1. 引言

2013年实施《大气污染防治行动计划》以来，全国SO₂、PM₁₀、PM_2.5浓度有大幅度的降低，但是臭氧污染问题并没有得到缓解，甚至更加严重。成都市臭氧日最大8小时平均浓度(90百分位)值从2013年的157 µg/m³升高至2018年的167 µg/m³。这与城市发展、能源结构转变、汽车保有量迅速增加有很大关系。臭氧主要来源于汽车尾气中的NOX、CO等污染物的光化学反应 [1]，以及PM_2.5的气溶胶化学作用 [2]。O₃浓度高低除了与相关前体物浓度有关外，还与天气条件有密切联系。气象因子对近地面O₃浓度有着重要的作用 [3]，O₃浓度和温度、气压、湿度、风速风向等各气象要素存在相关性 [4] [5] [6] [7] [8]，天气条件的改变对O₃的时空分布影响较大，其中温度、湿度、风向风速的影响很大。近地面臭氧浓度随着气温的升高而升高；而降水、湿度的影响刚好与气温相反；大风或有雾的天气条件也会成为近地面臭氧浓度增高的原因 [9]。刘源在对四川省大气污染概况及特点的分析研究中认为成都地区风速小，相对湿度较大，夜间经常出现逆温，静稳天气多，不利于污染物的扩散，容易造成持续污染 [10]。

本文主要利用成都市臭氧持续污染事件分析成都市夏半年臭氧持续污染的特征；利用典型臭氧持续污染过程中臭氧前体物的时间分布以及各气象因子的分布来探究天气条件对臭氧持续污染的影响，为成都地区大气臭氧污染的防控提供科学支撑。

2. 材料与方法

根据环保部城市AQI日值计算标准《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》(HJ633-2012)，定义浓度超过国家环境空气质量二级标准的污染物，即IAQI大于100的污染物为超标污染物 [11]。空气质量分指数(IAQI)的指数范围为0~500。指数越大，级别越高，污染越严重，对人体的健康影响更大。根据公式：

$IAQ{I}_P=\frac{IAQ{I}_{Hi}-IAQ{I}_{Lo}}{B{P}_{Hi}-B{P}_{Lo}}\left(C_P-B{P}_{Lo}\right)+IAQ{I}_{Lo}$

式中：IAQI_P为污染物项目P的空气质量分指数，C_P为污染物项目P的质量浓度值，BP_Hi为与C_P相近的污染物浓度限值的高位，BP_Lo为与C_P相近的污染物浓度限值的低位值，IAQI_Hi为与BP_Hi对应的空气质量分指数，IAQI_Lo为与BP_Lo对应的空气质量分指数。

本文共使用成都市8个国控环境空气自动监测子站臭氧监测数据，数据来源于中国生态环境部公共网站：http://beijingair.sinaapp.com/，因成都市区内各监测站点相距很近，且地形特征与经济发展状况相对一致，因此将各环境站点数据计算平均值作为成都市区的臭氧平均浓度。

3. 结果与分析

将2014~2017年4~10月成都市出现臭氧轻度污染(IAQI > 100)，且持续天数大于3天(包括3天)定义为一次持续臭氧污染过程。根据此标准统计得出图1，四年间臭氧持续污染次数分布均呈现出“双峰”的形式。四年间夏半年臭氧持续污染高发月份主要集中在5月、7月，7月臭氧持续污染次数最多，共计8次，其次为5月，臭氧持续污染次数共计7次。四年间在6月、9月、10月均只有1次持续污染事件。其中，四年间臭氧持续污染过程持续时间达到5天及以上的次数共有8次，其中，2015年3次，2016年2次，2017年3次，且多发生在5月、7月(表1)。

Table 1. Statistics of ozone continuous pollution processes from April to October of 2014-2017

表1. 2014~2017年4~10月臭氧持续污染过程统计

臭氧持续污染过程中臭氧浓度与温度有较强的正相关(图2)，相关系数约为0.76。统计分析四年间所有持续污染过程中气象要素，持续污染过程平均温度最低为19.5℃，过程中最低温度为16.9℃，表明日平均温度连续几天维持在20℃左右容易导致臭氧持续污染。持续污染过程平均风速 < 2.5 m/s，风向主要为西风、西北风。平均气压低于950 hPa，气压较低。

