四川省海螺溝區域臭氧本底特征分析

劉培川，陳建文，張 巍，杜云松，廖乾邑

(四川省生態環境監測總站，成都 610091)

1 引 言

大氣環境臭氧污染問題日益受到國家的重視，近年來城市和郊區近地面臭氧濃度大幅度增加,臭氧污染已經成為夏季遏制環境空氣質量改善的首要污染物。我國從2012年開始，相繼在城市開展了臭氧監測工作并納入日空氣質量評價，相關學者開展了一系列的臭氧監測研究，但主要集中在污染較重的發達地區，而對大氣本底或干潔的背景區研究較少[1～5]。為獲取O3在背景地區的污染水平資料和時間變化趨勢，生態環境部專項開展了我國背景區域的臭氧監測工作。本研究基于海螺溝國家大氣背景站觀測，該背景站所在區域處于貢嘎山主峰區東坡的冰蝕河谷西北部，該區北部斜接北東向龍門山，西北依青藏高原，南鄰南北向橫斷山系，東面是四川盆地，西緣大小涼山北部，北部北東向為高大山系，文章詳細分析了以海螺溝為代表的青藏高原過渡帶臭氧濃度水平，并同四川省腹地城市成都的臭氧濃度水平和特征進行比較，探討影響臭氧濃度時空變化的因素，以期為后續大氣臭氧研究污染控制提供參考依據。

2 監測和數據來源

2.1 觀測點位及時間

海螺溝國家大氣背景站位于四川省甘孜州海螺溝冰川風景區索道上站，處于保護區范圍的最高處，地理坐標：東經101°58′13″，北緯29°32′59″，海拔高度3 571m。成都市臭氧監測數據來源于成都市7個國控城市環境空氣自動監測評價子站。具體點位圖見圖1，監測時間為2013年1月1日～2017年1月1日。

圖1 國家大氣背景站與成都市城市監測點位Fig.1 National atmospheric background and Chengdu city monitoring station

2.2 監測儀器

采用TECO 49 型( 美國Thermo Electron Co. )紫外吸收式臭氧分析儀, 儀器最低檢測限和精度均為2×10-9, 基線漂移率<0.5%/月，95%響應時間<20s。

3 結果與討論

3.1 海螺溝背景區域與城市臭氧濃度比較

3.1.1 年際變化特征

海螺溝背景區域地面O3具有準周期季節波動,存在明顯的季節變化。2013～2017 年O3濃度基本保持穩定。從圖2來看，多年(O3-1h)平均濃度為71μg/m3，(O3-8h)平均濃度為80μg/m3；2017年年平均值最高，為75μg/m3(O3-1h)，85μg/m3(O3-8h)。成都市(O3-8h)平均濃度為165μg/m3，同比背景區域O3，成都市高106%；近年來O3的變化趨勢，背景區域與城市也存在大的差異，背景區域O3濃度未見明顯增長，而成都城市臭氧呈上升趨勢，且年峰值不斷增加。

圖2 海螺溝地區地面、成都市城市O3年際變化Fig.2 Interannual variation of O3 in the Hailuogou area and Chengdu urban area

從圖3、圖4看出，海螺溝背景區域地面O3小時濃度和8h滑動平均的年度均值和第50百分位相差在正負2μg/m3，說明海螺溝背景區域地面O3濃度分布相對均勻，且90百分位濃度約為最大濃度的90%，說明高值部分占比相對較小。而成都市平均濃度、百分位濃度圖來看，最小值與最大值跨度達200μg/m3，50百分位濃度值均比平均濃度值小20μg/m3，說明城市低濃度臭氧區域占比較大對年均值貢獻小，而90百分位濃度約為最大濃度的80%，城市區域高濃度O3值占比較小，但是對年均值貢獻大。總體來說，城市O3低、高濃度兩極分化嚴重，說明O3消耗和O3生成反應程度非常大，生成O3的前體污染物濃度高[6～9]。

圖3 海螺溝背景區域地面O3(8h)濃度水平Fig.3 Ground level ozone (8h) concentration levels in Hailuogou area

圖4 成都市地面O3(8h)濃度水平Fig.4 Ground level ozone (8h) concentration levels in Chengdu

3.1.2 季節變化

海螺溝背景區域地面O3月均濃度范圍為43～103μg/m3,成都市O3月濃度范圍為27～173μg/m3；城市(成都市)O3季節變化呈夏>春 >秋>冬，濃度波動跨度約為背景區域O3濃度波動跨度的兩倍，詳見圖5、圖6。分析其原因，一是背景區域消耗O3的污染物較之城市來說非常低，所以O3向高濃度發展的動力有限；二是城市低層大氣NOX、NMHC、CO、VOC 等O3前體物的排放對城市大氣O3的生成有一定貢獻[10-11]。

