青藏高原典型城市拉萨市近地面臭氧污染特征

王彩红，张惠芳，尼霞次仁，李名升

1.西藏自治区环境监测中心站，西藏 拉萨 850000 2.中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012

青藏高原典型城市拉萨市近地面臭氧污染特征

王彩红1，张惠芳1，尼霞次仁1，李名升2

1.西藏自治区环境监测中心站，西藏 拉萨 850000 2.中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012

拉萨市作为青藏高原典型城市，环境空气质量相对较好，但臭氧污染近年来有所凸显。对拉萨市臭氧的现状与污染特征进行分析基础上，探讨臭氧污染的影响因素。结果表明：拉萨市臭氧污染表现出“来得早，去得快”的特征，与内地城市相比，拉萨市臭氧质量浓度在3月即可达到全年平均值(2015年为105 μg/m3)，而9月以后将低于全年平均值，并在春末夏初达到峰值；由于青藏高原海拔高，紫外线强，相对内陆地区臭氧均值偏高，2015年拉萨市臭氧年均值比北京市和成都市分别高出7.7%、29.0%，其小时浓度变化呈中午高、早晚低的特征；拉萨市臭氧的浓度变化受空气湿度、日照时间和日均气温的影响；生物质燃料的跨界传输可能也对青藏高原地区臭氧的来源产生一定影响。

拉萨；臭氧；气象因素；污染特征

青藏高原地处我国西南地区，是地球的“第三极”，具有海拔高、紫外线强、生态环境脆弱等特点，其气候环境的变化可能会引起一系列全球性气候环境问题[1-2]。随着工业和城市化进程的加快，我国的环境污染问题也进入到复合型污染时代[3-4]，青藏高原地区的环境问题也日益凸显，尤其是臭氧(O3)污染问题，显现出与内陆城市不同的特征，O3已经成为影响高原地区环境空气质量的主要因子之一。

我国对O3的研究较晚，且主要停留在对经济发达城市和本底地区的研究[5-11]，青藏高原地区O3变化的研究也仅局限于对流层上部及平流层O3的监测与分析[12-14]，对近地面O3变化的研究相对较少。本文利用全国环境空气质量实时发布平台的实时发布数据，对拉萨市O3的现状与污染特征进行分析，以期对认识青藏高原城市O3污染提供借鉴。

1 实验部分

1.1数据来源及站点分布

拉萨市现有6个国控城市环境空气自动监测子站，监测数据均同步发布于“全国环境空气质量实时发布平台”。本文所涉及到的二氧化硫(SO2)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、氮氧化物(NOx)、可吸入颗粒物(PM10)、一氧化碳(CO)、O3和细颗粒物(PM2.5)数据均来源于此。

气象数据采用中国气象科学数据共享服务网中的观测台站数据。

1.2分析方法

城市环境空气质量日评价、年评价主要依据《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)[15]和《环境空气质量指数(AQI)技术规定》(试行)(HJ 633—2012)[16]。

2 结果与讨论

2.1O3污染状况

2.1.1 超标情况

2013—2016年，拉萨市O3日最大8 h滑动平均值(O3-8 h)超过《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)二级标准限值的天数分别为17、6、9、20 d，呈现出逐年增多的趋势(除2013年)，其中以O3为首要污染物的超标天数占全年超标天数的比例为35.8%～70%，对拉萨市环境空气质量的影响明显。根据数据统计，拉萨市以O3为首要污染物的天数中环境空气质量均为轻度污染(除2013年)，且O3第90百分位O3-8 h均低于二级标准限值(图1)。

2.1.2 月度变化分析

根据对2013—2016年拉萨市O3数据的分析发现，拉萨市O3超标现象主要集中在4—7月。近年来拉萨市春季O3的超标天数有增加趋势，分析发现O3也是影响拉萨市夏季环境空气质量的主要污染物。图2为2013年以来O3月均浓度及第90百分位O3-8 h变化图，可以更直观地显示拉萨市O3浓度随季节的变化规律。从图2可以明显看出，拉萨市O3浓度在每年4月开始明显升高，5月持续升高；6、7月随着雨季的到来，O3浓度呈相对降低的趋势，但与其他季节相比，拉萨市春、夏季O3浓度总体呈现出较高的现象。

图1 2013—2016年拉萨市第90百分位O3-8 h及O3超标天数比例Fig.1 The changes of the 90th percentile of daily maximum 8 hour ozone average concentration and the number of days with O3 concentration non-attainment in Lhasa from 2013 to 2016

