連云港市一次夜間臭氧升高原因淺析

楊偉波 曹俊程 王瑜

（江蘇省連云港環境監測中心 江蘇連云港 222000）

近幾年臭氧污染問題日漸突出，尤其在夏季臭氧污染頻繁發生。眾所周知，臭氧污染主要來源于其前體物的光化學反應和傳輸。夏季，白天由于太陽輻射較強，大氣光化學反應較強，臭氧濃度較高；夜間由于沒有太陽輻射，大氣光化學反應減弱，臭氧濃度逐漸降低，所以一般情況下臭氧濃度具有明顯的日變化。但是，有時在一些特殊的氣象條件下，夜間的臭氧濃度不但不會減少，而且會明顯上升，濃度有時會超過白天時的最高濃度。夜間臭氧升高，現在研究一般是高空沉降以及水平輸送的結果。Hu 等［1］研究了夏季光化學污染中臭氧區域傳輸機制，其研究表明夏季白天強太陽輻射和高溫環境產生大量臭氧，并累積在對流邊界層內；日落之后，夜間出現近地面穩定邊界層，近地面臭氧濃度急劇下降，但在大氣邊界層上部的夜間殘留層中臭氧濃度較高。在盛行風引導下，上風區的夜間殘留層臭氧高值區向下風區傳輸。楊帆等［2］對青島沿海地區一次臭氧重污染過程的成因分析表明，上游高空的高濃度臭氧沿氣團軌跡傳輸，隨下沉氣流聚集在青島西南部海面，隨后由近地層西南向海風水平輸送至青島沿岸。王普等［3］初步分析了貴陽市夜間臭氧高值現象，臭氧夜間濃度高值典型日臭氧高值站點具有主城中心區域出現頻率低，城郊地區靠近高壓輸變電設施站點出現頻率高的分布特征；夜間臭氧高濃度易出現在有降水的鋒面天氣系統中。連云港市在2020 年4 月和5 月份發現臭氧濃度經常出現夜間升高的現象，本文對連云港市5 月12 日的一次夜間臭氧升高個例的原因進行初步分析和探討。

1 數據來源與方法

本文利用連云港市國控環境空氣質量監測點的監測數據，以及歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）第五代大氣再分析資料，從氣象條件來分析夜間臭氧濃度升高的原因。

2 觀測結果

2020 年5 月12 日臭氧小時濃度變化趨勢如圖1 所示。

圖1 國控點臭氧小時濃度變化趨勢

從圖1 可以看出，臭氧濃度在下午16 時達到最高濃度，之后總體上保持下降趨勢。其中胡溝管理處點位下降最快，并且20 時左右降到最低濃度。德源藥業點位臭氧濃度下降較為緩慢，但下降幅度也較大。市環境監測站點位臭氧濃度下降幅度相對不大。在22 時之后胡溝管理處點位臭氧濃度率先大幅度上升，德源藥業臭氧也有明顯的上升。但是市環境監測站點位臭氧只有小幅度上升，之后在13 日2 時有了小幅度下降。而胡溝管理處點位臭氧在13 日3 時達到最高濃度，為109 μg/m3，甚至超過了白天的最高濃度值。

從3 個國控點位的變化上可以看出，沿海點位的臭氧濃度上升幅度明顯高于內陸點位。從12 日的區域分布上看，連云港市臭氧濃度最低，而北部的日照、濰坊等地以及西北部的臨沂等地的臭氧濃度明顯較高于連云港市，如圖2 所示。

圖2 區域臭氧日最大8 h 濃度

3 氣象分析

從5 月12 日的500 hPa 天氣形勢上看，在高空存在一個明顯的小槽，江蘇省處于小槽的底部，有小股冷空氣南下。但從地面圖看，這股冷空氣的強度明顯偏弱，也不存在明顯的高壓中心，顯然這是一小股冷空氣過境的形勢，如圖3 所示。

圖3 5 月12 日8 時500 hPa 高空天氣形勢圖

從5 月12 日1000 hPa 風場上看，受小股冷空氣影響，8時連云港北部吹西北風，但西部為西風，而北部和西部正是臭氧濃度較高區域，使得高濃度臭氧不斷輸送到黃海區域，如圖4（a）所示。

夜間22 時，在黃海生成一個反氣旋，靠近江蘇沿海。風向在夜間轉為偏東風，使得黃海區域的臭氧又不斷地輸送到內陸，臭氧在夜間一直保持較高濃度。尤其胡溝管理處點位靠近沿海，夜間臭氧濃度達到最高，如圖4（b）所示。

圖4 5 月12 日1 000 hPa 的風場

圖5 所示為12 日的溫度和垂直速度的時間變化剖面圖，圖中時間為世界時。從圖5 可以看出，在北京時間21 時之后，在低空便逐漸形成了逆溫。之后在970 hPa 的位置形成一個逆溫層，并且隨時間變化，逆溫層的位置保持不變，一直維持到13 日6 時左右。可見，在12 日夜間連云港低空區域，一直有逆溫層的存在，使得低層大氣層結較為穩定。從垂直速度上看，在12 日22 時之前，存在明顯的下沉運動，22 時之后垂直運動的強度都很弱。因為夜間逆溫的存在，大氣層結趨于穩定，故垂直運動不明顯。所以夜間臭氧傳輸主要在低空的水平輸送。

圖5 連云港市溫度和垂直速度的時間變化趨勢

圖6 顯示的是在12 日18 時、21 時、24 時以及13 日3 時的溫度剖面圖。從圖6 可以明顯看出，近地面氣溫隨時間變化明顯降低。在18 時近地面氣溫明顯高于高空，大氣不穩定。到21 時近地面氣溫有了明顯下降，并且形成了逆溫。在24 時近地面氣溫由于輻射冷卻繼續下降，逆溫逐步加強。在13 日3時，逆溫的強度繼續加強。從上述可知，地面由于輻射冷卻的作用，近地面的氣溫明顯下降。但是高空中的大氣降溫明顯偏慢，尤其在975 hPa 氣溫下降很慢，所以逐漸形成了低空的逆溫層。

圖6 溫度垂直剖面圖

地面因為輻射冷卻，使得近地面氣溫降低很快，主要是因為大氣環流在從冬季向夏季轉換時，大氣依然處于偏冷狀態，同時又有小股冷空氣南下，有利于地面的快速降溫。

4 結論

通過以上對夜間臭氧濃度升高的分析，可以得到如下結論：

（1）在2020 年4 月和5 月份，連云港市的夜間臭氧濃度異常升高主要是受水平輸送的影響。此時大氣環流處于從冬季向夏季轉換時期，大氣依然處于偏冷狀態，地面由于輻射冷卻作用，降溫較快，而高空大氣降溫較慢，容易形成輻射逆溫，在低空形成長時間的逆溫層，大氣層結趨于穩定。

（2）在海陸風影響下，臭氧在夜間發生水平輸送，使得靠近海邊的胡溝管理處點位臭氧率先迅速升高，而離海較遠的市環境監測站臭氧濃度變化不大。同時，在發生夜間傳輸的情況下，周圍區域的臭氧濃度明顯高于連云港。