珠三角典型城市COVID-19疫情封閉期間臭氧污染的放大效應(yīng)研究

余欣洋，楊素英，劉寧微，張 尹

1.中山市氣象局,廣東 中山 528400 2.南京信息工程大學(xué)，中國氣象局氣溶膠與云降水重點開放實驗室，江蘇 南京 210000 3.中國氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所，遼寧 沈陽 110000 4.珠江水利委員會水文水資源局，廣東 廣州 510000

空氣污染是關(guān)系到全球人類健康的重要問題。顆粒物(PM)、二氧化氮(NO2)和對流層臭氧(O3)是最具威脅性的空氣污染物，對人類健康的危害與呼吸和心血管疾病及死亡率有關(guān)[1-2]。當(dāng)前中國城市背景的O3污染在不斷加劇，并已成為影響空氣質(zhì)量和人類健康最主要的大氣污染物之一[3-5]。珠三角是我國發(fā)達(dá)的城市群，其區(qū)域O3濃度增速加快。如2006—2019年珠三角O3質(zhì)量濃度的年平均增長速率為0.8 μg/m3，且2016年之后O3質(zhì)量濃度的年平均增長速率為2.1 μg/m3[6]。O3質(zhì)量濃度的區(qū)域平均值從2006年的48 μg/m3上升至2019年的60 μg/m3，且珠三角地區(qū)的O3主要以本地生成為主[7]，O3污染問題凸顯。對流層低層O3還存在周末現(xiàn)象，即在周末氮氧化合物(NOx)、揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)和PM低排放源背景下，周末O3濃度與工作日時相比趨于增高[8]。呂慧珂等[9]統(tǒng)計了多年的污染數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)香港O3存在周末效應(yīng)。通過分析O3形成對排放源減少的反應(yīng)，可以洞察O3排放源減排政策的有效性[10]。

由于新型冠狀病毒肺炎(COVID-19)發(fā)生，中國采取了嚴(yán)格的封閉管理措施。這些措施珠三角從2020年1月23日起實施。2020年1—3月受新型冠狀病毒肺炎疫情(以下簡稱疫情)影響，珠三角地區(qū)出現(xiàn)了大規(guī)模長時間的停工停產(chǎn)，根據(jù)廣東省交通運輸廳數(shù)據(jù)，2020年第一季度全省公路客運量及客運周轉(zhuǎn)量分別下降了59.8%和62.1%，春運期間客運量與同期相比下降80%以上。同時廣東工業(yè)和信息化廳報告指出，直至2月17日全省規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)復(fù)工率才突破50%。說明春節(jié)前后珠三角區(qū)域內(nèi)的車流量大幅度下降，工業(yè)源及移動源污染物排放量減少。

國內(nèi)外學(xué)者就疫情封閉期間的大氣污染特征進(jìn)行了研究。CARLOS等[11]對歐洲地區(qū)疫情封閉期間的NO2及O3濃度進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)大部分城鎮(zhèn)NO2濃度出現(xiàn)下降，O3濃度上升，并認(rèn)為氣象條件(氣溫、相對濕度和光照強(qiáng)度)是O3濃度上升的主要貢獻(xiàn)項。吳璇等[12]研究發(fā)現(xiàn)，疫情管控期間6項主要大氣污染物濃度均同比下降，其中以NO2，PM10和PM2.5下降幅度較大，較2018—2019年同期分別下降72%、53%和45%。SCIARD等[13]對疫情管控期間武漢地區(qū)O3特征進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)疫情封閉期間武漢城區(qū)的O3濃度相較2017—2019年同期上升了36%，并認(rèn)為O3濃度的上升主要是由于NOx濃度的大幅度下降使NO對于O3濃度的滴定效應(yīng)減弱引起的。此外還發(fā)現(xiàn)“疫情封閉效應(yīng)”對于O3生成的影響要比“周末效應(yīng)”對于O3的影響高出38%。珠三角地區(qū)疫情期間的大氣污染物(特別是O3)的演變特征及其與前體物間的關(guān)系還沒有詳細(xì)的研究。因此本研究基于珠三角城市背景，探討疫情管控期間大氣污染物短期變化特征，進(jìn)而獲得疫情封閉對城市背景大氣污染物的影響。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

