广西一次大范围长时间臭氧污染过程分析

王义耕，廖国莲，陈 丹，潘润西，和凌红

（1.广西壮族自治区气象台，南宁 530022；2.广西壮族自治区气象科学研究所，南宁 530022；3.广西壮族自治区生态环境监测中心，南宁 530028）

引言

大气中的臭氧（O3）大约90%集中在平流层中，约10%集中在对流层中［1］，近地层中的O3是典型的二次污染物，也是造成我国城市大气复合污染的重要因素。近年来随着“大气污染防治行动计划”和“蓝天保卫战”的实施，我国雾霾状况逐年好转，PM2.5污染天数显著减少，但以O3为代表的光化学污染却有逐年加重的趋势。因此，目前对于O3污染的研究备受国内外关注。曹庭伟等［2］分析了成渝城市群O3污染时空分布特征及其影响因子；彭丽等［3］研究指出臭氧的垂直分布主要受光化学反应和动力输送作用影响，自由对流层甚至平流层的臭氧也会输送至地面，从而影响地面的臭氧浓度；Verstraeten 等［4］研究指出O3的生命期会有几小时至几天，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。然而学者们针对广西地区O3研究并不多，有少量的研究也多集中在单个特定城市［5－6］。对O3污染典型过程研究是O3污染治理的基础，2021 年6 月6—8 日广西发生了一次大范围长时间的O3区域污染过程，时间长，持续3d 之久，范围广，累计出现21 城次的污染天。本文从高空和地面天气形势、地面气象要素、边界层风场特征、O3区域输送等多个方面，对该次过程进行了系统全面分析，为广西O3污染的预报预警和防控减排提供参考。

1 资料与方法

O3浓度数据来自广西壮族自治区生态环境监测中心2021 年6 月5—8 日全区逐日逐时监测资料，根据《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）（HJ663－2012）》的O3浓度数据规范与标准，对O3数据的有效性进行筛选，进行了严格的质控。气象数据来自广西壮族自治区气象局信息中心提供的同时段地面台站常规气象观测资料（气温、风速、降水量、相对湿度），高空及地面实况天气图来自中国气象局CMA-Cast 信息系统下发的Micaps 高空地面资料。

利用广西地区地面气象观测数据、臭氧浓度数据和臭氧激光雷达观测资料，并运用质点后向轨迹方法，分析了此次区域性臭氧污染过程的形成机理。HYSPLIT－4 模型是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在过去20a 间联合研发的一种用于计算和分析大气污染物输送、扩散轨迹的专业模型［7］。模型所用数据是NCEP 的GDAS 资料，空间分辨率为1°×1°。

2 臭氧区域污染实况

2021 年6 月5 日，广西全区臭氧浓度明显上升，14 个地级市空气质量都是良，O3日最大8h 滑动平均浓度都超过100μg·m-3，贵港最大达138μg·m-3。6 月6 日10 时，臭氧浓度大幅上升，贵港14 时臭氧小时值203μg·m-3，达到臭氧小时 值轻度污染（200μg·m-3，下同），17 时出现最高峰值261μg·m-3，臭氧污染天主要集中在南部的防城港、北海、贵港和南宁。6 月7 日臭氧浓度上升趋势加剧，13 时已有9个城市小时值超过160μg·m-3，6 个城市出现单站臭氧小时值轻度污染；污染区域逐步扩大，臭氧污染带总体北移，集中在中南部，9 个城市出现臭氧日污染，分别是贵港、玉林、柳州、百色、来宾、钦州、梧州、崇左和贺州。6 月8 日，受南海季风槽北抬影响，臭氧污染带继续北移，臭氧污染带集中在中北部，贺州、来宾、柳州、贵港、玉林、百色、河池和桂林，共8个城市出现污染，贺州臭氧浓度上升最为明显，河池出现了自2016 年以来的首次臭氧污染天。受南海季风槽逐渐北抬影响，此次区域性臭氧污染过程总体呈现由南向北移动的趋势，累计出现21 城次的污染天，贵港不仅污染最严重，连续3d 出现臭氧污染，而且臭氧浓度全区最高，O3日最大8h 滑动平均浓度达214μg·m-3。

3 高空及地面天气形势

选取6 月7 日08 时高空及地面实况天气图（略）：500hPa 位势高度场、地面气压场、850hPa 风场、925hPa 风场。6 月6—8 日，从500hPa 位势高度场分析，广西都处于500hPa 高压脊的底部，从地面气压场分析，地面都受变性高压脊控制，从高空到地面都受高压脊影响，造成广西地区持续无云或少云，使得到达地面的太阳辐射增强，有利于O3生成。从850hPa 风场分析，6 日南海季风槽位于琼州海峡，7日北抬至两广地区海洋和陆地交界处，8 日进一步北抬至沿海城市，在南海季风槽逐渐北抬过程中，季风槽外围下沉气流也逐渐北抬，造成广西此次臭氧污染由南向北移动的趋势。从925hPa 风场分析，污染期间两广地区大气边界层盛行偏东风，6 日东南风，7 日转偏东风，8 日又转东南风，且风速较大。6月5—8 日，广东省多个城市出现了臭氧污染，臭氧浓度高，在大气边界层偏东风作用下，臭氧源源不断地向广西地区输送，是造成广西此次大面积长时间臭氧污染的一个重要的原因。以下“后向轨迹图”进一步了说明此次广东臭氧输入过程。

