四川省海螺沟区域臭氧本底特征分析

刘培川，陈建文，张 巍，杜云松，廖乾邑

(四川省生态环境监测总站，成都 610091)

1 引 言

大气环境臭氧污染问题日益受到国家的重视，近年来城市和郊区近地面臭氧浓度大幅度增加,臭氧污染已经成为夏季遏制环境空气质量改善的首要污染物。我国从2012年开始，相继在城市开展了臭氧监测工作并纳入日空气质量评价，相关学者开展了一系列的臭氧监测研究，但主要集中在污染较重的发达地区，而对大气本底或干洁的背景区研究较少[1～5]。为获取O3在背景地区的污染水平资料和时间变化趋势，生态环境部专项开展了我国背景区域的臭氧监测工作。本研究基于海螺沟国家大气背景站观测，该背景站所在区域处于贡嘎山主峰区东坡的冰蚀河谷西北部，该区北部斜接北东向龙门山，西北依青藏高原，南邻南北向横断山系，东面是四川盆地，西缘大小凉山北部，北部北东向为高大山系，文章详细分析了以海螺沟为代表的青藏高原过渡带臭氧浓度水平，并同四川省腹地城市成都的臭氧浓度水平和特征进行比较，探讨影响臭氧浓度时空变化的因素，以期为后续大气臭氧研究污染控制提供参考依据。

2 监测和数据来源

2.1 观测点位及时间

海螺沟国家大气背景站位于四川省甘孜州海螺沟冰川风景区索道上站，处于保护区范围的最高处，地理坐标：东经101°58′13″，北纬29°32′59″，海拔高度3 571m。成都市臭氧监测数据来源于成都市7个国控城市环境空气自动监测评价子站。具体点位图见图1，监测时间为2013年1月1日～2017年1月1日。

图1 国家大气背景站与成都市城市监测点位Fig.1 National atmospheric background and Chengdu city monitoring station

2.2 监测仪器

采用TECO 49 型( 美国Thermo Electron Co. )紫外吸收式臭氧分析仪, 仪器最低检测限和精度均为2×10-9, 基线漂移率<0.5%/月，95%响应时间<20s。

3 结果与讨论

3.1 海螺沟背景区域与城市臭氧浓度比较

3.1.1 年际变化特征

海螺沟背景区域地面O3具有准周期季节波动,存在明显的季节变化。2013～2017 年O3浓度基本保持稳定。从图2来看，多年(O3-1h)平均浓度为71μg/m3，(O3-8h)平均浓度为80μg/m3；2017年年平均值最高，为75μg/m3(O3-1h)，85μg/m3(O3-8h)。成都市(O3-8h)平均浓度为165μg/m3，同比背景区域O3，成都市高106%；近年来O3的变化趋势，背景区域与城市也存在大的差异，背景区域O3浓度未见明显增长，而成都城市臭氧呈上升趋势，且年峰值不断增加。

图2 海螺沟地区地面、成都市城市O3年际变化Fig.2 Interannual variation of O3 in the Hailuogou area and Chengdu urban area

从图3、图4看出，海螺沟背景区域地面O3小时浓度和8h滑动平均的年度均值和第50百分位相差在正负2μg/m3，说明海螺沟背景区域地面O3浓度分布相对均匀，且90百分位浓度约为最大浓度的90%，说明高值部分占比相对较小。而成都市平均浓度、百分位浓度图来看，最小值与最大值跨度达200μg/m3，50百分位浓度值均比平均浓度值小20μg/m3，说明城市低浓度臭氧区域占比较大对年均值贡献小，而90百分位浓度约为最大浓度的80%，城市区域高浓度O3值占比较小，但是对年均值贡献大。总体来说，城市O3低、高浓度两极分化严重，说明O3消耗和O3生成反应程度非常大，生成O3的前体污染物浓度高[6～9]。

图3 海螺沟背景区域地面O3(8h)浓度水平Fig.3 Ground level ozone (8h) concentration levels in Hailuogou area

图4 成都市地面O3(8h)浓度水平Fig.4 Ground level ozone (8h) concentration levels in Chengdu

3.1.2 季节变化

海螺沟背景区域地面O3月均浓度范围为43～103μg/m3,成都市O3月浓度范围为27～173μg/m3；城市(成都市)O3季节变化呈夏>春 >秋>冬，浓度波动跨度约为背景区域O3浓度波动跨度的两倍，详见图5、图6。分析其原因，一是背景区域消耗O3的污染物较之城市来说非常低，所以O3向高浓度发展的动力有限；二是城市低层大气NOX、NMHC、CO、VOC 等O3前体物的排放对城市大气O3的生成有一定贡献[10-11]。