4. 典型臭氧污染过程分析

4.1. 持续臭氧污染过程特征描述

根据表1可以看出2016年8月19~25日臭氧持续污染过程持续时间最长，达到7天，最大8小时滑动平均浓度值达到250 μg/m³，轻度污染3天，中度污染4天。故此，选取该个例，并扩选污染过程开始前一天、结束后一天，对臭氧持续污染过程中气象因子的影响进行研究分析。

在此次典型O₃持续污染过程中，各监测站点臭氧小时浓度日变化曲线呈单峰状态(图3)，对照站灵岩寺峰值落后于成都市区内各监测站峰值且峰值明显小于成都市区内各监测站峰值。19~24日成都市区臭氧污染达到中度污染等级，其中梁家巷8月19日臭氧最大小时浓度达到371 μg/m³。

由臭氧持续污染期间每日污染物浓度的逐时分布可以看出CO和NO₂浓度日变化规律基本一致(图4)，呈双峰分布，在上午10出现一个峰值，这与傍晚交通高峰与夜间大型运输车辆排放的污染物累积有关；O₃则呈现出明显的单峰分布特征，峰值出现在15h左右，滞后于CO和NO₂峰值浓度，这与早上交通高峰后污染物累积和人类活动排放有关。O₃峰值滞后是由于臭氧本身不是污染源排出的一次污染物，而是在大气中光化学反应过程中形成的二次污染物，交通、工业生产等人类生产生活活动使用大量的化石燃料，排放出多种O₃前体物(NOx, VOCs, CO等)，还有自然源如植被排放的BVOCs，这些污染前体物在白天强的光照作用下发生光化学反应，生成O₃；夜间由于没有太阳光的作用，但是由于NO继续与O₃反应生成NO₂，即大气中NO在夜间对O₃的消耗作用加强，所以夜间臭氧浓度会下降 [12]，故臭氧呈现单峰分布特征。

大气环境中的颗粒态污染物PM_2.5浓度在下午逐渐降低，夜间和上午浓度较高。下午太阳辐射强，气温高，相对湿度低，低层对流活动增强，有利于污染物稀释和扩散，因而颗粒物浓度较低；夜间，随着太阳辐射减弱，气温降低，相对湿度增加，大气湍流运动变弱，混合层高度降低，导致污染物在近地面堆积。从图4中可以发现，O₃浓度高值时间段对应PM_2.5低值时间段，这是因为当颗粒物浓度较高时，气溶胶粒子通过散射和吸收太阳辐射减弱光化学反应的程度，影响O₃生成，造成O₃浓度降低 [13] [14]；随着PM_2.5浓度的降低，太阳辐射增强，O₃生成的光化学反应条件变得充分，O₃浓度升高。

4.2. 臭氧浓度与气象要素的关系分析

温度曲线与O₃浓度曲线趋势基本一致(图5)，白天O₃浓度随温度升高而升高，夜间O₃浓度随温度降低而降低。在成都市区，O₃浓度峰值出现超前于温度峰值。19日成都市区温度骤然升高，最高温度达到34℃以上，随着气温升高，O₃浓度也骤然上升，O₃小时浓度最高值达到264 μg/m³，持续6天的高温导致臭氧污染维持，直到26日温度略有降低，O₃污染过程才结束。对照站灵岩寺与成都市区温度与臭氧浓度的关系存在差异，O₃浓度峰值出现滞后于温度峰值，但O₃浓度总体变化趋势一致，O₃浓度也随气温升高而升高，但没有出现O₃污染超标情况，灵岩寺区域污染物排放较少，O₃前体物浓度低，存在成都市区O₃向该区域输送的现象。总体而言，在成都市区O₃持续污染过程开始前的日最高温度明显低于污染过程中日最高温度，污染过程结束后日最高温度明显降低，可见持续高温(气温达到30℃以上)有利于臭氧污染的维持。

相对湿度日变化趋势与O₃浓度日变化趋势呈相反的关系(图6)，这是因为大气中的水汽有利于O₃前体物和大气中自由基的累积，从而影响光化学反应，且较高的相对湿度有利于污染物的湿清除，因而较高的相对湿度不利于O₃的生成和累积 [15]。从18日至26日相对湿度与臭氧浓度的变化看，18日成都地区相对湿度维持在70%以上，臭氧并未达到污染程度，19日至25日相对湿度日变化呈单峰状态，夜间湿度上升，基本维持在80%以上，到白天相对湿度逐渐降低，在15点左右达到日最低值，与O₃浓度峰值出现的时间相同。26日相对湿度日变化趋势与臭氧污染过程中相对湿度日变化趋势一致，但O₃浓度并未出现超标情况。这是因为，根据国内外研究，高温低湿的条件有利于O₃生成 [16] [17]，而26日温度降低，最高温度低于30℃。可见，高温低湿是臭氧持续污染的条件之一。

