劉寧微 權(quán)維俊 任萬(wàn)輝 李曉嵐 李麗光 王迪

(1.中國(guó)氣象局沈陽(yáng)大氣環(huán)境研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110166； 2.京津冀環(huán)境氣象預(yù)警中心，北京100089；3.遼寧省沈陽(yáng)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，遼寧 沈陽(yáng) 110169； 4.遼寧省氣象服務(wù)中心，遼寧 沈陽(yáng) 110166)

引言

O3作為OH自由基的重要來(lái)源之一，間接決定著對(duì)流層多種微量成分的壽命[1-2]；O3也是一種重要的溫室氣體，對(duì)全球氣候變化有著重要影響[3]；近地面O3又是一種強(qiáng)氧化劑和植物毒劑，直接危害人體健康和地表植被[4]。因此，研究O3的時(shí)空變化和污染來(lái)源對(duì)于全球氣候變化和保護(hù)地球生物都具有重要意義。從全球尺度來(lái)說(shuō)，對(duì)流層O3有兩個(gè)主要來(lái)源：平流層向?qū)α鲗拥妮斔蚚5-6]和通過(guò)其前體物(NOx和揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs))之間的光化學(xué)反應(yīng)生成[7]。在區(qū)域尺度，O3時(shí)空分布變化的主要因素包括：遠(yuǎn)距離輸入和輸出(水平方向)、平流層—對(duì)流層交換和沉降(垂直方向)、光化學(xué)生成和消耗[8-9]。局地O3的光化學(xué)反應(yīng)生成和消耗與當(dāng)?shù)氐臍庀笠孛芮邢嚓P(guān)，溫度、氣壓、風(fēng)場(chǎng)、濕度等都會(huì)對(duì)O3濃度高度產(chǎn)生不同程度的影響[10-11]。

近幾十年來(lái)，中國(guó)多個(gè)地區(qū)的對(duì)流層O3含量較高，并呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，部分地區(qū)(尤其是夏、秋季節(jié))增幅較大。徐曉斌和林偉立[12]研究表明，1979—2005年中國(guó)區(qū)域?qū)α鲗覱3柱含量在華南—四川盆地—華中地區(qū)—華北平原地區(qū)—東北南部地區(qū)表現(xiàn)為一個(gè)大于40 DU的鉤狀大范圍高值區(qū)，華北地區(qū)除冬季外，其他季節(jié)以及全年平均O3均為增長(zhǎng)趨勢(shì)，最高的增長(zhǎng)率出現(xiàn)在夏季，達(dá)到1.10 DU/10 a[12]。Ma等[13]發(fā)現(xiàn)上甸子大氣本底站2003—2015年地面日最大8 h平均O3濃度增長(zhǎng)率為1.13±0.01 ppb/a。Sun 等[14]發(fā)現(xiàn)泰山觀測(cè)站2003—2015年夏季地面O3的顯著增加，平均增長(zhǎng)率分別為6月的1.7 ppb/a和7—8月的2.1 ppb/a。Xu 等[15]發(fā)現(xiàn)臨安大氣本底站1991—2006年地面O3的總體升高趨勢(shì)，15 a間O3月平均濃度在17.5—52.3 ppb之間變化，日較差增加(日最大值增大，日最小值降低)且夏季表現(xiàn)得最為顯著，這與長(zhǎng)三角地區(qū)NOx濃度增加密切相關(guān)。Wang等[16]發(fā)現(xiàn)，香港鶴咀大氣背景站1994—2007年地面O3的平均增長(zhǎng)率為0.58 ppb/a，秋季增長(zhǎng)率最大(1.02 ppb/a)，2001—2007年較1994—2000年的平均O3濃度增長(zhǎng)0.94 ppb/a。Ding等[17]發(fā)現(xiàn)1995—2005北京上空對(duì)流層O3的平均增長(zhǎng)率為1 ppb/a(約2%)，夏季午后邊界層O3增幅達(dá)22 ppb，增長(zhǎng)率3 ppb/a(約4%)，2000—2005年較1995—1999年的O3濃度有顯著增加，邊界層內(nèi)增幅高達(dá)5—8 ppb。Wang等[18]發(fā)現(xiàn)隨著城市化發(fā)展，珠三角、長(zhǎng)三角地區(qū)地面O3濃度分別增加了4.7%—8.5%和2.9%—4.2%。值得注意的是，一直以來(lái)工業(yè)化進(jìn)程較慢的中國(guó)西部，近年來(lái)也頻繁出現(xiàn)夏季的高值O3事件[19-21]。Li 等[22]的模擬結(jié)果顯示，2000年中國(guó)西部年平均地面O3濃度高于東部10 ppb以上。

