威海市夏季臭氧浓度异常升高问题探讨

杨文

摘要：分析了2019年5月与2017年、2018年同期威海市臭氧浓度特征，利用HYSPLIT后向轨迹模型研究了威海市夏季臭氧浓度异常升高过程的气团来源及传输途径，对威海市臭氧污染成因进行了初步分析，威海市自2019年5月以来，臭氧浓度超标天数达20 d左右且出现四次污染过程。通过综合分析表明，海陆风局地环流，西部或西南部污染气团的影响，以及NOx的外来输送或区域积累是造成臭氧浓度升高的重要原因。在此基础上提出了臭氧防治的建议措施。

关键词：臭氧浓度;污染特征;臭氧敏感型;成因探讨;威海市

中图分类号：X515 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2019）20-0093-03

1引言

臭氧（03）是大气中重要的光化学氧化剂和温室气体，大部分分布在平流层，小部分分布在对流层。当近地面Os浓度较高时，对人体健康和生态环境变化有着重要影响。近年来，我国地级市陆续开展臭氧监测工作，监测结果显示，我国范围内大多数城市面临臭氧问题。自2019年5月以来，威海市臭氧浓度异常升高，较2017年，2018年同期臭氧（最大8 h平均第90百分位数）分别提高16.6%、15.2%，其中5月22日臭氧小时均值达到峰值273（ug/m³），5月22日均值（最大8小时滑动均值）达到峰值250（ug/m³）。通过对威海市臭氧活动规律和臭氧污染过程进行分析，初步探讨此次威海市臭氧浓度异常升高的成因，以期为威海市臭氧污染的防治提供参考。

2臭氧的生成及影响因素

近地面大氣O3的主要来源包括光化学反应生成和高层大气臭氧的垂直输送。其中光化学生成通过挥发性有机物（VOCs）和氮氧化物（NOx）在太阳光照射下发生复杂化学反应进行的。近地面大气O3的形成与VOCs和NOx存在复杂非线性关系（EKMA曲线），即Os的形成在VOCs和NOx一定浓度范围内属于VOCs敏感化学：VOCs的降低可有效减少（）3的形成，但NOx的降低反而会促进O3的形成;而在另一浓度范围内则属于NOx敏感化学：NOx的降低可有效减少O3的形成，但VOCs的降低对O3形成并没有影响。高层大气臭氧的垂直输送主要是指平流层或者对流层中上部大气中高浓度臭氧向近地面进行输送。

区域近地表O3浓度还受垂直输入和水平传输的影响。如图1所示，垂直输入包括高空自由对流层的向下输入以及边界层中残留层的对流混合。高空自由对流层大气中臭氧浓度通常维持在80～130ug/m³，典型案例为我国冬季大风过境时，有时臭氧浓度不仅没下降，反而会出现明显升高，其浓度通常在80ug/m³以上，主要由高层自由对流层大气臭氧输人引起。此外，太阳落山后，近地面冷源辐射作用引起近地面大气温度出现快速降温，近地表大气形成逆温层，而近地面排放NO无法跨越逆温层到达上部残留层，使得夜晚残留层大气臭氧积累并维持在较高的浓度（图1）。次日日出后，近地面逆温层被打破，残留层大气与近地面大气发生快速对流混合，快速抬升了近地面大气臭氧浓度。水平传输主要是臭氧及其前体物（NOx和VOCs）随大气水平流动进行传输，进而导致区域臭氧直接抬升或者二次生成叠加抬升。

3威海市地理条件与臭氧的活动规律

威海市处于山东半岛最东端，三面环海，受海陆风局地环流影响显著（图2）。白天陆地受热较快，近地表形成海洋吹向陆地的海风环流，而夜晚由于陆地降温迅速，近地表形成陆地吹向海洋的陆风环流。海洋区域大气中臭氧浓度一般维持在一个相对较高的背景浓度，与自由对流层浓度相当。海陆风环流会直接导致威海大气中臭氧背景浓度维持在较高水平，加之白天光化学反应的生成，造成臭氧浓度升高。由于威海三面环海，容易导致海陆风环流在陆地出现气流辐合现象，使得威海大气臭氧出现自叠加效应，因此在不利气象条件下，极易导致臭氧浓度超标。