為保證數(shù)據(jù)的可靠性和連續(xù)性，本文使用中國環(huán)境監(jiān)測總站的全國城市空氣質(zhì)量實時發(fā)布平臺(http://106.37.208.233∶20035/)的2017—2020年1—3月番禺中學(xué)(站號1350A)、東莞南城(站號1931A)和中山紫馬嶺國控站點(站號1381A)的O3、NO2等大氣成分逐小時平均質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)，所有觀測站點都位于城鎮(zhèn)區(qū)域，且南面均有大片的綠植區(qū)，具有較好的一致性。溫度(T)和相對濕度(RH)等氣象要素小時平均數(shù)據(jù)來自廣東省氣象局公布的番禺(站號59481)、東莞(站號59289)和中山(站號59485)國家基本氣象觀測站的觀測數(shù)據(jù)(http://gd.cma.gov.cn/)，其中番禺、東莞和中山氣象站點與環(huán)境監(jiān)測站點直線距離分別為9.5、1.4、0.2 km。對大氣成分?jǐn)?shù)據(jù)及氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和質(zhì)量控制，當(dāng)大氣成分或氣象數(shù)據(jù)出現(xiàn)缺測或異常值時，剔除該時次的所有數(shù)據(jù)。為保證數(shù)據(jù)充足有效,對研究期間的數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計,結(jié)果表明每個站點的有效數(shù)據(jù)均可達(dá)90%。

珠三角地區(qū)NO2和NO、VOCS主要貢獻(xiàn)源為機(jī)動車排放和工業(yè)排放[14-15]，NO2能在很大程度上反映移動源及工業(yè)源排放NOx和VOCS的變化趨勢[16-18]。根據(jù)中山市環(huán)境監(jiān)測站統(tǒng)計數(shù)據(jù)，中山市城區(qū)4個國控站點2020年1—3月NO平均質(zhì)量濃度為3.1 μg/m3，同期NO2平均質(zhì)量濃度為23 μg/m3，NO2在NOx中占比為88.5%，因此本文將利用NO2濃度替代NOx和VOCS濃度開展針對O3的定性分析。

1.2 數(shù)據(jù)處理

由于2020年疫情封閉時期正好與中國傳統(tǒng)節(jié)日春節(jié)相重合，如直接使用歷史同期數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，可能會忽略春節(jié)假期的影響。因此本文選取2017年1月7日至2月25日、2018年1月26日至3月16日、2019年1月15日至3月5日、2020年1月4日至2月22日的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，并將數(shù)據(jù)分為3個階段，其中2020年1月4—23日、2019年1月15日至2月4日、2018年1月26日至2月15日、2017年1月7—27日為“階段1”，對應(yīng)春節(jié)假期以前數(shù)據(jù)；2020年1月24日至2月2日、2019年2月4—13日、2018年2月15—24日、2017年1月27日至2月5日為“階段2”，對應(yīng)春節(jié)假期數(shù)據(jù)；2020年2月2—22日、2019年2月14日至3月5日、2018年2月25日至3月16日、2017年2月6—25日為“階段3”，對應(yīng)春節(jié)假期以后數(shù)據(jù)。

為減少降雨天氣及陰天對于白天光化學(xué)反應(yīng)的影響，參考齊艷杰等[19]研究結(jié)果，本文在研究疫情封閉期間大氣污染物日均變化特征時使用的數(shù)據(jù)剔除了24 h降雨量大于或等于0.01 mm及日照時間小于5 h的觀測數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 疫情封閉期間大氣污染物及氣象要素變化情況

2.1.1 大氣污染物及氣象要素隨時間變化特征

受疫情封閉影響，全球范圍內(nèi)多個國家及城市采取了封閉城市的抗疫措施，導(dǎo)致城市內(nèi)工業(yè)及移動排放大幅下降。SCIARD等[13]發(fā)現(xiàn)封閉城市導(dǎo)致Nice、Rome、Valencia和武漢4個城市的NOx及PM均有明顯下降。為了直觀地分析疫情封閉期間珠江三角洲地區(qū)3個城市大氣污染物和主要氣象要素的變化情況，給出了2017—2020年不同階段日均溫度、相對濕度、氣壓、風(fēng)速(WS)及日均PM2.5、SO2、NO2和O3質(zhì)量濃度的時間序列(圖1～圖6)，圖中柱狀表示標(biāo)準(zhǔn)差，橫坐標(biāo)中1～20 d為“階段1”，21～30 d為“階段2”，31～50 d為“階段3”。

