贵阳市臭氧夜间高值现象的初步分析

王 普 张春辉

(1.贵州众蓝科技有限公司，贵阳 550000；2.贵阳市环境空气质量预测预报中心，贵阳 550000)



贵阳市臭氧夜间高值现象的初步分析

王 普1张春辉2

(1.贵州众蓝科技有限公司，贵阳 550000；2.贵阳市环境空气质量预测预报中心，贵阳 550000)

根据贵阳市近地面臭氧浓度及相关气象因子的观测资料，重点分析了城市臭氧夜间浓度高值典型日的时空分布规律、对应典型日的天气系统以及相关气象因子的变化情况。结果表明，臭氧夜间浓度高值典型日臭氧高值站点具有主城中心区域出现频率低，城郊地区靠近高压输变电设施站点出现频率高的空间分布特征；臭氧夜间高值典型日的臭氧浓度日变化呈“双峰型”，最高小时质量浓度出现在凌晨5时左右；夜间臭氧高浓度易出现在锋面天气系统中，占全部个例的73.2%，多为相对湿度较高、气温相对较低且风速较大的天气条件下。

贵阳市；臭氧夜间高值；高压输变电设施

臭氧(O3) 是近地面主要的空气污染物之一，主要由氮氧化物(NOX) 和挥发性有机物(VOCs) 等污染物在大气中经光化学反应产生[1]。随着城市快速发展，人类活动不断增加，近地面O3的浓度也将不断上升，这将会增加城市光化学污染，对人群健康、动植物和生态环境等造成一系列的负面影响，甚至严重威胁生态系统的平衡[2]。

目前近地面O3已越来越成为城市空气的主要污染物，引起了环保工作者的广泛关注。近地面O3的来源、预测及污染防控已成为大气环境领域的前沿课题。迄今已有不少学者对近地面O3浓度的变化规律及其演化机制、O3与其前体物以及气象因子的相互关系等进行了大量研究并取得了较好的进展[3-7]。研究领域已从单纯地分析O3时空分布特征上升到综合分析O3与其前体物以及气象因子的相互关系及其形成机理。但这些研究绝大多数都是围绕白天光化学机制生成臭氧高值进行的。

贵阳地区近年来的大气环境监测发现夜间臭氧经常出现峰值，调研发现这种臭氧浓度夜间高于白天的情况并非偶然，福建省福州市郊鼓山监测点也曾监测到夜间臭氧浓度达中度污染程度[8]，但有关研究成果和科学解释至今寥寥。为了探究近地面夜间O3浓度高值情况，我们通过对贵阳市近地面的臭氧浓度及气象条件观测数据进行统计分析，从中探讨造成贵阳市近地面O3夜间高值的原因，为今后开展城市空气臭氧的预报、污染预警及制定防控措施提供思路和技术支撑。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

贵阳市有国控环境空气质量监测点位10个，分别是鉴湖路、新华路、市环保站、马鞍山、太慈桥、红边门、碧云窝、燕子冲、中院村以及清洁对照点桐木岭。文中所用臭氧质量浓度资料为贵阳市10个自动监测站点臭氧小时质量浓度资料；气象资料采用贵阳市气象台观测资料。

1.2 研究方法

在2013-2016年臭氧小时监测数据中找出夜间浓度高于白天的典型个例共96个，分析96个夜间臭氧高值的站点分布、日变化规律，针对96个典型日所对应的天气系统、气象条件进行统计分析。

2 结果与讨论

2.1 臭氧夜间浓度高典型日站点分布

臭氧夜间浓度高值典型日站点分布如表1所示，夜间臭氧高浓度主要分布在桐木岭、碧云窝、燕子冲等郊区，而市监测站、太慈桥、中院村、红边门等城中心区站点较少出现夜间高值。

从表1看出，2013—2016年，贵阳市10个监测站点监测到夜间臭氧高峰值典型个例共96日，加上夜间虽未出现高值但维持和白天相同的浓度的非典型个例共196日，可以得出贵阳市出现夜间臭氧高值的特征之一：城内出现较少，集中出现在城郊。

