劉培川，陳建文，張 巍，杜云松，廖乾邑

(四川省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，成都 610091)

1 引 言

大氣環(huán)境臭氧污染問(wèn)題日益受到國(guó)家的重視，近年來(lái)城市和郊區(qū)近地面臭氧濃度大幅度增加,臭氧污染已經(jīng)成為夏季遏制環(huán)境空氣質(zhì)量改善的首要污染物。我國(guó)從2012年開(kāi)始，相繼在城市開(kāi)展了臭氧監(jiān)測(cè)工作并納入日空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)，相關(guān)學(xué)者開(kāi)展了一系列的臭氧監(jiān)測(cè)研究，但主要集中在污染較重的發(fā)達(dá)地區(qū)，而對(duì)大氣本底或干潔的背景區(qū)研究較少[1～5]。為獲取O3在背景地區(qū)的污染水平資料和時(shí)間變化趨勢(shì)，生態(tài)環(huán)境部專項(xiàng)開(kāi)展了我國(guó)背景區(qū)域的臭氧監(jiān)測(cè)工作。本研究基于海螺溝國(guó)家大氣背景站觀測(cè)，該背景站所在區(qū)域處于貢嘎山主峰區(qū)東坡的冰蝕河谷西北部，該區(qū)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?yàn)楦叽笊较?，文章詳?xì)分析了以海螺溝為代表的青藏高原過(guò)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(jìn)行比較，探討影響臭氧濃度時(shí)空變化的因素，以期為后續(xù)大氣臭氧研究污染控制提供參考依據(jù)。

2 監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 觀測(cè)點(diǎn)位及時(shí)間

海螺溝國(guó)家大氣背景站位于四川省甘孜州海螺溝冰川風(fēng)景區(qū)索道上站，處于保護(hù)區(qū)范圍的最高處，地理坐標(biāo)：東經(jīng)101°58′13″，北緯29°32′59″，海拔高度3 571m。成都市臭氧監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于成都市7個(gè)國(guó)控城市環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)子站。具體點(diǎn)位圖見(jiàn)圖1，監(jiān)測(cè)時(shí)間為2013年1月1日～2017年1月1日。

圖1 國(guó)家大氣背景站與成都市城市監(jiān)測(cè)點(diǎn)位Fig.1 National atmospheric background and Chengdu city monitoring station

2.2 監(jiān)測(cè)儀器

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

3 結(jié)果與討論

3.1 海螺溝背景區(qū)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(qū)域地面O3具有準(zhǔn)周期季節(jié)波動(dòng),存在明顯的季節(jié)變化。2013～2017 年O3濃度基本保持穩(wěn)定。從圖2來(lái)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(qū)域O3，成都市高106%；近年來(lái)O3的變化趨勢(shì)，背景區(qū)域與城市也存在大的差異，背景區(qū)域O3濃度未見(jiàn)明顯增長(zhǎng)，而成都城市臭氧呈上升趨勢(shì)，且年峰值不斷增加。

圖2 海螺溝地區(qū)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(qū)域地面O3小時(shí)濃度和8h滑動(dòng)平均的年度均值和第50百分位相差在正負(fù)2μg/m3，說(shuō)明海螺溝背景區(qū)域地面O3濃度分布相對(duì)均勻，且90百分位濃度約為最大濃度的90%，說(shuō)明高值部分占比相對(duì)較小。而成都市平均濃度、百分位濃度圖來(lái)看，最小值與最大值跨度達(dá)200μg/m3，50百分位濃度值均比平均濃度值小20μg/m3，說(shuō)明城市低濃度臭氧區(qū)域占比較大對(duì)年均值貢獻(xiàn)小，而90百分位濃度約為最大濃度的80%，城市區(qū)域高濃度O3值占比較小，但是對(duì)年均值貢獻(xiàn)大。總體來(lái)說(shuō)，城市O3低、高濃度兩極分化嚴(yán)重，說(shuō)明O3消耗和O3生成反應(yīng)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(qū)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(jié)變化

海螺溝背景區(qū)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(jié)變化呈夏>春 >秋>冬，濃度波動(dòng)跨度約為背景區(qū)域O3濃度波動(dòng)跨度的兩倍，詳見(jiàn)圖5、圖6。分析其原因，一是背景區(qū)域消耗O3的污染物較之城市來(lái)說(shuō)非常低，所以O(shè)3向高濃度發(fā)展的動(dòng)力有限；二是城市低層大氣NOX、NMHC、CO、VOC 等O3前體物的排放對(duì)城市大氣O3的生成有一定貢獻(xiàn)[10-11]。

圖5 海螺溝背景區(qū)域地面O3季節(jié)變化Fig.5 Seasonal variation of ozone in the background station of Hailuogou

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

3.2 日濃度變化

海螺溝背景區(qū)域地面O3日濃度變化范圍較小(見(jiàn)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(shí)長(zhǎng)約13h，秋季跨越時(shí)長(zhǎng)約11h，這和夏季、秋季日照時(shí)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(yáng)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(qū)(四川盆地)污染物向高原輻合，高原對(duì)流層O3前體物增加，在夏季強(qiáng)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(shì)，據(jù)前期相關(guān)研究，這同海螺溝區(qū)域與大氣平流層相對(duì)更近有關(guān)。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(fā)展成為逆溫層結(jié)的穩(wěn)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(shí)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(qū)域大氣φ( O3)的時(shí)間序列如圖8所示。利用局部近似回歸法對(duì)長(zhǎng)期觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行背景值篩分析[12～14]，此方法已與國(guó)際上的背景觀測(cè)網(wǎng)所采用方法進(jìn)行了對(duì)比，證實(shí)可用于長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)的背景值篩分。期間，共22 397個(gè)有效小時(shí)φ(O3) 數(shù)據(jù)中，φ( O3) 背景值出現(xiàn)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(xiàn)頻率為36.6%。由圖8可知，海螺溝背景站O3背景值成季節(jié)性波動(dòng)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(fā)“對(duì)流層頂折疊”現(xiàn)象及對(duì)流層上部高濃度O3通過(guò)沉降和平流作用向下輸送所造成海螺溝區(qū)域地面O3春節(jié)濃度水平處于全年最高

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

濃度。相關(guān)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(dòng)力過(guò)程聯(lián)系密切的對(duì)流層頂折疊常引發(fā)平流層對(duì)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(qū)春季對(duì)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(dòng)力機(jī)制及較弱的光化學(xué)反應(yīng)有關(guān)。

4 結(jié) 論

4.1 2013～2017年海螺溝背景區(qū)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(qū)域106%。海螺溝地面O3具有準(zhǔn)周期季節(jié)波動(dòng),存在明顯的季節(jié)變化，2013～2017 年O3濃度基本保持穩(wěn)定，海螺溝背景區(qū)域地面臭氧濃度分布相對(duì)均勻。城市臭氧低、高濃度兩極分化嚴(yán)重，說(shuō)明臭氧消耗和臭氧生成反應(yīng)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(qū)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(dòng)跨度約為背景區(qū)域O3濃度波動(dòng)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(duì)長(zhǎng)期觀測(cè)結(jié)果進(jìn)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。