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大气臭氧污染与防控歌谣

[开封市生态环境局]2021-05-28字号: |

序言

近地面臭氧(O3)污染已逐渐成为制约我国环境空气质量持续改善的瓶颈之一。作为二次生成的污染物,臭氧的成因分析与管控工作充满挑战。为便于大气污染防控的技术和管理人员理解其生成的原因、前体物、影响因素、污染等级、污染规律以及管控的方向和要点事项,基于现有的研究进展与工作经验,采用科普与歌谣相结合的方式,中科院城市环境所大气环境研究团队(陈进生研究团队)编写了《臭氧污染与防控歌》,并对歌谣进行了解释说明,以期从科普和经验的角度,为臭氧污染分析与管控提供必要的参考。


1. 臭氧污染缘
臭氧污染皆有故,内因归结前体物;
外因是气象参数,机理探索漫长路。 


 [说明]环境空气中出现臭氧(O3)污染或高值过程都是有其内在与外在的原因,内因是臭氧的前体物,即氮氧化物(NOx,包括NONO2)和挥发性有机物(VOCs)的化学转化;外因是气象条件以及区域传输等诸多因素的影响。由于VOCs来源和种类繁多、反应活性差异大,NOx在大气中赋存的形态也较为多样,导致臭氧形成的机理也极为复杂。目前,臭氧生成的反应通道是基本清楚的,但在影响臭氧生成的关键活性物种观测研究方面,尚存在很大的技术难度与不确定性,因此,要从科学上探明不同区域臭氧生成的化学机制及主要影响因素,尚有很长的路要走。 


2. 前体物与大气自由基  
NOx好比那薪柴,VOCs携助燃剂来,
自由基是点火机,引发NO2生成起。


 [说明]:从定性上讲,臭氧主要是由氮氧化物(NOx)和挥发性有机物(VOCs)经过一系列复杂的非线性光化学反应生成的。但简单地讲,如果把臭氧比作燃烧的火焰,那么,NOx就像薪柴,为臭氧生成提供了直接的原材料;而VOCs在受到强自由基作用后,通过爆发式增长提供了大量的各类活性自由基,快速地促进了NONO2转化,因此就像泼洒到薪柴上的汽油,起到助燃的作用。另外,空气中存在的强氧化性自由基,包括OH·Cl·等,通过攻击VOCs,打开了活性氧化剂生成的潘多拉盒子,就像打火机一样,点燃了汽油,引燃了薪柴,为下一步的光化学过程创造了物质条件。


3.气象条件与天气形势的影响
光温合宜臭氧生,干燥晴热浓度增;
静稳逆温臭氧存,冷湿阴雨臭氧遁。


 [说明]:臭氧前体物和氧化剂的存在,只是臭氧生成的必要条件,但还不是充分条件。臭氧的生成,是紫外光对NO2照射的直接结果,NO2在紫外光照射下分离出一个活性的氧原子(O),并快速与空气中富含的O2反应生成O3。因此,臭氧的生成也称为光化学反应。除光照外,环境气温越高、相对湿度越低,总体越有利于臭氧的生成;反之,较低的气温以及多云阴雨天气,则不利于臭氧的生成。低风速的静稳天气或夜晨垂直高度出现的逆温天气过程,均会抑制臭氧的扩散,导致臭氧污染的累积甚至超标。因此,从臭氧生成与累积的天气学角度看,臭氧光化学污染也可称为污染气象化学。


 4. 本地生成特征
本地正态分布线,峰值谷值交替见;
爬升回落速率快,生消过程不徘徊。 


 [说明]:本地生成为主的臭氧浓度日变化趋势,是一条斜率较陡的正态分布抛物线,且呈现快速上升与快速回落的曲线特征,峰值一般出现在昼间的14-15时,谷值则出现在次日的夜晨,昼间峰值和夜间谷值交替出现。本地型的臭氧在生成与消散过程中一般不会出现二次峰、反弹峰与夜间峰等现象。因此,在计算最大8小时滑动均值时,由于峰面积较为有限,一般不容易出现超标。但在扩散条件较差的情况,本地生成为主的臭氧浓度会出现连续多个时段的平头(连续多个浓度相近的峰值或高值)或缓坡峰(浓度达峰后回落速率慢),并导致臭氧超标现象的发生。


