威海市夏季臭氧濃度異常升高問(wèn)題探討

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(guò)程的氣團(tuán)來(lái)源及傳輸途徑，對(duì)威海市臭氧污染成因進(jìn)行了初步分析，威海市自2019年5月以來(lái)，臭氧濃度超標(biāo)天數(shù)達(dá)20 d左右且出現(xiàn)四次污染過(guò)程。通過(guò)綜合分析表明，海陸風(fēng)局地環(huán)流，西部或西南部污染氣團(tuán)的影響，以及NOx的外來(lái)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(chǔ)上提出了臭氧防治的建議措施。

關(guān)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(lèi)號(hào)：X515 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2019）20-0093-03

1引言

臭氧（03）是大氣中重要的光化學(xué)氧化劑和溫室氣體，大部分分布在平流層，小部分分布在對(duì)流層。當(dāng)近地面Os濃度較高時(shí)，對(duì)人體健康和生態(tài)環(huán)境變化有著重要影響。近年來(lái)，我國(guó)地級(jí)市陸續(xù)開(kāi)展臭氧監(jiān)測(cè)工作，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，我國(guó)范圍內(nèi)大多數(shù)城市面臨臭氧問(wèn)題。自2019年5月以來(lái)，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(shù)）分別提高16.6%、15.2%，其中5月22日臭氧小時(shí)均值達(dá)到峰值273（ug/m³），5月22日均值（最大8小時(shí)滑動(dòng)均值）達(dá)到峰值250（ug/m³）。通過(guò)對(duì)威海市臭氧活動(dòng)規(guī)律和臭氧污染過(guò)程進(jìn)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(lái)源包括光化學(xué)反應(yīng)生成和高層大氣臭氧的垂直輸送。其中光化學(xué)生成通過(guò)揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）和氮氧化物（NOx）在太陽(yáng)光照射下發(fā)生復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的。近地面大氣O3的形成與VOCs和NOx存在復(fù)雜非線性關(guān)系（EKMA曲線），即Os的形成在VOCs和NOx一定濃度范圍內(nèi)屬于VOCs敏感化學(xué)：VOCs的降低可有效減少（）3的形成，但NOx的降低反而會(huì)促進(jìn)O3的形成;而在另一濃度范圍內(nèi)則屬于NOx敏感化學(xué)：NOx的降低可有效減少O3的形成，但VOCs的降低對(duì)O3形成并沒(méi)有影響。高層大氣臭氧的垂直輸送主要是指平流層或者對(duì)流層中上部大氣中高濃度臭氧向近地面進(jìn)行輸送。

區(qū)域近地表O3濃度還受垂直輸入和水平傳輸?shù)挠绊憽Ｈ鐖D1所示，垂直輸入包括高空自由對(duì)流層的向下輸入以及邊界層中殘留層的對(duì)流混合。高空自由對(duì)流層大氣中臭氧濃度通常維持在80～130ug/m³，典型案例為我國(guó)冬季大風(fēng)過(guò)境時(shí)，有時(shí)臭氧濃度不僅沒(méi)下降，反而會(huì)出現(xiàn)明顯升高，其濃度通常在80ug/m³以上，主要由高層自由對(duì)流層大氣臭氧輸人引起。此外，太陽(yáng)落山后，近地面冷源輻射作用引起近地面大氣溫度出現(xiàn)快速降溫，近地表大氣形成逆溫層，而近地面排放NO無(wú)法跨越逆溫層到達(dá)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(duì)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(dòng)進(jìn)行傳輸，進(jìn)而導(dǎo)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?xiàng)l件與臭氧的活動(dòng)規(guī)律

威海市處于山東半島最東端，三面環(huán)海，受海陸風(fēng)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(fēng)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(fēng)環(huán)流。海洋區(qū)域大氣中臭氧濃度一般維持在一個(gè)相對(duì)較高的背景濃度，與自由對(duì)流層濃度相當(dāng)。海陸風(fēng)環(huán)流會(huì)直接導(dǎo)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(xué)反應(yīng)的生成，造成臭氧濃度升高。由于威海三面環(huán)海，容易導(dǎo)致海陸風(fēng)環(huán)流在陸地出現(xiàn)氣流輻合現(xiàn)象，使得威海大氣臭氧出現(xiàn)自疊加效應(yīng)，因此在不利氣象條件下，極易導(dǎo)致臭氧濃度超標(biāo)。