表1 贵阳市夜间出现O3高值典型个例的统计

迄今几乎所有文献报道的空气臭氧都指出臭氧浓度随气温升高而增加,随相对湿度升高而减少。但是我们的初步研究分析表明：夜间臭氧高峰值大都出现在低温高湿的气象条件下，显然此时的臭氧来自一个与NOX～VOCX的光化学过程完全不同的机制。

2.2 臭氧浓度的两种日变化

臭氧小时质量浓度变化如图1所示，常规的臭氧日变化过程主要分四个阶段：(1)22:00-06:00，O3均保持在一天中较低的浓度水平，在05:00左右有一个不明显的升高。造成的原因如下:在晚间，一方面O3局地生成趋弱；另一方面，NO的减少使O3的消除过程(O3+NO→NO2+O2)也大大减弱。而0:00-06:00地面降温剧烈，普遍有逆温，有利于O3浓度的聚集，造成不太高的峰浓度；(2)06:00-08:00，随着交通早高峰的到来，NO和NO2浓度迅速升高(此时主要为NO)，但由于太阳辐射较弱，光化学反应强度较小，此段时间主要为NO消耗O3生成NO2的过程，因此O3浓度明显降低，表现为O3的抑制阶段，出现一天中的低值；(3)08:00-16:00，随着太阳辐射的逐渐增强和各种前体物质的增多，O3开始大量生成，浓度迅速升高并在15:00达到一天中的最大值，这是众所周知的O3光化学生成阶段；(4)此后为O3的消耗阶段(16:00-00:00)，由于近地面的湍流作用，日落以后太阳光照减弱，以及交通晚高峰等因素共同作用，促使O3的扩散和消耗速率增加，导致O3浓度持续降低。

对于臭氧夜间出现高值典型日变化过程同样分四个阶段：0:00-05:00，O3浓度逐渐升高；05:00-06:00时左右达到日最大值；06:00-09:00，开始下降；10:00-15:00再次升高，但峰值较夜间小；16:00-00:00，为O3的消耗阶段。

值得注意的是，图1中2013—2016年全部正常资料的臭氧日平均浓度为54.09μg/m3，而高值出现在夜间的96次臭氧日平均浓度为60.03μg/m3，比正常4年平均值多5.9%；而在夜间则高出60%以上。说明在这些日子，要么臭氧产生的比平常多一些，要么臭氧分解衰减的比平常少一些，而且这些特点主要表现在夜间。

图1 贵阳市两种O3日变化曲线

2.3 臭氧夜间浓度高典型日的天气系统及气象因子分析

2.3.1 天气系统的影响

贵阳市夜间出现O3高值相应的天气系统的统计如表2所示，臭氧夜间浓度高典型日主要出现在锋面系统影响下，占全部个例的73.2%；其次出现在暖性低压及低空切变系统影响区。这些天气系统影响下都有低云或雾存在，空气湿度较大。

表2 贵阳市夜间出现O3高值相应的天气系统的统计 单位：天

2.3.2 气象因子的影响

贵阳市夜间出现O3高值相应的气象因子统计如表3所示，臭氧夜间浓度高的特征是：雷暴日不多，说明夜间臭氧高峰不是主要由闪电造成的；气温不高而湿度较高(尤其是桐木岭，海拔高度比贵阳市中心区高约500m，低温高湿更明显)；降水天气占多数；地面风较大，高于贵阳市多年平均风速2.1 m/s；边界层内存在低空逆温较多，贵阳市出现的频率平均约40%。

表3 贵阳市夜间出现O3高值相应气象因子的统计

2.3.3 夜间臭氧高值与空气质量的关系

表4是贵阳市夜间出现O3高值期间各空气污染物浓度，可以看出，贵阳市夜间臭氧高值期间，臭氧浓度比较高而其他污染物浓度比较低，空气质量都较好，这表明除了气象原因之外，臭氧可能还有与其他大气污染物不同的环境污染源条件，也表明贵阳市夜间臭氧高值并不是由白天积累的污染物造成的。

