城市大气中臭氧产生过程控制因子

樊 婷

（内蒙古自治区生态与农业气象灾害监测预警与人工影响天气中心，内蒙古 呼和浩特 010051）

中国在过去几十年经历了经济的快速增长。许多城市快速扩张，并伴随着人口膨胀，交通超载，工业设施和人为活动增多。经济的发展带来工业化和城市化，空气污染问题日益突出。

做为光化学烟雾的主要成分，人们开始越来越重视起近地层臭氧，大城市和城市群的出现和发展导致在空气质量方面广泛而深刻的影响，这些影响不只限于那些城市本身，而是对一个区域规模的影响，如区域中臭氧浓度在城市、郊区和附近乡村地区之间没有太大区别，这就是臭氧呈现区域污染的特征的具体表现。

1 研究结果

1.1 近地层臭氧浓度变化规律

根据2013年夏季5～8月夏季资料（此数据为2013年夏季5月～8月臭氧及其前体物小时体积分数，完整性大于75%，此外，该光化学污染物数据集在夏季应该具有良好的代表性）得到臭氧及其前体物NO，NO2，NOx的日变化规律，由图1可以看出臭氧前体物NO、NO2、NOx的日变化规律均与臭氧日变化规律呈现几乎相反的模式，即前体物体积分数在清晨出现高值，在白天体积分数水平较低，在中午和下午达到谷值。NOx，NO和NO2的日变化都是单峰型，峰值在早高峰时段。早高峰发生在7点或8点，然后太阳光照射开始发生一系列光化学反应，前体物的体积分数减小，这与O3体积分数的增加很好的吻合。前者在15：00左右达到最低值时，O3达到最大值日最小值出现在清晨6时前后，而在夜间NO使臭氧体积分数减少。一旦夜间逆温层建立，臭氧浓度就没有大的变化，直到逆温层破坏和光化学反应随着日光再次发生。这与目前城市地区典型O3质量浓度日变化规律相一致，这种规律主要受到太阳辐射、温度和臭氧前体物影响，比较各个月份，O3质量浓度日最大值中，由大到小分别是5、6、8、7月。世界各地许多城市市区也观察到了臭氧前体物的相似日变化。这种典型的日变化不仅被排放影响，而且还被当地气象条件影响。边界层高度作为影响污染物扩散的重要气象条件，对污染物浓度的日变化有重要影响。边界层的日变化的特征是在夜间和日出前高度值较低。在夜间地表变得更冷，这促进地表附近较低层分层，并且形成一个 “夜间稳定边界层”。早上的前几个小时，太阳辐射加热了地表，破坏了“夜间稳定边界层”，并制造了“对流混合层”，具有的低层大气湍流涡旋造成了垂直运动，从而提高了混合层的高度。下午刚开始，这层达到其最大值，则对流造成了该层内的最大分散。日落，太阳辐射的减少抑制了对流，表面的冷却再次有利于形成一个“夜间稳定边界层”，此层结在夜间继续发展。

图 1 Ox，O3，NOx，NO，NO2小时变化

1.2 影响近地层层臭氧浓度的因素

图2 为臭氧、温度、湿度、风速日变化图。从图中可以看出自第一天20∶00至第二天7∶00左右，O3体积分数处於低值，且基本保持不变；自7∶00开始体积分数逐渐增加，到 14∶00～16∶00 左右达到最大值。16∶00 以后 O3体积分数又开始减小，臭氧是由前体物经过光照反应生成，因此此变化恰好与太阳辐射变化模式相符。气温、光照、湿度、风速是影响O3产生过程的重要因子，气温和湿度是影响O3生成的热力学因素，而风速则是影响臭氧体积分数的动力学因子，可以携带臭氧从一个地方吹向另一个地方，使两地的臭氧浓度相应的减少和增加，人们可能公认在高温、小风、低湿的天气条件下臭氧浓度最高，但事实上并不是所有的情况都是这样，例如此次在南京夏季的观测中发现0：00到7∶00与17∶00以后臭氧浓度值比稳定，7：00前臭氧浓度值较低且变化不大，日出后臭氧浓度开始逐渐上升，而此时气温逐渐上升，风速逐渐增大，相对湿度逐渐减小，到下午14∶00、15∶00左右气温达到最高，风速此时虽然并不是峰值，但也相对为很高的值，相对湿度达到最低，在这个过程中的高气温，强辐射都是臭氧产生的有利因素，但是此时风速极大，因此说臭氧峰值也未必一定要出现在高温、低湿、小风的气象条件。由于下午湍流输送很强使得臭氧向下输送，再加上以上分析条件使得臭氧浓度机制出现在2：00左右。

图2 臭氧，风速，温度，湿度日变化

2 结语

（1）2013年南京北郊夏季的臭氧小时变化符合一般大城市日变化模式，即夜晚臭氧体积分数较低，上午臭氧体积分数逐渐增大，下午2点左右达到最大值然后逐渐减少，其前体物与臭氧日变化模式基本呈现相反的趋势。臭氧，臭氧前体物氮氧化物（NOx）等平均体积分数皆为从5～7月逐渐降低，8月略有上升，这与南京的梅雨天气密不可分。

（2）南京的温度，湿度变化趋势与臭氧体积分数变化趋势有很好的对应，再次证明了高臭氧浓度需要出现在高温、低湿的天气状况下，但根据臭氧体积分数和风速日变化图，在出现臭氧峰值的时间风速不仅不小而且处于次大值，可分析得到此风向有很强的污染源。根据风玫瑰图在东北方向有一污染源，西北方向有一程度略轻的污染源，西南方向污染程度一般，东南方向有一清洁地区。