北京及周边地区典型站点近地面O3的变化特征

刘希文,徐晓斌,林伟立 (.中国气象科学研究院,中国气象局大气成分观测与服务中心,中国气象局大气化学重点开放实验室,北京 0008；2.武汉中心气象台,湖北 武汉 430074)

O3是自然大气中的重要组成部分,其中90%分布于平流层,10%在对流层.对流层 O3是光化学反应的重要产物,地表高含量的O3对人类以及动植物都有极强的危害[1-13].随着大气光化学研究的深入,局地光化学污染事件已得到了较好的控制,受特定天气过程、地形特征、盛行风向等条件影响造成的区域O3污染问题却备受国内外关注[1-25],因此加强对近地面O3区域分布观测研究具有重要意义.

国内外已有许多针对城区与郊区近地面 O3变化特征的比对分析.Pochanart等[1]对日本境内的4个位于岛屿的观测站的O3资料进行了分析,发现大气输送是站点之间季节差异的主要原因;Debaje等[2]对近海的农村站点以及位于城区站点O3与气象条件展开了讨论; Bronnimann等[3]对瑞士多个观测站长期的近地面O3的变化趋势做了详细分析.在我国,近地面 O3的研究主要是围绕城市里的单个站点或者是区域性站点开展的[4,11-13,15,18-22],对处于同一区域内的城区与郊区O3变化情况的比对分析尚不多见,目前这方面的研究主要集中在珠江三角洲、长江三角洲、京津等发达地区以及代表不同区域本底大气站点.Lam 等[5]、Gao等[7]和So等[9]对香港城市大气O3变化特征以及与前体物相关性、大气输送的影响做了探讨;Xu等[6]、丁国安等[14]和徐晓斌等[16]研究了中国不同区域本底大气O3以及其他污染物的变化特征;Lin等[8,25]分析了河北固城站与北京以及北京与上甸子站气态污染物的变化特征并讨论了区域输送对北京大气环境的可能影响;王会祥等[17]利用长三角地区6个站点的观测数据对O3及其他污染物做了比对分析,得到了该地区污染物分布特征;刘洁等[24]分析了北京与上甸子本底站O3及前体物的城郊差异.本文利用2008年6月至2009年5月在北京城区及周边3个不同类型站点的气态污染物观测资料,分析O3的变化特征及与气象条件的关系.

1 站点信息及观测方法

固城生态与农业气象试验站(简称“固城站”)位于华北平原东北部的河北省定兴县固城镇(115°07’E,39°08’N, 海拔 15.1m);北京城区的观测点位于北京市海淀区中国气象局培训中心楼顶(简称“培训中心站”)(116°32’E, 39°94’N,海拔93m);上甸子本底监测站(简称“上甸子站”)(117°07’E, 40°39’N,海拔 293.9m)位于北京密云县高岭镇的上甸子村,建于 1983年,其大气污染水平可用于研究我国华北经济发达区域大气本底状况.3站地理位置见图 1.受太行山脉和华北平原的地形影响,3站的盛行风向大致相同,为东北风和西南风(图2),北京城区的培训中心测点处在距地35m左右的高度,盛行风向略有不同,为东北风和偏南风.

地面O3测所用仪器为TE49C 型O3分析仪,为紫外吸收光度法,其最低检测限为1×10-9.为了减少空气中颗粒物对测量的影响,在仪器入口处装有5μm的Teflon过滤膜,并每10天更换1次.仪器在使用之前及每季度经TE49CPS O3校准仪多点校准.每天进行零点检查和跨度检查,以保证观测结果的准确性.取得1min平均地面O3,单位为1×10-9,文中的小时平均值为整点前后30min O3的平均值.

