2019 年夏季苏北内陆城市典型臭氧污染过程分析

孙丹 司尧迪 王辉 吴继秀

（江苏省宿迁环境监测中心，江苏 宿迁 223800）

1 引言

臭氧污染主要来源于本地光化学生成与区域传输两个途径，本地光化学生成主要受前体物和气象因素的影响［1］。已有研究表明，前体物（VOCs 和NOX）的浓度和比例都会影响臭氧的浓度，呈现出复杂的非线性关系［2］；气象因素的影响主要体现在紫外辐射强、高温、低湿的条件下易生成臭氧，因此臭氧污染具有明显的日夜变化和季节变化特征［3］。2016 年以来，宿迁市臭氧污染频发，特别是在5，6 月份最为严重［4］。针对2019 年6 月上旬期间的臭氧超标日的日变化峰型和峰值浓度、有无夜间高值（22：00 至第二天06：00 有比较连续的浓度大于100 μg/m3）、前体物变化以及部分气象要素（温差、平均温度、湿度和风速）等内容，分析了宿迁市臭氧污染过程，理清污染特征，判断污染成因，以期为宿迁市臭氧污染防治提供依据。

2 数据来源与方法

宿迁市中心城区布设4 个国控大气站点，分别为市供电局、宿迁学院、宿迁中学、宿豫区政府，点位布设综合考虑城市建成区面积、人口数量等因素，符合HJ 664—2013 《环境空气质量监测点位布设技术规范要求（试行）》［5］，具备常规六参数、气象五参数等连续监测能力，数据具有良好代表性。VOCs 监测数据采用TH－300B 大气挥发性有机物快速在线监测系统进行连续监测，该系统具备57 种非甲烷碳氢化合物、13 种含氧（氮）VOCs、31 种卤代烃类的监测能力。气象数据来源于宿迁气象台以及中央气象台等。

本文综合分析了2019 年6 月1—10 日期间宿迁市大气国控站点监测数据、VOCs 监测数据以及气象参数影响，并利用OBM 模型空气质量评价标准，采用GB 3095—2012《环境空气质量标准》［6］和HJ 633—2012《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》进行分析［7］。

3 结果与分析

3.1 污染过程分析

2019 年6 月1—10 日期间，宿迁市中心城区有8 d 臭氧浓度超标，除6 月6 日和10 日外，其他时段均超过国家空气质量二级标准（160 μg/m3）。其中，6月1日、5 日和9 日臭氧浓度达中度污染，2—4 日以及7—8 日为轻度污染，尤其是6 月5 日，臭氧日最大8 h 滑动平均值高达241 μg/m3，最高小时浓度为310 μg/m3。6 日和10 日为非超标天。污染高值主要集中在11:00—18：00，污染最严重的6 月5 日，污染高值出现的时间提早至10：00，延长至21：00。6 月1日和2日12：00 出现高值，但污染一直持续至23：00，12：00 的连续臭氧污染会导致大气氧化性增强，夜晚臭氧浓度的居高不下也是臭氧发生连续污染的重要原因。

臭氧及其他常规污染参数的协同变化趋势如图1 所示。从图1 中可以看出，2019 年6 月1 日、3 日以及6—7 日臭氧浓度变化为单峰型，说明主要来自本地排放，6 月2 日、4—5 日臭氧日变化特征均明显呈双峰分布，除本地排放外，可能受区域传输的影响。除6 月7 日受阴雨天气影响外，臭氧超标日浓度的谷值均在100 μg/m3左右，超标日臭氧高浓度初始值是臭氧超标的一个重要因素，可能是NO 浓度较低，导致对臭氧滴定作用弱，使得臭氧浓度居高不下。6 月2 日、4—5 日出现第二峰值时，CO，SO2，PM10，PM2.5等污染物也出现同步抬升现象。同期宿迁市风向均稳定保持在偏南风向上，根据研究［3］，在偏南风向时，发生臭氧浓度超标的概率较大，且该期间平均风速在3 m/s 以上，大气层运动相对活跃，有利于气团的输送，因此这3 日出现的双峰可能来自区域输送。