圖1 番禺氣象要素時間序列Fig.1 Time series of meteorological elements in Panyu

圖2 番禺大氣主要污染物質(zhì)量濃度時間序列Fig.2 Time series of major atmospheric pollutant concentrations in Panyu

圖3 東莞氣象要素時間序列Fig.3 Time series of meteorological elements in Dongguan

圖4 東莞大氣主要污染物質(zhì)量濃度時間序列Fig.4 Time series of major atmospheric pollutant concentrations in Dongguan

圖5 中山氣象要素時間序列Fig.5 Time series of meteorological elements in Zhongshan

圖6 中山大氣主要污染物質(zhì)量濃度時間序列Fig.6 Time series of major atmospheric pollutant concentrations in Zhongshan

對3個城市2017—2020年氣象要素進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)2017—2019年溫度均在12.0～23.0 ℃間波動變化，相對濕度維持在60.0%～80.0%，日均風(fēng)速普遍低于2.0 m/s，風(fēng)速較低。2020年氣象要素整體水平與往年均值差異不大，但是“階段2”和“階段3”分別有2次明顯的冷空氣南下過程，導(dǎo)致風(fēng)速超過了4.0 m/s，溫度及相對濕度也明顯低于往年均值，此外“階段3”的相對濕度偏高，不利于光化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。

各城市2017—2019年大氣污染物均有相似的變化趨勢。其中番禺PM2.5平均質(zhì)量濃度為39.4 μg/m3，東莞為38.7 μg/m3，兩地PM2.5在“階段1”維持在較高水平，而中山平均質(zhì)量濃度為32.3 μg/m3；隨著假期的進(jìn)行和冷空氣南下的影響，各地PM2.5質(zhì)量濃度開始下降，在28 d達(dá)到極小值；隨著春節(jié)假期的結(jié)束和復(fù)工復(fù)學(xué)，“階段3”的PM2.5質(zhì)量濃度開始逐步回升至“階段1”水平。各地SO2質(zhì)量濃度的變化趨勢與PM2.5類似，但是變化幅度更小,基本維持在8.0～10.0 μg/m3。

相比前2種大氣污染物，2017—2019年NO2的變化趨勢更加明顯，番禺、東莞和中山的平均質(zhì)量濃度分別為46.0、40.9、31.0 μg/m3。各地NO2的質(zhì)量濃度在15 d左右開始下降，這與區(qū)域人口流出有關(guān)，隨著春節(jié)的臨近，大量外省務(wù)工人員開始逐漸返鄉(xiāng)，城市內(nèi)流動人口及機(jī)動車數(shù)量明顯下降，在23～25 d之間達(dá)到極小值，番禺及東莞的極小值在20.0 μg/m3左右，而中山則低于20 μg/m3，隨后NO2質(zhì)量濃度開始回升。

2017—2019年番禺、東莞和中山O3的質(zhì)量濃度變化趨勢與NO2相反，O3質(zhì)量濃度隨假期的臨近而上升，18 d左右達(dá)到峰值，其中番禺及東莞質(zhì)量濃度極大值分別為79.4、80.5 μg/m3，中山則高達(dá)90.8 μg/m3，隨后在冷空氣南下及春節(jié)減排的影響下，各地O3逐步下降，此外“階段2”期間較高的相對濕度和較低的溫度同樣不利于O3光化學(xué)反應(yīng)的生成，導(dǎo)致在“階段2”后期O3質(zhì)量濃度降至40.0 μg/m3左右的極小值。經(jīng)對比還發(fā)現(xiàn)2017—2019年各地的污染物標(biāo)準(zhǔn)差在“階段2”均有明顯減少，說明在各年春節(jié)期間大氣污染物的變化趨勢較為一致，“階段2”的濃度有較好的代表性。

將2020年各大氣污染物與往年平均質(zhì)量濃度對比(表1)，發(fā)現(xiàn)各地PM2.5和SO2質(zhì)量濃度均有明顯下降，其中番禺、東莞和中山的PM2.5平均質(zhì)量濃度同比分別下降了37.8%、16.0%和38.4%，而SO2同比分別下降了43.2%、11.3%和36.0%。NO2質(zhì)量濃度普遍低于歷史均值，同比下降了27.9%～43.8%。O3對比往年變化幅度在-0.952%～3.52%之間。

表1 2017—2020年番禺、東莞、中山PM2.5、NO2、O3和SO2平均質(zhì)量濃度變化情況Table 1 Variation of average mass concentrations of PM2.5,NO2,O3 and SO2 inPanyu,Dongguan and Zhongshan from 2017 to 2020