作為中國(guó)東北地區(qū)南部的遼寧省是中國(guó)老工業(yè)基地的核心，在過(guò)去的40幾年中遼寧的大氣環(huán)境問(wèn)題一直較為嚴(yán)重，受到了國(guó)際和國(guó)內(nèi)的廣泛關(guān)注[23]。生態(tài)環(huán)境部公布的污染物濃度數(shù)據(jù)顯示，遼寧地區(qū)夏季O3污染形勢(shì)不容樂(lè)觀。以省會(huì)沈陽(yáng)市為例，2015—2019年，沈陽(yáng)地區(qū)O3濃度(日最大8 h第90百分位濃度)居高不下，有3 a超過(guò)國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(160 μg·m-3)。其中2017年達(dá)到峰值，濃度為166 μg·m-3；2018年濃度略有下降，為163 μg·m-3。對(duì)中國(guó)區(qū)域O3的相關(guān)研究起步較晚，且主要集中在京津冀[24—26]、長(zhǎng)三角和珠三角等地[27-29]，有關(guān)遼寧地區(qū)近地面O3濃度變化特征和預(yù)報(bào)技術(shù)研究比較缺乏。本文利用近年來(lái)遼寧地區(qū)重點(diǎn)城市O3濃度觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析該地區(qū)O3的時(shí)空變化特征和污染狀況，并結(jié)合各城市相關(guān)氣象要素的觀測(cè)數(shù)據(jù)，探究O3濃度與氣象條件的關(guān)聯(lián)性及其時(shí)空差異性，為遼寧地區(qū)大氣污染治理提供理論方法和基礎(chǔ)信息支撐。

1 資料與方法

1.1 重點(diǎn)城市的選取

根據(jù)遼寧城市的地理位置以及2015—2019年各城市的GDP、幸福指數(shù)和首要污染物變化特征，選取沈陽(yáng)、大連、鞍山、丹東和營(yíng)口作為本研究的重點(diǎn)城市。遼寧14個(gè)地級(jí)城市的地理位置如圖1。

圖1 遼寧省14個(gè)城市地理位置Fig.1 Locations of the 14 cities in Liaoning province

1.2 O3濃度數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究利用的2015—2019年O3濃度數(shù)據(jù)來(lái)自生態(tài)環(huán)境部全國(guó)城市空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布平臺(tái)(http://datacenter.mee.gov.cn/websjzx/queryIndex.vm)，O3監(jiān)測(cè)利用的是賽默飛世爾中國(guó)有限公司生產(chǎn)的49i型O3分析儀。將遼寧各城市逐小時(shí)O3濃度轉(zhuǎn)換成逐日、逐月平均濃度以及日最大8 h平均濃度，并將各城市O3濃度插值到格點(diǎn)進(jìn)行空間分布分析。

1.3 氣象數(shù)據(jù)來(lái)源

氣象要素?cái)?shù)據(jù)來(lái)自氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)一服務(wù)平臺(tái)(http://10.86.121.55/cimissapiweb)，本研究利用的是遼寧各城市氣象臺(tái)站2015—2019年逐小時(shí)2 m氣溫、海平面氣壓、10 min平均風(fēng)速、風(fēng)向和總輻射輻照度。

2 結(jié)果分析

2.1 遼寧地區(qū)O3濃度空間分布

由圖2可知，遼寧地區(qū)O3濃度在春、夏季高，秋、冬季低；在環(huán)遼東灣地區(qū)最大，春、夏季可達(dá)100 μg·m-3以上，冬季降至50 μg·m-3以下；西部較大，春、夏季基本在90 μg·m-3以上；東部最低，全年均在80 μg·m-3以下。

圖2 遼寧地區(qū)春(a)、夏(b)、秋(c)、冬(d)季O3日最大8 h平均濃度空間分布Fig.2 Spatial distribution of the average maximum daily 8-hour ozone concentrations in four seasons in Liaoning province

2.2 遼寧地區(qū)主要城市首要大氣污染物

2015—2019年沈陽(yáng)和鞍山以PM2.5為首要污染物的天數(shù)占比逐年下降，但O3呈增加趨勢(shì)；大連和營(yíng)口以O(shè)3為首要污染物的天數(shù)占比持續(xù)超過(guò)了以PM2.5為首要污染物的天數(shù)；丹東以O(shè)3為首要污染物的天數(shù)占比逐年升高(圖3)。研究表明，通過(guò)《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》[30]主要政策的實(shí)施，2013—2017年中國(guó)地區(qū)SO2和NOx排放分別減少1.640×108t和8×107t，一次PM2.5排放減少3.50×107t，減排和氣象條件變化對(duì)PM2.5暴露水平下降的貢獻(xiàn)分別為91%和9%[31]。然而由于具有復(fù)雜的形成機(jī)制，O3呈現(xiàn)出顯著上升趨勢(shì)，單一針對(duì)PM2.5的減排會(huì)造成NO減少，O3“滴定”消耗作用減弱，從而形成O3污染。更重要的是，目前對(duì)O3主要前體物VOCs的減控還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，只有控制了VOCs排放，遼寧地區(qū)的O3污染治理才有可能初見(jiàn)成效。