图1 2019 年6 月1—10 日宿迁市中心城区臭氧及其他污染参数的时间变化规律

2019 年6 月1—10 日宿迁市中心城区气象参数时间序列见图2。

图2 2019 年6 月1—10 日宿迁市中心城区气象参数时间序列

3.2 空间分布特征分析

图3 为宿迁市中心城区4 个站点的臭氧及NO2小时变化序列对比分析情况。

图3 2019 年6 月1—10 日宿迁市各站点臭氧重污染期间臭氧与NO2 的时间序列

整体来看，2019 年6 月1—8 日期间，宿迁市各站点基本同步超标，其中，位于最东侧的宿豫区政府站点臭氧污染最为突出，其次为东南侧宿迁学院和西南侧的宿迁中学站点，市供电局站点在本次污染过程中臭氧浓度相对较低。整体而言，本次臭氧污染过程中宿迁的东南部区域更为严重。

从各站点臭氧浓度的时间变化可以看出，2019年6 月2 日、4 日和5 日各站点臭氧均为双峰结构，且双峰出现的时间基本一致，表明同时受到传输的影响。6 月3 日、4 日和9 日凌晨，臭氧日变化的谷值均处于较高的水平，特别是6 月4 日，臭氧初始浓度值均在100 μg/m3及以上，这种累积效应是宿迁臭氧持续污染的重要原因。4 个站点中，市供电局站点凌晨谷值高于其他站点，这可能是该站点位于公园内部，夜间NO 水平较低，导致其滴定作用较弱。而从各站点NO2的浓度来看，宿迁中学站点在臭氧污染期间NO2浓度相对较低，宿豫区政府站点NO2浓度相对较高，但各站点总体差异不大。

3.3 成因分析

3.3.1 区域传输分析

2019 年6 月2 日、4 日和5 日的臭氧日变化均呈现双峰型分布。6 月2 日平均风速在3.5 m/s 以上，风向主要为偏南风。使用后向轨迹对17：00—22：00 的气团路径进行分析发现，20：00 前的24 h后向轨迹显示气团均主要来自安徽南部，经过滁州和蚌埠，到达宿迁，而21：00 和22：00 的24 h 后向轨迹则显示气团主要来自宿迁周边，一开始由徐州和宿州向南部传输，但在8：00 左右可能受到风场影响，向宿迁输送。此外，6 月2 日第二峰值从20：00开始增加，因此推测此次二次峰值可能受到宿迁西南部地区局地小范围污染气团的影响。

6 月4 日从16：00 起臭氧浓度再次上升，至19：00 达到峰值，在此期间，风向稳定为东南风，风速最大为5.4 m/s，有利于气团的输送。结合16：00—19：00 的24 h 后向轨迹来看，500 m 高空气团与风向来向并不一致，考虑到地面风向可能受到下垫面地形、周围建筑物遮挡等影响，轨迹更能反映气团来向。16：00 和17：00 气团主要来自西南方向的淮南和蚌埠，而18：00 和19：00 的气团则主要来自宿迁周边的淮安和徐州等地，因此6 月4 日下午臭氧浓度的再次上升可能主要受西南方向和宿迁周边局地气团的双重影响。

6 月5 日下午，臭氧浓度在15：00—18：00 期间再次攀升，且第二峰值浓度（310 μg/m3）高于第一峰值（261 μg/m3），从此期间的后向轨迹来看，这4 个小时对应的气团轨迹走向一致，始于西南方向的安徽宣城，后经过宿迁东南方向的南京、淮安，最后到达宿迁，与地面风向一致，且15：00—18：00 期间最大风速达7.1 m/s，因此综合地面气象条件和高空气团走向，可以初步推断本次二次高值主要来自区域传输。

