO2和NOx的小時變化曲線。25日13～21時，O3、PM2.5、SO2和NOx濃度均存在一致的波峰，而26日和27日各項污染物并沒有出現(xiàn)較為一致的波峰，說明25日午后至傍晚本地大氣擴散條件較差，導致各項污染物的同步累積。因此可以推斷，本地氣象條件不利是25日大連市區(qū)O3達到中度污染的重要原因之一。

圖2 2015年4月24～27日大連市區(qū)O3、PM2.5、 SO2和NOx小時變化曲線

3.3 氣象要素分析

圖3為4月24～28日大連市區(qū)風向風速小時變化曲線，圖4為4月24～28日大氣穩(wěn)定度、紫外輻射、濕度、氣壓和溫度的小時變化曲線。從圖3和圖4可以看出，大連市區(qū)地面風24日由南風轉為風速較大的西風，25～27日凌晨地面風轉為偏南風，風速較小，27日白天仍維持南風，風速較大，28日地面轉為東風。

大氣穩(wěn)定度高，不利于近地面污染物的擴散，24日12時起，大氣穩(wěn)定度逐漸增大，25日夜間達到峰值，之后一直維持在較高水平，一直到27日夜間，大氣穩(wěn)定度才顯著下降。

紫外輻射越強，越有利于光化學反應生成，24～27日，紫外輻射峰值均在30 W/m2以上，28日才開始顯著減弱。

在不降水的情況下，相對濕度越高，越有利于光化學反應生成，24日相對濕度最低，不到20%，25日升至45%，之后一直維持在30%～60%左右。

氣壓越低，越利于污染物的輻合和匯聚，導致污染物的累積。24日起，大連市氣壓一致呈降低趨勢，直至28日凌晨才開始上升。

溫度是助推臭氧光化學反應最重要的氣象要素，溫度越高，臭氧的光化學反應越劇烈。24～26日大連市最高溫均高于23 ℃，且呈逐日升高的趨勢，26日達到最高值26 ℃。

綜上所述，大氣穩(wěn)定度高、低壓、低風速不利于O3的擴散，同時高溫、高濕、紫外輻射強烈有利于O3的光化學反應生成，是25日大連市區(qū)O3達到中度污染的重要原因之一。

圖3 2015年4月24～28日大連市區(qū)風向風速小時變化曲線

從圖5為2015年4月24～28日大連市區(qū)溫度廓線圖。可以看出，大連市區(qū)近地面在25并與前文所述的O3濃度高值時段一一對應，說明本地逆溫是導致大連市區(qū)近地面臭氧濃度再傍晚至凌晨時段濃度居高不下的重要原因之一。

3.4 后向軌跡分析

以4月25日O3中度污染為例，分析污染當日氣團的后向軌跡。圖6是4月25日O3濃度最高時刻17時的24 h候后向軌跡和24日14時周邊城市O3污染實況，可以看出，25日17時大連市區(qū)100m氣團主要來源于山東西部地區(qū)，而山東西部地區(qū)的O3濃度并不高，僅達到良的水平，因此可以推斷，區(qū)域傳輸并不是4月25日O3達到中度污染的主要原因。

前文提到27日凌晨出現(xiàn)峰值的原因可能為區(qū)域傳輸影響，為進一步印證這個推斷，繪制了27日0時以大連為受體點的34 h后向軌跡，并對比25日14時周邊城市污染實況(圖7)。從后向軌跡圖可以看出，27日0時大連市100 m、500 m、1500 m的氣團均來自西南方向的江蘇南部地區(qū)，從空氣質(zhì)量實況圖可以看出，25日14時，江蘇南部地區(qū)各城市O3濃度大多高于200 μg/m3，可以進一步印證，造成27日凌晨出現(xiàn)O3濃度峰值的原因是受到江蘇南部城市O3污染傳輸影響。

圖4 2015年4月24～28日大連市區(qū)大氣穩(wěn)定度、紫外輻射、濕度、氣壓和溫度小時變化曲線

圖5 2015年4月24～28日大連市區(qū)溫度廓線

4 結論

綜合天氣形勢分析、氣象要素分析、氣態(tài)污染物及光化學指示劑分析、后向軌跡分析，可以得出如下結論。

(1)4月25日大連市區(qū)O3達到中度污染，主要是由于溫度的急劇升高，紫外輻射強烈，O3的本地光化學反應劇烈，同時受低壓輻合、逆溫、低風速等不利的大氣擴散條件影響，使得O3濃度累積，維持在一個較高的水平。

(2)4月26日大連市區(qū)O3維持在輕度污染，主要是由于前一日O3本底值較高，同時隨著溫度的升高，本地光化學反應的生成大量O3。

圖6 4月25日17時大連24h后向軌跡分析和4月24日14時周邊城市O3實況

圖7 4月27日0時大連34h后向軌跡分析和4月25日14時周邊城市O3實況

(3)27日凌晨大連市區(qū)臭氧日變化呈雙峰型，在凌晨出現(xiàn)一個峰值，主要是由于0～8時近地面逆溫、風速較小，同時受江蘇南部地區(qū)O3傳輸?shù)挠绊?，達到輕度污染。