图2 2013—2016年拉萨市O3月均值与第90百分位O3-8 hFig.2 The changes of the 90th percentile of daily and monthly maximum 8 hour ozone average concentration in Lhasa from 2013 to 2016

2.1.3 拉萨市O3污染与其他地区的比较

为分析拉萨市O3污染与其他地区污染状况的异同，利用2015年全国环境空气监测网监测数据对拉萨、北京、上海和青藏高原城市进行比较，可以得出：

1)拉萨市O3污染的时间差异相对较小(图3)。从季节变化看，虽然拉萨市O3也呈现春、夏季污染较重，秋、冬季较轻的特征，但拉萨市O3污染最重月份浓度值是污染最轻月份的1.68倍，而北京、上海、广州和成都该值分别为7.17、2.67、3.49、5.78倍；即使海拔较高的昆明、西宁，这一数值也分别为2.01、3.06倍；从全年变化看，拉萨市O3-8 h变异系数仅为0.234，说明数据分布较为集中在平均值附近。

图3 2015年拉萨市与其他地区第90百分位O3-8 hFig.3 The changes of the 90th percentile of daily maximum 8 hour ozone average concentration between Lhasa and other areas in 2015

2)拉萨市O3-8 h呈两头尖、中间粗的纺锤形分布。拉萨市O3超标天数较少，但优于一级标准的天数比例也相对较少，分布在100～160 μg/m3的天数占42.6%，比北京高21.2个百分点(图4)。

3)拉萨市O3污染“来得早，去得快”。经统计分析，3月拉萨市O3浓度即可达到全年平均值，而此时北京和上海分别达到该地区全年均值的86.2%和97.6%。9月以后，拉萨市O3浓度就会低于全年平均值，而全国大部分城市普遍在11月以后才会低于该地区全年平均值。

4)青藏高原地区O3污染具有与拉萨市相似的特征。青藏高原城市虽然O3污染程度与拉萨市有所差异，但时间变化趋势、浓度分布区间等与拉萨具有相似特征，也存在平均浓度高但超标天数少的现象。且青海省海南、海西、海北3个藏族自治州无论O3浓度还是超标天数均高于拉萨市，果洛州O3浓度也高于拉萨市。

图4 2015年拉萨市与北京市O3-8 h分布图Fig.4 The distributions of the 90th percentile of daily maximum 8 hour ozone average concentration between Lhasa and Beijing in 2015

2.2相关性分析

2.2.1 O3与CO、NOx间相关性分析

以2016年4月28日(4月28日拉萨市O3-8 h为全年最大值)09:00—21:00(日照时间)拉萨市区监测站小时平均浓度数据为例，将NOx、CO分别与O3进行相关性分析，结果见图5。

图5 O3与NOx、CO小时浓度变化相关性Fig.5 The relationship of per hour concentration between O3 and NOx(NO,NO2)

从图5可见，O3与NOx和CO均呈负相关(图5)，即随着NOx和CO含量的降低，拉萨市O3浓度升高。说明拉萨市夏季大气环境中O3浓度的升高与NOx、CO参与光化学反应有关。大气中NOx、CO浓度越高，光化学反应速率越快，产生的O3浓度越高。

2.2.2 机动车保有量与NO2间相关性分析

拉萨市NOx的来源主要有机动车尾气排放、工业源排放和生活源排放，据统计，汽车尾气的排放是拉萨市NOx来源的主要部分，占其总量的84.8%(2014年统计数据)。通过相关性分析可知，拉萨市机动车保有量与NOx浓度呈正比(以2010—2015年监测数据为准)，即随着拉萨市机动车保有量的持续增长，大气中NOx含量也随之增高。

另外，拉萨部分机动车使用液化石油气，尾气排放中含有大量丙烷、丙烯、乙烷等小分子烯烃。同时,由于区域文化因素，市区庙宇焚香过程也会排放大量芳香烃，这些都是O3生成的重要前体物。

综上所述，拉萨市O3浓度在春、夏季明显高于其他季节，且中午至下午浓度明显较高。说明在午后太阳光照强烈的条件下，部分NOx参与光化学反应产生O3，造成拉萨市O3浓度的升高。但由于缺乏实际监测数据，尚不好判断VOCs成分在O3生成过程中相对于NOx和CO的重要性。

