贵州省城市臭氧时空分布特征研究

黄 玺 王永红* 王 琴 张春晖 钟敏文 徐 徐 赵晓韵 刘 群 高兰兰 王德贤 罗 皓 陈 龙 余 杨 周 婷

(1.贵州省环境科学研究设计院，贵阳 550081；2.贵阳市空气质量预测预警中心，贵阳 550002；3.贵州省环境监测中心站，贵阳 550081；4.贵州众蓝科技有限公司，贵阳 550081；5.贵州省环境监控中心，贵阳 550081)

臭氧对人体健康和生态环境都会造成影响，高浓度臭氧能够刺激人体呼吸道粘膜，造成呼吸加速、胸闷等[1]，能够加剧心脑血管疾病的发病率[2]，高浓度臭氧还会造成植物叶片坏死、导致农作物减产等[3]。研究显示，全球的臭氧背景浓度逐年升高，北半球中纬度地区的臭氧年增长速率在1%左右[4]，我国西部山区瓦里关全球臭氧背景站点浓度增长速率约为0.2～0.3 ppbv/yr[5]，我国华北平原泰山站点夏季臭氧浓度增长速率为2.2±1.2 ppbv/yr[6]。

近年来，随着臭氧逐渐进入城市大气污染的主要污染物行列，人们对城市臭氧污染的关注日益提高。贵州省的城市臭氧污染形势从无到有，污染城市从少到多，污染程度也从小到大。为了摸清城市臭氧污染的规律，把握臭氧污染的来源和传输情况，有效地进行城市空气臭氧污染预测预警和预防治理，贵州省有关大气环境污染研究的单位在贵州省生态环境厅的大力支持下协同开展了贵州省城市臭氧的时空分布特征的调查研究。

1 贵州省城市臭氧的区域分布特点

1.1 臭氧浓度年变化特征

贵州省2016—2018年臭氧浓度年变化分布见图1。由图1可知，无论臭氧小时浓度的年平均值还是最大8小时浓度值，三年来贵州城市臭氧水平总的说都是中西部多于东部，年际变化不大。造成这一差异的基本原因是贵州省太阳辐射的东西差异，太阳辐射的差异则是地形造成的。由于贵州省地形西高东低，西部处于云贵高原乌蒙山主体，海拔在1 500 m以上，多晴朗天气；东部则经常处于高原东侧斜坡地带的锋面云系影响下，多阴雨天气。这也表明贵州城市空气臭氧来源与太阳辐射驱动的光化学机制有关。贵州省太阳辐射分布见图2[7]，由图2可知，贵州省太阳辐射的年平均总量分布西部比东部多40%以上，这是贵州省臭氧西部高东部低的主要原因；另一原因则是和植被覆盖有关，贵州植被覆盖率东部比西部高，大量研究指出植物的VOCs排放量在空气臭氧光化学前体物中的贡献占比很大。

2016年臭氧浓度

2017年臭氧浓度

2018年臭氧浓度

2016—2018年平均臭氧浓度图1 2016—2018年臭氧浓度年变化分布(左：小时浓度；右：最大8小时浓度)

图2 贵州省太阳辐射分布

同时，一个城市的空气臭氧污染实际上来自种类繁多的源排放综合影响，尤其是在达到臭氧水平超标的污染事例中，往往是多种源的叠加贡献造成了浓度超标；如果只关注受强日照、高气温、低湿度、边界层静风等气象因子影响的光化学机制在晴天下午造成的臭氧污染，那么这种个例在贵州出现并不多；在一些城市，不少高浓度臭氧污染个例是出现在弱光照、低气温、潮湿多雾、边界层大风的夜间[8-10]。也有研究者指出一个区域大气臭氧来自前体物(NOx、VOCs)+光化学过程贡献的不超过50%[11]。贵州省中部臭氧较多的另一个可能的原因是该地区受远距离输送来的雷暴闪电臭氧影响较大[9]。一些城市的空气臭氧还可能来自各种高压放电设施的贡献叠加[12]。从环境监测数据的代表性来看，由于臭氧具有很大的化学活性，在空气中易被分解清除，城市大气监测站点的臭氧监测数据在时间上和空间上的代表性都很有限。所以现有的城市臭氧分布特征的调查研究工作还是粗略的，有较大的局限性。

2 贵州省城市臭氧的季节变化

图3是不同季节贵州城市臭氧的分布，春夏季是全年中臭氧的高浓度季节，其主要原因在于太阳辐射较强和植物生长排放的BVOC较多。从图3中可以看出，春季以中南部较多，夏季以中北部较多。

春 季

夏 季

秋 季

冬 季图3 贵州省城市臭氧2016—2018年平均分布的季节特点(左：小时浓度； 右：最大8小时浓度)