图1 观测站点分布Fig.1 The location of China Meterological Administration of Beijing (CMA), Shangdianzi Background Station (SDZ),and Gucheng Station (GCH) of Hebei province

图2 观测期间(2008-06-01～2009-05-31)上甸子本底站、培训中心、固城站风向频率分布Fig.2 Wind frequency roses of SDZ, GCH, and CMA from June,2008 to May, 2009

2 结果与讨论

2.1 三站O3时间序列变化和频谱分布

2.1.1 时间序列变化 表 1给出了各站气态污染物1年的统计平均值.结果显示,位于北京郊区的上甸子站O3浓度最高,北京城区的培训中心站次之,处于农村地区的固城站稍低于培训中心站;一次污染物则与O3的站点分布特点相反,培训中心站和固城站除 NO/NO2/NOx差距明显外,其他污染物几乎相当.污染物的空间分布反映了各站周围排放源的特点,上甸子站位于相对清洁、人口密度较小的农村地区,所以CO、NOx、SO2最低,O3最高;O3与其他主要污染物空间分布特征与So等[9]在香港的观测结果类似.

表1 固城、培训中心、上甸子站气态污染物观测期间(2008.06～2009.05)O3及其前体物平均值(±σ)Table 1 Averages (±σ) of major air pollutants at GCH, CMA and SDZ from June, 2008 to May, 2009

由图3可见,受局地O3前体物的光化学反应以及大气输送的影响,3个站点O3季节变化趋势类似,基本都是夏季高、冬季底.夏季O3浓度的波动最大、冬季则最小,夏季在太阳辐射强,前体物较多的情况下,光化学反应强烈,将产生较多O3[6-9,11],使其浓度升高,但是当光照或前体物缺少时,或气象条件利于大气扩散,则会导致 O3浓度迅速降低,O3浓度冬季波动要比夏季大很多;各站在春、夏、秋季O3峰值出现时刻接近,可能是所选 3个站点地理位置分布与华北北部大气污染物西南输送通道比较吻合,加之 3站局地风向都是白天盛行西南风,晚上为东北风,所以输送对3站O3以及前体物的影响不容忽视[6,8,15,21,25].3个站点之间O3季节变化的差异主要体现在其浓度水平上,相对清洁的上甸子站O3浓度最高、固城站次之、培训中心站最低.

2.1.2 O3频谱分布 基于O3小时平均值统计各站不同浓度 O3的出现频度,浓度间隔为2×10-9,结果见图4.由图4可见,上甸子站O3在30×10-9～40×10-9之间出现的频率最高,上甸子与王会祥等[17]报道的浙江临安本底站、上海佘山站类似;固城站和培训中心站 O3呈指数衰减分布特点,O3浓度大多出现在 0～10×10-9的低值区.而王会祥等[17]报道的江苏句容和浙江嘉兴站属于此类型.从站点曲线分布差异可以看出,全年固城和培训中心站O3浓度要低于上甸子站.上甸子站和培训中心站全年O3小时均值超过国家一级标准为6.5%,固城站为4.7%.

2.2 三站近地面O3的日变化和季节变化

2.2.1 日变化 作为大气光化学反应产物,O3浓度高低与天气条件的关系极为密切,有着典型的日变化规律[11-19],其中,太阳辐射强度是 O3浓度日变化程度的关键因素.

图5给出了不同季节3个站O3的平均日变化.不同季节O3的日较差和浓度水平在3个站点具有相似的变化趋势,表现为夏季最大、最高,春季大于秋季,冬季最小、最低.这种季节变化特点与很多文献[9,19]类似,其可能原因是:在夏季,太阳辐射较强,光化学反应剧烈,混合层高度高,大气很容易混合均匀,并且上述特点昼、夜差异明显;冬季与夏季的大气状况恰好相反,混合层高度低,静稳天气增多,地面大气污染物不易扩散从而聚集到地表,加之温度低,太阳辐射、光化学反应弱,而且冬季昼夜差异小于其他季节;3个站点春季O3高于秋季的可能原因是,春季北半球对流层背景值较高,此外,北京及周边区域受季风的影响,使得秋季阴雨天气过程明显多于春季,导致其光化学反应弱于春季.由图5可见,3个站点之间O3日变化既类似,也存在一定的差异,主要体现在 3个站点同一季节O3峰值出现时间、日较差幅度以及浓度水平方面.在不考虑各站太阳辐射强度差异的情况下,白天大气输送可能是造成站点之间峰值错位的原因[10,24].3站同一季节O3日较差表现为,培训中心冬季日较差最小,夏季最大,固城站和上甸子站相当;浓度水平则是,上甸子站最高,固城站次之,培训中心站最低.