2.3 遼寧地區(qū)主要城市O3變化趨勢(shì)

近5 a，除環(huán)遼東灣的幾個(gè)城市的O3濃度變化呈下降趨勢(shì)外，其他遼寧地區(qū)的主要城市的O3濃度均呈明顯的上升趨勢(shì)。根據(jù)2015—2019年遼寧5個(gè)主要城市的平均O3濃度(最大8 h平均濃度)計(jì)算的年變率表明，除位于環(huán)遼東灣地區(qū)的大連和營(yíng)口的O3濃度年際增長(zhǎng)率為負(fù)(圖4中藍(lán)色方塊標(biāo)注)外，位于遼河平原的沈陽(yáng)和鞍山以及遼寧東部沿海的丹東的O3濃度年際增長(zhǎng)率為正(圖4中紅色圓點(diǎn)標(biāo)注)。其中營(yíng)口負(fù)增長(zhǎng)率最大(-2.1%·a-1)，鞍山正增長(zhǎng)率最大(1.7%·a-1)。鞍山、丹東的O3濃度正增長(zhǎng)可能與當(dāng)?shù)豋3前體物NOx和VOCs的比值變化密切相關(guān)。

2.4 遼寧地區(qū)主要城市O3濃度日和季變化特征

遼寧地區(qū)主要城市的近地面O3濃度(最大8 h平均濃度)表現(xiàn)出明顯的日變化特征,即夜間低、凌晨逐漸升高，下午至黃昏達(dá)到峰值。主要原因是白天氣溫高、太陽(yáng)輻射強(qiáng)等氣象條件有利于大氣中氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物等污染氣體通過(guò)光化學(xué)反應(yīng)生成O3，O3濃度一般在16—17時(shí)左右達(dá)到一日中的最高值；夜間太陽(yáng)輻射減少，O3光化學(xué)反應(yīng)生成減弱，加之NO對(duì)O3的反應(yīng)消耗作用，其濃度一般在凌晨05—06時(shí)達(dá)到一日中的最低值(圖5)。總體來(lái)看，營(yíng)口和大連的O3濃度高于其他3個(gè)城市。

遼寧地區(qū)主要城市的近地面O3濃度呈現(xiàn)顯著的季節(jié)變化。春末夏初最高、秋季次之、冬季最低。根據(jù)2015—2019年月平均O3濃度數(shù)據(jù)表明，從1月開(kāi)始O3濃度逐漸增加，至5月沈陽(yáng)和丹東達(dá)到峰值，6月大連、鞍山和營(yíng)口達(dá)到峰值；隨后，除大連9月出現(xiàn)次峰值外，其他重點(diǎn)城市開(kāi)始逐月降低，至12月各城市O3濃度都降至最低。與其他城市相比，營(yíng)口O3濃度峰值最大，可達(dá)123 μg·m-3，大連次之，為108 μg·m-3(圖6)。春末夏初的5—6月，太陽(yáng)高度角較高，到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射是一年中最多的時(shí)期；同時(shí)5—6月氣溫也較高，有利于O3的局地光化學(xué)反應(yīng)生成，因此O3濃度達(dá)到了一年中的峰值。

圖6 遼寧省5個(gè)主要城市O3最大8 h濃度月變化Fig.6 Monthly variation of ozone concentrations over the five major cites in Liaoning province