整體來看，2020年各地的主要大氣污染物(除O3外)相較2017—2019年均質(zhì)量濃度均有明顯下降，其中以NO2最為明顯，這與疫情封閉期間移動排放源的大量減少以及冷空氣南下對于局地污染的有效清除有關(guān)，但是在疫情防控的減排背景下“階段2”的O3質(zhì)量濃度相較往年卻異常偏高，其背后的機(jī)理需要我們開展進(jìn)一步研究。

2.1.2 工作日和節(jié)假日大氣污染物濃度變化特征

SCIARD 等[13]對疫情封閉期間的主要大氣污染物與歷史同期的工作日及周末的大氣污染物進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)封閉期間O3的周末效應(yīng)要比歷史同期的明顯。ZOU等[20]發(fā)現(xiàn)珠三角地區(qū)O3的周末效應(yīng)在秋季比夏季明顯。為對比珠三角地區(qū)各污染物在不同時間段內(nèi)的差異，給出2017—2019年工作日、節(jié)假日及2020年疫情封閉的工作日、節(jié)假日的PM2.5、NO2、O3和SO2的平均質(zhì)量濃度(圖7)。其中工作日和節(jié)假日分別指2017—2019年“階段3”工作日和2017—2019年“階段2”節(jié)假日數(shù)據(jù)；疫情工作日和疫情節(jié)假日分別指2020年“階段3”工作日和“階段2”節(jié)假日數(shù)據(jù)，疫情和非疫情工作日均不包含周六及周日。研究發(fā)現(xiàn)，番禺、東莞的PM2.5平均質(zhì)量濃度均為節(jié)假日高于工作日，而中山的PM2.5平均質(zhì)量濃度為2017—2019年工作日高于節(jié)假日。3個城市非疫情期濃度高于疫情期，其中番禺疫情封閉期PM2.5平均質(zhì)量濃度(對比非疫情背景，下同)在工作日下降了45.4%，節(jié)假日下降了41.6%；東莞及中山封閉工作日分別下降了25.1%和43.6%，封閉節(jié)假日分別下降了17.8%和40.2%。NO2平均質(zhì)量濃度表現(xiàn)為工作日高于節(jié)假日，非疫情期高于疫情期，其中番禺、東莞及中山NO2平均質(zhì)量濃度在疫情封閉工作日分別下降了46.2%、59.8%和59.5%，節(jié)假日分別下降了33.7%、46.4%和38.2%。各地O3質(zhì)量濃度普遍表現(xiàn)為節(jié)假日高于工作日，非疫情工作日高于疫情工作日，但非疫情節(jié)假日低于疫情節(jié)假日，其中番禺、東莞和中山封閉工作日分別下降了4.22%、6.83%和8.51%，3個城市封閉節(jié)假日分別上升了24.4%、2.7%和9.4%。各地SO2質(zhì)量濃度變化則存在差異，其中番禺SO2質(zhì)量濃度疫情封閉工作日下降了50.3%，節(jié)假日下降了32.1%；東莞工作日上升了8.7%，節(jié)假日下降了31.4%；中山工作日下降了46.6%，節(jié)假日下降了20.9%。

2.1.3 大氣污染物濃度隨氣象要素變化特征

國內(nèi)外大量研究表明，溫度、相對濕度、風(fēng)向(WD)和風(fēng)速對于O3的生成及輸送有著明顯影響[17,19,21]。為研究不同排放背景下溫度和相對濕度對O3質(zhì)量濃度的影響，圖8～圖10給出了3個城市不同階段內(nèi)O3質(zhì)量濃度與溫度、相對濕度的等值線分布。整體來看，O3質(zhì)量濃度隨溫度的增大或相對濕度的減少而增大，當(dāng)T>20.0 ℃、RH<50.0%時O3質(zhì)量濃度普遍高于100.0 μg/m3，當(dāng)T<18.0 ℃、RH>70.0%時普遍維持在20.0～40.0 μg/m3之間。較高的溫度和較低的相對濕度通常代表晴好的天氣，有利于光化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，進(jìn)而導(dǎo)致O3質(zhì)量濃度的上升，而較低的溫度和較高的相對濕度往往代表著夜間或陰天，此時由于光化學(xué)反應(yīng)的停止以及大氣中NOx和O3的反應(yīng)導(dǎo)致O3質(zhì)量濃度下降，因此O3質(zhì)量濃度隨溫度及相對濕度的變化表現(xiàn)出明顯的變化特征。

