楊文

摘要：分析了2019年5月與2017年、2018年同期威海市臭氧濃度特征，利用HYSPLIT后向軌跡模型研究了威海市夏季臭氧濃度異常升高過程的氣團來源及傳輸途徑，對威海市臭氧污染成因進行了初步分析，威海市自2019年5月以來，臭氧濃度超標天數達20 d左右且出現四次污染過程。通過綜合分析表明，海陸風局地環(huán)流，西部或西南部污染氣團的影響，以及NOx的外來輸送或區(qū)域積累是造成臭氧濃度升高的重要原因。在此基礎上提出了臭氧防治的建議措施。

關鍵詞：臭氧濃度;污染特征;臭氧敏感型;成因探討;威海市

中圖分類號：X515 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2019）20-0093-03

1引言

臭氧（03）是大氣中重要的光化學氧化劑和溫室氣體，大部分分布在平流層，小部分分布在對流層。當近地面Os濃度較高時，對人體健康和生態(tài)環(huán)境變化有著重要影響。近年來，我國地級市陸續(xù)開展臭氧監(jiān)測工作，監(jiān)測結果顯示，我國范圍內大多數城市面臨臭氧問題。自2019年5月以來，威海市臭氧濃度異常升高，較2017年，2018年同期臭氧（最大8 h平均第90百分位數）分別提高16.6%、15.2%，其中5月22日臭氧小時均值達到峰值273（ug/m³），5月22日均值（最大8小時滑動均值）達到峰值250（ug/m³）。通過對威海市臭氧活動規(guī)律和臭氧污染過程進行分析，初步探討此次威海市臭氧濃度異常升高的成因，以期為威海市臭氧污染的防治提供參考。

2臭氧的生成及影響因素

近地面大氣O3的主要來源包括光化學反應生成和高層大氣臭氧的垂直輸送。其中光化學生成通過揮發(fā)性有機物（VOCs）和氮氧化物（NOx）在太陽光照射下發(fā)生復雜化學反應進行的。近地面大氣O3的形成與VOCs和NOx存在復雜非線性關系（EKMA曲線），即Os的形成在VOCs和NOx一定濃度范圍內屬于VOCs敏感化學：VOCs的降低可有效減少（）3的形成，但NOx的降低反而會促進O3的形成;而在另一濃度范圍內則屬于NOx敏感化學：NOx的降低可有效減少O3的形成，但VOCs的降低對O3形成并沒有影響。高層大氣臭氧的垂直輸送主要是指平流層或者對流層中上部大氣中高濃度臭氧向近地面進行輸送。

區(qū)域近地表O3濃度還受垂直輸入和水平傳輸的影響。如圖1所示，垂直輸入包括高空自由對流層的向下輸入以及邊界層中殘留層的對流混合。高空自由對流層大氣中臭氧濃度通常維持在80～130ug/m³，典型案例為我國冬季大風過境時，有時臭氧濃度不僅沒下降，反而會出現明顯升高，其濃度通常在80ug/m³以上，主要由高層自由對流層大氣臭氧輸人引起。此外，太陽落山后，近地面冷源輻射作用引起近地面大氣溫度出現快速降溫，近地表大氣形成逆溫層，而近地面排放NO無法跨越逆溫層到達上部殘留層，使得夜晚殘留層大氣臭氧積累并維持在較高的濃度（圖1）。次日日出后，近地面逆溫層被打破，殘留層大氣與近地面大氣發(fā)生快速對流混合，快速抬升了近地面大氣臭氧濃度。水平傳輸主要是臭氧及其前體物（NOx和VOCs）隨大氣水平流動進行傳輸，進而導致區(qū)域臭氧直接抬升或者二次生成疊加抬升。

3威海市地理條件與臭氧的活動規(guī)律

威海市處于山東半島最東端，三面環(huán)海，受海陸風局地環(huán)流影響顯著（圖2）。白天陸地受熱較快，近地表形成海洋吹向陸地的海風環(huán)流，而夜晚由于陸地降溫迅速，近地表形成陸地吹向海洋的陸風環(huán)流。海洋區(qū)域大氣中臭氧濃度一般維持在一個相對較高的背景濃度，與自由對流層濃度相當。海陸風環(huán)流會直接導致威海大氣中臭氧背景濃度維持在較高水平，加之白天光化學反應的生成，造成臭氧濃度升高。由于威海三面環(huán)海，容易導致海陸風環(huán)流在陸地出現氣流輻合現象，使得威海大氣臭氧出現自疊加效應，因此在不利氣象條件下，極易導致臭氧濃度超標。

