昆明市近地層臭氧特征分析及對策研究

鄒靈宇，楊芳園，段燕楠，李曉鵬

(云南省昆明市氣象臺，云南 昆明 650000)

0 引言

臭氧(O3)是全世界都十分關注的一種大氣痕量氣體，大氣中的O3主要分布在平流層，平均濃度最大區域在距地面20～30km的平流層。平流層O3幾乎可以吸收波長在0.2～0.3μm的全部紫外輻射，對生物圈起著保護作用。距離地球表面15km范圍內的對流層O3僅占大氣O3總量的10%左右，是大氣的主要二次污染物之一，其濃度的增加是地表大氣光化學煙霧及溫室氣體的主要成分，具有強氧化性，高濃度O3污染會對人體健康、農作物生長、生態環境等造成負面影響[1-3]。

隨著經濟和城市化的迅速發展，O3污染問題日益凸顯，在傳統的二氧化硫(SO2)、顆粒物(PM10及PM2.5)等污染得到一定改善的情況下，全國多地出現了O3取代傳統污染物成為首要或超標污染物的情況。2019年全國空氣質量總體穩中有進，但O3濃度明顯上升，全國337個地級及以上城市O3濃度同比上升6.5%，以O3為首要污染物的超標天數占總超標天數的41.8%，導致全國優良天數比率同比損失2.3個百分點。O3濃度上升逐漸成為僅次于PM2.5的影響優良天數的重要因素[4]。

針對O3污染國內外開展了大量研究，內容包括O3反應生成機理、污染變化規律、相關氣象及排放條件、對生物體的影響及光化學污染控制對策等。長三角地區主要污染特征表現為秋、冬季高濃度顆粒物和夏季高濃度O3。從春末到秋季，強烈的太陽輻射和較高的氣溫有利于大氣光化學反應加劇，地面O3在午后迅速上升，看似干凈透明的空氣也可能出現輕度污染，因為O3濃度超標了，此現象也稱為晴空污染[5]。在長三角地區，5—8月O3污染最嚴重，沿海城市O3濃度要高于內陸城市，且城市O3濃度與城市民用汽車保有量顯著相關[6-7]。由于O3濃度水平與其前體物排放變化具有非線性變化響應特征，且各地區污染排放狀況不同，因此，O3光化學反應具有局地性特征，不同地區O3污染特征也不盡相同。上海市2017年O3-8h年均濃度為2013年以來的最高值，主要體現為夏半年O3濃度的上升[8]，O3污染多發生在日照強、溫度高、風速低的氣象條件下[9]，前體物VOCs中芳香烴和烯烴類對上海O3生成貢獻最大[10]。江蘇省O3污染最嚴重的是南部城市南京、無錫、常州和蘇州[11]。南京市區夏季O3生成對VOCs較敏感，屬于VOCs控制區，VOCs各組分中烷烴的O3生成潛勢最大[12]。沿海城市秦皇島O3濃度夏季最高，春季次之，冬季最低，與氣溫變化趨勢基本一致，呈現明顯的季節變化，其春夏兩季O3濃度基礎值偏高[13]。西安市夏季O3濃度最高，因O3-8h造成的污染占總污染天數的1/3[14]。和昆明同樣位于青藏高原附近的蘭州市主城O3污染主要集中在4—8月，每日14—16時處于高值區[15]。

昆明地處低緯高原地區，屬山地季風氣候，有“春城”之稱。但隨著城市建設和社會經濟的快速發展，城市環境空氣質量的改善和持續提升面臨新的形勢和挑戰。根據昆明市環境空氣質量監測數據，近年來昆明市的污染日絕大部分是O3污染造成的，已超越PM2.5、PM10成為昆明輕度污染天數的主要影響因素。因此研究昆明近地面O3特征十分必要。

1 資料與方法

空氣質量數據來源于中國環境監測總站提供的昆明市5個國家城市空氣質量監測點逐小時監測數據，5個環境監測站(圖1)分別位于昆明市主城區龍泉鎮站、東風東路站、金鼎山站、呈貢新區站、碧雞廣場站和官渡區博物館站。數據分析時段為2015—2019年。昆明市數據為各站點區域評價綜合指標(西山森林公園為清潔對照點)。

圖1 昆明市環境監測站點分布圖

空氣質量指標采用《GB 3095-2012環境空氣質量標準》分析，O3小時數據為1h內算術平均值，O3日數據為日最大8h滑動平均值(以下簡寫為O3-8h)。數據統計按照《HJ 663-2013環境空氣質量評價技術規范》(試行)進行，年度評價時采用城市區域評價O3-8h第90百分位數與O3-8h標準限值比較得出結果，數據為中國環境監測總站對外公布數據。

