汕頭市2018年國慶期間持續(xù)性臭氧污染過程分析

郭婉琪

(汕頭市環(huán)境保護監(jiān)測站，廣東 汕頭 515000)

近年來我國各地區(qū)臭氧污染問題凸顯，2015-2018年，廣東省O3日最大8小時均值第90百分位數(shù)逐年上升，并從2017年開始臭氧污染問題凸顯并成為影響我省環(huán)境空氣質(zhì)量的首要指標(biāo)。2017年全年臭氧評價濃度比2016年同期升高10.9%，漲幅位居6項污染指標(biāo)之最；臭氧超標(biāo)頻次達到590城/天，位列6項指標(biāo)最高且超標(biāo)頻次比排名第二的PM2.5高出136%。2016年廣東省超過半數(shù)城市同時出現(xiàn)超標(biāo)的天數(shù)為3天，2017年上漲到了14天后2018年廣東省仍有12天超過半數(shù)城市同時出現(xiàn)超標(biāo)，廣東省臭氧污染的區(qū)域性特征突出[1]。

汕頭市臭氧污染變化趨勢與廣東省整體情況非常相似。汕頭市以臭氧為首要污染物的污染天數(shù)占比自2016年起逐年升高，2017年和2018年所有污染天氣首要污染物均為臭氧，占總數(shù)的100%，臭氧已經(jīng)成為主導(dǎo)汕頭市空氣質(zhì)量的首要污染物，且污染濃度呈上升態(tài)勢。在2015年到2018年期間汕頭市臭氧共出現(xiàn)53天超標(biāo)，在汕頭市臭氧超標(biāo)當(dāng)天或次日，廣東省出現(xiàn)超過半數(shù)城市超標(biāo)的天數(shù)達到21天，占三年內(nèi)廣東省區(qū)域性超標(biāo)總天數(shù)的40%，可見汕頭市與廣東省區(qū)域性臭氧污染的發(fā)生有較密切的聯(lián)系。

2013年開始汕頭市開始O3地面監(jiān)測工作，但未開展O3的相關(guān)研究，對于O3管控和城市環(huán)境質(zhì)量改善是非常不利的.因此，本研究利用汕頭市2013年1月-2019年12月6個國控空氣質(zhì)量監(jiān)測站點O3及其它污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)和氣象觀測數(shù)據(jù)，分析汕頭市O3污染現(xiàn)狀和變化趨勢，詳細(xì)分析汕頭市O3污染的時空分布特征，進而討論一次2018年汕頭市持續(xù)性O(shè)3污染過程的變化特征和形成原因。同時，利用2015-2018年汕頭市環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析本地污染物排放對O3濃度增長的貢獻，以深刻認(rèn)識O3生成和變化機制，為O3預(yù)警預(yù)報和污染管控提供技術(shù)支撐[2]。

1 材料和方法

汕頭市區(qū)范圍內(nèi)共布設(shè)6個地面環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測站點(即國控點)，分別為金平子站、龍湖子站、濠江子站、澄海子站、潮陽子站、潮南子站。6個國控點分布在不同的六個區(qū)縣內(nèi)，實現(xiàn)365天連續(xù)監(jiān)測城市環(huán)境空氣中6項常規(guī)污染物(SO2、NO2、O3、CO、PM10、PM2.5)的濃度變化及氣壓、氣溫、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、能見度等氣象參數(shù)信息。本文所使用的是2015年1月1日-2018年12月10日的O3及其它污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)和氣象觀測數(shù)據(jù)均來自6個國控點。廢氣污染物排放總量數(shù)據(jù)來自2015-2018年環(huán)境統(tǒng)計業(yè)務(wù)系統(tǒng)中的汕頭市環(huán)境統(tǒng)計。機動車數(shù)據(jù)來自汕頭市統(tǒng)計局公布的汕頭市2015、2016、2017、2018年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報。

2 結(jié)果與討論

2.1 近地面O3污染評價

2015～2018年汕頭市O3年評價濃度均未超過環(huán)境空氣質(zhì)量二級評價標(biāo)準(zhǔn)(160 μg/m3)，2015年汕頭市O3-8 h第90百分位數(shù)濃度為141 μg/m3，2016年下降了9 μg/m3，2017年濃度出現(xiàn)反彈，2018年濃度進一步抬升，2018年比2015年濃度上升了11 μg/m3，漲幅為7.8%。O3超標(biāo)天數(shù)2018年比2015年增加了16天。對比南澳縣背景站，2015-2016年汕頭市區(qū)O3-8 h第90百分位數(shù)濃度低于南澳縣背景站，2017-2018年汕頭市區(qū)O3-8 h第90百分位數(shù)濃度則高于南澳縣背景站，到2018年汕頭市區(qū)O3超標(biāo)天數(shù)(28天)已明顯多于南澳縣背景站(18天)，O3污染呈郊區(qū)向市區(qū)發(fā)展的態(tài)勢。

