2019年江苏省光化学污染监测及臭氧气象条件分析

陈 昊，潘 晨，严文莲，康志明

（江苏省气象台，江苏南京 210008）

0 引言

光化学污染近年来逐渐成为大气环境污染中的主要污染类型之一。颗粒物污染会直接对能见度产生影响，而光化学污染由于其没有明显的能见度下降特征，对其监测及分析依赖于以光谱分析为主的仪器［1］。在全国大气污染监测网络中，O3作为主要的光化学污染监测要素之一，通过近地面O3浓度监测，可有效反映监测点周边空气污染状况。O3污染一方面受气象条件因素影响，另一方面受人为排放影响［2］。通过对气象条件的定量分析，可以估算出气象条件对O3污染浓度变化的影响［3］。

1 资料与方法

本研究中，卫星遥感观测资料采用欧空局所发展的第二代极轨气象卫星MetOp-B星所搭载的O3业务监测传感器（GOME-2）的大气光化学成分反演产品集［4］。气象观测资料采用江苏省气象局在省内布设的国家气象基本站的常规气象要素观测资料，高空观测分析采用盐城、南京、徐州3个无线电探空观测站的大气垂直廓线观测资料。地面大气污染要素观测资料采用中国环境监测总站直管的省内70个国控站。所有卫星、气象、大气污染要素资料的时间段选取2018年1月1日至2019年12月31日。

2 结果分析

2.1 2019年江苏省O3质量浓度分析

2019年江苏省13个地级市O3平均质量浓度为70 g/m3，比2018年上升1.0%。O3质量浓度夏季最高、春季次之、冬季最小。5—7月江苏省平均O3浓度为一年中最高，12月为一年中最低。与2018年相比，3月、5月和7—9月O3平均质量浓度上升，其余月份持平或下降（见图1）。

图1 2019年江苏省O3逐月平均值及与2018年对比

2.2 卫星遥感主要大气污染成分特征分布对比

大气光化学污染成分有许多种，常见的可通过卫星监测的成分主要有O3、二氧化氮（NO2）、二氧化硫（SO2）、甲醛（HCHO）、一氧化溴（BrO）［5］。本研究选用卫星遥感数据对2019及2018年全年上述光化学污染成分在江苏省上空的分布特征进行分析。

2.2.1 O3柱浓度空间分布

2019年卫星遥感江苏省O3柱浓度空间平均值为293.01 DU，相比2018年的302.23 DU，下降3.1%，全省大部分地区O3柱浓度均呈下降趋势，O3分布呈南少北多的趋势。分析显示，尽管2019年地表O3浓度相比2018年上升，但遥感分析显示O3柱浓度呈下降趋势（见图2）。

2.2.2 NO2柱浓度空间分布

NO2是形成光化学烟雾、酸雨主要因素之一，可导致大气能见度降低。人为污染产生的NO2主要来自化石燃料（煤）、石油、天然气等燃烧和燃油发动机及机动车尾气排放，是大气污染的主要成分。2019年卫星遥感全省NO2柱浓度空间平均值为4.221 015 mol/cm2，相比2018年的4.310 15 mol/cm2，略下降1.9%，其中淮河以南地区下降明显，沿淮中部地区略有上升（见图3）。

2.2.3 SO2柱浓度空间分布

由于化石燃料和石油、天然气等通常都含有硫化物，因此燃烧时会产生SO2。大气中的SO2既来自人为污染又来自自然释放。人为污染来源是SO2的主要来源，主要包括：化石燃料和石油、天然气为燃料的火力发电厂、工业锅炉、生活取暖等行业排放，机动车尾气排放等。2019年卫星遥感全省SO2柱浓度空间平均值为0.56 DU，相比2018年的0.55 DU，略上升1.8%，其中沿淮中部及东南部部分地区上升明显，苏南南部、沿江中部、淮北部分地区有所下降（见图4）。

2.2.4 HCHO柱浓度空间分布

图2 2019年江苏省平均O3柱浓度空间分布及与2018年对比

图3 2019年江苏省平均NO2柱浓度空间分布及与2018年对比

HCHO是大气中一种非常重要的有机微量成分,主要来源于生物质燃料排放以及大气中光化学反应的产物。在人为活动中主要来源于机动车污染排放等，其对大气光学烟雾、O3产生与清除等具有重要意义。2019年卫星遥感江苏省HCHO柱浓度空间平均值为1.431 016 mol/cm2，相比2018年的1.391 016 mol/cm2，略上升2.8%，其中江淮之间中部、淮北中部及沿江中部地区有所下降，东南部、沿海及江淮之间西部地区有所上升（见图5）。