圖7 番禺、東莞和中山工作日及節(jié)假日大氣污染物平均質(zhì)量濃度Fig.7 Average mass concentrations of air pollutants in weekdays andholidays in Panyu,Dongguan and Zhongshan

圖8 2017—2020年3個城市“階段1”O(jiān)3質(zhì)量濃度隨溫度、相對濕度分布Fig.8 O3 concentrations with different T and RH in “stage 1” of 3 regions from 2017 to 2020

縱向?qū)Ρ?個階段的等值線圖發(fā)現(xiàn)，“階段2”(圖9)O3質(zhì)量濃度峰值明顯低于其他時間段，但是在RH>60.0%、T<18.0 ℃的區(qū)域O3質(zhì)量濃度明顯高于其他時間段，這與春節(jié)期間O3較低的日間質(zhì)量濃度和較高的夜間質(zhì)量濃度相對應(yīng)。相同階段的高溫低濕區(qū)域的O3質(zhì)量濃度2020年相比2017—2019年有明顯下降，其中“階段2”和“階段3”(圖10)在RH為30.0%～50.0%、T為20.0～26.0 ℃區(qū)間的O3質(zhì)量濃度下降最為明顯，降幅在20.0～30.0 μg/m3之間，而高濕區(qū)域則有小幅度上升，說明相比普通背景，減排會明顯降低高溫低濕背景下的O3質(zhì)量濃度的極大值，同時使低溫高濕背景的O3質(zhì)量濃度上升，O3隨溫度和相對濕度的變化梯度減少。

除了溫度和相對濕度以外，局地的O3質(zhì)量濃度還和風(fēng)向及風(fēng)速有關(guān)，較高的風(fēng)速往往有利于局地污染物的清除，而風(fēng)向的改變則會明顯影響局地大氣污染物質(zhì)量濃度。為了研究風(fēng)向及風(fēng)速對珠三角地區(qū)O3質(zhì)量濃度的影響，我們給出了番禺、東莞、中山2017—2020年第一季度O3質(zhì)量濃度隨風(fēng)向及風(fēng)速的平均變化[圖11(a)～圖11(c)]。對比發(fā)現(xiàn)不同城市存在明顯差異，當(dāng)主導(dǎo)風(fēng)向為偏南風(fēng)或西南風(fēng)時風(fēng)速較低，番禺的O3質(zhì)量濃度最高，而東莞O3質(zhì)量濃度高值區(qū)域主要集中在偏西和西南風(fēng)向區(qū)域，中山在風(fēng)向為偏南風(fēng)和東南風(fēng)時O3質(zhì)量濃度較高，而偏西風(fēng)時較低。此外，3個城市當(dāng)風(fēng)向為偏北風(fēng)時，O3質(zhì)量濃度都較低，且此時對應(yīng)風(fēng)速較高，說明春、冬季節(jié)的冷空氣南下能對O3起有效的清除作用。3個城市不同風(fēng)向下O3質(zhì)量濃度的明顯差異說明地區(qū)O3質(zhì)量濃度不僅受本地源影響，同時還會受鄰近地區(qū)輸送影響。

圖9 2017—2020年3個城市“階段2”O(jiān)3質(zhì)量濃度隨溫度、相對濕度分布Fig.9 O3 concentrations with different T and RH in “stage 2” of 3 regions from 2017 to 2020

圖10 2017—2020年3個城市“階段3”O(jiān)3質(zhì)量濃度隨溫度、相對濕度分布Fig.10 O3 concentrations with different T and RH in “stage 3” of 3 regions from 2017 to 2020

