福建中心城区与武夷山大气背景区域臭氧浓度变化特征及成因初探

谢松岩

(福建省国家大气环境背景值武夷山监测站，福建 南平 354302)

臭氧(O3)是大气中极为重要的二次污染物之一,由于高化学活性,可以参与大气光化学反应的全过程,高浓度的O3对人类健康、动植物生长及地表生态系统存在严重危害[1-2]。近年来，大气中O3已成为许多城市的首要污染物，受到越来越多专家学者及公众的关注和重视[3-4]。在中心城区,O3生成的主要来源为局部地区的大气光化学反应[5]。在背景区域，O3形成机制则大不相同[6]。本文通过分析国家背景环境空气质量监测武夷山站(以下简称：武夷山背景点)2016—2020年O3监测数据，并结合其他主要污染物及福建全省68个城市主要污染物年平均浓度，探讨背景区域O3浓度变化特征及来源，以期为更好地研究O3形成机制提供参考。

1 武夷山背景点概况

武夷山背景点由中国环境监测总站建立，是我国 16个大气背景监测站之一，监测站点位于武夷山国家公园摩天岭顶峰，海拔高度1139 m，站点周边视野开阔，近距离内没有影响气流的障碍物，且周围 50 km 范围内无显著人为污染源，受局地排放源的影响很小，因此采集的大气样品能反映华东森林及高山区域大气成分的背景特征，可用于研究大气的区域性污染特征和污染物的远距离输送。

2 2016—2020年污染物浓度特征结果与探讨

2.1 武夷山背景点O3浓度逐日变化情况

图1为武夷山背景点2016—2020年O3日最大8小时平均浓度逐日变化。结果显示，2016—2020年武夷山背景点O3浓度超过国家一级标准的范围为34.2%～60.5%，超过国家二级标准的范围为2.3%～8.5%[7]，且2018—2020年出现下降趋势，尤其是2020年有明显下降，超过国家一级标准的天数占比由2018年的60.5%下降至2019年的51.3%，再下降至2020年的34.2%；超过国家二级标准的天数占比由2018年的8.5%下降至2019年的3.3%，再下降至2020年的3.1%。

(a)2016年

(b)2017年

(c)2018年

(d)2019年

(e)2020年

2.2 污染物年平均浓度变化情况

图2为2016—2020年武夷山背景点及福建省中心城区(68个城市)主要污染物年平均浓度变化。结果显示：近5年武夷山背景点各污染物浓度2016—2017年总体呈上升趋势，2017—2020年总体呈逐年下降趋势，尤其是2020年下降明显，与全省中心城区年平均浓度变化趋势基本一致，且除O3日最大8小时平均浓度第90百分位数外，各污染物浓度值均远低于中心城区平均值。O3浓度则高于全省中心城区平均值，高出比例范围为10.0%～28.4%，5年平均高出22.6%。

(e)PM2.5

一般认为，背景浓度应代表研究区域内未受人类活动直接影响的自然情况。但由于大气的流动性，监测的浓度不仅可能受研究区域内人为排放源的影响，而且可能受研究区域外排放源远距离输送的影响[6]。监测浓度中包含本地区的自然排放和区域外的远距离输送。因此2017—2020年的下降趋势，与华东区域污染物的防控措施及在新冠肺炎疫情影响下人为活动、工业生产等相对减少，污染物排放相应降低有关。

(a)SO2

(b)NO2

(c)CO

(d)O3

(e)PM10

3 O3成因初析

对流层O3的来源主要有两种:平流层的向下输送和对流层光化学过程产生。有研究表明，平流层O3浓度远高于对流层，在一定气象条件下，富含O3的平流层大气注入近地面，导致对流层O3浓度升高[2,8]。光化学生成则是中心城区O3的主要来源。O3生成受到前体物浓度的影响，SO2、NOx、VOCs、CO 等物质都是对流层O3生成的前体物，它们对近地面和对流层O3的光化学过程有着重要作用[3-6,9]。此外太阳紫外辐射、气温、风速、风向、相对湿度、降水等气象因素也影响O3光化学反应的进程[10]。大气气溶胶通过衰减紫外辐射可显著降低O3的产率，对O3光化学反应过程也有重大影响[11]。因此，由于不同地区地理环境以及污染物的物理化学性质不同，O3光化学反应体系具有各自的特殊性和局地性。

武夷山背景点O3日最大8小时平均浓度第90百分位数高于福建省中心城区平均值，背景区域O3来源也与中心城区不同。O3在对流层的垂直分布特征决定了不同高度站点O3浓度的差异，日照、垂直混合、温度、风等气象条件和地理因素等都会对O3的分布和变化产生不同影响。高山站点O3浓度相对较高，且更容易受到平流层向下输送的影响。此外，之前的研究结果表明，武夷山背景点还容易受到长三角、珠三角的远距离输送影响[6]。因背景点O3生成的前体物浓度低，光化学生成不是武夷山背景点O3的主要来源。

4 结论

2016—2020年福建中心城区的O3浓度变化规律与武夷山背景点的O3浓度变化规律基本一致。武夷山背景点主要污染物SO2、NO2、CO、PM10、PM2.5浓度均远低于中心城区平均值，O3浓度则高于全省中心城区平均值，这与O3在对流层的垂直分布特征和武夷山背景点的O3来源不同有关。

武夷山背景点O3日最大8小时平均浓度存在超过国家一级标准和国家二级标准的现象，超标天数比例2018—2020年显现下降趋势，2020年明显下降。

武夷山背景点除O3外其他主要污染物浓度2016—2017年总体呈现上升趋势，2017—2020年总体呈现逐年下降趋势，尤其是2020年下降明显，与华东区域污染物防控措施的实施及在新冠肺炎疫情影响下人为活动、工业生产等相对减少，污染物排放相应降低有关。

5 结束语

在偏僻的农村,人口较少,当地经济以农、林业为主,周围为大片农田和林场,森林主要由落叶松和阔叶树木构成的较清洁地区、背景地区O3浓度也居高不下，说明O3浓度受区域尺度物理化学过程、自然源和

人为源的多重影响形成机理相对复杂[4]。由于生物VOCs、远距离水平输送、平流层注入、光化学反应、季节变化对O3浓度的影响都很大,仅控制人为因素达不到预期效果。如何结合各影响因素，真正做到对O3的有效控制，还需进一步系统、深入地研究。近几年，依托国家大气污染防治攻关联合中心，进一步统筹国家和地方环境、气象、监测、行业等领域的专家团队和科研力量，系统分析近年来O3污染的时空分布特征，及其与污染物排放和气象条件的对应关系，科学识别关键前体污染物及生成潜势，密切追踪重点控制行业，为开展专项污染防控提供坚实的科学支撑。

总之，2020年福建全省城市环境空气质量平均达标天数比例98.8%，比全国平均水平高11.8%；森林覆盖率66.8%，连续42年保持全国首位。而O3污染仍然是当前影响福建大气质量的首要污染物，针对O3污染成因复杂，受大自然各种条件的影响较大的特点，将O3做为评价中心城市的主要污染物之一是否科学，还有待商榷。