2.2.5 BrO柱浓度空间分布

BrO是O3化学中重要的痕量物种，因其作为O3破坏催化剂效率高，它在大气化学中主要作用为破坏O3生成。其主要人为排放来源为农药杀虫剂、汽油添加剂等。2019年卫星遥感江苏省BrO柱浓度空间平均值为3.311 013 mol/cm2，相比2018年的3.341 013 mol/cm2，略下降0.9%，其中沿淮中部、苏南南部部分地区有所下降，江淮之间南部、淮北地区有所上升（见图6）。

3 2019年O3污染气象条件分析

3.1 气温和辐射

与2018年相比，2019年平均气温持平，大于25℃或30℃天数减少（见表1），且4—9月气温下降，平均总辐射上升。太阳辐射强度对大气光化学反应具有重要影响，温度对O3及其前体物的时间变化具有重要影响。2019年江苏省平均气温为16.3℃，与2018年持平，各地平均气温14.9℃（赣榆）-17.7℃（昆山、吴江），呈南高北低分布（见图7）。其中淮安和南通部分地区平均气温有所下降，其他地区平均气温略上升或持平。2019年江苏省大于25℃或30℃日数均较2018年减少，在O3浓度易出现较高值的4—9月，月平均气温均较2018年同期下降（见图8）。2019年南京、盱眙、淮安和吕泗四站平均总辐射169.7 W/m2，较2018年上升2.5%。可见2019年的光化学条件总体略好于2018年，但不利于中度及以上O3污染的频繁出现。

3.2 2019年大气化学模式O3污染气象条件综合分析

3.2.1 气象条件对O3的影响评估

图4 2019年江苏省平均SO2柱浓度空间分布及与2018年对比

图6 2019年江苏省平均BrO柱浓度空间分布及与2018年对比

表1 2019年气温和辐射情况和2018年同期比较

图7 2019年江苏省平均气温分布图及与2018年同期对比

图8 2019年江苏省平均逐月气温及与2018年同期相比的变化率

采用大气化学模式WRF-CHEM对2018和2019年气象条件引起的O3的浓度变化进行模拟评估（见图9）。结果表明，2019年的气象条件较不利于本省沿江苏南和西北地区的O3浓度的降低，有利于其他地区的O3浓度降低。综合江苏省情况而言，2019年气象条件对O3浓度的作用与2018年持平。

3.2.2 各季节气象条件对污染物的影响评估

图9主要评估了气象条件对江苏省污染物影响的年均结果，但不同季节的大气扩散和清除条件等都有明显的差异。为此，采用大气化学模式进一步细化评估了不同季节气象条件对污染物的影响。

图10给出了2019年气象条件对O3影响相较于2018年同期的对比结果。与2018年相比：春季，2019年的气象条件较有利于本省中部地区O3浓度的降低，但却不利于其他地区O3浓度的降低；夏季，2019年的气象条件较差，不利于全省O3浓度的降低；秋、冬季，2019年的气象条件整体较好，有利于本省大部分地区O3浓度的降低。

4 结语

通过卫星遥感及地面大气污染监测等手段可以有效监测大气光化学污染的时空分布特征，2019年总体光化学污染相比2018年略高。通过分析气象监测数据，相比2018年，2019年平均气温略高，大于25℃或30℃天数减少，且4—9月气温较2018年同期下降，平均总辐射上升，2019年的光化学条件总体略好于2018年，但在O3浓度易超标的4—9月光化学条件略弱于2018年，不利于中度及以上O3污染的频繁出现。大气化学模式分析也显示，2019年整体O3污染气象条件与2018年基本持平。通过气象条件的分析和卫星遥感等多渠道的监测，可为未来防控O3污染提供精细化的分析支撑。

图9 （a）2018和（b）2019年平均的O3的浓度（μg/m3）分布及（c）二者的差异

图10 2018和2019年各季节平均O3的浓度（μg/m3）分布及二者差异