辽宁地区O3污染状况及相关气象要素分析

刘宁微 权维俊 任万辉 李晓岚 李丽光 王迪

(1.中国气象局沈阳大气环境研究所，辽宁 沈阳 110166； 2.京津冀环境气象预警中心，北京100089；3.辽宁省沈阳生态环境监测中心，辽宁 沈阳 110169； 4.辽宁省气象服务中心，辽宁 沈阳 110166)

引言

O3作为OH自由基的重要来源之一，间接决定着对流层多种微量成分的寿命[1-2]；O3也是一种重要的温室气体，对全球气候变化有着重要影响[3]；近地面O3又是一种强氧化剂和植物毒剂，直接危害人体健康和地表植被[4]。因此，研究O3的时空变化和污染来源对于全球气候变化和保护地球生物都具有重要意义。从全球尺度来说，对流层O3有两个主要来源：平流层向对流层的输送[5-6]和通过其前体物(NOx和挥发性有机物(VOCs))之间的光化学反应生成[7]。在区域尺度，O3时空分布变化的主要因素包括：远距离输入和输出(水平方向)、平流层—对流层交换和沉降(垂直方向)、光化学生成和消耗[8-9]。局地O3的光化学反应生成和消耗与当地的气象要素密切相关，温度、气压、风场、湿度等都会对O3浓度高度产生不同程度的影响[10-11]。

近几十年来，中国多个地区的对流层O3含量较高，并呈现出上升趋势，部分地区(尤其是夏、秋季节)增幅较大。徐晓斌和林伟立[12]研究表明，1979—2005年中国区域对流层O3柱含量在华南—四川盆地—华中地区—华北平原地区—东北南部地区表现为一个大于40 DU的钩状大范围高值区，华北地区除冬季外，其他季节以及全年平均O3均为增长趋势，最高的增长率出现在夏季，达到1.10 DU/10 a[12]。Ma等[13]发现上甸子大气本底站2003—2015年地面日最大8 h平均O3浓度增长率为1.13±0.01 ppb/a。Sun 等[14]发现泰山观测站2003—2015年夏季地面O3的显著增加，平均增长率分别为6月的1.7 ppb/a和7—8月的2.1 ppb/a。Xu 等[15]发现临安大气本底站1991—2006年地面O3的总体升高趋势，15 a间O3月平均浓度在17.5—52.3 ppb之间变化，日较差增加(日最大值增大，日最小值降低)且夏季表现得最为显著，这与长三角地区NOx浓度增加密切相关。Wang等[16]发现，香港鹤咀大气背景站1994—2007年地面O3的平均增长率为0.58 ppb/a，秋季增长率最大(1.02 ppb/a)，2001—2007年较1994—2000年的平均O3浓度增长0.94 ppb/a。Ding等[17]发现1995—2005北京上空对流层O3的平均增长率为1 ppb/a(约2%)，夏季午后边界层O3增幅达22 ppb，增长率3 ppb/a(约4%)，2000—2005年较1995—1999年的O3浓度有显著增加，边界层内增幅高达5—8 ppb。Wang等[18]发现随着城市化发展，珠三角、长三角地区地面O3浓度分别增加了4.7%—8.5%和2.9%—4.2%。值得注意的是，一直以来工业化进程较慢的中国西部，近年来也频繁出现夏季的高值O3事件[19-21]。Li 等[22]的模拟结果显示，2000年中国西部年平均地面O3浓度高于东部10 ppb以上。

作为中国东北地区南部的辽宁省是中国老工业基地的核心，在过去的40几年中辽宁的大气环境问题一直较为严重，受到了国际和国内的广泛关注[23]。生态环境部公布的污染物浓度数据显示，辽宁地区夏季O3污染形势不容乐观。以省会沈阳市为例，2015—2019年，沈阳地区O3浓度(日最大8 h第90百分位浓度)居高不下，有3 a超过国家二级标准(160 μg·m-3)。其中2017年达到峰值，浓度为166 μg·m-3；2018年浓度略有下降，为163 μg·m-3。对中国区域O3的相关研究起步较晚，且主要集中在京津冀[24—26]、长三角和珠三角等地[27-29]，有关辽宁地区近地面O3浓度变化特征和预报技术研究比较缺乏。本文利用近年来辽宁地区重点城市O3浓度观测数据，分析该地区O3的时空变化特征和污染状况，并结合各城市相关气象要素的观测数据，探究O3浓度与气象条件的关联性及其时空差异性，为辽宁地区大气污染治理提供理论方法和基础信息支撑。