4威海市臭氧污染过程分析

如图3所示，威海市5月份臭氧超标天数达20 d左右，出现4次污染过程，分别为5月2～5日;5月7～12日;5月21～25日;5月28～30日。最大小时均值高达273ug/m³，出现在5月22日15：00时。4次污染过程中夜晚最低浓度通常都高于100ug/m³，表明污染过程威海市白天臭氧初始浓度均处于较高浓度水平。此外，在污染过程中，威海市N02浓度均呈现出显著升高，尤其是在5月2～25日最严重污染期间。且NOz浓度白天出现抬升现象，这与大部分城市NO2白天降低夜晚抬升规律相反，该污染过程大气中NOx可能受外源输入影响。综合考虑威海市大气背景臭氧浓度高，NO2浓度相对较低（通常低于25ug/m³），且在臭氧污染过程NO2浓度显著抬升至75ug/m³左右，且出现日高夜低的特点，威海市臭氧敏感型应该属于NOx控制型。而VOCs多物种的监测十分必要，有利于判别大气中VOCs高反应活性物种，便于估算威海市的臭氧减排潜势，并科学制订区域可操作性的减排方案。

利用HYSPLIT后向轨迹模型对威海市5月21～25日污染过程进行了气团轨迹分析。结合臭氧浓度变化趋势，5月19日夜晚臭氧浓度为80ug/m³，至20日夜晚臭氧浓度逐步升高至100ug/m³，21日臭氧浓度超标;21～24日夜晚臭氧浓度均维持在100～150ug/m³之间。如图4所示，该污染过程气团轨迹发生了显著变化，在污染前的19和20日，气团主要来自海洋或者高空西北风，臭氧浓度相对较低;21日后气团发生了显著改变，从地表100～1000 m主要受来自西部或西南部的气团影响;25日后，主要受来自偏南部海洋气团的影响。威海市此次污染过程，污染气团主要来自西部和南部，气团携带大量臭氧前体物（特别是NOx），到达在威海本地后，太阳辐射较强，气温较高，利于臭氧的生成。

5威海市臭氧污染成因初步探讨

（1）威海市臭氧敏感性可能属于NOx控制型，污染物NOx的外源输送或者区域累积，导致威海市臭氧的快速生成。

（2）威海市三面环海的地型特点，海陆风局地环流强化了区域臭氧自叠加效应。

（3）威海市臭氧污染受到来自西部或者西南部污染气团的影响较大。

（4）威海市VOCs（包括企业及生物排放VOCs）浓度相对较高，或者VOCs总反应活性较高，使得光化学过程中大气活性自由基浓度较高，整体抬升了大气氧化性，进而提高了NOx向O3转换的效率。

（5）站点周边不利因素对数据分析可能产生影响。

6建议措施

6.1加强涉VOCs企业综合治理力度

针对VOCs治理方面存在的问题，威海市应督促企业采取有效措施对存在问题的工艺环节进行整改治理;对于处理效率低下，难以满足现今要求的治污设施立刻进行维修、更换，以期最短时间内减少工业企业VOCs排放量。

6.2加强建筑施工工地综合管理

威海市应进一步加强建筑施工工地大型柴油运输车、非道路移动机械的尾气控制，对于排放不达标、黑烟异味问题严重的柴油运输车、非道路移动机械应提出维修或淘汰的具体要求。

6.3加强区域协同控制

青岛、烟台、日照、威海形成胶东半岛区域联防联控机制，对臭氧升高的原因进行综合分析，在有效降低氮氧化物产生量的前提下，压减胶东半岛区域的VOCs产生量，对臭氧进行协同控制。