昆明市近地层臭氧特征分析及对策研究

邹灵宇，杨芳园，段燕楠，李晓鹏

(云南省昆明市气象台，云南 昆明 650000)

0 引言

臭氧(O3)是全世界都十分关注的一种大气痕量气体，大气中的O3主要分布在平流层，平均浓度最大区域在距地面20～30km的平流层。平流层O3几乎可以吸收波长在0.2～0.3μm的全部紫外辐射，对生物圈起着保护作用。距离地球表面15km范围内的对流层O3仅占大气O3总量的10%左右，是大气的主要二次污染物之一，其浓度的增加是地表大气光化学烟雾及温室气体的主要成分，具有强氧化性，高浓度O3污染会对人体健康、农作物生长、生态环境等造成负面影响[1-3]。

随着经济和城市化的迅速发展，O3污染问题日益凸显，在传统的二氧化硫(SO2)、颗粒物(PM10及PM2.5)等污染得到一定改善的情况下，全国多地出现了O3取代传统污染物成为首要或超标污染物的情况。2019年全国空气质量总体稳中有进，但O3浓度明显上升，全国337个地级及以上城市O3浓度同比上升6.5%，以O3为首要污染物的超标天数占总超标天数的41.8%，导致全国优良天数比率同比损失2.3个百分点。O3浓度上升逐渐成为仅次于PM2.5的影响优良天数的重要因素[4]。

针对O3污染国内外开展了大量研究，内容包括O3反应生成机理、污染变化规律、相关气象及排放条件、对生物体的影响及光化学污染控制对策等。长三角地区主要污染特征表现为秋、冬季高浓度颗粒物和夏季高浓度O3。从春末到秋季，强烈的太阳辐射和较高的气温有利于大气光化学反应加剧，地面O3在午后迅速上升，看似干净透明的空气也可能出现轻度污染，因为O3浓度超标了，此现象也称为晴空污染[5]。在长三角地区，5—8月O3污染最严重，沿海城市O3浓度要高于内陆城市，且城市O3浓度与城市民用汽车保有量显著相关[6-7]。由于O3浓度水平与其前体物排放变化具有非线性变化响应特征，且各地区污染排放状况不同，因此，O3光化学反应具有局地性特征，不同地区O3污染特征也不尽相同。上海市2017年O3-8h年均浓度为2013年以来的最高值，主要体现为夏半年O3浓度的上升[8]，O3污染多发生在日照强、温度高、风速低的气象条件下[9]，前体物VOCs中芳香烃和烯烃类对上海O3生成贡献最大[10]。江苏省O3污染最严重的是南部城市南京、无锡、常州和苏州[11]。南京市区夏季O3生成对VOCs较敏感，属于VOCs控制区，VOCs各组分中烷烃的O3生成潜势最大[12]。沿海城市秦皇岛O3浓度夏季最高，春季次之，冬季最低，与气温变化趋势基本一致，呈现明显的季节变化，其春夏两季O3浓度基础值偏高[13]。西安市夏季O3浓度最高，因O3-8h造成的污染占总污染天数的1/3[14]。和昆明同样位于青藏高原附近的兰州市主城O3污染主要集中在4—8月，每日14—16时处于高值区[15]。

昆明地处低纬高原地区，属山地季风气候，有“春城”之称。但随着城市建设和社会经济的快速发展，城市环境空气质量的改善和持续提升面临新的形势和挑战。根据昆明市环境空气质量监测数据，近年来昆明市的污染日绝大部分是O3污染造成的，已超越PM2.5、PM10成为昆明轻度污染天数的主要影响因素。因此研究昆明近地面O3特征十分必要。

1 资料与方法

空气质量数据来源于中国环境监测总站提供的昆明市5个国家城市空气质量监测点逐小时监测数据，5个环境监测站(图1)分别位于昆明市主城区龙泉镇站、东风东路站、金鼎山站、呈贡新区站、碧鸡广场站和官渡区博物馆站。数据分析时段为2015—2019年。昆明市数据为各站点区域评价综合指标(西山森林公园为清洁对照点)。

图1 昆明市环境监测站点分布图

空气质量指标采用《GB 3095-2012环境空气质量标准》分析，O3小时数据为1h内算术平均值，O3日数据为日最大8h滑动平均值(以下简写为O3-8h)。数据统计按照《HJ 663-2013环境空气质量评价技术规范》(试行)进行，年度评价时采用城市区域评价O3-8h第90百分位数与O3-8h标准限值比较得出结果，数据为中国环境监测总站对外公布数据。