1 资料与方法

1.1 重点城市的选取

根据辽宁城市的地理位置以及2015—2019年各城市的GDP、幸福指数和首要污染物变化特征，选取沈阳、大连、鞍山、丹东和营口作为本研究的重点城市。辽宁14个地级城市的地理位置如图1。

图1 辽宁省14个城市地理位置Fig.1 Locations of the 14 cities in Liaoning province

1.2 O3浓度数据来源

本研究利用的2015—2019年O3浓度数据来自生态环境部全国城市空气质量实时发布平台(http://datacenter.mee.gov.cn/websjzx/queryIndex.vm)，O3监测利用的是赛默飞世尔中国有限公司生产的49i型O3分析仪。将辽宁各城市逐小时O3浓度转换成逐日、逐月平均浓度以及日最大8 h平均浓度，并将各城市O3浓度插值到格点进行空间分布分析。

1.3 气象数据来源

气象要素数据来自气象数据统一服务平台(http://10.86.121.55/cimissapiweb)，本研究利用的是辽宁各城市气象台站2015—2019年逐小时2 m气温、海平面气压、10 min平均风速、风向和总辐射辐照度。

2 结果分析

2.1 辽宁地区O3浓度空间分布

由图2可知，辽宁地区O3浓度在春、夏季高，秋、冬季低；在环辽东湾地区最大，春、夏季可达100 μg·m-3以上，冬季降至50 μg·m-3以下；西部较大，春、夏季基本在90 μg·m-3以上；东部最低，全年均在80 μg·m-3以下。

图2 辽宁地区春(a)、夏(b)、秋(c)、冬(d)季O3日最大8 h平均浓度空间分布Fig.2 Spatial distribution of the average maximum daily 8-hour ozone concentrations in four seasons in Liaoning province

2.2 辽宁地区主要城市首要大气污染物

2015—2019年沈阳和鞍山以PM2.5为首要污染物的天数占比逐年下降，但O3呈增加趋势；大连和营口以O3为首要污染物的天数占比持续超过了以PM2.5为首要污染物的天数；丹东以O3为首要污染物的天数占比逐年升高(图3)。研究表明，通过《大气污染防治行动计划》[30]主要政策的实施，2013—2017年中国地区SO2和NOx排放分别减少1.640×108t和8×107t，一次PM2.5排放减少3.50×107t，减排和气象条件变化对PM2.5暴露水平下降的贡献分别为91%和9%[31]。然而由于具有复杂的形成机制，O3呈现出显著上升趋势，单一针对PM2.5的减排会造成NO减少，O3“滴定”消耗作用减弱，从而形成O3污染。更重要的是，目前对O3主要前体物VOCs的减控还远远不够，只有控制了VOCs排放，辽宁地区的O3污染治理才有可能初见成效。

2.3 辽宁地区主要城市O3变化趋势

近5 a，除环辽东湾的几个城市的O3浓度变化呈下降趋势外，其他辽宁地区的主要城市的O3浓度均呈明显的上升趋势。根据2015—2019年辽宁5个主要城市的平均O3浓度(最大8 h平均浓度)计算的年变率表明，除位于环辽东湾地区的大连和营口的O3浓度年际增长率为负(图4中蓝色方块标注)外，位于辽河平原的沈阳和鞍山以及辽宁东部沿海的丹东的O3浓度年际增长率为正(图4中红色圆点标注)。其中营口负增长率最大(-2.1%·a-1)，鞍山正增长率最大(1.7%·a-1)。鞍山、丹东的O3浓度正增长可能与当地O3前体物NOx和VOCs的比值变化密切相关。

2.4 辽宁地区主要城市O3浓度日和季变化特征

辽宁地区主要城市的近地面O3浓度(最大8 h平均浓度)表现出明显的日变化特征,即夜间低、凌晨逐渐升高，下午至黄昏达到峰值。主要原因是白天气温高、太阳辐射强等气象条件有利于大气中氮氧化物和挥发性有机物等污染气体通过光化学反应生成O3，O3浓度一般在16—17时左右达到一日中的最高值；夜间太阳辐射减少，O3光化学反应生成减弱，加之NO对O3的反应消耗作用，其浓度一般在凌晨05—06时达到一日中的最低值(图5)。总体来看，营口和大连的O3浓度高于其他3个城市。