圖11(d)～圖11(i)是番禺、東莞和中山2017—2020年“階段2”和“階段3”O(jiān)3質(zhì)量濃度隨風(fēng)向和風(fēng)速的變化情況。整體來看，各地2020年與2017—2019年O3質(zhì)量濃度隨風(fēng)向的變化趨勢較為一致，但是2020年番禺偏南風(fēng)及東莞偏東風(fēng)的O3質(zhì)量濃度極大值相較本地區(qū)往年都有明顯增大，說明在疫情封閉下異地輸送對于局地O3質(zhì)量濃度的變化貢獻(xiàn)更為突出。圖12給出了2020年“階段2”和“階段3”番禺、東莞和中山風(fēng)向及O3質(zhì)量濃度分布，發(fā)現(xiàn)1月26日3個城市主要受冷空氣南下影響，較高風(fēng)速的偏北風(fēng)對于局地O3起清除作用，此時各地O3質(zhì)量濃度較低；1月27日起受冷高壓后部影響，O3質(zhì)量濃度逐步累積；1月31日起轉(zhuǎn)受偏南風(fēng)、風(fēng)速下降和南部綠植區(qū)域生成的污染異地輸送的共同影響[22-23]，使各地O3質(zhì)量濃度開始逐步上升。此外，2月14日前后主導(dǎo)風(fēng)向為東南至偏南風(fēng)，但是局地O3質(zhì)量濃度無明顯上升，結(jié)合前文氣象要素隨時間分布圖可知，該段時間相對濕度明顯增大，云量增多，日均日照時間減少至2 h以下，不利的氣象條件導(dǎo)致光化學(xué)反應(yīng)減弱。

圖12 2020年“階段2”和“階段3”番禺、東莞和中山風(fēng)向及O3質(zhì)量濃度時間序列Fig.12 Temporal variations of WD and O3concentrations during “Stage 2” and “Stage 3”in Panyu,Dongguan and Zhongshan in 2020

整體來看，珠三角地區(qū)PM2.5和NO2質(zhì)量濃度均為工作日高于節(jié)假日，非疫情期高于疫情期，考慮與停工導(dǎo)致的工業(yè)源、移動排放源及建筑工地等揚塵源的減少有關(guān)。O3質(zhì)量濃度則表現(xiàn)為節(jié)假日高于工作日，其中疫情期節(jié)假日質(zhì)量濃度最高。SCIARD等[13]認(rèn)為移動排放源及工業(yè)排放源的明顯下降，使NO對于O3滴定作用減弱，同時由于PM濃度的下降導(dǎo)致日間輻射強(qiáng)度增大有利于光化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，最終導(dǎo)致了疫情期間O3濃度的明顯上升。CARLOS等[11]則認(rèn)為，氣象要素對于疫情封閉期間O3濃度的增高起主要貢獻(xiàn)。通過前面的初步分析，認(rèn)為2020年“階段2”O(jiān)3質(zhì)量濃度異常偏高主要受以下因素共同影響：首先受冷高壓后部的影響，出現(xiàn)了連續(xù)晴好低濕天氣，同時減排導(dǎo)致較低的PM2.5質(zhì)量濃度使白天輻射增強(qiáng)，有利于O3光化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。其次持續(xù)較低風(fēng)速的偏南風(fēng)有利于O3的輸送和進(jìn)一步積聚。最后，珠三角地區(qū)作為VOCS控制區(qū)[6,24]，當(dāng)NOx排放減少時，NO對O3的滴定效應(yīng)將減弱，3個因素共同作用導(dǎo)致了2020年“階段2”O(jiān)3質(zhì)量濃度異常偏高。

2.2 疫情封閉期間大氣污染物日均變化特征

研究表明由于人為活動的影響，一天內(nèi)不同時間段的O3質(zhì)量濃度存在明顯差異[25]。為研究不同排放背景下NO2及O3質(zhì)量濃度的日變化特征，深入探究O3質(zhì)量濃度異常偏高的機(jī)理，給出了2017—2020年不同階段NO2及O3日均質(zhì)量濃度變化曲線，其中2017—2019年的日均質(zhì)量濃度曲線為3年數(shù)據(jù)均值；另外還統(tǒng)計了2017—2020年3類數(shù)據(jù)白天(07:00—18:00)及夜間(19:00至次日06:00)NO2和O3質(zhì)量濃度均值(圖13～圖18)。

圖13 番禺不同階段污染物日均質(zhì)量濃度Fig.13 Diurnal variation of pollutants concentrations of Panyu during different stages

圖14 番禺不同階段污染物晝夜質(zhì)量濃度Fig.14 Concentrations of pollutants difference betweenday and night on different stages in Panyu