表4 贵阳市夜间出现O3高值期间各空气污染物浓度 单位：μg/m3

2.4 国内外关于夜间出现O3高值的解释

上述臭氧夜间高值的气象条件特征与正常情况比较，基本上是相反的：白天高浓度臭氧一般出现在单一气团控制，云量少，辐射较强，相对湿度低，气温较高的天气下[9]。空气潮湿时，水汽光化学分解可以产生较多的活性基(如-H、-OH等)，它们可以与臭氧及单原子氧(O) 反应，而使大气中的臭氧浓度降低[10]。这种明显的对比提示我们：在低温高湿、多雨的天气下，城市郊区存在着一种和NOX～VOCs光化学过程截然不同的臭氧发生机制。

目前对于臭氧夜间高值大致有两种解释：一种认为白天地面强烈的阳光以及高浓度的NOX和VOCs产生的大量臭氧随上升气流进入高空，在高空储存起来，到了夜间又随下沉气流回到地面[11]。但贵阳市的夜间臭氧高值大都出现在有降水的天气条件下，温度并不高，白天没有高浓度的O3生成(见图1)，也没有明显的上升气流；另一种说法认为中纬度地区对流层上部出现断裂或裂隙，30km以上高空平流层里的臭氧进入对流层再下降到近地面层，造成夜间高浓度O3，但这种情况不大可能出现在低纬度的贵阳市。

2.5 贵阳市夜间出现O3高值来源分析

城市空气臭氧的来源主要有三方面：(1)太阳光照条件下的NOX～VOCs光化学过程，但这种机制只在白天有效，一般情况下的空气臭氧日变化就遵从这一机制的规律。影响这种过程的主要因子就是光照强度和臭氧生成的前体物质NOX和VOCs。VOCs主要来自燃煤、燃油和各种化工生产流程，VOCs除了来自各种工业、交通排放源之外，还来自自然界(森林)的生物源排放。(2)自然条件下的臭氧来源主要是雷暴闪电。(3)直接的人为臭氧产生源很多：电焊等电火花高发区，静电复印，大型电厂的电除尘器，高压电器的电晕放电(尤其是各种尖端放电)，变电站及输电线路等。

如前所述，贵阳市夜间臭氧高值与太阳光紫外线的光化学过程基本无关。初步调查发现，表1中夜间臭氧高值发生频率高的测点大都靠近高压输变电设施，而且臭氧高值大都出现在容易发生高压电线塔闪络和电晕放电的气象条件下。

3 夜间臭氧高值与高压输变电设施的关系

3.1 夜间臭氧高值与高压输变电设施的相关性

在贵阳市夜间臭氧来源排除了在光照下NOX～VOCs生成机制，以及其它自然产生源的情况下，我们将研究重点转移到人为臭氧源上。在经过初步调查后发现，贵阳市10个监测站其站点位置与贵阳地区220KV及500KV高压输变电设施的分布有着极大的相关性。具体见表5和图2。

由表5和图2可以看出，夜间臭氧高值现象多发的城郊地区，均靠近高压输变电设施。以上分析还提示我们：高压输变电设施可能是贵阳市夜间臭氧高值现象的主要成因。

表5 贵阳市夜间出现O3高值典型个例各测点与高压输电线相对位置

注：(+)靠近，(++)很靠近，(-)不靠近

3.2 高压输变电设施的闪络、电晕放电

高压输变电设施沿绝缘子的闪络、击穿和向空中放电的电弧、电晕等是空气中臭氧的一种直接来源。高压线塔闪络和电晕放电是由于绝缘子、导线或其它导体表面的电场强度很高，引起空气电离而发生的放电现象。一般空气中产生电晕放电的电场强度约为20～30 KV/m，当输电线路表面电场强度超过这一数值，就会发生电晕甚至击穿放电。高压放电会产生大量臭氧，类比一般高压电场臭氧发生装置，220 KV以上超高压电晕放电产生的臭氧浓度可达100mg/m3的量级。空气中的臭氧一般的分解消耗半衰期约为20～30分钟，不会有很长距离的迁移。