3 贵州省城市臭氧几种典型的日变化

3.1 城市居民集中区和郊区的不同日变化

贵州省的城市臭氧浓度主要和太阳辐射驱动的光化学机制有关，因此在一天当中表现出很明显的夜间小中午大的特征；但在城市的某些监测点位附近由于存在一些特定的臭氧或其前体物质VOCs排放源，也表现出日变化不明显的特点。以贵阳市为例，图4是贵阳市2013—2016年平均的9个城区国控监测点(红色)和郊区清洁对照点桐木岭(绿色)的臭氧小时浓度时间曲线。图4中城区平均臭氧浓度白天比夜间高110%(相差43 μg/m3)，郊区桐木岭臭氧浓度白天只比夜间高50%(相差20 μg/m3)；而且作为清洁对照点的桐木岭臭氧年平均浓度比城市区域高出75%。桐木岭和贵阳市区的最大区别是桐木岭夜间—清晨存在很高的臭氧浓度，其中的原因似乎不在于桐木岭在郊区而在于当地有另外的臭氧发生源[12]。这类臭氧浓度分布较典型，在贵州并不罕见。

图4 贵阳市区与郊区桐木岭臭氧的日变化比较(2013—2016年平均)

3.2 城市臭氧的夜间高值现象

图5是贵阳市2013—2016年出现夜间臭氧浓度高于当日白天浓度的96个个例平均O3日变化曲线和正常情况的比较，全部正常资料的臭氧日平均浓度为54.09 μg/m3，而高值出现在夜间的96次个例臭氧日平均浓度为60.03 μg/m3，比正常4年平均值多5.9%，而在夜间则高出60%以上。这些日子几乎都是低温阴雨的天气，和光化学反应要求的有利条件完全相反，其出现的季节主要在冬春季，夏秋季很少(见图6)。实地调查表明郊区桐木岭的臭氧水平与光化学机制关联度很小，主要受附近的风电场及高压输变电设施影响[12]。

图5 贵阳市2种O3日变化曲线

图6 贵阳市2013—2016年出现夜间O3高值的季节分布

3.3 长时间的连续臭氧高值

贵州省一些城市还有一种臭氧长时间连续维持100 μg/m3的高浓度的情况(图7)。它也表明当地存在其它不同于太阳辐射驱动的非光化学机制臭氧发生源。

图7是黔西南安龙县2018年12月和3月的O3小时浓度日期—时间变化剖面，12月代表一般情况，在中午以后O3浓度达到100 μg/m3～120 μg/m3的高峰，夜间和早晨都在30 μg/m3～50 μg/m3或更低。3月22—26日则出现了日夜连续维持5天的120 μg/m3以上的高浓度，而且其间看不出有明显的白天O3峰值。这种长时间连续维持臭氧高浓度的现象在贵州也不罕见，每个地区都或多或少存在，其原因可能各地不同，有待继续调查研究。

图7 安龙县臭氧长时间连续高浓度过程

3.4 臭氧小时浓度曲线上的“毛刺”现象

贵州城市臭氧浓度的连续监测数据常常出现图8中所示的孤立特高值的“毛刺”现象，这些数据往往作为“异常数据”被摒弃。但经过进一步的具体分析，发现许多这种臭氧高浓度“毛刺”常常都有远距离外大面积区域性的强雷暴背景。因此，对于此类“毛刺”数据应仔细加以鉴别分析，不宜一概否定。

图8中有两次臭氧高浓度“毛刺”，一次是6月2日17—18时，一次是6月17日17时。经调查，6月2日15—18时在黔西南—黔南—黔东南共发生509次雷暴闪电，闪电高度黔南—黔东南大都在2 000 m以下的对流层低层，黔西南10～50 km的平流层上部。6月17日贵州省内无雷暴，但在西南方向云南省的曲靖、昭通、红河、昆明等地区15—20时共出现雷暴闪电487次，闪电高度大都在40～50 km的平流层上部。此类局地小范围、短历时的臭氧浓度高值实际上在贵州省城市测点时有发生，但其原因未必全是雷暴闪电，还应进一步调查分析。

图8 贵阳市桐木岭2017.5.21—6.20臭氧小时浓度曲线上的“毛刺”现象

4 贵州省城市臭氧超标污染的变化趋势

图9是2016—2019年贵州省各城市出现臭氧最大8小时平均浓度超标(160 μg/m3)次数的逐年变化情况。

2016年

2017年

2018年

2019年图9 贵州省各城市2016—2019年臭氧污染形势的发展

图9表明贵州省4年来城市臭氧的污染无论是出现的城市数量还是超标次数都在逐渐增加，增加较明显的是在西部、北部和东部与四川、云南、湖南接壤的地区。虽然和国内污染较重的地区相比，贵州省总的臭氧污染形势还不是很严重，但是，臭氧浓度升高的趋势仍然很明显，应该引起注意。

5 结论

贵州省城市大气臭氧水平的时间—空间分布具有许多特征，各种分布特征都是由不同的臭氧来源、气象条件和区域位置特点决定的，不存在统一的分布模式。本文根据大量实际调查得到的数据资料对贵州省各地臭氧水平的地域分布和年际变化，季节分布，昼夜差异，可能的臭氧来源以及全省臭氧污染形势的变化进行了初步分析归纳。由于臭氧污染成因及其治理在当前仍是一个难度很大的新课题，本文所讨论的内容还是十分粗糙，所得到的认识还有待于进一步的实践验证。