成都市区气压明显高于灵岩寺(图7)，这是由于灵岩寺海拔高于市区；O₃浓度曲线与气压曲线呈负相关关系，气压降低，O₃浓度上升。成都市区O₃浓度峰值出现超前于气压低值，灵岩寺O₃浓度峰值出现滞后于气压低值。从18日凌晨到27日凌晨，成都市区与灵岩寺气压整体呈上升趋势，而O₃污染出现了加强、维持、减弱三个过程，说明气压对臭氧污染的维持无明显影响。

已有研究表明，O₃浓度与降水呈负相关关系，在本次整个臭氧污染过程中，成都市区仅在23日晚间有一次短时强降水过程，灵岩寺仅在23日凌晨有一次短时强降水过程。分析每一次短时降水过程中臭氧浓度的变化可以看到，降水过程中臭氧浓度明显下降。总体而言，此次臭氧污染过程中几乎无降水，可见降水不利于臭氧污染的维持。

成都市区O₃持续污染期间，成都市区盛行风向为西风、西北风(图8)。分析风向O₃浓度风玫瑰图，成都市区在偏南、偏西风向出现O₃浓度高值区，灵岩寺主要风向为东北风，有利于将东部城市地区的污染物向本站区域输送。分析说明，小风速、偏西风、偏南风是有利于成都市区臭氧污染的维持。

用白天每三小时云量观测资料与臭氧逐小时监测资料分析(图9)，污染过程期间白天平均云量4成，在天空总云量多的时候，臭氧浓度低，随着天空总云量的减少臭氧浓度升高，两者呈现显著负相关。云量多阻挡太阳光，导致日照少，太阳直接辐射较小，减弱了臭氧前体物的光化学反应，不利于臭氧的产生。相反，天空云量少，就有利于臭氧浓度升高 [18]。验证了晴到少云天气有利于臭氧污染的维持。

4.3. 持续臭氧污染期间的天气形势分析

从500 hPa环流形势(图10(a))表明中高纬为多槽脊的纬向型环流，中低纬主要受西伸到我国内陆的副热带高压控制，海南岛附近有一台风即将登陆。成都地区从19日起受副热带高压控制，在其控制下成都市天气晴热，太阳辐射强烈，日照时间长，湿度小，无降水，大气热力和动力条件好，光化学反应充分(湍流混合充分)，导致臭氧浓度超标。

700 hPa (图略)上18日到25日成都地区主要为偏南风，26日08时河西走廊一带为偏北风，有冷空气进入四川盆地。850 hPa (图10(b))四川盆地是一个暖中心，成都市处于反气旋环流西北部，有利于晴好天气维持，到25日20时高空锋区逼近四川盆地，有冷空气即将入侵。从地面图看(图10(c))，19日到24日四川盆地有一低压中心，盆地为气流辐合区，到25日08时地面冷锋逼近盆地，25日20时冷空气已经进入四川盆地，将造成成都地区气温降低。低层大气气旋式辐合，将周边地区的污染物汇聚到盆地地区，造成了整个四川盆地一次区域性的臭氧污染，直到26日冷空气入侵导致气温降低，且天空云量增多，臭氧前体物的光化学反应减弱，结束了持续7天的臭氧污染。

5. 结论

1) 成都地区臭氧污染和臭氧持续污染事件在春季和夏季均发生频次较高，7月臭氧污染最为严重，其次为5月。

2) 持续污染过程中臭氧浓度与温度呈现明显的正相关关系，相关系数约为0.76，与向低湿度呈现负相关关系。持续高温、较低湿度、晴到少云天气、无降水、小风速、西风、西北风对成都市臭氧持续污染有利。臭氧浓度白天下午高，夜间低，城市清洁对照站点臭氧浓度峰值滞后于城区。

3) 夏季典型臭氧污染过程天气分析表明，四川盆地受西太平洋副热带高压的控制，天气晴好，有利于臭氧前体物进行光化学反应产生臭氧，再加上风速小，臭氧在水平方向上的扩散也受到抑制，导致了高温天气和臭氧持续污染事件的发生。

基金项目

成都信息工程大学本科教学工程项目(BKJX2019007，BKJX2019013，BKJX2019042，BKJX2019056，BKJX2019062，BKJX2019081，BKJX2019089，BKJX2019120和JY2018012)支持。

参考文献