2.5 影響遼寧重點(diǎn)城市O3污染的重要?dú)庀髼l件

受亞洲夏季風(fēng)影響，遼寧地區(qū)夏季盛行西南風(fēng)，來(lái)自上游(京津冀地區(qū))的O3及其前體物向遼寧地區(qū)輸送，在強(qiáng)紫外輻射作用下易發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致夏季O3污染頻發(fā)[10]。對(duì)于局地O3生成，以O(shè)3污染最嚴(yán)重的2017年為例，統(tǒng)計(jì)分析了晴空條件下全年白天逐小時(shí)O3濃度與海平面氣壓、2 m氣溫、相對(duì)濕度、10 m平均風(fēng)速、總輻射輻照度的相關(guān)系數(shù)(表1)。從表1可見(jiàn)，總體上O3濃度與氣壓具有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與風(fēng)速基本呈負(fù)相關(guān)但相關(guān)性較弱，與氣溫、濕度和總輻射輻照度具有顯著的正相關(guān)關(guān)系。某個(gè)地區(qū)受低壓系統(tǒng)控制時(shí)，周?chē)奈廴練鈭F(tuán)在水平方向上流入該地區(qū)造成O3污染；另外，小風(fēng)不利于污染物在水平方向擴(kuò)散，也會(huì)加重O3污染。因此，除受污染排放源直接影響外，高溫、高濕、強(qiáng)輻射、小風(fēng)和地面低氣壓都有利于O3的局地生成。

表1 遼寧省5個(gè)主要城市O3濃度與氣象要素的相關(guān)系數(shù)Table 1 Coefficients between ozone concentrations and meteorological factors for the five major cities in Liaoning province

2015—2019年風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示，沈陽(yáng)地區(qū)全年平均情況下的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)橛晌髂洗迪驏|北；風(fēng)速超過(guò)3 m·s-1，大于其他方向風(fēng)速(圖7和圖8)。張婕等[32]通過(guò)沈陽(yáng)地區(qū)逐月氣團(tuán)36 h后向軌跡研究也發(fā)現(xiàn)，沈陽(yáng)6—9月為南或西南向氣流主導(dǎo)，表明沈陽(yáng)地區(qū)的環(huán)境空氣質(zhì)量易受到西南方向上游地區(qū)(如京津冀地區(qū))污染氣團(tuán)的影響。

風(fēng)向頻率單位為%；風(fēng)速單位為m·s-1圖7 2015—2019年沈陽(yáng)地區(qū)風(fēng)向和風(fēng)速玫瑰圖Fig.7 Wind frequency and speed over Shenyang during 2015-2019

黑點(diǎn)位置為沈陽(yáng)圖8 沈陽(yáng)地區(qū)1000 hPa平均風(fēng)場(chǎng)Fig.8 Annual mean wind field in Shenyang

2015—2019年，沈陽(yáng)地區(qū)小時(shí)O3濃度超過(guò)國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(200 μg·m-3)出現(xiàn)頻率最高的風(fēng)向?yàn)槲髂?35.1%)，其次是南西南(23.9%)、南(11.2%)和西西南(6.5%)，這4個(gè)風(fēng)向合計(jì)占比76.7%(表2)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果反映出南—西南方向(如京津冀地區(qū))O3及其前體物的輸送對(duì)沈陽(yáng)地區(qū)O3污染具有顯著貢獻(xiàn)。

表2 沈陽(yáng)地區(qū)O3濃度超標(biāo)日的風(fēng)向頻率Table 2 Frequency of wind directions corresponds to hourly ozone concentration exceeding the environmental standard over Shenyang

3 結(jié)論

(1)遼寧地區(qū)O3濃度在春、夏季高，秋、冬季低；在環(huán)遼東灣地區(qū)最大，春、夏季可達(dá)100 μg·m-3以上，冬季降至50 μg·m-3以下；西部較大，春、夏季基本在90 μg·m-3以上；東部最低，全年均在80 μg·m-3以下。O3濃度從1月開(kāi)始逐漸增加，至5月沈陽(yáng)和丹東達(dá)到峰值，6月大連、鞍山和營(yíng)口達(dá)到峰值；隨后，除大連9月出現(xiàn)次峰值外，其他重點(diǎn)城市開(kāi)始逐月降低，至12月各城市O3濃度都降至最低。與其他城市相比，營(yíng)口O3濃度峰值最大，大連次之。遼寧地區(qū)O3濃度夜間低、凌晨逐漸升高，下午至黃昏達(dá)到峰值。

(2)除環(huán)遼東灣部分城市O3濃度呈下降趨勢(shì)外，遼寧地區(qū)其他城市的O3濃度均呈明顯的上升趨勢(shì)，其中鞍山正增長(zhǎng)率最大(1.7%·a-1)，O3正取代PM2.5成為影響遼寧地區(qū)的首要大氣污染物。除受污染排放源直接影響外，高溫、高濕、強(qiáng)輻射、小風(fēng)和地面低氣壓都有利于O3的局地生成。在亞洲夏季風(fēng)的影響下，上游地區(qū)(如京津冀地區(qū))的污染氣團(tuán)會(huì)隨大氣環(huán)流向東北地區(qū)輸送，對(duì)遼寧地區(qū)夏季O3污染產(chǎn)生重要影響。