2 昆明市近地層O3污染現狀分析

2.1 環境空氣質量總體概況

2013年開始，昆明市開始采用新修訂的《GB 3095-2012環境空氣質量標準》進行空氣質量評價，2015年以來昆明市主城空氣質量優良率穩定保持在98%以上，輕度污染天數基本保持在10d以內，且優級天數呈現逐年增長趨勢(表1)。總體而言，昆明市空氣質量優良率在全國處于較高水平，位于省會城市前列。

2019年，昆明市空氣質量顯著改善，可吸入顆粒物(PM10)、細顆粒物(PM2.5)、二氧化硫(SO2)、一氧化碳(CO)4項污染物濃度為2015年以來最低一年(圖2)。但O3濃度出現了明顯上升的趨勢，O3也成為了昆明市2015年以來各項污染物控制指標中唯一逆勢上升的一項。

對昆明市2015—2019年逐年空氣質量進行變化趨勢分析，值得關注的是，在各年份出現輕度污染的天數中，O3為首要污染物的輕度污染天數顯著增多，出現最多天數為2019年的8d(表1)。O3已超越傳統因素成為造成昆明市輕度污染的主要影響因素。

表1 2013—2019年昆明市主城區空氣質量狀況

2.2 昆明近地層O3變化情況分析

2.2.1 濃度年度變化近年呈持續上升趨勢

2015年以來昆明O3濃度持續緩慢上升，平均增速為5.11%每年，2019年較2015年O3-8h年平均濃度上升21.81%，雖然增幅較大，但未超過年均值二級標準，且優于日最大O3-8h標準。對比全國和西南地區主要城市，2015年北京和成都O3濃度居于高值，這也是開展O3污染研究起步最早的城市之一。經過5a的重視和治理，北京和成都O3濃度均持續控制下降，2019年O3濃度較2015年分別下降了6.40%和12.56%。而上海和重慶則表現為前兩年小幅上升，2017年開始回落，2019年O3濃度較歷史最高分別下降17.13%和3.07%(圖3)。

圖3 2015—2019年昆明與北京等城市O3年度變化對比

2.2.2 季節變化為春季平均值高于其他季節

對昆明的四季進行氣候學劃分，春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月，冬季為12月—次年2月。昆明春季O3小時濃度最高，夏、秋、冬季較低，其中秋季最低，春季白天O3污染持續時間長，且夜間O3濃度也相對較高(圖4)。

圖4 2015—2019年昆明O3-1h濃度季節變化

從近年來趨勢看，春季、冬季O3平均小時濃度呈現上升趨勢，而夏季、秋季保持穩定(圖5)。

圖5 2015—2019年昆明O3-1h濃度季節性差異

2.2.3 O3日最大8小時平均濃度日變化呈逐年升高趨勢

根據環境空氣資料監測數據，2015—2019年昆明主城區O3-8h年平均濃度分別為78μg/m3(2015年)、82μg/m3(2016年)、80μg/m3(2017年)、83μg/m3(2018年)、89μg/m3(2019年)，均低于《環境空氣質量標準》二級濃度限值100μg/m3，但是濃度呈現逐年升高的趨勢(圖2)。

圖2 昆明市2015—2019年空氣污染物年度情況

2.2.4 小時變化呈現“單峰型”

根據監測數據統計結果，昆明主城區環境空氣O3平均濃度日內呈現“單峰型”，其中0—8時呈現整體平穩下降趨勢，8時達到每日的谷值，此后，呈現快速上升趨勢，至14—17時達到每日的峰值，而后，呈現快速下降趨勢，至22時趨于平穩(圖6)。2019年峰值明顯高于其他年份。

圖6 2015—2019年昆明主城區O3日變化

3 昆明近地層O3濃度超標因素分析

3.1 地形因素

昆明主城區為典型的“馬蹄形”盆地地形，東、西、北三面環山，南部為滇池水體，常年盛行西風和西南風。自然風從西部、南部地勢較為平坦的區域進入主城區，受到北面、東面山體阻擋下沉，空氣中攜帶的污染物隨氣流下沉，不利于污染物的擴散。同時，昆明地區冬春季夜間常年存在近地層逆溫，不利于污染物的擴散，而污染物中含有大量的氮氧化物、揮發性有機物，為O3產生提供了基礎物質。