3.3.2 气象要素影响分析

2019 年6 月1—4 日宿迁市地面受均压场控制，天气条件稳定，6 月5 日、6 日宿迁市受江淮气旋槽前暖锋影响，造成高温多云天气，4—5 日有明显升温过程，在强辐射作用下有利于臭氧生成，6 日槽后冷锋到达该地造成降水有所缓解，但因降水量不大，大气扩散条件并未有较好改善，7 日、8 日降雨结束，天气转好，高空盛行平直的西风气流，臭氧污染再次加重，到6 月9 日地面受低压系统的影响，多为阴雨天气，但由于云层条件较差，故偶有阵雨产生，到6 月10 日污染过程随之结束。

3.4 臭氧的化学生成机制和控制对策

2019 年6 月1—10 日宿迁市的臭氧敏感性分析结果如图4 所示。EKMA 曲线中等值线表示模拟期间臭氧生成潜势，横纵坐标分别表示VOCs 和NOX源效应的削减百分比，虚线为每一浓度曲线转折点连线，即臭氧等浓度曲线的脊线。从图4 可以看出，2019 年6 月1—10 日臭氧重污染期间宿迁市大部分处于VOCs 控制区，其中6 月7 日、8 日和10 日处于协同控制区，特别是8 日偏向NOX控制区。如削减VOCs 能够有效降低臭氧浓度，而小幅度地削减NOX反而易引起臭氧浓度的反弹式上升。

图4 2019 年6 月宿迁市中心城区臭氧与前体物非线性关系曲线

图5 为基于OBM 模型对2019 年6 月宿迁市中心城区臭氧污染过程减排情景模拟情况。图5 波浪线表示O3-8h 浓度削减10%的情景，若使O3-8h 从最大浓度（205 μg/m3）降低至达标水平（160 μg/m3），所要降低的比例为22%。根据EKMA 曲线可知，单独削减NOX会使臭氧浓度略微上升，从图5 中实线NOX削减趋势可以看出，当仅削减NOX的比例从0至5%，O3-8h 浓度呈小幅度上升趋势，至削减比例大于6%，O3-8h 浓度开始下降，并且若O3-8h 浓度削减10%或达标，NOX削减比例要大于41%。当NOX与AVOCs（人类活动产生的VOCs，即人为源AVOCs）以3 ∶1 或者1∶1 的比例进行削减时，虽然呈缓慢下降趋势，但是要达到目标削减力度非常之大，VOCS和NOX总削减比例需大于82%。因此，对于2019 年6 月上旬宿迁市的臭氧污染情况，削减NOX或以NOX为重点的前体物协同减排并不是很好的控制方案。从图5 可以看出，单独削减AVOCs 或者NOX∶AVOCs＝1∶3 这两种减排比例均可以使O3-8h 浓度下降，其中单独削减AVOCs 是最为有效和快速的方法，当AVOCs 削减比例达到22%时，O3-8h 浓度可削减10%，当AVOCs 削减比例达到47%时，O3-8h 浓度可削减22%，即达到国家空气质量二级标准（160 μg/m3）。

图5 2019 年6 月宿迁市中心城区臭氧超标期间前体物减排情景分析

4 结论

（1）2019 年6 月1—10 日期间，宿迁市中心城区累计出现8 d 臭氧超标，其中6 月1 日、3 日、6—7日臭氧为单峰型分布，剩余时间主要为双峰型分布，说明此次臭氧污染过程主要来自本地生成，区域传输也有明显影响。

（2）区域输送方面，傍晚至夜间可能受到偏南方向气团以及局地小范围臭氧传输的影响。另外，夜间臭氧由于NO 滴定效应弱，臭氧次日初始浓度较高是其发生连续污染过程的一大重要因素。气象影响方面，污染前期受均压场控制，天气条件稳定，后受江淮气旋槽前暖锋影响，造成高温多云天气，温度升高，在强辐射作用下有利于臭氧生成。

（3）本次污染期间，宿迁市主要处于VOCs 控制区，单独削减VOCs 或者NOX∶VOCs＝1 ∶3 这两种减排比例均能有效降低臭氧浓度，单独削减VOCs 是最为快速和有效的办法。