圖5 海螺溝背景區域地面O3季節變化Fig.5 Seasonal variation of ozone in the background station of Hailuogou

圖6 成都市O3濃度季節變化Fig.6 Seasonal variation of ozone in Chengdu

3.2 日濃度變化

海螺溝背景區域地面O3日濃度變化范圍較小(見圖7)，夏季日濃度變化最大(日振幅23.4μg/m3)，秋季次之(日振幅11.1μg/m3)，春季(日振幅8.6μg/m3)和冬季日濃度(日振幅7.1μg/m3)變化微小，春季日濃度水平處于全年最高。夏季O3日濃度從升高到下降時長約13h，秋季跨越時長約11h，這和夏季、秋季日照時間基本一致；夏季濃度升高程度最高，可能與夏季青藏高原受太陽輻射加熱作用下形成上升氣流，在上升氣流抬升下高原周圍地區(四川盆地)污染物向高原輻合，高原對流層O3前體物增加，在夏季強烈的日照下，造成日照期間O3濃度高。

海螺溝背景站臭氧在夏季夜間還存在濃度上升的趨勢，據前期相關研究，這同海螺溝區域與大氣平流層相對更近有關。夜間地面輻射降低，下墊面冷卻，大氣由下而上降溫,在近地面形成逆溫層，并逐漸發展成為逆溫層結的穩定大氣,且夜間海螺溝以下沉氣流為主，富含O3的平流層大氣注入近地面，致使地面O3具有較高值。

圖7 海螺溝日濃度變化時刻圖Fig.7 Time chart of daily concentration change of Hailuogou

3.3 海螺溝臭氧背景濃度

2015～2017年，海螺溝區域大氣φ( O3)的時間序列如圖8所示。利用局部近似回歸法對長期觀測結果進行背景值篩分析[12～14]，此方法已與國際上的背景觀測網所采用方法進行了對比，證實可用于長期觀測數據的背景值篩分。期間，共22 397個有效小時φ(O3) 數據中，φ( O3) 背景值出現頻率為63.4%，受自然源和人為排放源的影響，φ( O3) 非背景值出現頻率為36.6%。由圖8可知，海螺溝背景站O3背景值成季節性波動變化，春季濃度水平較高，夏季冬季次之、秋季最低。春季本底為83±5μg/m3，夏季本底值為72.5±5.5μg/m3，冬季本底值為69±5μg/m3，秋季本底值為60±3μg/m3；春季多發“對流層頂折疊”現象及對流層上部高濃度O3通過沉降和平流作用向下輸送所造成海螺溝區域地面O3春節濃度水平處于全年最高

圖8 海螺溝站大氣φ( O3)的時間序列圖Fig.8 Continuous monitoring of atmospheric O3 hourly concentration obtained from 2015 to 2017

濃度。相關青藏高原氣象的研究表明，在極鋒急流的作用下，與高空鋒生、切斷低壓等天氣動力過程聯系密切的對流層頂折疊常引發平流層對流層交換，這種以富含O3的平流層空氣下傳為主的交換是中緯地區春季對流層O3增加的重要源。夏季O3濃度在全年濃度水平排第二位，這可能與夏季青藏高原輻散、輻合氣流等動力機制及較弱的光化學反應有關。

4 結 論

4.1 2013～2017年海螺溝背景區域(O3-1h)平均濃度為71μg/m3,(O3-8h)平均濃度為80μg/m3，成都市(O3-8h)平均濃度為165μg/m3，成都市高出海螺溝背景區域106%。海螺溝地面O3具有準周期季節波動,存在明顯的季節變化，2013～2017 年O3濃度基本保持穩定，海螺溝背景區域地面臭氧濃度分布相對均勻。城市臭氧低、高濃度兩極分化嚴重，說明臭氧消耗和臭氧生成反應程度非常大，生成臭氧的前體污染物濃度高。

4.2 海螺溝背景區域O3月均濃度范圍為43～103μg/m3,成都市O3月均濃度范圍為27～173μg/m3；城市O3濃度波動跨度約為背景區域O3濃度波動跨度的兩倍。

4.3 海螺溝背景站O3日濃度變化范圍較小，夏季日振幅23.4μg/m3，秋季日振幅11.1μg/m3，春夏季日振幅8.6μg/m3，冬季日振幅7.1μg/m3。

4.4 利用局部近似回歸法對長期觀測結果進行背景值篩分析。春季本底為83±5μg/m3，夏季本底值為72.5±5.5μg/m3，冬季本底值為69±5μg/m3，秋季本底值為60±3μg/m3。