2 昆明市近地层O3污染现状分析

2.1 环境空气质量总体概况

2013年开始，昆明市开始采用新修订的《GB 3095-2012环境空气质量标准》进行空气质量评价，2015年以来昆明市主城空气质量优良率稳定保持在98%以上，轻度污染天数基本保持在10d以内，且优级天数呈现逐年增长趋势(表1)。总体而言，昆明市空气质量优良率在全国处于较高水平，位于省会城市前列。

2019年，昆明市空气质量显著改善，可吸入颗粒物(PM10)、细颗粒物(PM2.5)、二氧化硫(SO2)、一氧化碳(CO)4项污染物浓度为2015年以来最低一年(图2)。但O3浓度出现了明显上升的趋势，O3也成为了昆明市2015年以来各项污染物控制指标中唯一逆势上升的一项。

对昆明市2015—2019年逐年空气质量进行变化趋势分析，值得关注的是，在各年份出现轻度污染的天数中，O3为首要污染物的轻度污染天数显著增多，出现最多天数为2019年的8d(表1)。O3已超越传统因素成为造成昆明市轻度污染的主要影响因素。

表1 2013—2019年昆明市主城区空气质量状况

2.2 昆明近地层O3变化情况分析

2.2.1 浓度年度变化近年呈持续上升趋势

2015年以来昆明O3浓度持续缓慢上升，平均增速为5.11%每年，2019年较2015年O3-8h年平均浓度上升21.81%，虽然增幅较大，但未超过年均值二级标准，且优于日最大O3-8h标准。对比全国和西南地区主要城市，2015年北京和成都O3浓度居于高值，这也是开展O3污染研究起步最早的城市之一。经过5a的重视和治理，北京和成都O3浓度均持续控制下降，2019年O3浓度较2015年分别下降了6.40%和12.56%。而上海和重庆则表现为前两年小幅上升，2017年开始回落，2019年O3浓度较历史最高分别下降17.13%和3.07%(图3)。

图3 2015—2019年昆明与北京等城市O3年度变化对比

2.2.2 季节变化为春季平均值高于其他季节

对昆明的四季进行气候学划分，春季为3—5月，夏季为6—8月，秋季为9—11月，冬季为12月—次年2月。昆明春季O3小时浓度最高，夏、秋、冬季较低，其中秋季最低，春季白天O3污染持续时间长，且夜间O3浓度也相对较高(图4)。

图4 2015—2019年昆明O3-1h浓度季节变化

从近年来趋势看，春季、冬季O3平均小时浓度呈现上升趋势，而夏季、秋季保持稳定(图5)。

图5 2015—2019年昆明O3-1h浓度季节性差异

2.2.3 O3日最大8小时平均浓度日变化呈逐年升高趋势

根据环境空气资料监测数据，2015—2019年昆明主城区O3-8h年平均浓度分别为78μg/m3(2015年)、82μg/m3(2016年)、80μg/m3(2017年)、83μg/m3(2018年)、89μg/m3(2019年)，均低于《环境空气质量标准》二级浓度限值100μg/m3，但是浓度呈现逐年升高的趋势(图2)。

图2 昆明市2015—2019年空气污染物年度情况

2.2.4 小时变化呈现“单峰型”

根据监测数据统计结果，昆明主城区环境空气O3平均浓度日内呈现“单峰型”，其中0—8时呈现整体平稳下降趋势，8时达到每日的谷值，此后，呈现快速上升趋势，至14—17时达到每日的峰值，而后，呈现快速下降趋势，至22时趋于平稳(图6)。2019年峰值明显高于其他年份。

图6 2015—2019年昆明主城区O3日变化

3 昆明近地层O3浓度超标因素分析

3.1 地形因素

昆明主城区为典型的“马蹄形”盆地地形，东、西、北三面环山，南部为滇池水体，常年盛行西风和西南风。自然风从西部、南部地势较为平坦的区域进入主城区，受到北面、东面山体阻挡下沉，空气中携带的污染物随气流下沉，不利于污染物的扩散。同时，昆明地区冬春季夜间常年存在近地层逆温，不利于污染物的扩散，而污染物中含有大量的氮氧化物、挥发性有机物，为O3产生提供了基础物质。