图3 观测期间(2008-06-01～2009-05-31)上甸子、固城、培训中心站O3小时均值时间序列Fig.3 The time series of hourly averages of O3 concentrations at SDZ, GCH and CMA during the observation period

图4 观测期间(2008-06-01～2009-05-31)上甸子、固城、培训中心站O3小时均值频谱分布Fig.4 Frequency distributions of hourly average values of O3 at SDZ, CMA,and GCH from June,2008 to May,2009

图5 不同季节上甸子、固城、培训中心站的日变化Fig.5 Diurnal variations of ozone concentrations at GCH, CMA, and SDZ in different seasons

图6 上甸子、固城、培训中心站O3月变化Fig.6 The monthly statistics of (O3 average ±σ) at GCH,CMA, and SDZ

2.2.2 季节变化 图6给出了3个站点O3月平均及标准偏差的变化.各站O3季节变化趋势相似.气温和太阳辐射的季节差异会导致冬季浓度最低,夏季最高.各月的标准偏差显示,夏季离散程度最大,冬季最小,与 O3日变化的季节差异有关.从图6中可以看出,上甸子O3最大值出现在6月份[(63±27)×10-9],最小值出现在 12 月份[(19±12)×10-9];培训中心站则是最大值出现在 7月份[(51±32)×10-9],而11、12、1、2、3月O3均在10×10-9左右,其中2月O3处于全年最低;固城站与培训中心站的逐月变化特点类似,最大值也出现在 7月份[(48±26)×10-9],11、12、1、2 月 O3均在 13×10-9左右,其中2月O3全年最低.固城站冬季O3浓度整体高于培训中心站.位于清洁地区的上甸子站O3逐月浓度均高于固城站和培训中心站,一方面可能是城市以及人口密集的农村地区 NO浓度较高(表1),抑制了O3的积累,而本底地区NOx和VOC的比值更适合O3的生成[24],另一方面,受东亚夏季风的影响,上甸子站在夏季刚好处于北京城区的下风向,有利于接受来自城区的O3前体物及其输送过程中产生的O3,而冬季情况则刚好相反,盛行风向转变为东北风,上甸子更多地受较为清洁的气团控制,O3的化学损耗降低[8,10,25].北京

城区与河北固城冬季O3浓度变化微小的原因可能是,冬季其前体物排放、太阳辐射以及光化学损耗差异较小,北方冬季静稳天气频繁出现,不利于O3以及前体物的扩散.

2.3 近地面O3的影响因素

2.3.1 O3与一次污染物及气象因子的相关关系 表 2是基于各站气态污染物与气象数据小时均值计算得到的相关系数.由表2可知,各站O3与 NO、NO2、NOx、RH 呈负相关,与温度、风速(WS)等呈正相关.冬季 O3与 NO、NO2、NOx相关性要好于夏季,而O3与温度以及相对湿度的相关性则是夏季好于冬季.值得关注的是,O3与CO、SO2在夏季呈正相关,冬季呈负相关.培训中心站的O3和风速相关性的冬夏差异最明显,表明在夏季城区 O3水平和垂直方向混合比较均匀,受风速的影响较小,而冬季由于O3浓度平均值低于10×10-9,局地气流的扰动就显得比较重要.从3个站点 O3与风速冬季和夏季的正相关以及 O3与SO2、CO冬、夏季的差异可以看出,各站周边排放源和大气扩散能力以及大气输送等的季节变化对气态污染物之间关系的影响.培训中心站与固城站O3与SO2、CO相关性在冬季和夏季的巨大差异,间接反映了在2008年夏季为保证奥运会的成功举办对北京及其周边地区的排放控制做了卓有成效的努力,当然夏季的光化学消耗对 气态污染物CO、SO2等的影响也很重要.