2.3影响因素分析

2.3.1 光化学反应对拉萨市O3浓度的影响

根据光化学反应机理，VOCs、NOx、CO等均为光化学反应前体物，尤其在夏季光照强烈的情况下，更加速了光化学反应的进行。

2.3.1.1 O3与NOx间的关系

拉萨市第90百分位O3-8 h和NOx的变化基本呈此消彼长的关系(图6)，春末夏初随着O3浓度的升高，NOx浓度呈相对下降趋势；在冬季，O3浓度降低，而NOx浓度明显升高。

图6 2013—2016年拉萨市第90百分位O3-8 h和NOx的变化Fig.6 The changes of the 90th percentile of daily maximum 8 hour ozone average concentration and the monthly average concentration of NOx in Lhasa from 2013 to 2016

以2016年拉萨市O3-8 h与NOx日均浓度为例(图7)，可明显反映出两者之间此消彼长的变化关系。

图7 2016年拉萨市O3-8 h与NOx日均浓度Fig.7 The changes of the 90th percentile of daily maximum 8 hour ozone average concentration and the daily average concentration of NOx in Lhasa in 2016

以2016年4月28日为例，分析NOx与O3小时浓度的关系，结果见图8。从图8可以看出，在近地面，O3浓度在正午直至傍晚时最高，凌晨浓度较低，而NOx浓度呈相反趋势。

2.3.1.2 O3与CO间关系

拉萨市第90百分位O3-8 h和第95百分位CO日均值间的变化也基本呈此消彼长的关系(图9)，春末夏初随着O3浓度的升高，CO浓度呈相对下降趋势；而在冬季，O3浓度降低，CO浓度明显升高。

图8 2016年4月28日区监测站NOx和O3小时浓度Fig.8 The changes of per hour concentration of O3 and NOx in the monitoring station of April 28, 2016

图9 2013—2016年拉萨市第90百分位O3-8 h和第95百分位CO日均值Fig.9 The changes of the 90th percentile of daily maximum 8 hour ozone average concentration and the 95th percentile of daily CO average concentration in Lhasa from 2013 to 2016

以2016年拉萨市O3-8 h与CO日均浓度为

例(图10)，进一步反映出两者之间此消彼长的变化关系。

对O3与CO浓度变化进一步分析，发现近地面O3浓度的变化与CO浓度变化也呈相反趋势(图11)。

2.3.2 气象因素对O3浓度的影响

气象因素对O3浓度影响明显，高温、低湿有利于光化学反应的进行。根据2015年监测数据将气象因素与O3之间的关系绘图，图中O3标准以世界卫生组织的推荐标准为准(100 μg/m3)。从图12可以看出，拉萨O3超标现象主要发生在温度较高的天气情况下，当温度低于0 ℃时，基本不会出现超标现象，而当日均温度大于10 ℃时，O3超标率将在60%以上。

图10 2016年拉萨市O3-8 h与CO日均浓度Fig.10 The changes of the 90th percentile of daily maximum 8 hour ozone average concentration and the daily average concentration of CO in Lhasa in 2016

随着日照时间的延长，O3浓度和超标率基本呈上升趋势(图13)，但当日照时间为2～4 h时，其浓度和超标率较高，原因有待进一步研究。

相对湿度与O3污染呈“倒U型”关系，即随着相对湿度的增加O3污染加重，但当相对湿度大于70%时，污染反而会变轻(图14)。

综上所述，拉萨市在5—7月日照强烈，由于高温、低湿的气象环境，在高紫外线(UV)强度作用下，促进了光化学反应的进行，加速了NO2的分解，造成O3浓度升高，NOx浓度随之降低。

图11 2016年4月28日区监测站CO和O3浓度小时变化Fig.11 The changes of per hour concentration of O3and CO in the monitoring station of April 28, 2016

图12 2015年拉萨市不同气温条件下O3超标率和质量浓度均值Fig.12 O3 non-attainment rate and average concentration under different temperatures in Lhasa in 2015

图13 2015年拉萨市不同日照时数条件下O3超标率和浓度均值Fig.13 O3 non-attainment rate and average concentration under different sunshine hours in Lhasa in 2015