图5 海螺沟背景区域地面O3季节变化Fig.5 Seasonal variation of ozone in the background station of Hailuogou

图6 成都市O3浓度季节变化Fig.6 Seasonal variation of ozone in Chengdu

3.2 日浓度变化

海螺沟背景区域地面O3日浓度变化范围较小(见图7)，夏季日浓度变化最大(日振幅23.4μg/m3)，秋季次之(日振幅11.1μg/m3)，春季(日振幅8.6μg/m3)和冬季日浓度(日振幅7.1μg/m3)变化微小，春季日浓度水平处于全年最高。夏季O3日浓度从升高到下降时长约13h，秋季跨越时长约11h，这和夏季、秋季日照时间基本一致；夏季浓度升高程度最高，可能与夏季青藏高原受太阳辐射加热作用下形成上升气流，在上升气流抬升下高原周围地区(四川盆地)污染物向高原辐合，高原对流层O3前体物增加，在夏季强烈的日照下，造成日照期间O3浓度高。

海螺沟背景站臭氧在夏季夜间还存在浓度上升的趋势，据前期相关研究，这同海螺沟区域与大气平流层相对更近有关。夜间地面辐射降低，下垫面冷却，大气由下而上降温,在近地面形成逆温层，并逐渐发展成为逆温层结的稳定大气,且夜间海螺沟以下沉气流为主，富含O3的平流层大气注入近地面，致使地面O3具有较高值。

图7 海螺沟日浓度变化时刻图Fig.7 Time chart of daily concentration change of Hailuogou

3.3 海螺沟臭氧背景浓度

2015～2017年，海螺沟区域大气φ( O3)的时间序列如图8所示。利用局部近似回归法对长期观测结果进行背景值筛分析[12～14]，此方法已与国际上的背景观测网所采用方法进行了对比，证实可用于长期观测数据的背景值筛分。期间，共22 397个有效小时φ(O3) 数据中，φ( O3) 背景值出现频率为63.4%，受自然源和人为排放源的影响，φ( O3) 非背景值出现频率为36.6%。由图8可知，海螺沟背景站O3背景值成季节性波动变化，春季浓度水平较高，夏季冬季次之、秋季最低。春季本底为83±5μg/m3，夏季本底值为72.5±5.5μg/m3，冬季本底值为69±5μg/m3，秋季本底值为60±3μg/m3；春季多发“对流层顶折叠”现象及对流层上部高浓度O3通过沉降和平流作用向下输送所造成海螺沟区域地面O3春节浓度水平处于全年最高

图8 海螺沟站大气φ( O3)的时间序列图Fig.8 Continuous monitoring of atmospheric O3 hourly concentration obtained from 2015 to 2017

浓度。相关青藏高原气象的研究表明，在极锋急流的作用下，与高空锋生、切断低压等天气动力过程联系密切的对流层顶折叠常引发平流层对流层交换，这种以富含O3的平流层空气下传为主的交换是中纬地区春季对流层O3增加的重要源。夏季O3浓度在全年浓度水平排第二位，这可能与夏季青藏高原辐散、辐合气流等动力机制及较弱的光化学反应有关。

4 结 论

4.1 2013～2017年海螺沟背景区域(O3-1h)平均浓度为71μg/m3,(O3-8h)平均浓度为80μg/m3，成都市(O3-8h)平均浓度为165μg/m3，成都市高出海螺沟背景区域106%。海螺沟地面O3具有准周期季节波动,存在明显的季节变化，2013～2017 年O3浓度基本保持稳定，海螺沟背景区域地面臭氧浓度分布相对均匀。城市臭氧低、高浓度两极分化严重，说明臭氧消耗和臭氧生成反应程度非常大，生成臭氧的前体污染物浓度高。

4.2 海螺沟背景区域O3月均浓度范围为43～103μg/m3,成都市O3月均浓度范围为27～173μg/m3；城市O3浓度波动跨度约为背景区域O3浓度波动跨度的两倍。

4.3 海螺沟背景站O3日浓度变化范围较小，夏季日振幅23.4μg/m3，秋季日振幅11.1μg/m3，春夏季日振幅8.6μg/m3，冬季日振幅7.1μg/m3。

4.4 利用局部近似回归法对长期观测结果进行背景值筛分析。春季本底为83±5μg/m3，夏季本底值为72.5±5.5μg/m3，冬季本底值为69±5μg/m3，秋季本底值为60±3μg/m3。