我國城市臭氧污染防治現(xiàn)狀研究綜述

楊俊，布多，劉君，杜梅

(西藏大學(xué)理學(xué)院，拉薩 850000)

臭氧在常溫下是一種具有特殊臭味的藍(lán)色氣體，氧化性較強(qiáng)。大氣平流層中臭氧占比超過90%，且平流層中的臭氧可作為地球保護(hù)層，吸收太陽光中的紫外線。而近地面臭氧濃度過高，則會對人體健康有嚴(yán)重威脅[1]，并造成農(nóng)作物產(chǎn)量下降[2]，損害森林生態(tài)功能[3]。因此，近年來臭氧污染防治逐步納入我國大氣污染防治工作議事日程。

近年來，我國臭氧污染形勢日益嚴(yán)峻。在中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫總庫中，以“臭氧污染”為主題，獲得1988—2020 年的年度論文發(fā)表趨勢圖(圖1)。由圖1 可見，自1988 年以來，關(guān)注臭氧污染的研究論文數(shù)量不斷上升，特別是2014年以來，關(guān)于臭氧污染的論文發(fā)表數(shù)量大幅度地增加。臭氧作為一種典型的二次污染物，其形成機(jī)理、時空分布特征以及應(yīng)對措施是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。從全國整體來看，我國臭氧污染呈現(xiàn)區(qū)域化的特點(diǎn)，大型城市群的臭氧污染更為嚴(yán)重。

圖1 中國知網(wǎng)“臭氧污染”年度論文發(fā)表趨勢

1 臭氧研究進(jìn)展

國外臭氧污染研究較早，自20 世紀(jì)40 年代美國洛杉磯光化學(xué)煙霧事件以來，國外就開展了對臭氧污染的系統(tǒng)性研究。臭氧是光化學(xué)煙霧的主要成分之一，可作為光化學(xué)煙霧的特征物質(zhì)。當(dāng)前臭氧污染在全球范圍內(nèi)的大城市和工業(yè)集中區(qū)域都已出現(xiàn)過，且日趨嚴(yán)重。我國工業(yè)化進(jìn)程起步相對較晚，20 世紀(jì)70 年代在甘肅省蘭州市西固區(qū)出現(xiàn)過光化學(xué)煙霧現(xiàn)象[4]，這是我國最早被確認(rèn)的存在光化學(xué)煙霧現(xiàn)象的地區(qū)。李金龍等[5]對此研究認(rèn)為，蘭州市西固區(qū)的光化學(xué)煙霧事件是由當(dāng)?shù)厥突S排放廢氣造成的，光化學(xué)氧化劑濃度最高值出現(xiàn)在10 ∶00 到14 ∶00 之間。在此之后，我國陸續(xù)開展了臭氧污染的相關(guān)研究，但一直較為零散，且缺乏系統(tǒng)性。直到2012 年《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)發(fā)布后，全國339 個地級及以上城市相繼展開了臭氧監(jiān)測工作。目前，關(guān)于臭氧污染的研究和分析主要基于觀測和數(shù)值模擬兩大類方法[6]。

基于觀測開展臭氧污染研究較為常見。例如通過儀器監(jiān)測、衛(wèi)星遙感、統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法等途徑，分析臭氧濃度時空分布特征及其相關(guān)影響因素?？諝赓|(zhì)量監(jiān)測能夠?qū)崟r動態(tài)掌握監(jiān)測區(qū)域內(nèi)各種污染物的具體分布情況，精準(zhǔn)反應(yīng)空氣污染程度，以及了解影響空氣質(zhì)量的各類因素[7]。生態(tài)環(huán)境部(http://www.mee.gov.cn/)的信息顯示，目前我國已經(jīng)建立覆蓋全國339 個地級及以上城市的空氣質(zhì)量監(jiān)測體系，這為我國臭氧和其他空氣污染物現(xiàn)狀分析和治理對策研究提供了重要數(shù)據(jù)支撐。

空氣質(zhì)量模型是研究大氣復(fù)合污染形成機(jī)制以及區(qū)域污染聯(lián)防聯(lián)控的有效手段，目前利用數(shù)值模擬法針對性地研究大氣復(fù)合污染已經(jīng)成為一種趨勢?？諝赓|(zhì)量模型可用于測算源分擔(dān)率，能夠幫助制定有效的削減污染物排放政策。當(dāng)前國際上典型的空氣質(zhì)量模式主要包括ISC3、AERMOD、ADMS、CALPUFF 等法規(guī)化中小尺度模型，NAQPMS、CAMX、WRF-CHEM、CMAQ 等綜合型區(qū)域尺度模型和GEOS-CHEM等全球尺度空氣質(zhì)量模型。根據(jù)實(shí)際條件，選擇合適的空氣質(zhì)量模型能夠準(zhǔn)確分析臭氧等大氣污染物的時空演變規(guī)律，為有關(guān)部門制定大氣污染治理提供科學(xué)參考。