2.3.3 平流层O3对对流层O3浓度的影响

根据青藏高原气象学已有研究结果，夏季青藏高原上空被南亚高压所控制，高压内基本是对流活动。周秀骥等[17]在1995年对青藏高原上空O3含量变化的研究中指出，6—9月在青藏高原上空出现了明显的O3总量低值现象，青藏高原夏季可能是东亚地区对流层下部污染物向平流层输送的一个重要通道。丛春华等[18]在2001年对该结论进行证明并指出：每年夏季青藏高原及高原东南部与南侧的孟加拉湾北部上空为对流层大气穿越对流层顶向平流层输送的通道。但陈闯等[19]在研究中又发现，青藏高原对流层上层的强反气旋系统，特别是中高纬度阻塞高压的边缘有明显的平流层空气向对流层入侵，从而导致对流层内O3浓度的增加。

图14 2015年拉萨市不同相对湿度条件下O3超标率和浓度均值Fig.14 O3 non-attainment rate and average concentration under different relative humidity in Lhasa in 2015

O3在对流层与平流层之间的交换受多重气象因素的影响，且目前大多数研究都集中于对青藏高原上空O3含量的变化，而对近地面O3含量变化的研究较少。大气中O3含量的变化不仅受大气环境中物化作用的影响，同时还受动力作用的影响，拉萨市O3浓度的升高可能与平流层O3向对流层的输送有关。

近年来，在珠峰南坡和北坡的大气环境观测研究发现了南亚地区生物质燃烧的跨境传输影响，尤其是春季更为明显[20]，这有可能是拉萨春季O3出现高值的原因之一，有待进一步研究。

3 结论

拉萨市O3污染并不乐观，虽然超标天数少，但年平均浓度较高，若按照世界卫生组织的推荐标准，拉萨超标天数将大大增加。通过对拉萨市O3浓度升高的原因进行分析，可得出结论：

1)拉萨地区紫外辐射强烈，大气环境中O3的本底浓度值较高。

2)与内陆城市相比，拉萨市O3均值偏高，尤其在春末夏初季节表现出高值，其小时浓度呈现出正午高、早晚低的特征。

3)由于区域排放的O3前体物不断增加，近年来青藏高原大气中O3浓度呈现出升高趋势；同时，平流层折叠导致O3向对流层渗透与输送及南亚生物质燃烧的跨境传输也可能是造成拉萨市O3浓度偏高的原因。

由于缺乏重要前体物VOCs的监测数据和大气化学传输模式评估，目前还不能准确量化各影响因素对拉萨高浓度O3的各自贡献。建议以后在对青藏高原城市和背景地区O3前体物同步测量的基础上，利用嵌套网格的大气化学和传输模式开展O3来源解析和形成机理研究，区分并量化紫外辐射、局地光化学、平流层输送和跨境传输在拉萨臭氧高污染阶段的各自贡献。

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ThePollutionCharacteristicsofSurfaceOzoneinLhasa-TypicalCityovertheTibetanPlateau

WANG Caihong1, ZHANG Huifang1, NIXIA Ciren1, LI Mingsheng2

1.Environmental Monitoring Center of Tibet, Lhasa 850000, China 2.State Environmental Protection Key Laboratory of Quality Control in Environmental Monitoring, China National Environmental Monitoring Centre, Beijing 100012, China

As a typical city of the Tibetan plateau, the ambient air quality of Lhasa is better than inland cities, but the pollution of ozone has become more and more serious in recent years. The contributory factors of local ozone pollution were discussed based on its current situation and the characteristics. Results showed that:Compared with inland cities, the ozone concentration reached the annual average(105 μg/m3in 2015) in March and below the annual average valueafter Septemberwith the characteristic of coming early and disappearing quickly, and the peak values of ozone concentration appeared likely in the ending of spring and the beginning of summer in Lhasa.The hourly concentration of ozone at noon was higher than it in the morning and night. Because of the high altitude and strong UV in the Tibetan plateau, the mean values of ozone in Lhasa was higher comparing to that in inland areas. The mean value of ozone in Lhasa is higher than Beijing and Chengdu at 7.7% and 29.0%.The change of ozone concentration was influenced by air humidity, sunshine time and temperature in Lhasa.The cross-boundary transmission of biomass flue may also contribute as one of the sources of ozone in Tibetan plateau.

Lhasa; ozone; meteorological factor; pollution characteristics

X823

：A

：1002-6002(2017)04- 0159- 08

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.04.20

2017-03-16;

：2017-05-09

国家自然科学基金资助项目(41601608)

王彩红(1987-)，女，甘肃天水人，硕士，助理工程师。

李名升