中纬度沿海与内陆城市边界层O3及NO2、CO变化特征对比分析

摘要：以2009-2017年山东省4个沿海城市（青岛、烟台、威海、日照）和4个内陆城市（德州、聊城、菏泽、济宁）的O3浓度及与其相关密切的NO2、CO浓度逐时监测资料为基础，对比分析中纬度沿海和内陆城市边界层O3、NO2和CO污染变化特征并探讨缘由，发现沿海和内陆城市的O3污染在2012-2017年呈逐渐加重的趋势，内陆城市尤其显著，NO2、CO出现减弱的相反趋势;中纬度沿海城市边界层O3污染的季节变化表现出与低纬度城市相类似的“M”形双峰结构，NO2、CO则表现为冬强夏弱的“V”形结构;O3浓度的日变化为白天强夜间弱，NO2、CO则表现为早晚高的双峰曲线。

关键词：O3浓度;沿海城市;中纬度;边界层

中图分类号：X831 文獻标识码：A 文章编号：2095-672X（2020）06-0-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.06.075

Comparative analysis of the variation characteristics of O3，NO2 and CO in the boundary layer in coastal cities and inland cities in the middle latitude regions in China

Zhang Yong

（Zibo Meteorological Bureau，Zibo Shandong 255000，China）

Abstract：Based on the hourly monitoring data of O3 concentration，and its closely related NO2 and CO concentration in four coastal cities （Qingdao， Yantai， Weihai， Rizhao） and four inland cities （Dezhou， Liaocheng， Heze and Jining） in Shandong Province from 2009 to 2017，we compared and analyzed variations of O3，NO2 and CO pollutants in the boundary layer in both coastal and inland cities in mid-latitude regions， and explored their causes. It is found that O3 pollution showed an aggravating tendency in coastal and inland cities from 2012 to 2017， especially remarkably in inland cities.However，NO2 and CO pollution showed an opposite tendency.Seasonal variation of O3 pollution in the boundary layer of coastal cities in the mid-latitude showed an M-shaped bimodal structure， similar to that in low latitude cities， while NO2 and CO show a V-shaped structure with a maximum in winter and a minimum in summer.The diurnal variation of O3 concentration is featured with a high concentration in the daytime and a low one in the night，while NO2 and CO concentration show a bimodal curve with a high concentration both in the morning and evening.

Key words：O3 concentration;Coastal cities;Mid-latitude;Boundary layer

O3是大气的微量成分，也是光化学污染的主要成分之一，与PM2.5一起被认为是影响当今环境质量最重要的两种大气污染物[1]。近地层浓度较高时会对人体健康造成伤害，导致农作物减产[2-5]。关于对流层O3的研究，北美和欧洲的研究结果表明北半球对流层大气O3浓度正以平均每年约1.0%的速度增长，人口集中的工业发达地区的增长速度更快。

近年我国人口稠密的城市发展带来的边界层光化学烟雾、O3浓度超标等污染事件发生的频率越来越高。初步结果表明，不同区域年、季节和日变化也随区域有不同程度的差异，南方和北方、城市和郊区也有较大差异。城市中的O3主要是由人类排放污染气体在合适的气象条件下反应生成的，在此过程中地理环境及气象条件的不同造成臭氧分布特征的不同。沿海城市和内陆城市臭氧污染分布特征的对比研究很少见到。

1 资料

本文以2009-2017年山东省4个沿海城市（青岛、烟台、威海、日照）和4个内陆城市（德州、聊城、菏泽、济宁）的O3浓度及与其相关密切的NO2、CO浓度逐时监测资料为基础，对比分析山东省沿海和内陆城市边界层O3、NO2和CO浓度及在年、季度、日等不同时间尺度上的不同分布特征，研究三种污染物之间的相关关系，为探索中纬度地区O3污染机制、防治城市光化学污染提供依据。

2 结果分析

2.1 年际变化

2.1.1 O3

从2009-2017年中纬度沿海和内陆城市O3平均浓度的年度变化曲线可以看出（图1），沿海城市O3年平均浓度均高于内陆城市，说明沿海城市O3污染较内陆更严重。从2009～2017年沿海和内陆城市的O3平均浓度变化呈上升趋势，均在2017年达到极大值，内陆城市上升趋势更明显：2010年达到阶段性低点后，逐年上升，2017年达到极大值;沿海城市上升趋势较内陆弱，在2010年达到阶段性高点后，2011-2012年持续下降到阶段性低点，从2013年才开始表现出上升趋势，在2015-2016年还出现连续下降，2017年又重新上升达到极大值。2009-2017年间，沿海和内陆城市之间O3平均浓度差距明显缩小。