分析圖13和圖14發(fā)現(xiàn)，番禺O3及NO2具有明顯的日變化特征，其中O3日均變化曲線為單峰形分布，與2015年的分布特征相似[17]，O3質(zhì)量濃度峰值主要出現(xiàn)在15：00左右，可達(dá)到120 μg/m3，而NO2則為雙峰型分布，峰值分別出現(xiàn)在08:00左右和22:00左右，O3與NO2日變化的差異主要與出行高峰和兩者的光化學(xué)反應(yīng)有關(guān)[20]。2017—2019年“階段1”的NO2及O3質(zhì)量濃度均有明顯日變化，春節(jié)期間隨著人們出行的減少，“階段2”的NO2質(zhì)量濃度明顯下降，從50.8 μg/m3下降至28.6 μg/m3，白天與夜間的差距也明顯縮小?！半A段2”的O3質(zhì)量濃度相比“階段1”下降了17.0%，變化主要出現(xiàn)在白天，O3質(zhì)量濃度峰值下降至100 μg/m3以下，而夜間小幅度上升，使得O3的日均變化曲線離散度相對“階段1”有一定程度的增大；隨著假期結(jié)束，“階段3”的NO2和O3日均質(zhì)量濃度恢復(fù)至“階段1”水平。東莞的2種大氣污染物質(zhì)量濃度變化特征與番禺類似(圖15～圖16)。中山(圖17～圖18)與前2個城市的差異主要體現(xiàn)在“階段3”的NO2和O3質(zhì)量濃度明顯低于“階段1”，其中“階段3”的NO2質(zhì)量濃度高于“階段2”但低于“階段1”，“階段3”的O3質(zhì)量濃度則與“階段2”相近，白天質(zhì)量濃度明顯低于“階段1”水平。猜測與中山以輕工業(yè)為主，節(jié)后復(fù)工速度較為緩慢有關(guān)。此外我們還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)剔除了降雨及持續(xù)陰天等天氣背景的數(shù)據(jù)后，2017—2019年3個城市“階段3”的O3質(zhì)量濃度高于“階段2”，與圖7中展示的結(jié)果存在差異，說明天氣背景對于O3質(zhì)量濃度的影響不可忽略。

圖15 東莞不同階段污染物日均質(zhì)量濃度Fig.15 Diurnal variation of pollutants concentrations of Dongguan during different stages

圖16 東莞不同階段污染物晝夜質(zhì)量濃度Fig.16 Concentrations of pollutants difference between day andnight on different stages in Dongguan

圖17 中山不同階段污染物日均質(zhì)量濃度Fig.17 Diurnal variation of pollutants concentrations of Zhongshan during different stages

圖18 中山不同階段污染物晝夜質(zhì)量濃度Fig.18 Concentrations of pollutants difference between day andnight on different stages in Zhongshan

3個城市2020年“階段1”2種污染物的質(zhì)量濃度變化特征與往年相似，但是質(zhì)量濃度略低。“階段2”和“階段3”則出現(xiàn)了明顯差異，以番禺為例，其NO2質(zhì)量濃度出現(xiàn)了大幅度下降，平均質(zhì)量濃度只有16.9 μg/m3，日均變化曲線的“雙峰”濃度變化不明顯。與之相反“階段2”O(jiān)3質(zhì)量濃度相比“階段1”增加了40.2%，從48.2 μg/m3上升至67.6 μg/m3，夜間O3質(zhì)量濃度上升了118%，白天上升了10.2%，導(dǎo)致O3質(zhì)量濃度日變化曲線離散度明顯減少?！半A段3”的NO2質(zhì)量濃度有小幅度回升，平均質(zhì)量濃度上升至25.8 μg/m3，但是白天與夜間的差異依舊不大。O3平均質(zhì)量濃度則下降至“階段1”的平均質(zhì)量濃度水平，白天與夜間的質(zhì)量濃度差仍低于“階段1”水平，日均變化曲線離散度與春節(jié)類似。

通過前面的分析發(fā)現(xiàn)，各地2017—2019年和2020年“階段2”的NO2相比“階段1”均出現(xiàn)了明顯下降，其中2020年“階段2”的NO2質(zhì)量濃度比2017—2019年同期減少約37%。2020年“階段2”O(jiān)3質(zhì)量濃度相比“階段1”為上升，且比歷史同期高出25.1%。2017—2019年“階段2”NO2及O3質(zhì)量濃度的下降都與工業(yè)排放以及移動排放源的減少有關(guān)，2種人為排放源的減少將導(dǎo)致光化學(xué)反應(yīng)前體物VOCS和NOx質(zhì)量濃度的明顯下降，O3的生成更加依賴自然源排放的高活性異戊二烯[22,26]，研究區(qū)域均為VOCS控制區(qū)，VOCS質(zhì)量濃度的下降將導(dǎo)致光化學(xué)生成O3質(zhì)量濃度下降，而假期期間仍有出行需求，夜間移動源排放的NO能與白天生成的O3進(jìn)行反應(yīng)，降低夜間O3質(zhì)量濃度，最終導(dǎo)致2017—2019年“階段2”O(jiān)3質(zhì)量濃度低于“階段1”水平。