辽宁地区主要城市的近地面O3浓度呈现显著的季节变化。春末夏初最高、秋季次之、冬季最低。根据2015—2019年月平均O3浓度数据表明，从1月开始O3浓度逐渐增加，至5月沈阳和丹东达到峰值，6月大连、鞍山和营口达到峰值；随后，除大连9月出现次峰值外，其他重点城市开始逐月降低，至12月各城市O3浓度都降至最低。与其他城市相比，营口O3浓度峰值最大，可达123 μg·m-3，大连次之，为108 μg·m-3(图6)。春末夏初的5—6月，太阳高度角较高，到达地面的太阳辐射是一年中最多的时期；同时5—6月气温也较高，有利于O3的局地光化学反应生成，因此O3浓度达到了一年中的峰值。

图6 辽宁省5个主要城市O3最大8 h浓度月变化Fig.6 Monthly variation of ozone concentrations over the five major cites in Liaoning province

2.5 影响辽宁重点城市O3污染的重要气象条件

受亚洲夏季风影响，辽宁地区夏季盛行西南风，来自上游(京津冀地区)的O3及其前体物向辽宁地区输送，在强紫外辐射作用下易发生光化学反应，导致夏季O3污染频发[10]。对于局地O3生成，以O3污染最严重的2017年为例，统计分析了晴空条件下全年白天逐小时O3浓度与海平面气压、2 m气温、相对湿度、10 m平均风速、总辐射辐照度的相关系数(表1)。从表1可见，总体上O3浓度与气压具有显著的负相关关系，与风速基本呈负相关但相关性较弱，与气温、湿度和总辐射辐照度具有显著的正相关关系。某个地区受低压系统控制时，周围的污染气团在水平方向上流入该地区造成O3污染；另外，小风不利于污染物在水平方向扩散，也会加重O3污染。因此，除受污染排放源直接影响外，高温、高湿、强辐射、小风和地面低气压都有利于O3的局地生成。

表1 辽宁省5个主要城市O3浓度与气象要素的相关系数Table 1 Coefficients between ozone concentrations and meteorological factors for the five major cities in Liaoning province

2015—2019年风场数据显示，沈阳地区全年平均情况下的主导风向为由西南吹向东北；风速超过3 m·s-1，大于其他方向风速(图7和图8)。张婕等[32]通过沈阳地区逐月气团36 h后向轨迹研究也发现，沈阳6—9月为南或西南向气流主导，表明沈阳地区的环境空气质量易受到西南方向上游地区(如京津冀地区)污染气团的影响。

风向频率单位为%；风速单位为m·s-1图7 2015—2019年沈阳地区风向和风速玫瑰图Fig.7 Wind frequency and speed over Shenyang during 2015-2019

黑点位置为沈阳图8 沈阳地区1000 hPa平均风场Fig.8 Annual mean wind field in Shenyang

2015—2019年，沈阳地区小时O3浓度超过国家二级标准(200 μg·m-3)出现频率最高的风向为西南(35.1%)，其次是南西南(23.9%)、南(11.2%)和西西南(6.5%)，这4个风向合计占比76.7%(表2)。统计结果反映出南—西南方向(如京津冀地区)O3及其前体物的输送对沈阳地区O3污染具有显著贡献。

表2 沈阳地区O3浓度超标日的风向频率Table 2 Frequency of wind directions corresponds to hourly ozone concentration exceeding the environmental standard over Shenyang

3 结论

(1)辽宁地区O3浓度在春、夏季高，秋、冬季低；在环辽东湾地区最大，春、夏季可达100 μg·m-3以上，冬季降至50 μg·m-3以下；西部较大，春、夏季基本在90 μg·m-3以上；东部最低，全年均在80 μg·m-3以下。O3浓度从1月开始逐渐增加，至5月沈阳和丹东达到峰值，6月大连、鞍山和营口达到峰值；随后，除大连9月出现次峰值外，其他重点城市开始逐月降低，至12月各城市O3浓度都降至最低。与其他城市相比，营口O3浓度峰值最大，大连次之。辽宁地区O3浓度夜间低、凌晨逐渐升高，下午至黄昏达到峰值。

(2)除环辽东湾部分城市O3浓度呈下降趋势外，辽宁地区其他城市的O3浓度均呈明显的上升趋势，其中鞍山正增长率最大(1.7%·a-1)，O3正取代PM2.5成为影响辽宁地区的首要大气污染物。除受污染排放源直接影响外，高温、高湿、强辐射、小风和地面低气压都有利于O3的局地生成。在亚洲夏季风的影响下，上游地区(如京津冀地区)的污染气团会随大气环流向东北地区输送，对辽宁地区夏季O3污染产生重要影响。