3.2 氣象因素

90%的O3存在于大氣平流層，對流層O3僅占10%。近地層O3一般是在高溫、強光照條件下，揮發性有機物(VOCs)和氮氧化物(NOX)發生光化學反應進行二次轉化而成。因此，太陽輻射、氣溫、相對濕度是影響近地層O3形成的主要氣象因子。

3.2.1 太陽輻射

太陽輻射是氮氧化物和揮發性有機物化合生成O3的關鍵氣象因子。紫外輻射越強，光化學反應越劇烈，越有利于O3生成。昆明地處低緯度高原地區，太陽輻射強，年日照時數2118h，其中春季日照時數達687h為四季最多。尤其是冬、春季節，陰雨天氣少，晴空日數多，天空云量少，為春季O3生成提供了充足的光化學條件。

3.2.2 氣溫

在一定的溫度條件下，O3的光化學反應會加快，昆明春季雖然夜間氣溫處于10℃左右，但日出后近地面氣溫迅速攀升，在3月中下旬晴朗天氣時，日最高氣溫可維持在20℃以上，相對我國大部分地區，溫度較高。因此，在春季相對高溫及強太陽輻射的共同作用下，揮發性有機物(VOCs)和氮氧化物(NOX)會促進O3的產生。

3.2.3 相對濕度

近地層O3濃度與相對濕度呈現顯著的負相關，空氣濕度大，不利于O3的產生。昆明春季多以平直的偏西氣流控制為主，大范圍、長時間的降水過程少，空氣較為干燥，地面平均相對濕度為60%，為四季中的最低。因此，春季較其他季節相比，不利于近地層O3的清除。

3.3 O3前體物

3.3.1 揮發性有機物(VOCs)

揮發性有機物(VOCs)不僅存在于化工生產和生活制造，它還廣泛存在于自然植被之中。植物在較高的氣溫和充足的陽光條件下可排放大量高O3生成活性的揮發性有機物。由于昆明自然植被豐富，森林、植被所產生的揮發性有機物可能較其它城市更多，從大自然中產生的基礎含量也可能更高。并且，揮發性有機物的種類繁多，不同有機物的化學活性不同，高活性的揮發性有機物能更高效率地生成O3。

3.3.2 氮氧化物(NOX)

除了工業排放氮氧化物外，機動車是氮氧化物的主要排放源。隨著城市的快速發展，昆明機動車保有量逐年增加，目前已達到相當數值，用于城市生活保障、物流運輸、城市基礎設施建設等的高排量大型車輛顯著增加，以及私家車保有量快速上升，致使機動車排放的氮氧化物(NOX)等污染物總量也不斷攀升，為O3污染物的產生提供了更多的氮氧化物來源。

3.4 昆明可能存在的O3輸送通道

3.4.1 外源長距離輸送

長距離輸送是影響對流層O3分布和收支的一個重要因子，其時間尺度多在3～30d。相關研究表明，昆明春季存在由東南亞區域傳輸而來的生物質燃燒顆粒物源，對昆明地區大氣顆粒物的“貢獻率”較大，伴隨顆粒物輸送的還有O3前體物等污染物，從而可能存在來自東南亞的O3輸送，導致昆明O3總量上升。

3.4.2 平流層O3向下傳輸

中國科學院大氣物理研究所在香格里拉等地的O3觀測研究表明，在大氣的垂直方向上，每年會有比較明顯的對流層頂重建過程。當對流層頂重建時，平流層中的O3存在向下輸送到對流層的現象，且可能達到近地層。O3的垂直輸送多出現在春季，但至多影響2～3d。

無論是外源長距離輸送還是平流層向下輸送均可造成較大區域O3濃度抬升，從而出現城市地區以及非城市地區O3同步升高的現象。由昆明城區東風東路、郊區西山公園站與香格里拉區域大氣本底站月平均O3濃度對比分析可見，每年季節由冬季向春季轉變時，各觀測點的O3濃度均出現了明顯的一致上升現象，表明春季出現高濃度O3上升的現象并不只局限于昆明，而是一種較大區域出現的共性問題。但是，輸送作用對昆明近地層O3升高“相對貢獻”還需要進一步的觀測和分析研究。

圖7 東風東路站(昆明城區)、西山公園站(昆明郊區)與香格里拉大氣本底站月平均O3對比

4 昆明近地層O3污染防治的應對策略建議

O3在對流層是由VOCs和NOX通過一系列復雜的光化學反應生成，已知的相關化學反應有數千個，所以O3與這兩種前體物之間并不是簡單的線性關系。因此在制定O3的控制策略時，首先要分析清楚O3與前體物之間的相互關系，確定O3的主要控制因子，然后才能制定出更加有效的控制措施，從而事半功倍。