2 我國城市臭氧污染現(xiàn)狀

2.1 我國城市臭氧污染的整體情況

目前我國城市臭氧污染嚴(yán)重區(qū)域主要集中在我國東部沿海發(fā)達(dá)地區(qū)[8]。圖2 為全國338 個地級及以上城市各項(xiàng)污染物的月均值，數(shù)據(jù)源于生態(tài)環(huán)境部網(wǎng)頁2016 年1 月到2020 年12 月城市空氣質(zhì)量月報(bào)(無2016 年12 月)。

圖2 2016 年1 月至2020 年12 月各項(xiàng)空氣污染物濃度趨勢

近十年來，我國空氣污染的關(guān)注點(diǎn)為顆粒物引致的污染，并采取一系列措施解決顆粒物污染問題。自2013 年實(shí)施《大氣污染防治行動計(jì)劃》以來，PM2.5等污染物的空氣污染形勢有所減緩。從圖2 中可以發(fā)現(xiàn)顆粒物、SO2和NO2等污染物濃度呈現(xiàn)出波動下降趨勢。ZHENG 等[9]研究也證明這一趨勢:2013—2017，我國排放的SO2、NOx、CO、PM10和PM2.5分別下降了59%、21%、23%、36%和33%。然而與之相比，臭氧污染態(tài)勢卻不容樂觀。

圖2 顯示，2016 年以來臭氧濃度一直處于較高水平。全國臭氧濃度(第90 百分位數(shù))由2016 年141.54μg/m3上升到2018 年153.21μg/m3，而且在人口稠密和工業(yè)發(fā)達(dá)的地區(qū)臭氧濃度更高，臭氧分布有明顯的聚集性和相似性規(guī)律[10]。從2016 年開始，臭氧已經(jīng)在上海和北京等城市成為首要的污染物，到了2018 年，全國共有121 個城市臭氧濃度超標(biāo)，超標(biāo)率達(dá)到35.8%[11]。根據(jù)2019 年中國生態(tài)環(huán)境公報(bào)，與2018 年相比，全國337 個城市的PM10和SO2濃度下降，臭氧濃度上升，PM2.5和臭氧超標(biāo)天數(shù)比例上升。在168 個地級及以上城市中，以臭氧為首要污染物的超標(biāo)天數(shù)占總超標(biāo)天數(shù)的46.4%。其中，京津冀及周邊區(qū)域和長三角區(qū)域以臭氧為首要污染物的超標(biāo)天數(shù)占總超標(biāo)天數(shù)比例分別為48.2%和49.5%。臭氧污染逐漸成為主要的環(huán)境空氣質(zhì)量問題。

王鑫龍等[12]對我國2015—2017 年338 個城市臭氧濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)分析表明，臭氧每年月均值變化曲線基本呈“單峰狀”，此結(jié)論與圖2顯示的臭氧濃度變化趨勢一致。臭氧濃度峰值出現(xiàn)在夏季月份，而冬季月份臭氧濃度最低，這與臭氧的形成條件有較大關(guān)系。在城市中，臭氧作為一種典型的二次污染物，主要由前體物經(jīng)過一系列化學(xué)反應(yīng)生成，在溫度較高、相對濕度較低時很容易造成臭氧大量積累，而在夏季陽光強(qiáng)烈的午后臭氧濃度往往是最高的。與其他污染物相比，臭氧的污染評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)有所不同[13]，臭氧污染水平的計(jì)量通常采用最大8 小時平均值，以此可準(zhǔn)確有效地反映臭氧污染的真實(shí)情況。

我國整體的臭氧污染形勢嚴(yán)重，同時各地區(qū)臭氧污染具體情況又不盡相同。我國幅員遼闊，氣候類型較多，地形復(fù)雜，各地太陽輻射量差異明顯，人口基數(shù)大且集中在大城市，再加上工業(yè)發(fā)展區(qū)域不平衡，這就導(dǎo)致我國不同地區(qū)的臭氧污染情況存在較大差異。表1 列出部分城市臭氧污染特征。

表1 我國部分城市臭氧污染特征

2.2 東部地區(qū)臭氧污染情況

改革開放以來，東部地區(qū)一直是我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展中心。東部地區(qū)憑借政策優(yōu)惠、地理和資源優(yōu)勢以及人口紅利實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展。在此基礎(chǔ)上，如長三角區(qū)域的大型城市群應(yīng)運(yùn)而生，這些城市群以中心城市為核心，向周圍輻射，城市之間經(jīng)濟(jì)社會緊密聯(lián)系，產(chǎn)業(yè)、交通、社會生活、城市規(guī)劃和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)相互促進(jìn)、相互影響。人口稠密，交通便利，工業(yè)發(fā)達(dá)的同時也帶來了諸多隱患。根據(jù)2015—2019 年中國生態(tài)環(huán)境公報(bào)，在京津冀及周邊區(qū)域、長三角和珠三角等地區(qū)，臭氧濃度逐年升高，以臭氧為首要污染物的污染天數(shù)占總天數(shù)的比例也呈上升趨勢，如圖3 和圖4 所示。

