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