图2 2014年贵阳地区220KV及以上电网地理接线与国控监测点位置的相关性(红色线—220KV, 蓝色线—500KV)

影响高压输变电设施电晕放电强度的因素可以分为两大类：

(1)输变电设施本身特性的影响。输变电设施电压越高，电晕放电越强；导线或导体曲率半径越小，表面越粗糙(例如毛刺尖端)，电晕放电越强。而且，输电线路导线的排列方式、相间距离、对地高度等也会影响放电强度。

(2)外部环境的影响。空气污染越严重，空气密度越小，湿度越大，电弧和电晕放电越强；严重时会成为电弧闪电(俗称污闪，雾闪，湿闪)。例如一个晴朗干燥天气下击穿电压为30 KV/cm的电场，当空中有雾、湿度达到90%时，击穿电压可降至3 KV/cm～10 KV/cm[12]，这对于500 KV以上的超高压线塔来说并不罕见。随着输电设施向特高压方向发展，空气污染将越来越造成闪络危害。低温有利于减缓臭氧的分解，利于保存在空气中。风大有利于臭氧被迅速输送到放电区外，因放电通道上的高臭氧浓度可加强臭氧的分解，不利于臭氧的持续生成。

综上所述，我们初步认为，形成贵阳市空气臭氧夜间高值的最可能原因就是高压输变电设施在低温高湿的空气中的闪络和电晕放电。为了进一步确定夜间臭氧高值和高压输变电设施之间的关系，下一步我们将进行实际的现场O3监测调查，将这一课题研究深入进行下去。

4 结论

(1)贵阳市臭氧夜间浓度高值典型日监测点位分布特征为：主城中心区域出现频率低而城郊地区高，靠近高压输变电设施站点出现频率最高。

(2)臭氧夜间高值典型日臭氧质量浓度日分布呈“双峰型”，夜间峰值比白天峰值的浓度高，最高小时质量浓度出现在凌晨5～6时。

(3)夜间臭氧高浓度易出现在有降水的锋面天气系统中，其主要气象条件是低温高湿且风速较大。

(4)超高压输变电设施在多雾潮湿天气下发生绝缘子闪络和空气中电晕放电从而产生大量臭氧，在邻近的大气环境监测点附近形成臭氧高浓度场，而温度较低的郊区夜间缺少消耗臭氧的物质，可能是贵阳市臭氧夜间高值产生的一个重要原因。

致谢：贵州电力设计研究院系统规划分院提供了2014年贵阳地区220KV及以上电网地理接线图，特此致谢。

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A preliminary analysis on the high value of ozone at night in Guiyang City

Wang Pu1, Zhang Chunhui2

(1. Guizhou Zhonglan Technology Co., Ltd. ; 2. Guiyang City Environmental Air Quality Forecast and Forecasting Center，Guiyang 550000, China)

Based on the observation data of near - surface ozone concentration and related meteorological factors in Guiyang City, the article focuses on the analysis of temporal and spatial distribution regularities of typical nighttime high ozone concentrations vs the corresponding weather conditions and the variation of the related meteorological factors during those typical days. The results show that the spatial distribution of typical days with nighttime high ozone concentration may be characterized by the fact that their frequency of occurrence was found to be lower in downtown Guiyang than that in the suburb area where high-voltage power transmission facilities are located. The daily variation of ozone concentration during typical days with nighttime high ozone concentrations shows an typical "bimodal" pattern, where the highest hourly mass concentration was found at around 5 am; nighttime high ozone concentration was likely to appear in the frontal weather system, accounting for 73.2% of the total cases, mostly being under relatively high humidity, low temperature and high wind speed conditions.

Guiyang City; nighttime ozone high value; high-voltage power transmission

2017-03-30; 2017-05-05 修回

王普(1991-)，女，硕士，从事环保技术与科研工作。E-mail：wp929@qq.com

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