4.1 對VOCs和NOX的排放進行管控

一是重點做好春季城市或工業區施放氮氧化物、揮發性有機物的排放控制。3—5月是O3濃度背景值高、O3光化學反應條件較強的時段，且自然或外源性輸送引起的O3濃度抬升是城市地區無法控制的，由于工業源是城市及工業區揮發性有機物排放的主要來源之一，加強排放控制，可達到“削峰”的作用，避免高濃度O3污染。二是采取措施降低機動車對O3污染的影響。機動車尾氣不僅是氮氧化物，而且還是生成O3活性比較強的烯烴、芳香烴的主要來源，可采取提高機動車排放標準、提升燃油質量、鼓勵使用替代能源汽車、加強交通疏導和采取應急性行政手段等方式，降低機動車對O3污染的影響。三是加強生物質燃燒污染控制。加強對鍋爐、燃燒器等的煙氣污染物排放的管控力度，加強餐飲服務經營場所油煙、不規范燒烤攤點等的整治力度。

4.2 深入開展昆明O3污染的形成機制研究

一是科學布設揮發性有機物和O3的連續立體監測系統。開展本地揮發性有機物活性分析和O3的來源解析。二是加強O3污染成因機制研究。可參考北京、上海、南京等發達地區O3污染研究路線，尋找昆明O3污染主控因子，建立昆明市及周邊地區高分辨率的污染排放清單。分析O3與揮發性有機物和氮氧化物之間的相互關系，尋找更科學、優化、有效的O3治理方案，以達到事半功倍的效果。

4.3 加強大氣污染多部門協同處置應對能力

一是建立昆明市空氣污染預報預警、應急及評估決策系統。強化生態環境部門與氣象部門的長效溝通、合作機制，聯合開展昆明市空氣質量預測預警，建立環境空氣質量預報會商制度。加強重污染天氣形成和發展機理、大氣污染物輸送等方面的研究。二是建立重污染天氣評估聯合工作機制。開展事件發展評估等工作，為科學應對處置提供決策支持。加快構建政府、企業、公眾三方共同監督管理機制，加強科普宣傳，提供公眾環保意識。三是開展大氣污染多類污染物協調達標的情景分析與研究。大氣污染物種類繁多、自身變化及相互變化機制機理復雜，部分污染物之間還存在“此消彼長”的相關類型，因此需要開展大氣污染多類污染物協調達標的情景分析與研究，多部門協同探索昆明市空氣質量優良率最優防控策略，擴大大氣污染防控范圍，形成區域聯防態勢。

5結論與討論

(1)近年來昆明市空氣質量持續改善，但O3濃度逆勢上升，已超越顆粒物成為昆明空氣質量優良率的主要影響因素。2015年以來昆明市主城空氣質量優良率穩定保持在98%以上，而O3則是各污染物控制指標中唯一逆勢上升的一項，其變化趨勢值得關注。

(2)過去5a，昆明市O3濃度逐年均持續緩慢上升。春季O3小時濃度最高，夏、秋、冬季較低，其中秋季最低，春季白天O3污染持續時間長，且夜間O3濃度也相對較高。春季、冬季O3平均小時濃度呈現上升趨勢，而夏季、秋季保持穩定。日變化中，O3日最大8小時平均濃度呈逐年升高趨勢，小時變化呈現“單峰型”，2019年峰值明顯高于其他年份。

(3)昆明近地層O3濃度超標的因素：“馬蹄形”小盆地地形不利于污染物的擴散；昆明地處低緯度高原地區，太陽輻射強，尤其是春季日出后地表升溫迅速和空氣相對濕度較低，都為O3的本地光化學反應提供了良好的氣象條件；昆明自然植被豐富，揮發性有機物基礎含量也可能更高；昆明機動車保有量逐年增加，為O3污染物的產生提供了更多的氮氧化物來源；可能存在的水平方向上的O3外源長距離輸送和大氣垂直方向上平流層O3的向下傳輸。

(4)針對昆明市近地層O3濃度控制的應對，提出三條策略建議：①對揮發性有機物和氮氧化物的排放進行管控；②深入開展昆明O3污染的形成機制研究；③加強大氣污染多部門協同處置應對能力。

對近地層O3污染的控制，目前是大多數發達及發展中城市的共同問題，不同的城市和區域O3超標的原因大有不同，如何能對昆明O3濃度進行有效控制，依然有很多研究要做。例如O3超標事件中氣象因子的影響和貢獻率、大氣垂直方向和水平方向的遠距離外源輸入通道的探究和驗證，今后都應開展進一步研究。