表2 夏季和冬季上甸子、固城、培训中心站O3与其他污染物及气象因子的相关关系Table2 Correlation coefficients (R) between O3 and other pollutants and meteorological parameters at GCH, CMA, and SDZ in winter (DJF) and summer (JJA)

2.3.2 O3与局地风的关系 大气扩散理论和实践研究表明,风既能输送污染物,又能使污染物与空气混合降低浓度,因而风对污染物浓度变化起很大作用,是大气污染研究中必须关注的因子.虽然站点的地面风向并不能完全反映区域大气的运动特点,只能提供局地瞬时气流来向,但是结合污染物观测数据进行统计,也能得出一些大气输送的信息.图7为3站O3平均浓度随风向的变化情况.当风向为偏南或西南时,3站O3浓度均高于其他方位;当风向为东北时,O3低于其他方位.本文局地风对O3的输送特征与Lin等[8,25]和Meng等[10]利用气团轨迹模式得出的区域输送对固城和上甸子站O3的影响较为一致.

图7 上甸子、固城、培训中心站O3风向分布Fig.7 Dependence of O3 at GCH, CMA, and SDZ on wind direction

3 结论

3.1 观测期间(2008-06-01-2009-05-31)固城、培训中心、上甸子站气态污染物的年平均值显示,位于北京远郊上甸子的O3浓度处于最高水平,位于北京城区的中国气象局培训中心站次之,位于河北农村的固城站稍低于培训中心站.一次污染物与O3的站点分布特点相反.

3.2 上甸子站 O3在 30×10-9～40×10-9之间的浓度出现的频率最高,河北固城站和中国气象局培训中心站O3呈指数衰减分布特点,浓度大多出现在 0～10×10-9范围内.全年 O3小时均值超过国家一级标准的情况是,上甸子站和培训中心站为6.5%,固城站为4.7%.

3.3 各站O3的日变化曲线走势大致相同,不同季节O3日较差和浓度水平在3个站点具有相似的变化趋势,表现为夏季最大、最高,春季大于秋季,冬季最小、最低.各站同一季节O3峰值出现时间、日变化幅度以及浓度水平方面存在一定差异.

3.4 上甸子站 O3最大和最小值月平均值分别出现在6月和12月份,而培训中心站和固城站的最大和最小值都分别出现在7月和2月份.后2个站点可能由于较高的NO浓度使得冬春季节O3均处于持续低值.

3.5 各站O3与NO、NO2、NOx、RH呈负相关;与温度、风速等呈正相关.冬季O3与NO、NO2、NOx相关性好于夏季,而O3与温度及相对湿度的相关性则是夏季好于冬季.值得关注的是,O3与CO、SO2在夏季呈正相关,冬季呈负相关.O3与风速的相关性冬、夏季差异最明显的是培训中心站,3个站点O3与风速的正相关,以及O3与SO2、CO相关关系冬、夏季的差异均间接反映了大气输送对各站O3影响的程度.这种影响在夏季明显强于冬季,在上甸子站强于其他2个站点.

3.6 三个站的地理位置与盛行风向大致相同,为东北风和西南风.3站O3风向玫瑰图显示,当风向为偏南时,O3高于其他方位;当风向为东北时,O3最低或次之.

[1]Pochanart P, Akimoto H, Kinjo Y, et al. Surface ozone at four remote island sites and the preliminary assessment of the exceedances of its critical level in Japan [J]. Atmospheric Environment, 2002,36:4235-4250.

[2]Debaje S B, Jeyakumar S J, Ganesan K, et al. Surface ozone measurements at tropical rural coastal station Tranquebar, India[J]. Atmospheric Environment, 2003,37:4911-4916.

[3]Bronnimann S, Buchmann B, Wanner H. Trends in near-surface ozone concentrations in Switzerland: the 1990s [J]. Atmospheric Environment, 2002,36:2841-2852.

[4]Chou C C-K, Liu S C, Lin C-Y, et al. The trend of surface ozone in Taipei, Taiwan, and its causes: Implications for ozone control strategies [J]. Atmospheric Environment, 2006,40:3898-3908.