4威海市臭氧污染過(guò)程分析

如圖3所示，威海市5月份臭氧超標(biāo)天數(shù)達(dá)20 d左右，出現(xiàn)4次污染過(guò)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(shí)均值高達(dá)273ug/m³，出現(xiàn)在5月22日15：00時(shí)。4次污染過(guò)程中夜晚最低濃度通常都高于100ug/m³，表明污染過(guò)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(guò)程中，威海市N02濃度均呈現(xiàn)出顯著升高，尤其是在5月2～25日最嚴(yán)重污染期間。且NOz濃度白天出現(xiàn)抬升現(xiàn)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(guò)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(duì)較低（通常低于25ug/m³），且在臭氧污染過(guò)程N(yùn)O2濃度顯著抬升至75ug/m³左右，且出現(xiàn)日高夜低的特點(diǎn)，威海市臭氧敏感型應(yīng)該屬于NOx控制型。而VOCs多物種的監(jiān)測(cè)十分必要，有利于判別大氣中VOCs高反應(yīng)活性物種，便于估算威海市的臭氧減排潛勢(shì)，并科學(xué)制訂區(qū)域可操作性的減排方案。

利用HYSPLIT后向軌跡模型對(duì)威海市5月21～25日污染過(guò)程進(jìn)行了氣團(tuán)軌跡分析。結(jié)合臭氧濃度變化趨勢(shì)，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(biāo);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(guò)程氣團(tuán)軌跡發(fā)生了顯著變化，在污染前的19和20日，氣團(tuán)主要來(lái)自海洋或者高空西北風(fēng)，臭氧濃度相對(duì)較低;21日后氣團(tuán)發(fā)生了顯著改變，從地表100～1000 m主要受來(lái)自西部或西南部的氣團(tuán)影響;25日后，主要受來(lái)自偏南部海洋氣團(tuán)的影響。威海市此次污染過(guò)程，污染氣團(tuán)主要來(lái)自西部和南部，氣團(tuán)攜帶大量臭氧前體物（特別是NOx），到達(dá)在威海本地后，太陽(yáng)輻射較強(qiáng)，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(dǎo)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(diǎn)，海陸風(fēng)局地環(huán)流強(qiáng)化了區(qū)域臭氧自疊加效應(yīng)。

（3）威海市臭氧污染受到來(lái)自西部或者西南部污染氣團(tuán)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(duì)較高，或者VOCs總反應(yīng)活性較高，使得光化學(xué)過(guò)程中大氣活性自由基濃度較高，整體抬升了大氣氧化性，進(jìn)而提高了NOx向O3轉(zhuǎn)換的效率。

（5）站點(diǎn)周邊不利因素對(duì)數(shù)據(jù)分析可能產(chǎn)生影響。

6建議措施

6.1加強(qiáng)涉VOCs企業(yè)綜合治理力度

針對(duì)VOCs治理方面存在的問(wèn)題，威海市應(yīng)督促企業(yè)采取有效措施對(duì)存在問(wèn)題的工藝環(huán)節(jié)進(jìn)行整改治理;對(duì)于處理效率低下，難以滿足現(xiàn)今要求的治污設(shè)施立刻進(jìn)行維修、更換，以期最短時(shí)間內(nèi)減少工業(yè)企業(yè)VOCs排放量。

6.2加強(qiáng)建筑施工工地綜合管理

威海市應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)建筑施工工地大型柴油運(yùn)輸車(chē)、非道路移動(dòng)機(jī)械的尾氣控制，對(duì)于排放不達(dá)標(biāo)、黑煙異味問(wèn)題嚴(yán)重的柴油運(yùn)輸車(chē)、非道路移動(dòng)機(jī)械應(yīng)提出維修或淘汰的具體要求。

6.3加強(qiáng)區(qū)域協(xié)同控制

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