圖1 2015-2018年汕頭市與南澳縣背景站O3濃度年度變化趨勢

如圖2可見，O3、PM2.5、PM10和NO2是影響汕頭市環(huán)境空氣質(zhì)量的首要污染物，從近幾年首要污染物占比的變化情況來看，汕頭市以O(shè)3為首要污染物的天數(shù)最多，占比在56.10%～83.60%，且有逐年升高的趨勢；PM2.5、PM10為首要污染物的天數(shù)占比則從2017年開始有明顯下降，占比降到了15%以下。

圖2 2015-2018年汕頭市首要污染物占比變化情況

如圖3所示，2015-2016年汕頭市超標(biāo)天數(shù)中，O3與PM2.5的超標(biāo)天數(shù)相當(dāng)，可見2015-2016年O3與PM2.5是對汕頭市空氣質(zhì)量達標(biāo)影響最大的兩個污染指標(biāo)；到2017-2018年，汕頭市空氣質(zhì)量不達標(biāo)均為O3污染導(dǎo)致，且2018年O3超標(biāo)天數(shù)比2017年增加了16天，增幅超過1倍。O3污染已成為汕頭市當(dāng)前面臨的主要環(huán)境問題。

圖3 2015-2018年汕頭市各污染指標(biāo)超標(biāo)天數(shù)變化情況

2.2 近地面O3污染特征

2.2.1 近地面O3濃度的時間變化特征

利用汕頭市6個國控點觀測資料的平均結(jié)果分析O3的時間變化特征，結(jié)果顯示(圖4)，2015年O3僅在4、5和9、10月出現(xiàn)了超標(biāo)，2018年3-6月和9、10月均出現(xiàn)了O3超標(biāo)的現(xiàn)象。這說明汕頭市近地面O3污染超標(biāo)時間跨度增大，O3污染的影響時間增加；另一方面，2015-2018年，近地面O3濃度整體呈上升趨勢，且隨著O3污染天數(shù)的增多，O3高值范圍逐年擴大，分布越來越集中，即O3污染加重，持續(xù)性污染增多。從季節(jié)而言，O3超標(biāo)嚴(yán)重時段主要發(fā)生在春季、夏初和早秋[3]。太陽輻射是決定O3生成的關(guān)鍵因素，北半球進入春分以后，太陽輻射增強，加之降水少，有利于大氣污染物在地面附近聚集，易于產(chǎn)生O3污染；夏初和早秋時節(jié)，受副熱帶高壓控制，天氣晴朗、高溫低濕的條件有利于O3生成；北半球的夏季是一年中太陽輻射最強的季節(jié)，也是較容易發(fā)生O3污染的季節(jié)，但受夏季風(fēng)和臺風(fēng)的共同影響，這一時期降水顯著增多，不利于O3生成，因而O3濃度相對較低[4]。

圖4 2015-2018年汕頭市近地面O3日最大8 h平均濃度時間變化

2.2.2 近地面O3濃度的空間變化特征

2015-2018年，6個國控點O3-8 h第90百分位數(shù)整體呈上升趨勢(表1)。其中，2015-2018年澄海子站和潮陽子站站點O3-8 h第90百分位數(shù)較高，從空間分布來看，這兩個站點位于汕頭市區(qū)的最東端和西端，人流量和車流量相較于其他站點少，人類活動和機動車尾氣排放對O3生成貢獻相對較小，但受地理位置影響，東南西方向城市污染傳輸對O3濃度影響較大；其次工業(yè)污染較為嚴(yán)重的潮南子站站點O3-8 h第90百分位數(shù)在6個國控點中也不是最高的，這說明工業(yè)源排放并不是近年來汕頭市O3濃度升高的主要原因。2018年O3污染在空間上出現(xiàn)了變化，位于中心城區(qū)的金平子站、龍湖子站和濠江子站站點O3-8 h第90百分位數(shù)高于其他站點，且較2015年有明顯增長，這說明隨著中心城區(qū)人口的快速增長和機動車的增多，O3前體物排放增多，對本地O3生成貢獻增大，本地源排放疊加外來污染物輸送，是造成中心城區(qū)O3濃度升高的主要原因。