3.2 气象因素

90%的O3存在于大气平流层，对流层O3仅占10%。近地层O3一般是在高温、强光照条件下，挥发性有机物(VOCs)和氮氧化物(NOX)发生光化学反应进行二次转化而成。因此，太阳辐射、气温、相对湿度是影响近地层O3形成的主要气象因子。

3.2.1 太阳辐射

太阳辐射是氮氧化物和挥发性有机物化合生成O3的关键气象因子。紫外辐射越强，光化学反应越剧烈，越有利于O3生成。昆明地处低纬度高原地区，太阳辐射强，年日照时数2118h，其中春季日照时数达687h为四季最多。尤其是冬、春季节，阴雨天气少，晴空日数多，天空云量少，为春季O3生成提供了充足的光化学条件。

3.2.2 气温

在一定的温度条件下，O3的光化学反应会加快，昆明春季虽然夜间气温处于10℃左右，但日出后近地面气温迅速攀升，在3月中下旬晴朗天气时，日最高气温可维持在20℃以上，相对我国大部分地区，温度较高。因此，在春季相对高温及强太阳辐射的共同作用下，挥发性有机物(VOCs)和氮氧化物(NOX)会促进O3的产生。

3.2.3 相对湿度

近地层O3浓度与相对湿度呈现显著的负相关，空气湿度大，不利于O3的产生。昆明春季多以平直的偏西气流控制为主，大范围、长时间的降水过程少，空气较为干燥，地面平均相对湿度为60%，为四季中的最低。因此，春季较其他季节相比，不利于近地层O3的清除。

3.3 O3前体物

3.3.1 挥发性有机物(VOCs)

挥发性有机物(VOCs)不仅存在于化工生产和生活制造，它还广泛存在于自然植被之中。植物在较高的气温和充足的阳光条件下可排放大量高O3生成活性的挥发性有机物。由于昆明自然植被丰富，森林、植被所产生的挥发性有机物可能较其它城市更多，从大自然中产生的基础含量也可能更高。并且，挥发性有机物的种类繁多，不同有机物的化学活性不同，高活性的挥发性有机物能更高效率地生成O3。

3.3.2 氮氧化物(NOX)

除了工业排放氮氧化物外，机动车是氮氧化物的主要排放源。随着城市的快速发展，昆明机动车保有量逐年增加，目前已达到相当数值，用于城市生活保障、物流运输、城市基础设施建设等的高排量大型车辆显著增加，以及私家车保有量快速上升，致使机动车排放的氮氧化物(NOX)等污染物总量也不断攀升，为O3污染物的产生提供了更多的氮氧化物来源。

3.4 昆明可能存在的O3输送通道

3.4.1 外源长距离输送

长距离输送是影响对流层O3分布和收支的一个重要因子，其时间尺度多在3～30d。相关研究表明，昆明春季存在由东南亚区域传输而来的生物质燃烧颗粒物源，对昆明地区大气颗粒物的“贡献率”较大，伴随颗粒物输送的还有O3前体物等污染物，从而可能存在来自东南亚的O3输送，导致昆明O3总量上升。

3.4.2 平流层O3向下传输

中国科学院大气物理研究所在香格里拉等地的O3观测研究表明，在大气的垂直方向上，每年会有比较明显的对流层顶重建过程。当对流层顶重建时，平流层中的O3存在向下输送到对流层的现象，且可能达到近地层。O3的垂直输送多出现在春季，但至多影响2～3d。

无论是外源长距离输送还是平流层向下输送均可造成较大区域O3浓度抬升，从而出现城市地区以及非城市地区O3同步升高的现象。由昆明城区东风东路、郊区西山公园站与香格里拉区域大气本底站月平均O3浓度对比分析可见，每年季节由冬季向春季转变时，各观测点的O3浓度均出现了明显的一致上升现象，表明春季出现高浓度O3上升的现象并不只局限于昆明，而是一种较大区域出现的共性问题。但是，输送作用对昆明近地层O3升高“相对贡献”还需要进一步的观测和分析研究。

图7 东风东路站(昆明城区)、西山公园站(昆明郊区)与香格里拉大气本底站月平均O3对比

4 昆明近地层O3污染防治的应对策略建议

O3在对流层是由VOCs和NOX通过一系列复杂的光化学反应生成，已知的相关化学反应有数千个，所以O3与这两种前体物之间并不是简单的线性关系。因此在制定O3的控制策略时，首先要分析清楚O3与前体物之间的相互关系，确定O3的主要控制因子，然后才能制定出更加有效的控制措施，从而事半功倍。