4 污染原因分析

4.1 气象条件分析

2021 年6 月6—8 日受高压脊影响，太阳辐射强烈，广西大部分地区出现晴热天气。期间全区分别有32 站、31 站、13 站最高气温大于等于35℃，最高为三江站36.9℃，出现臭氧污染的城市最高气温在32.5～35.4℃之间，绝大部分在34.0℃左右。高温可促进光化学反应的进行和植物排放VOCs 的浓度［8］，有利于O3生成，O3浓度增加较快，O3浓度与气温呈现较为一致的正相关。降水有利于O3及其前体物的洗涮和湿清除，同时雨天云量较多，云对太阳辐射有散射和吸收作用，从而减少到达地面的紫外线光强，不利于生成O3的光化学反应进行。三天中除了8 日沿海城市有分散性小雨外，出现臭氧污染的城市降水量都是0，无降水有利于O3累积，O3浓度与降水量呈现较为明显的反相关。

从地面气压场来看（图略），整个广西等压线稀疏，气压梯度小，地面为微风或静风，天气静稳。地面风速大小决定了大气扩散能力，地面风速越小，大气水平扩散能力越弱。经统计，出现臭氧污染的城市地面日平均风速大小在0.9m·s-1～2.4m·s-1之间，绝大多数在2.0m·s-1以下，风速较小，大气水平扩散条件差，小风速不利于O3由城市向郊区扩散，聚集在城区形成O3高值区。O3浓度与地面风速呈现较为明显的负相关。相对湿度对O3的生成、消除有重要影响，当相对湿度大时，大气中的水汽通过消光机制影响太阳辐射而使紫外辐射衰减，减缓了光化学反应的发生；湿度较高情况下，空气中水汽所含的自由基（·HO2和·OH）等迅速将臭氧分解为氧分子，直接消耗O3，降低O3浓度；相对湿度较高有利于O3的湿清除，高湿环境也是形成湿清除的重要指标［9］。因而相对湿度小反而有利于O3生成，O3浓度与相对湿度呈现负相关。经统计，出现臭氧污染的城市地面日平均相对湿度大小55.0%～74.8%之间，绝大多数在70.0%以下，各站点臭氧峰值集中出现在13∶00—16∶00，一天中光化学反应最强的时段，小时相对湿度更小，在42.6%～60.0%之间，这种相对湿度非常有利于O3生成。

4.2 后向轨迹分析

为了分析本次O3外来传输的来源，利用NOAA的HYSPLIT 模型做玉林观测点后向轨迹分析（图1）。质点的经纬度选定污染较重的玉林观测点（110.117°E、22.667°N），气团的时间选定O3浓度大幅上升的北京时间6 月7 日12∶00（图中时间是世界时），分别从3 个高度（800m、500m 和100m）进行质点后向24h 轨迹追踪，污染物主要聚集在大气边界层内，故选的3 个高度都低于大气边界层的高度。到达玉林的24h 后向轨迹模型显示，距地面800m（绿色）、500m（蓝色）和100m（红色）的污染气团高起低落来自珠三角地区。由图可知，前12h 污染气团主要是水平传输，从珠三角地区传入广西境内，后12h 除了水平传输，污染气团向下垂直传输也明显加快，将臭氧输送至地面，造成广西境内的O3浓度剧增。

图1 6 月7 日12 时到达玉林的臭氧24h 后向轨迹图

4.3 区域输送分析

在区域输送不明显时，边界层内O3生成由局地化学反应主导，O3是挥发性有机物（VOCs）和氮氧化物（NOx）在太阳紫外光照射下进行光化学反应的生成物。日落后，光化辐射不存在了，生成O3的自由基链式光化学反应就终止了，O3浓度迅速下降，而且O3是一种反应性极高的气体，也是一种强氧化剂［10］，O3能与多种还原性的污染物发生气相反应，随着时间的推移，消耗O3的化学反应不断进行，到了凌晨O3浓度会下降到很低的水平。

然而从监测数据看，此次O3污染过程期间，柳州柳东小学、防城港大海花园、钦州沙埠小学、玉林南江一中等站点晚上20∶00 后O3浓度仍然超过170μg·m-3，玉林师范学院东校区夜间23∶00 O3浓度维持163μg·m-3的超标状态，多地臭氧夜间高居不下。显然这些O3不全是本地光化学反应产生的，区域输送明显，O3随着边界层偏东风，从珠三角地区传入广西境内，在南海季风槽外围下沉气流作用下，向下垂直传输，将臭氧输送至地面，造成广西境内多地夜间的O3浓度仍然维持在较高水平。

地面臭氧激光雷达也监测到了这一反常现象，由图2 可见，凌晨近地层臭氧浓度仍然较高，6 月7日凌晨，樟木三中臭氧仍高达180μg·m-3以上，臭氧区域水平输送和高空沉降影响显著，这也间接解释了此次O3区域污染过程贵港不仅污染最严重而且臭氧浓度全区最高的现象。

图2 贵港樟木三中6 月6—8 日臭氧激光雷达监测结果

桂东北县份也呈现较反常的污染规律，全区空气质量较好的金秀县在6 月8 日10∶00 开始出现臭氧超标，11∶00 就开始回落，显然不全是本地光化学反应产生，O3区域输送明显。按纬度由南向北选择柳江区、柳城县、钟山县和兴安县，4 县区的臭氧峰值变化趋势，峰值变化基本上呈现先南后北，峰值时刻有显著滞后现象，且都出现明显的双峰特征，表明有臭氧水平输送影响。

5 结论

（1）受南海季风槽北抬影响，此次臭氧区域污染过程总体呈现由南向北变化的趋势。

（2）此次臭氧区域污染与本地的气象条件密切相关，O3浓度与气温呈现较为一致的正相关，与降水量、地面风速和相对湿度呈现较为明显的负相关，本地适宜的气象条件生成高浓度的O3是造成此次臭氧区域污染的主要原因。

（3）在边界层偏东风作用下，珠三角地区O3向广西区域输送是造成此次臭氧区域污染的次要原因。