大连市一次典型臭氧污染过程分析

徐 洁

(辽宁省大连生态环境监测中心，辽宁 大连 116023)

1 引言

大气中的臭氧(O3)大约90%集中在平流层中，能够吸收210～290 nm波段的全部太阳紫外辐射，起到保护人类健康及地球生态系统健康的作用；约10%的O3集中在对流层中，这部分O3是大气主要污染物之一，会损害人类健康[1]。对流层中的O3是典型的二次污染物，由氮氧化物(NOx)和挥发性有机物(VOCs)在一定的太阳光照射下经过光化学反应生成的，是造成我国大气复合污染的重要因素。O3的生命期会有几天至几周，在一定风场的作用下会出现跨城市或区域的污染传输特征[2,3]。

国内外大量研究表明，近地面O3污染的原因不仅与气象因素、O3背景浓度的升高、NOx或VOCs排放的增加有关，同时区域性的传输也是重要的原因之一[4～9]。O3污染特征和成因在不同城市和区域之间不尽相同[10]，对不同地区的O3污染特征和成因需要单独的研究分析。

随着社会经济的飞速发展及机动车保有量的增加，近年来大连市的O3污染问题愈发严重。目前，国内外对大连市O3具体污染过程及案例的深入研究较为缺乏，本研究对2015年4月25～27日的一次臭氧中度污染过程进行了多维度的分析，探讨此次污染过程的浓度变化规律、本地生成特征、区域传输特征及污染成因，为大连市臭氧污染成因分析、臭氧重污染预测预警及臭氧污染治理提供科学依据。

2 方法与材料

大连市区SO2、NO2、O3和PM2.5浓度数据来源于大连市10个国控空气自动监测站，PAN(过氧乙酰硝酸酯)、紫外辐射、激光雷达数据、气象要素数据来自大连市大气复合污染综合观测站，大连市大气复合污染综合观测站于大连市主城区，周围多为居民区、医院、学校等，无工业污染源，临近大连南北交通主干道中山路，具有较好的代表性。

后向轨迹模型采用由美国国家海洋和大气管理局 (NOAA) 的空气资源实验室和澳大利亚气象局联合研发的HYSPLIT-4模型，后向轨迹模拟采用的气象数据来自美国国家环境预报中心(NCEP)的GDAS数据，气流高度选取100 m、500 m和1500 m，模拟气团33 h后向轨迹。

3 污染过程分析

4月25～27日，大连市区出现一次O3污染过程。25日为单峰型，26日和27日为夜间升高型。4月24日，空气质量为良(AQI为72)，最高温仅为22 ℃，光化学反应程度较低；25日，最高温升至24 ℃，光化学反应条件较好，地面风向转为西南风，高空转为平直流型，扩散条件转差，空气质量跃升为中度污染(AQI为161)，O3浓度达到226 μg/m3；26日，最高温升至26 ℃，光化学反应条件持续向好，但是地面风速略有增大，扩散条件较25日略有好转，空气质量降为轻度污染(AQI为139)，O3浓度降至202 μg/m3；27日，最高温降至23 ℃，光化学反应强度减弱，但高空流型转为槽前，不利于污染物的垂直扩散，空气质量仍维持轻度污染(AQI为110)，O3浓度略有下降，为170 μg/m3；28日，冷空气来临，最高温降至14 ℃，地面风转为东风和东北风，水平扩散条件较好，空气质量改善为良(AQI为66)，O3浓度也降至119 μg/m3。

3.1 天气形势分析

4月25日O3达到中度污染，是本次污染过程最有代表性的一天。为进一步了解天气形势对本次污染过程的影响，以4月25日为例分析大连高低空及近地面的天气形势变化。4月25日，大连高空流型为平直，西北风，850 hPa高度早8时为西北风，晚8时转为偏西风，风速减小，地面早8时为高压顶部控制，晚8时转为高压控制，西南风风速较小。不论是高空还是地面的天气形势，均有利于西南向的京津冀和山东地区的污染传输，同时，大连本地地面处于高压控制，天气晴朗少云，紫外辐射强烈，有利于O3的本地光化学反应生成。

3.2 本地生成分析

图1为2015年4月24～28日大连市区PM2.5、O3、UV和PAN小时变化曲线。24日，紫外辐射最强，但温度较低，O3浓度并不高；25日，O3与PAN和PM2.5的变化趋势十分一致，并达到这几日的最高水平，PAN一般被认为是光化学反应的指示剂，PAN浓度的升高提示光化学反应剧烈，而光化学反应的同时会产生PM2.5，因此可以推断，本地光化学反应是是25日O3浓度升高的重要原因之一；26日，由于前一日O3夜间本底值较高，白天在此基础上叠加光化学反应产生大量的O3，导致O3日间峰值浓度较高，达到轻度污染；27日，凌晨出现一个O3小峰值，从而导致当日空气质量达到轻度污染，而0时紫外辐射为0，因此可以推断此时出现的O3峰值应可能与水平传输有关。