而2020年春節(jié)期間由于疫情封閉影響，移動排放源大幅度減少，番禺NO2質(zhì)量濃度降至20.0 μg/m3以下，其余兩地下降至10.0 μg/m3，白天在低濕晴好的有利氣象條件下，依靠植被及土壤自然源排放和固定燃燒排放源(火電站等)的VOCS與NO2進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)生成O3[27-28]，同時由于NO的大量減少，導(dǎo)致O3無法在夜間得到有效清除，在靜穩(wěn)天氣背景下O3進(jìn)一步累積，最后導(dǎo)致了“階段2”O(jiān)3質(zhì)量濃度異常偏高?！半A段3”部分單位開始復(fù)工復(fù)產(chǎn)，機(jī)動車排放源的增多導(dǎo)致NO2質(zhì)量濃度小幅度回升，晝夜質(zhì)量濃度差增大。夜間增多的NO與O3反應(yīng)，使其夜間質(zhì)量濃度降低。白天新增的VOCS及NO2進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)，應(yīng)該使日間O3質(zhì)量濃度上升，但是實際觀測發(fā)現(xiàn)，“階段3”O(jiān)3的日間質(zhì)量濃度相較于“階段2”有小幅下降，考慮與“階段3”較高的相對濕度不利氣象因素影響和VOCS排放相關(guān)企業(yè)復(fù)工緩慢有關(guān)。

3 結(jié)論

本文對珠三角地區(qū)番禺、東莞和中山在2020年疫情封閉期O3及NO2質(zhì)量濃度等特征進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并與2017—2019年同期進(jìn)行了對比，探討了疫情封閉對珠三角地區(qū)O3的影響特征和可能成因。

1)2020年珠三角的PM2.5、NO2和SO2平均質(zhì)量濃度相比一般年份同期有11.3%～43.2%的下降，其中番禺、東莞及中山NO2平均質(zhì)量濃度分別下降了27.9%、39.6%和43.8%，而O3平均質(zhì)量濃度同比變化不大，幅度在-0.952%～3.52%之間。

2)PM2.5和NO2質(zhì)量濃度均為工作日高于春節(jié)假日，非疫情期高于疫情期。O3質(zhì)量濃度則表現(xiàn)為春節(jié)假期高于工作日，其中疫情期春節(jié)假期質(zhì)量濃度最高。

3)溫度高于20 ℃、相對濕度低于50%時O3質(zhì)量濃度普遍高于100.0 μg/m3；2020年高溫低濕時的O3質(zhì)量濃度相比一般年份有20.0～30.0 μg/m3的下降，減排會明顯降低高溫低濕背景下的O3質(zhì)量濃度的極大值，但會使低溫高濕背景O3質(zhì)量濃度上升，O3隨溫度和相對濕度的變化梯度減小。

4)2020年的O3質(zhì)量濃度隨風(fēng)向的變化趨勢與一般平均年份較為一致，但疫情封閉下異地輸送對于局地O3質(zhì)量濃度的變化貢獻(xiàn)更為明顯。

5)疊加疫情封閉影響的春節(jié)假期O3質(zhì)量濃度相比節(jié)前工作日增加20.4%～41.7%，NO2降低65.3%～75.6%，而一般年份春節(jié)假期O3質(zhì)量濃度低于節(jié)前工作日，同時疫情年份的NO2質(zhì)量濃度下降幅度大于一般年份。

6)疫情封閉春節(jié)期間O3質(zhì)量濃度比一般年份上升14.0%～25.9%，而NO2質(zhì)量濃度降低37.0%～54.5%，一方面低濕晴好的天氣為光化學(xué)反應(yīng)提供有利條件，另一方面疫情封閉擴(kuò)大了假期人為源減排規(guī)模，導(dǎo)致NOx質(zhì)量濃度進(jìn)一步下降，使其對O3的滴定效應(yīng)減弱，同時靜穩(wěn)天氣有利于O3質(zhì)量濃度的累積，導(dǎo)致局地O3污染被逐步放大。