圖3 2015—2019 年三個城市群臭氧濃度趨勢圖

圖4 2015—2019 年三個城市群以臭氧為首要污染物的污染天數(shù)占總天數(shù)的比例

宋佳穎等[20]基于臭氧監(jiān)測儀衛(wèi)星反演數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，東南沿海5 個省份的大氣臭氧濃度自南向北逐漸升高，春夏季濃度高于秋冬季，臭氧濃度與風(fēng)向、氣溫呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，與第二產(chǎn)業(yè)的相關(guān)度也很高。馬偉等[21]研究發(fā)現(xiàn)臭氧生成受到前體物的控制，在威海市的其中一個觀測點(diǎn)，臭氧生成受到NOx 和VOCs 的共同控制，對活性烴類最為敏感，臭氧本地生成作用為主；而汕頭市國慶期間臭氧污染受到偏東風(fēng)和東南風(fēng)的影響，華東沿海和周邊區(qū)域的臭氧與前體物輸送是主要原因[22]。臭氧濃度受諸多因素的影響，因此在對臭氧污染進(jìn)行分析時，需要因地制宜考慮各種因素的綜合影響。

2.3 中西部地區(qū)臭氧污染情況

與東部地區(qū)相比，中西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展整體相對滯后，臭氧污染整體情況要略微好于東部城市群地區(qū)，但是在部分地區(qū)或者城市中，特殊的地形和氣象因素對臭氧污染的形成也具有重要影響。

如拉薩[23]為典型高原城市，歷年來整體環(huán)境空氣質(zhì)量均處于全國前列，但是城市海拔高，紫外輻射強(qiáng)，大氣環(huán)境中臭氧的本地濃度值反而比內(nèi)地高。而在貴州省域的城市臭氧濃度與區(qū)域性的雷暴閃電存在著關(guān)聯(lián)，高蘭蘭等[24]研究發(fā)現(xiàn)，貴州城市臭氧形成污染，強(qiáng)雷暴活動的背景可超過95%。粗略計(jì)算表明，一個區(qū)域性的強(qiáng)雷暴系統(tǒng)會給其下風(fēng)向幾十至幾百千米的城市帶來幾十μg/m3的臭氧濃度提升，從而導(dǎo)致該城市的臭氧濃度超標(biāo)。雷暴閃電活動對臭氧形成有一定貢獻(xiàn)，而沙塵暴天氣則是有著相應(yīng)的抑制效果。如在塔克拉瑪干沙漠腹地的塔中地區(qū)和北緣城市庫爾勒[25]，可能是沙塵氣溶粒子吸附了大氣中的大量臭氧的原因，當(dāng)沙塵天氣出現(xiàn)后，臭氧濃度明顯下降。此外，在重慶市[26]冬季，多霧靜風(fēng)的氣象條件和特殊的山地地形條件也導(dǎo)致重慶市冬季臭氧濃度更低。成都地處盆地之中，受冬季的季風(fēng)影響較小且多云霧，成都市冬季臭氧濃度也低。相反，鄭州市地處平原，受冬季季風(fēng)影響較大，冬季霧少多大風(fēng)，晴朗天氣較多，因此臭氧濃度相對較高。

臭氧污染形成受到很多條件和因素的影響，與其他空氣污染物相比需要特殊對待，適合防治其他空氣污染物的手段并不一定適合防治臭氧污染。明確臭氧這樣的典型二次污染物的產(chǎn)生機(jī)理，才能為制定污染防治政策提供更全面的科學(xué)依據(jù)。

3 總結(jié)

綜上所述，我國臭氧污染形勢不容樂觀，以京津冀及周邊區(qū)域、長三角區(qū)域和珠三角區(qū)域的城市群為代表的北部、東部地區(qū)臭氧污染更為嚴(yán)重。中西部地區(qū)臭氧污染情況整體較輕，但是局部地區(qū)受地形和氣象條件影響，也出現(xiàn)過嚴(yán)重的臭氧污染情況。我國當(dāng)前臭氧污染主要特征為污染持續(xù)時間長、區(qū)域差異顯著。由于臭氧濃度受太陽輻射、溫度、相對濕度、風(fēng)向和風(fēng)速等氣象條件影響大，且也會與顆粒物等其他污染物發(fā)生相互作用，同時臭氧可以遠(yuǎn)距離傳輸，與前體物的關(guān)系呈非線性關(guān)系，VOCs前體物來源復(fù)雜、種類繁多、活性差異大，導(dǎo)致其治理難度比較大。目前國內(nèi)外已針對防治臭氧污染開展了大量研究，對臭氧污染機(jī)理、污染現(xiàn)狀、時空分布規(guī)律以及應(yīng)對措施開展了一系列的深入分析。未來防治臭氧污染的研究應(yīng)該注重不斷完善臭氧監(jiān)測體系，針對性加強(qiáng)臭氧前體物NOx 和VOCs 的協(xié)同控制，建立科學(xué)、合理、完善的臭氧治理體系。