2.1.2 NO2、CO

2009-2017年沿海和内陆城市NO2、CO平均浓度的年度变化曲线（图1）与O3不同，NO2、CO年平均浓度沿海城市均低于内陆，在研究期间呈下降趋势。

沿海和内陆的NO2浓度在都在2011年达到极大值，在2017年分别达到较小值和极小值。沿海城市和内陆的NO2平均浓度差异也在减小，内陆城市NO2平均浓度下降趋势更明显。沿海和内陆NO2年平均浓度的波动大致同向。

在2009-2017年间，沿海和内陆城市的CO年平均浓度呈现出单调递减的趋势，其中2010-2013年内陆城市的CO年平均浓度出现大幅度下降，2013年后逐年下降幅度减缓;沿海和内陆差异明显减小。

2.1.3 小结

沿海和内陆城市2009-2017年的O3、NO2和CO年平均浓度对比分析显示，沿海城市的O3平均浓度高于内陆，两者均呈现上升趋势，内陆上升趋势尤其突出;沿海NO2和CO年平均浓度低于内陆，两者均呈现下降趋势，内陆下降趋势更明显;沿海和内陆的O3、NO2和CO年平均浓度差异明显减小;O3和NO2、CO年平均浓度呈相反变化趋势。

沿海和内陆平均浓度的差异表现出海陆分布对O3、NO2和CO浓度的重要影响，内陆城市SO2、PM10、PM2.5、NO2和CO等颗粒物污染较沿海严重，因此影响能见度和太阳辐射，沿海城市O3平均浓度高于内陆。O3、NO2和CO浓度的年度变化说明自2010年起我国开始的大规模大气环境治理措施取得明显成效。

2.2 月变化

2.2.1 O3

分析中纬度沿海和内陆城市O3月平均浓度变化曲线（图2）可以发现，O3污染有显著的季节差异，春秋重冬季轻。除了6月，其他时间沿海城市O3月平均浓度均高于内陆城市，全年变化呈“M”形双峰（5月和9月）分布结构，春秋污染浓度高冬季浓度低，5月出现极大值，9月出现第二个峰值，7月、8月是相对的低谷，12月最低;而内陆城市则呈倒“V”形单峰分布，初夏污染浓度高冬季浓度低，在6月出現极大值，其次是5月、7月，12月最低。

O3是光化反应的产物，太阳辐射和温度是主要影响因子。从冬季到初夏随着太阳辐射的增强和温度的上升光化反应随之活跃，O3浓度上升，6月份内陆温度普遍高于沿海，O3浓度到达顶点，7-8月份由于降水增多，太阳辐射反而降低，O3浓度也降低;入秋后太阳辐射和温度都开始降低光化反应受到抑制，O3浓度降低;冬季的太阳辐射和温度达到最低时，O3浓度也最低。

2.2.2 NO2、CO

分析2009-2017年沿海和内陆城市NO2、CO月平均浓度变化曲线（图2）可以发现NO2、CO月平均浓度沿海城市均低于内陆，沿海和内陆均表现为夏季污染轻冬季重的特点，呈 “V”形单峰沿结构。内陆城市在春季都有小幅上升后继续下降的波动，沿海城市无此现象，NO2在7月最低，1月最高;CO在6月最低，1月最高;沿海城市NO2在7月最低，1月最高;CO在6月最低，1月最高。

NO2、CO的季节变化主要是受降水沉降和边界层气压影响。高压对NO2、CO等污染物具有持续积累的作用，夏季大陆高压强度弱范围小，NO2、CO等污染物的积累时间短，污染较轻。秋冬季节，中国大部地区受大陆高压控制，高压系统强范围广，持续时间长，对污染物的持续积累作用时间长。全年中以 12 月和 1 月最为严重，污染范围最大。

2.2.3 小结

沿海和内陆城市O3、NO2和CO月平均浓度对比分析显示，有明显的季节变化，沿海城市全年变化呈“M”形双峰分布结构，春秋高冬季低，内陆城市则呈倒“V”形单峰分布，初夏高冬季低;NO2、CO月平均浓度沿海城市均低于内陆，也有明显的季节变化，呈 “V”形单峰沿结构，夏季轻冬季重，NO2的高低值分别出现在1月和7月，CO的高低值分别出现在1月和6月。内陆城市在春季有小幅的上升后下降的波动。