表1 汕頭市各國控站點2015年-2018年度O3-8 h第90百分位數(shù)

2.3 2018年國慶期間一次持續(xù)性O(shè)3污染過程分析

圖5 汕頭市地面天氣形勢圖(9月30日-10月7日)

汕頭市地面國控站點監(jiān)測數(shù)據(jù)和氣象參數(shù)顯示，2018年9月30日-10月7日國慶期間，汕頭市出現(xiàn)7天輕度污染情況，空氣質(zhì)量指數(shù)(以下簡稱AQI)在99至116之間，除了10月3日為“良”等級，其余7天均處于“輕度污染”等級，首要污染物都是O3-8 h。O3-8 h濃度在158～178 μg/m3之間。

2.3.1 大氣污染原因分析

(1)氣象條件分析

在各大氣污染源排放相對穩(wěn)定情況下，氣象條件是影響此次污染過程的關(guān)鍵原因。9月30日-10月7日，汕頭市以晴天氣為主，日均溫度在25.9～27.4 ℃之間，以東北風(fēng)為主，日均風(fēng)速在0.3～1.7 m/s之間，風(fēng)速較小，氣象條件十分有利于臭氧生成和累積。地面氣象分析顯示我市受持續(xù)高壓脊控制與臺風(fēng)外圍共同影響，氣壓梯度線較疏散，風(fēng)速較小，氣象條件不利于污染物的擴散。

(2)污染物排放分析

據(jù)初步統(tǒng)計，國慶假期汕頭市共接待旅游者378.9萬人次，同口徑比增15.2%，特別是南澳島，每天進島車輛超過12000輛，賓館、餐館賓客盈門，大量的外來游客和車輛的增多，增加了餐飲業(yè)和機動車排放量，形成“假日效應(yīng)”，使臭氧前體物濃度加速提升。雖然國慶期間有部分企業(yè)停工，但也可能存在部分企業(yè)在假日期間偷排漏排，增加污染物排放量。

(3)臭氧生成分析

從圖6可以看出，從國慶假期前一天下午開始，臭氧濃度就明顯快速升高，且整個假期都持續(xù)在較高水平，可見，在有利于臭氧生成的氣象條件下，再加上臭氧前體物排放的增加，促進了我市臭氧濃度快速升高。

圖6 9月30日至10月1日全市O3小時值曲線圖

(4)區(qū)域輸送分析

在沒有外來污染輸送情況下臭氧監(jiān)測濃度曲線呈明顯的倒V形，在下午陽光充足情況下臭氧濃度明顯升高，在太陽下山后由于缺少光照，臭氧會明顯回落，這部分臭氧的來源一般認(rèn)為是本地污染源排放經(jīng)反應(yīng)生成的[5]。

從圖7可以看出，白天在8點后臭氧有一個明顯上升趨勢，說明有本地排放前體物在光化學(xué)反應(yīng)作用下生成臭氧，造成臭氧濃度水平升高。而晚上臭氧濃度仍持續(xù)在一個較高水平，下降非常緩慢，說明夜間氣象條件也不利于污染物清除和擴散，且下降過程不斷有被再次提升特征，說明可能有臭氧從外區(qū)持續(xù)輸送至汕頭，造成濃度下降曲線的波動。因此認(rèn)為本次污染的主要來源為本地排放加上持續(xù)區(qū)域輸送。

圖7 9月30日-10月7日汕頭市后向軌跡圖

從9月30日-10月7日汕頭市的后向軌跡分析(圖7中紅線)可以看出，我市的近地氣團主要從華東地區(qū)沿海路線進入我市，在此期間，華東地區(qū)臭氧濃度也較高，上風(fēng)向的臭氧及其前體物等可能會沿著傳輸通道輸送至本地，疊加本地生成的臭氧，進一步加劇臭氧污染水平[6]。

(5)綜合結(jié)論

臭氧污染的成因比較復(fù)雜。內(nèi)因是汽車尾氣、石油化工等排放的氮氧化物(NOx)和揮發(fā)性有機化合物(VOCs)，在高溫、強光輻射的作用下，經(jīng)過一系列復(fù)雜的光化學(xué)反應(yīng)，形成臭氧這個二次污染物[7]。外因則是高溫、強太陽輻射等氣象條件。另外，區(qū)域傳輸也是污染形成的原因[8]。