[5]Lam K S, Wang T, Wu C L, et al. Study on an ozone episode in hot season in Hong Kong and transboundary air pollution over Pearl River Delta region of China [J]. Atmospheric Environment,2005,39:1967-1977.

[6]Xu X, Lin W, Wang T, et al. Long-term trend of surface ozone at a regional background station in eastern China 1991–2006:enhanced variability [J]. Atmos. Chem.Phys., 2008,8:2595-2607.

[7]Gao J, Wang T, Ding A, et al. Observational study of ozone and carbon monoxide at the summit of mount Tai (1534m a.s.l.) in central-eastern China [J]. Atmospheric Environment, 2005,39:4779-4791.

[8]Lin W, Xu X, Ge B, et al. Characteristics of gaseous pollutants at Gucheng, a rural site southwest of Beijing [J]. Journal of Geophysical Research, 2009, 114:D00G14, doi:10.1029/ 2008JD-010339.

[9]So K L, Wang T. On the local and regional influence on ground-level ozone concentrations in Hong Kong [J].Environmental Pollution, 2003,123:307-317.

[10]Meng Z Y, Xu X B, Tang J, et al. Characteristics of trace gaseous pollutants at a regional background station in Northern China [J].Atmospheric Chemistry Physics, 2009,9:927-936.

[11]王雪梅,韩志伟,雷孝恩.广州地区臭氧浓度变化规律研究 [J].中山大学学报, 2003,42(4):106-109.

[12]殷永泉,李昌梅,马桂霞,等.城市臭氧浓度分布特征 [J]. 环境科学, 2004,25(6):16-20.

[13]王雪梅,符 春,梁桂雄.城市区域臭氧浓度变化的研究 [J]. 环境科学研究, 2001,14(5):1-3.

[14]丁国安,徐晓斌,罗 超,等.中国大气本底条件下不同地区地面臭氧特征 [J]. 气象学报, 2001,59(1):88-96.

[15]刘 洁,张小玲,张晓春,等.上甸子本底站地面臭氧变化特征及影响因素 [J]. 环境科学研究, 2006,19(4):19-25.

[16]徐晓斌,丁国安,李兴生,等.龙凤山大气近地层O3浓度变化及与其它因素的关系 [J]. 气象学报, 1998,56(5):560-571.

[17]王会祥,唐孝炎,王木林,等.长江三角洲痕量气态污染物的时空分布特征 [J]. 中国科学(D辑), 2003,33(2):114-118.

[18]李 昕,安俊琳,王跃思,等.北京气象塔夏季大气臭氧观测研究[J]. 中国环境科学, 2003,23(4):353-357.

[19]安俊琳,王跃思,李 昕,等.北京大气中SO2、NOx、CO 和O3体积分数变化分析 [J]. 生态环境, 2007,16(6):1585-1589.

[20]安俊琳,王跃思,李 昕,等.北京大气中NO、NO2和O3浓度变化的相关性分析 [J]. 环境科学, 2007,28(4):707-711.

[21]刘 洁,张小玲,张晓春,等.上甸子本底站地面臭氧变化特征及影响因素 [J]. 环境科学研究, 2006,19(4):707-711.

[22]徐 敬,张小玲,刘 洁,等.生物质燃烧对清洁地区地面 O3含量的影响 [J]. 气候与环境研究, 2008,13(6):776-781.

[23]杨关盈,樊曙先,汤 洁,等.临安近地面臭氧变化特征分析 [J].环境科学研究, 2008,21(3):34-38.

[24]刘 洁,张小玲,徐晓峰,等.北京地区 SO2、NOx、O3和PM2.5变化特征的城郊对比分析 [J]. 环境科学, 2008,29(4):1059- 1066.

[25]Lin W, Xu X, Wang T, et al. Contributions of pollutants from North China Plain to surface ozone at the Shangdianzi GAW Station [J]. Atmospheric Chemistry Physics, 2008,8:5889-5898.

致谢：感谢上甸子大气本底站和固城生态与农业气象试验站的工作人员协助现场观测.