4.1 对VOCs和NOX的排放进行管控

一是重点做好春季城市或工业区施放氮氧化物、挥发性有机物的排放控制。3—5月是O3浓度背景值高、O3光化学反应条件较强的时段，且自然或外源性输送引起的O3浓度抬升是城市地区无法控制的，由于工业源是城市及工业区挥发性有机物排放的主要来源之一，加强排放控制，可达到“削峰”的作用，避免高浓度O3污染。二是采取措施降低机动车对O3污染的影响。机动车尾气不仅是氮氧化物，而且还是生成O3活性比较强的烯烃、芳香烃的主要来源，可采取提高机动车排放标准、提升燃油质量、鼓励使用替代能源汽车、加强交通疏导和采取应急性行政手段等方式，降低机动车对O3污染的影响。三是加强生物质燃烧污染控制。加强对锅炉、燃烧器等的烟气污染物排放的管控力度，加强餐饮服务经营场所油烟、不规范烧烤摊点等的整治力度。

4.2 深入开展昆明O3污染的形成机制研究

一是科学布设挥发性有机物和O3的连续立体监测系统。开展本地挥发性有机物活性分析和O3的来源解析。二是加强O3污染成因机制研究。可参考北京、上海、南京等发达地区O3污染研究路线，寻找昆明O3污染主控因子，建立昆明市及周边地区高分辨率的污染排放清单。分析O3与挥发性有机物和氮氧化物之间的相互关系，寻找更科学、优化、有效的O3治理方案，以达到事半功倍的效果。

4.3 加强大气污染多部门协同处置应对能力

一是建立昆明市空气污染预报预警、应急及评估决策系统。强化生态环境部门与气象部门的长效沟通、合作机制，联合开展昆明市空气质量预测预警，建立环境空气质量预报会商制度。加强重污染天气形成和发展机理、大气污染物输送等方面的研究。二是建立重污染天气评估联合工作机制。开展事件发展评估等工作，为科学应对处置提供决策支持。加快构建政府、企业、公众三方共同监督管理机制，加强科普宣传，提供公众环保意识。三是开展大气污染多类污染物协调达标的情景分析与研究。大气污染物种类繁多、自身变化及相互变化机制机理复杂，部分污染物之间还存在“此消彼长”的相关类型，因此需要开展大气污染多类污染物协调达标的情景分析与研究，多部门协同探索昆明市空气质量优良率最优防控策略，扩大大气污染防控范围，形成区域联防态势。

5结论与讨论

(1)近年来昆明市空气质量持续改善，但O3浓度逆势上升，已超越颗粒物成为昆明空气质量优良率的主要影响因素。2015年以来昆明市主城空气质量优良率稳定保持在98%以上，而O3则是各污染物控制指标中唯一逆势上升的一项，其变化趋势值得关注。

(2)过去5a，昆明市O3浓度逐年均持续缓慢上升。春季O3小时浓度最高，夏、秋、冬季较低，其中秋季最低，春季白天O3污染持续时间长，且夜间O3浓度也相对较高。春季、冬季O3平均小时浓度呈现上升趋势，而夏季、秋季保持稳定。日变化中，O3日最大8小时平均浓度呈逐年升高趋势，小时变化呈现“单峰型”，2019年峰值明显高于其他年份。

(3)昆明近地层O3浓度超标的因素：“马蹄形”小盆地地形不利于污染物的扩散；昆明地处低纬度高原地区，太阳辐射强，尤其是春季日出后地表升温迅速和空气相对湿度较低，都为O3的本地光化学反应提供了良好的气象条件；昆明自然植被丰富，挥发性有机物基础含量也可能更高；昆明机动车保有量逐年增加，为O3污染物的产生提供了更多的氮氧化物来源；可能存在的水平方向上的O3外源长距离输送和大气垂直方向上平流层O3的向下传输。

(4)针对昆明市近地层O3浓度控制的应对，提出三条策略建议：①对挥发性有机物和氮氧化物的排放进行管控；②深入开展昆明O3污染的形成机制研究；③加强大气污染多部门协同处置应对能力。

对近地层O3污染的控制，目前是大多数发达及发展中城市的共同问题，不同的城市和区域O3超标的原因大有不同，如何能对昆明O3浓度进行有效控制，依然有很多研究要做。例如O3超标事件中气象因子的影响和贡献率、大气垂直方向和水平方向的远距离外源输入通道的探究和验证，今后都应开展进一步研究。