图1 2015年4月24～28日大连市区PM2.5、O3、UV 和PAN小时变化曲线

图2为2015年4月25～27日大连市区O3、PM2.5、SO2和NOx的小时变化曲线。25日13～21时，O3、PM2.5、SO2和NOx浓度均存在一致的波峰，而26日和27日各项污染物并没有出现较为一致的波峰，说明25日午后至傍晚本地大气扩散条件较差，导致各项污染物的同步累积。因此可以推断，本地气象条件不利是25日大连市区O3达到中度污染的重要原因之一。

图2 2015年4月24～27日大连市区O3、PM2.5、 SO2和NOx小时变化曲线

3.3 气象要素分析

图3为4月24～28日大连市区风向风速小时变化曲线，图4为4月24～28日大气稳定度、紫外辐射、湿度、气压和温度的小时变化曲线。从图3和图4可以看出，大连市区地面风24日由南风转为风速较大的西风，25～27日凌晨地面风转为偏南风，风速较小，27日白天仍维持南风，风速较大，28日地面转为东风。

大气稳定度高，不利于近地面污染物的扩散，24日12时起，大气稳定度逐渐增大，25日夜间达到峰值，之后一直维持在较高水平，一直到27日夜间，大气稳定度才显著下降。

紫外辐射越强，越有利于光化学反应生成，24～27日，紫外辐射峰值均在30 W/m2以上，28日才开始显著减弱。

在不降水的情况下，相对湿度越高，越有利于光化学反应生成，24日相对湿度最低，不到20%，25日升至45%，之后一直维持在30%～60%左右。

气压越低，越利于污染物的辐合和汇聚，导致污染物的累积。24日起，大连市气压一致呈降低趋势，直至28日凌晨才开始上升。

温度是助推臭氧光化学反应最重要的气象要素，温度越高，臭氧的光化学反应越剧烈。24～26日大连市最高温均高于23 ℃，且呈逐日升高的趋势，26日达到最高值26 ℃。

综上所述，大气稳定度高、低压、低风速不利于O3的扩散，同时高温、高湿、紫外辐射强烈有利于O3的光化学反应生成，是25日大连市区O3达到中度污染的重要原因之一。

图3 2015年4月24～28日大连市区风向风速小时变化曲线

从图5为2015年4月24～28日大连市区温度廓线图。可以看出，大连市区近地面在25并与前文所述的O3浓度高值时段一一对应，说明本地逆温是导致大连市区近地面臭氧浓度再傍晚至凌晨时段浓度居高不下的重要原因之一。

3.4 后向轨迹分析

以4月25日O3中度污染为例，分析污染当日气团的后向轨迹。图6是4月25日O3浓度最高时刻17时的24 h候后向轨迹和24日14时周边城市O3污染实况，可以看出，25日17时大连市区100m气团主要来源于山东西部地区，而山东西部地区的O3浓度并不高，仅达到良的水平，因此可以推断，区域传输并不是4月25日O3达到中度污染的主要原因。

前文提到27日凌晨出现峰值的原因可能为区域传输影响，为进一步印证这个推断，绘制了27日0时以大连为受体点的34 h后向轨迹，并对比25日14时周边城市污染实况(图7)。从后向轨迹图可以看出，27日0时大连市100 m、500 m、1500 m的气团均来自西南方向的江苏南部地区，从空气质量实况图可以看出，25日14时，江苏南部地区各城市O3浓度大多高于200 μg/m3，可以进一步印证，造成27日凌晨出现O3浓度峰值的原因是受到江苏南部城市O3污染传输影响。

图4 2015年4月24～28日大连市区大气稳定度、紫外辐射、湿度、气压和温度小时变化曲线

图5 2015年4月24～28日大连市区温度廓线

4 结论

综合天气形势分析、气象要素分析、气态污染物及光化学指示剂分析、后向轨迹分析，可以得出如下结论。

(1)4月25日大连市区O3达到中度污染，主要是由于温度的急剧升高，紫外辐射强烈，O3的本地光化学反应剧烈，同时受低压辐合、逆温、低风速等不利的大气扩散条件影响，使得O3浓度累积，维持在一个较高的水平。

(2)4月26日大连市区O3维持在轻度污染，主要是由于前一日O3本底值较高，同时随着温度的升高，本地光化学反应的生成大量O3。

图6 4月25日17时大连24h后向轨迹分析和4月24日14时周边城市O3实况

图7 4月27日0时大连34h后向轨迹分析和4月25日14时周边城市O3实况

(3)27日凌晨大连市区臭氧日变化呈双峰型，在凌晨出现一个峰值，主要是由于0～8时近地面逆温、风速较小，同时受江苏南部地区O3传输的影响，达到轻度污染。