5. 外来传输特征
传输不分夜与昼,谷值不低峰不陡。
峰多峰夜来峰,最易超标惹人懵。 


 [说明]:臭氧的污染性传输,既可以出现在昼间,也可以出现在夜间。传输型为主的臭氧浓度日变化特征是夜间谷值较高、昼间出峰速率较慢。另外,传输型为主的臭氧浓度存在宽峰的显著特征,有时还伴随着出现拖尾峰、二次峰、并肩峰、反弹峰等特征。传输型臭氧污染若叠加了本地的臭氧累积,则易出现超标现象。


6. 扩散条件的影响
强风劲风臭氧散,静风杂风臭氧蔓;
边界层高很重要,垂直扩散向上跑。


 [说明]:扩散条件是臭氧物理性的,即涉及臭氧去向及消散速率。4以上的风速条件下,大气扩散条件良好,臭氧污染较容易随风而去,消散速率快。而3级风以下的静稳天气、低风速且风向杂乱的气象条件下,臭氧浓度回落慢,容易就地累积或维持在较高的水平。另外,大气边界层的高度也很重要,因为良好的垂直扩散条件可以显著减少臭氧的累积。就福建省等典型东亚季风控制区(即冬季偏东北风和夏季偏西南风)而言,每年的3-5月,是风向变换的季节,在冷空气与西南暖湿气团博弈的过程中,往往会出现静稳天气或雨后气温快速攀升的现象,均易诱发臭氧污染的形成。


 7. 城郊风效应
风来风过真无边?城里城外一线牵。
上风侧来下风吹,沿程转化沿程堆


 [说明]:城郊风现象其实就是上下风向作用带来的污染输送过程。若在城市主导风向的上风向,布置了工业集中区或大型的工业排放源(如大型燃煤电厂),则易对下风向中心城区带来包括臭氧在内的污染传输影响。而中心城区的机动车尾气排放,往往会对下风向空气质量观测点位的污染物带来叠加性影响,甚至对一些设在山区森林或水库周边的背景点带来明显的污染,导致相对洁净的背景站位出现污染或高值过程。城郊风作用下,风向所及的沿途观测站位臭氧浓度,经常会呈现出明显的梯度分布规律。


 8. 副热带高压影响
副热带高压频移,秋老虎引热浪袭。
上升气团受抑制,累积太盛超标日。


 [说明]:每年的8-10月,在副热带高压的影响,往往会出现高温、晴热、低湿度、低风速以及日照时长超过10小时的天气特征。且副热带高压在移动过程,还往往伴随着较明显的下沉气流,抑制大气的垂直扩散。因此,在此类型天气形势影响下,臭氧本地生成与累积均较为明显,易出现臭氧污染超标。


9. 台风外围的影响
台风外围天晴蓝,臭氧污染会反弹?
就看风圈怎么转,盘旋夹带藏隐患。


[说明]:有关台风对臭氧污染分布的影响,目前较流行的说法有:一是台风外围存在一定的下沉气流,导致其所影响区域内臭氧浓度有一定的上升;二是强台风中心眼由于存在负压,可能会卷吸平流层底部的部分臭氧。但上述两种说法仍有存疑或证据不足
分析台风对某一区域臭氧污染的影响,主要得从台风的位置、距离、强度、风圈转向等因素来综合考虑。台风外围影响区域经常出现了所谓的台风蓝,表明台风这种海洋性气团对陆地环境空气中污染物起到明显的稀释与清洁作用。而臭氧浓度的增加,应与其作为一种中等寿命的难溶性化学物质有关,即台风外围风圈旋转过程中,臭氧不易像风圈中PM2.5等污染物那样消溶,甚至会因外围风圈的卷扫作用,裹携了不同区域的臭氧,导致风圈影响范围内的臭氧浓度累积上升。
举例:假如某个台风位于台湾太平面上,并作逆时针旋转,那么,其外围风圈易把长三角一带本已出海的臭氧,卷扫并进一步向南影响福建沿海城市的空气质量。