2.3 小时变化

2.3.1 O3

从沿海和内陆城市O3小时平均浓度的变化曲线可以看出（图3），沿海和内陆城市O3小时平均浓度均有相似特征，表现为早上低午后高的单峰结构，沿海城市在14时出现极大值，极小值出现在7时，内陆城市在15时出现极大值，晚于沿海城市，6时出现极小值，早于沿海城市，16时沿海和内陆城市平均浓度接近。

沿海城市日出时间较内陆早，O3小时平均浓度最高值出现的也因此提前，沿海城市最低值出现的晚于内陆一定另有原因，值得进一步研究。

2.3.2 NO2、CO

沿海和内陆城市NO2、CO小时平均浓度的变化曲线（图3）可以看出，NO2、CO小时平均浓度在沿海和内陆城市均表现出早晚高的双峰结构的日变化特点。沿海城市的NO2平均浓度极大值出现在早上8时，极小值出现在13时;内陆城市的NO2平均浓度极大值出现在傍晚19时，极小值与沿海城市相同，也出现在13时;沿海城市、内陆城市的CO平均浓度极大值均出现在早上8时，极小值均出现在15时。

NO2、CO小时平均浓度早晚高的双峰日变化对应早、晚交通高峰，内陆的晚高峰明显高于其他。

2.3.3 小结

沿海和内陆城市的O3、NO2和CO小时平均浓度对比分析显示，沿海和内陆城市O3小时平均浓度均呈现早上低午后高的单峰结构，沿海城市的最高值早内陆1小时，最低值较内陆晚1小时;沿海和内陆城市的NO2、CO小时平均浓度均表现为早晚高的双峰日变化特点，沿海NO2最高值出现在早上，内陆出现在傍晚，最低值均出现在午后，CO最高、最低值出现时间相同，8时和15时。

3 结论

（1）沿海城市的O3平均浓度高于内陆，2009-2017年两者均呈现上升趋势，内陆上升趋势尤其突出;沿海NO2和CO年平均浓度低于内陆，2009-2017年两者均呈现下降趋势，内陆下降趋势更明显;沿海和内陆的O3、NO2和CO年平均浓度差异明显减小;O3和NO2、CO年平均浓度呈相反变化趋势。海陆分布对O3、NO2和CO浓度有重要影响，研究期间内陆城市与沿海城市的污染物浓度差异减小和光化污染物O3浓度上升都说明我国大规模大气环境治理措施取得明显成效，内陆城市尤其显著。

（2）O3平均浓度有明显的季节变化，沿海城市全年变化呈“M”形双峰结构，春秋高冬季低，内陆城市则呈倒“V”形单峰分布，初夏高冬季低，主要影响因素是太阳辐射和温度;NO2、CO月平均浓度也有明显的季节变化，均呈 “V”形单峰沿结构，夏季輕冬季重，NO2的高低值分别出现在1月和7月，CO的高低值分别出现在1月和6月，主要影响因素是降水和边界层气压。内陆城市在4-5月有小幅的上升后下降的波动。

（3）沿海和内陆城市O3小时平均浓度均呈现早上低午后高的单峰结构，沿海城市日出时间较内陆早，O3小时平均浓度最高值出现的也因此提前，沿海城市最低值出现的晚于内陆一定另有原因，值得进一步研究。NO2、CO小时平均浓度早晚高的双峰日变化对应早、晚交通高峰，内陆的晚高峰明显高于其他。

参考文献

[1]李名升，任晓霞，于洋，等.中国大陆城市PM2.5污染时空分布规律[J].中国环境科学，2016，36（3）：641-650.

[2]秦瑜，赵春生.大气化学基础[M].北京：气象出版社，2003.

[3]王庚辰.大气O3层与O3洞[M].北京：气象出版社，2005：52-55.

[4]纪飞，秦瑜.对流层O3研究进展[J].气象科技，1998，26（4）： 17-23.

[5]Vingarzan R.A review of surface ozone background levels and trends[J].Atmospheric Environment，2004，38：3431-3442.

收稿日期：2020-05-03

作者简介：张勇（1983-），男，学士学位，助理工程师。