新北区臭氧受气团来源与气象条件的影响

2022-11-15姜润岳文泽陈俐伟林浩天

科技创新与应用 2022年32期

姜润，岳文泽，陈俐伟，林浩天

（1.常州市生态环境监控中心新北分中心，江苏常州 213000；2.江苏常环环境科技有限公司，江苏常州 213000）

近地面臭氧（O3）除少量来自高空输送外，主要由氮氧化物和挥发性有机物（VOCs）在太阳紫外光辐射下发生光化学反应生成[1-2]。臭氧的强氧化性，使其在对流层环境大气化学中发挥着重要作用，不但会对生态环境[3]和人体健康[4]产生严重影响，而且还会加速PM2.5等污染物[5]的二次转化生成，是城市大气光化学烟雾污染的主要成分之一[6]。目前，特别是在每年4—10月，O3已成为影响我国中东部大部分城市环境空气质量的首要污染物[7]。

杨景朝等[8]研究表明成都市小时臭氧超标时近地面气温和总辐射量在30～36℃和0～3.5 MJ/m2，相对湿度在60%以下，总云量低于40%，以偏南风影响为主。曹小聪等[9]对三亚市的研究发现，环境空气中VOCs受交通源排放影响较大，其次是溶剂使用源、植物源、工业源和燃烧源，对臭氧生成潜势贡献最大的是烯烃，其次是烷烃，秋冬季O3显著升高主要与东北方向污染物传输有关。严仁嫦等[10]研究表明杭州市午后太阳辐射通量高于200 W·m-2，风速在3 m/s以内且风向为东、东北或东南风时，O3易出现超标情况。严茹莎等[11]数值模拟研究表明远距离输送对上海市的臭氧浓度贡献可达50%以上。臭氧的生成既受污染源分布影响外，又受气象因素的影响，而气象条件是导致臭氧浓度昼夜变化和季节性变化的主要原因[12]。本文拟通过气团轨迹聚类和统计分析，研究不同气团和气象条件对新北区昼、夜臭氧浓度的影响，以期为臭氧污染防治和臭氧污染预报提供科学依据。

1 研究方法和数据来源

常州市位于长三角地区沪宁线中部区域，选取江苏省常州市新北区环境空气国控点行政中心站（北纬31.8128°、东经119.9699°）为研究对象，对该站点2021年全年的臭氧、温度、风速风向和相对湿度小时数据进行分析。

后向轨迹模式采用美国大气海洋局（NOAA）开发的HYSPLIT4.9，并利用Ward's方差法进行聚类分析。以行政中心站为后向轨迹起始点，逐小时模拟后向轨迹，起始高度为100 m，计算时长24 h。气象资料采用NCEP提供的全球资料同化系统GDAS数据，数据分辨率为1°×1°。

2 结果与讨论

2.1 新北区臭氧污染特征

新北区行政中心站2021年环境空气质量超标天为89 d，其中O3为首要污染物的超标天为63 d，PM2.5超标16 d，NO2和PM10分别超标7 d和3 d，其中O3超标天同比增加21 d，PM2.5超标天同比减少15 d，O3已成为新北区影响环境空气质量的主要污染物。从全市看，行政中心臭氧90百分位浓度和臭氧超标天均为全市最高。2021年O3超标天分布在3—10月，其中3、4和10月各超标1 d，5—9月分别超标12、16、12、11和9 d，从超标天数分布看，行政中心O3污染主要集中在5—9月。

2.2 不同气团对臭氧的影响

为研究不同方向气团对新北区臭氧浓度的影响，图1给出新北区2021年5—9月逐小时气流后向轨迹聚类分析结果。表1为不同轨迹区域特征及对应的污染物平均质量浓度。气团轨迹被分为5类，从图1可见，5—9月偏北气流占比较少，仅占11.4%，西南、东南、东南偏南及偏东方向上轨迹分布相对均匀，5—9月主导风向为东南风。从轨迹对应的污染物平均质量浓度数据看，东南偏南气流（聚类D）对应的O3和NO2平均质量浓度最高，水平风速均值也较低；偏北和偏东气流对应的O3和NO2平均质量浓度较低，其中偏北气流对应的平均气温最低。

表1 各类轨迹的区域特征及对应污染物平均质量浓度

图1 2021年新北区后向轨迹平均聚类特征

从臭氧小时数据可以看出，行政中心站点经常性在18：00—22：00时段出现臭氧浓度高值，且该时段部分臭氧小时数据甚至高于白天的臭氧最大值，说明该站点存在受臭氧远距离输送的影响。为此，统计了2021年5—9月逐日18—22时不同气团轨迹的臭氧平均质量浓度，及出现轨迹对应的臭氧浓度大于160μg/m3情况（简称污染轨迹），从表2可见，夜间（18—22时）东南偏南气流（聚类D）对应的臭氧平均质量浓度最高，与白天的情况较类似，该方向夜间对应的污染轨迹臭氧平均质量浓度达197 μg/m3，明显高于其他气团对应的浓度，且该聚类中的污染轨迹占比高达22.8%。说明在东南偏南气流的影响下，行政中心站点在白天易出现臭氧超标现象，夜间也容易出现远距离臭氧输送的现象，导致臭氧浓度在傍晚后仍居高不下。

表2 夜间各类轨迹对应污染物平均质量浓度

根据黄成等[13]的研究结果表明，长三角区域的能源消耗量及人为污染物的排放量均相对较高，特别是在杭州湾区域排放较集中，导致东南偏南方向上的气团对行政中心臭氧浓度影响较大。常州市西南方向主要以植被覆盖率较高的山区丘陵地带为主，天然源排放的VOCs较多，导致西南气团对应的臭氧平均质量浓度相对较高。

2.3 气象条件对臭氧的影响

臭氧的生成主要靠一定太阳辐射条件下的NO2光解，太阳紫外辐射越强臭氧光化学反应越剧烈，越易生成臭氧，气温与太阳辐射相关性较好，可用于表征太阳辐射的强弱。图2选取行政中心站点2021年5—9月每日白天（9—17时）和夜间（18—22时）2个时段的臭氧、温度和相对湿度数据进行分析。从图2可见，白天在气温高于24℃和相对湿度低于55%的情况下臭氧浓度易超过160 μg/m3，夜间在气温高于26℃和相对湿度低于50%的情况下臭氧浓度易超过160 μg/m3。相对湿度大于60%以上时，臭氧浓度超过160 μg/m3的概率较低，高湿度条件下水汽对太阳辐射的衰减可能导致近地面的太阳辐射下降，并使臭氧前体物发生液相反应，从而不利于臭氧生成。但在夜间气温在20℃左右、相对湿度在70%以上时，仍可能出现臭氧浓度超过120 μg/m3的情况，可能由于降雨时垂直对流旺盛导致高空臭氧向近地面垂直输送，或受雷电等影响出现臭氧高浓度情况。

图2 O3随温度和相对湿度的变化分布图

图3选取夜间（18—22时）臭氧浓度大于100 μg/m3的数据进行分析，给出了高浓度臭氧在不同风速下的分布情况。从图3可见，夜间新北区臭氧超标（大于160 μg/m3）时段主要分布在水平风速为0.5～3.5 m/s的情况下，其中1～2.7 m/s的情况下出现频率最高，风速较大时不利于臭氧在近地面堆积和输送。