10. 海陆风影响
昼行海风夜陆风,交替往复循环生。
海陆气团携臭氧,昼积夜累浓度扬。 


 [说明]:海陆风是出现于近海和海岸地区、具有日周期的地方性风。海陆风在近地面有两个局地环流组分,即昼间由海洋吹向陆地的海风和夜间由陆地吹向海洋的陆风。昼间臭氧在温度较高的城区生成,傍晚至晚上,随着陆风输送到温度较高的海面上,次日再随海风输送回到陆岸城区或海岛,导致臭氧浓度上升。从海岛城市厦门和平潭的不同国控点以及不同功能区的观测结果来看,海陆风影响下,臭氧浓度峰值水平均明显高于非海陆风日。


11. 臭氧污染的重点时段与季节
午前本地臭氧垒,午后传输浓度叠。
春来本地生成强,秋至外来传输密


[说明]:一般而言,中午前臭氧污染以本地生成为主,到了午后,外来传输的叠加影响臭氧浓度进一步推高。而传输的程度与范围是相对的,有跨区域的大尺度传输,有城市群内部的中尺度传输,更有城市内部不同点位之间的小尺度传输。对某一座城市而言,情况是受同一区域内周边城市的传输影响,以及城市不同点位之间的传输影响(城郊风效应)。

春夏之交冷暖气团争夺主导权,导致风速低或风向杂乱,这种情况下,本地生成的臭氧累积较明显;秋季随着冷空气或弱冷空气频繁南下,臭氧污染传输现象较为频发。 


12. 外来传输+本地累积
弱传输下弱累积,基本可得优级率;
强传输下弱累积,尚可保住良级率;
弱传输下强累积,超标便成大概率;
强传输下强累积,肯定失去优良率。 


 [说明]:本节主要从外来传输强度与本地生成累积的程度来定性判断臭氧是否存在超标的可能。对臭氧超标的分析,需要从前体物分布与源强、光照强度与时长、风向与风速、温度与湿度、区域内外上风向是否存在臭氧传输等因素综合研判。臭氧出现高值与峰值,其实是臭氧累积速率与扩散速率的平衡点,也是源与汇的博弈结果。

 

13. 管控重点与对象
远控企业近控车,下游关注有机物。
三苯三烯贡献多,石化货车是抓手。


 [说明]:就某个国控点位而言,若要控制好臭氧的污染问题,应注意控制距离稍远些的高架源、重点企业、工业集中区的NOxVOCs污染排放近距离则要控制好各类移动源和生活源的污染排放。从VOCs的物种看,三苯三烯,即苯、甲苯和二甲苯以及乙烯、丙烯和丁烯,它们对臭氧的污染贡献作用大,应切实做好管控;从污染源看,石油化工企业排放的VOCs贡献大,大型货车以及非道路移动源排放的NOxVOCs占比高,应成为管控的重点对象。

14. 人努力+天帮忙
平时减排是关键,应急联是重点。
人为努力不言弃,老天帮忙才有戏。 


[说明]:臭氧污染是人为活动污染排放与天气条件耦合的结果,因此,平常时段应加强对各类臭氧前体物污染源的减排,而臭氧污染高发期则应加强区域的联防联控,包括地方政府不同部门之间的联动。环境管理部门可从污染减排、会商制度、科技支撑、来源与成因分析、趋势预报与研判、能力条件与队伍建设等方面入手,逐步梳理出影响本地臭氧污染的前体物排放源分布,科学地掌握本地臭氧生成的特征与规律,努力探索出适合本地臭氧与PM2.5协同控制的策略(一市一策”),织密织牢臭氧污染防控体系,从而有效地推进地方生态文明建设。


编辑:大气科