4威海市臭氧污染過程分析

如圖3所示，威海市5月份臭氧超標天數達20 d左右，出現4次污染過程，分別為5月2～5日;5月7～12日;5月21～25日;5月28～30日。最大小時均值高達273ug/m³，出現在5月22日15：00時。4次污染過程中夜晚最低濃度通常都高于100ug/m³，表明污染過程威海市白天臭氧初始濃度均處于較高濃度水平。此外，在污染過程中，威海市N02濃度均呈現出顯著升高，尤其是在5月2～25日最嚴重污染期間。且NOz濃度白天出現抬升現象，這與大部分城市NO2白天降低夜晚抬升規(guī)律相反，該污染過程大氣中NOx可能受外源輸入影響。綜合考慮威海市大氣背景臭氧濃度高，NO2濃度相對較低（通常低于25ug/m³），且在臭氧污染過程NO2濃度顯著抬升至75ug/m³左右，且出現日高夜低的特點，威海市臭氧敏感型應該屬于NOx控制型。而VOCs多物種的監(jiān)測十分必要，有利于判別大氣中VOCs高反應活性物種，便于估算威海市的臭氧減排潛勢，并科學制訂區(qū)域可操作性的減排方案。

利用HYSPLIT后向軌跡模型對威海市5月21～25日污染過程進行了氣團軌跡分析。結合臭氧濃度變化趨勢，5月19日夜晚臭氧濃度為80ug/m³，至20日夜晚臭氧濃度逐步升高至100ug/m³，21日臭氧濃度超標;21～24日夜晚臭氧濃度均維持在100～150ug/m³之間。如圖4所示，該污染過程氣團軌跡發(fā)生了顯著變化，在污染前的19和20日，氣團主要來自海洋或者高空西北風，臭氧濃度相對較低;21日后氣團發(fā)生了顯著改變，從地表100～1000 m主要受來自西部或西南部的氣團影響;25日后，主要受來自偏南部海洋氣團的影響。威海市此次污染過程，污染氣團主要來自西部和南部，氣團攜帶大量臭氧前體物（特別是NOx），到達在威海本地后，太陽輻射較強，氣溫較高，利于臭氧的生成。

5威海市臭氧污染成因初步探討

（1）威海市臭氧敏感性可能屬于NOx控制型，污染物NOx的外源輸送或者區(qū)域累積，導致威海市臭氧的快速生成。

（2）威海市三面環(huán)海的地型特點，海陸風局地環(huán)流強化了區(qū)域臭氧自疊加效應。

（3）威海市臭氧污染受到來自西部或者西南部污染氣團的影響較大。

（4）威海市VOCs（包括企業(yè)及生物排放VOCs）濃度相對較高，或者VOCs總反應活性較高，使得光化學過程中大氣活性自由基濃度較高，整體抬升了大氣氧化性，進而提高了NOx向O3轉換的效率。

（5）站點周邊不利因素對數據分析可能產生影響。

6建議措施

6.1加強涉VOCs企業(yè)綜合治理力度

針對VOCs治理方面存在的問題，威海市應督促企業(yè)采取有效措施對存在問題的工藝環(huán)節(jié)進行整改治理;對于處理效率低下，難以滿足現今要求的治污設施立刻進行維修、更換，以期最短時間內減少工業(yè)企業(yè)VOCs排放量。

6.2加強建筑施工工地綜合管理

威海市應進一步加強建筑施工工地大型柴油運輸車、非道路移動機械的尾氣控制，對于排放不達標、黑煙異味問題嚴重的柴油運輸車、非道路移動機械應提出維修或淘汰的具體要求。

6.3加強區(qū)域協(xié)同控制

青島、煙臺、日照、威海形成膠東半島區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控機制，對臭氧升高的原因進行綜合分析，在有效降低氮氧化物產生量的前提下，壓減膠東半島區(qū)域的VOCs產生量，對臭氧進行協(xié)同控制。