高溫小風(fēng)和強輻射氣象狀況，為臭氧產(chǎn)生提供有利條件。天氣晴熱，輻射較強，近地面風(fēng)速減弱，大氣靜穩(wěn)，大氣擴散條件較差，有利于臭氧污染物的生成。節(jié)假日外來車輛快速增多，臭氧前體物濃度加速提升[9]。假節(jié)日外來游客和車輛的增多，增加了餐飲業(yè)和機動車排放量，形成“假日效應(yīng)”，使臭氧前體物濃度加速提升。有利氣象條件和大量的臭氧前體物，促進臭氧濃度快速升高[10]。在有利于臭氧生成的氣象條件下，再加上臭氧前體物排放的增加，促進了我市臭氧濃度快速升高。區(qū)域傳輸影響，進一步增加臭氧污染程度。在本地氣象條件不利的情況下，上風(fēng)向的臭氧及其前體物等沿著傳輸通道輸送至本地，疊加本地生成的臭氧，進一步加劇臭氧污染水平。本地?fù)]發(fā)性有機物和氮氧化物的排放是污染發(fā)生的內(nèi)在因素，同時由于氣象因素有利于臭氧生成而不利污染物擴散，再加上從東面沿海污染氣團輸送過來的疊加影響，導(dǎo)致了本次污染的發(fā)生。

2.4 本地污染物排放對O3濃度變化的影響

目前，對流層O3人為源已經(jīng)確認(rèn)的包括；機動車尾氣中的一氧化氮和烯烴碳?xì)浠衔?，石油化工及火力發(fā)電等工業(yè)區(qū)排放出的氮氧化物和碳?xì)浠衔铮瑹煼蹓m及生物質(zhì)燃燒等，這些均是大氣中O3的前體物來源[11]。汕頭市受到政府的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和經(jīng)濟形勢的波動變化影響，2010年以來各產(chǎn)業(yè)占當(dāng)年GDP的比例發(fā)生了明顯變化，其中第三產(chǎn)業(yè)所占比例從2010年的38.3%上升到44.8%，第一、第二產(chǎn)業(yè)所占比例分別從2010年的5.3%、56.4%下降到2018年的4.4%、50.8%，說明汕頭市近年來O3濃度不斷升高、O3污染持續(xù)惡化并不是由本地污染物排放造成。但值得注意的是，2010至2018年汕頭市機動車保有量上升趨勢明顯，機動車源在區(qū)域污染物排放總量中的占比也不斷增加.所以汕頭市近年來的O3污染與機動車數(shù)量的快速增長、尾氣排放量增多密切相關(guān)，可以分析得出機動車源為本地O3生成提供了大量的前體物，帶來汕頭市本地生成O3的主要貢獻源。

3 結(jié) 論

(1)2015-2018年，汕頭市近地面O3污染逐年加重。O3-8 h第90百分位數(shù)由2015年的128 μg·m-3快速上升至2018年的177 μg·m-3，O3-8 h超標(biāo)率由2.28%增長至18.88%，以O(shè)3為首要污染物的污染天數(shù)占全年污染天數(shù)的百分比則由4.08%快速增長至50.83%，O3成為影響汕頭市環(huán)境空氣質(zhì)量的主要污染物之一。

(2)2015年，汕頭市近地面O3濃度僅在4、5和9、10月出現(xiàn)超標(biāo)，至2018年3-6月和9、10月均出現(xiàn)了O3超標(biāo)的現(xiàn)象，O3超標(biāo)時間跨度增大，且超標(biāo)嚴(yán)重時段主要發(fā)生在春季、夏初和早秋.隨著中心城區(qū)人口的快速增長和機動車的增多，位于中心城區(qū)的站點O3-8 h第90百分位數(shù)在2018年出現(xiàn)了明顯增長且高于其他站點。

(3)在華東地區(qū)沿海區(qū)域出現(xiàn)O3連片污染的情況下，2018年9月30日-10月7日國慶期間，汕頭市地面受偏東風(fēng)和東南風(fēng)影響，來自華東沿海及周邊區(qū)域的O3及前體物輸送是造成本次汕頭市O3持續(xù)污染的主要原因。

(4)汕頭市受到政府的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和經(jīng)濟形勢的波動變化影響，2010年以來各產(chǎn)業(yè)占當(dāng)年GDP的比例發(fā)生了明顯變化，其中第三產(chǎn)業(yè)所占比例從2010年的38.3%上升到44.8%，第一、第二產(chǎn)業(yè)所占比例分別從2010年的5.3%、56.4%下降到2018年的4.4%、50.8%，說明汕頭市近年來O3濃度不斷升高、O3污染持續(xù)惡化并不是由本地污染物排放造成。