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臭氧(O3)是大气中重要组成部分,主要集中在平流层中,能强烈吸收太阳短波辐射,阻挡高能量的紫外辐射到达地面而维护地球的生态平衡[1]。然而作为一种强氧化剂,对流层中高浓度O3不仅会改变大气氧化性,影响大气化学反应过程,同时还破坏地气系统的辐射平衡,危害生态系统生产力和人体健康[2-3]。自“气十条”等大气污染防控政策实施以来,我国大气灰霾治理取得明显成效,但O3超标却日趋凸显,已成为我国京津冀、长三角和珠三角等地区最主要的大气环境问题[4-5]。在这些地区,围绕O3污染时空分布、数值模拟、污染输送和潜源识别等方面开展了大量的研究[6-9],取得了丰富的成果。一些学者还对重点地区典型月份O3污染的形成机制、垂直变化特征和污染敏感性进行探究,并对O3的本地防控提出了政策建议[10-13]。已有O3污染研究主要集中在上述重点管控区域,而对地处边缘但重工业较为集中地区的研究相对匮乏。
作为中国著名的老工业基地之一,落后的生产工艺和不平衡的产业结构使得东北地区长期受到严重大气污染问题的困扰[14],尤其是近年来,灰霾天气明显增加,大气O3浓度持续上升等环境问题日益凸显[15]。目前,东北地区大气污染的研究主要集中在探究典型霾事件空气质量特征,识别主要污染源及其排放贡献,模拟霾发生过程及污染浓度空间分布,明晰污染传输轨迹及潜在源区[16-19]。然而,关于O3污染,尤其是基于区域尺度长时间序列的研究工作尚处于起步阶段,因此有必要在东北进一步开展相关研究。
本研究基于2015~2017年吉林省32个国控空气质量监测站点(简称“国控站点”)O3监测数据及配套的气象观测数据,对该省大气O3污染的变化特征、时空分布和来源传输等开展研究,重点分析O3污染与气象因子(如风向、风速等)的关系,确定诱发吉林省O3污染的主要气象要素。利用主成分分析方法(PCA)定性分析外来传输对吉林省各城市O3浓度的影响,并对各时期O3浓度超标进行原因分析。本研究将为该地区O3污染治理和区域联防联控提供科学依据。
吉林省2015~2017年臭氧污染特征及成因分析
Pollution characteristics and source analysis of ozone from 2015 to 2017 in Jilin Province
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摘要: 基于吉林省2015~2017年32个国控站点逐小时的近地面臭氧(O3)和气象在线监测数据,研究了该地区9地市O3污染的年际变化、时空特征、气象影响和来源传输。结果表明,2015~2017年吉林省9城市O3日最大8小时滑动浓度(简称MDA8)第90%分位呈显著上升趋势;高O3浓度(O3MDA8浓度>160 µg/m3)主要分布在以“四平-长春-吉林”为中心城市的水平条带上,并逐步向周围其他城市扩展和递减;O3季节变化呈单峰型,峰值浓度出现在5~8月。在研究时段内,采暖季的大气O3浓度明显低于非采暖季,但其浓度呈持续上升趋势,这可能与燃煤、机动车排放和灰霾天气改善有关;当风速为2~6 m/s,风向为正南和东南方向时,各监测站点O3污染较为严重,表明除本地化学反应生成外,来自各地监测点位正南和东南方向的外来传输也会提高本地大气O3浓度。Abstract: Based on the online ozone monitoring and meteorological data obtained from 32 state control sites in Jilin Province from 2015 to 2017, the interannual variation, spatiotemporal characteristics, meteorological factors and regional transport of ground-level ozone (O3) pollution were analyzed. The results indicated that the ozone MDA8 concentration of 8 cities in Jilin Province increased significantly during 2015~2017. The most polluted regions (O3MDA8 concentration > 160 µg/m3) were concentrated in the “Siping-Changchun-Jilin” city belt and the surrounding cities. The annual O3 variation showed a “single-peak” pattern with concentration peak from May to August. The ozone concentration in the non-heating period was significantly higher than that in the heating period. In the heating period, the ozone concentration from 2015 to 2017 was significantly increased, indicating the emission from the coal burning and road vehicles. For all stations, the O3 concentration was higher under the southeasterly and southerly wind with the speed of 2~6 m/s, indicating that the external transport from other cities enhanced the local O3 concentration.
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表 1 吉林省2015~2017 a 9城市O3年均浓度变化
µg·m−3 地区 2015 a 2016 a 2017 a 长春市 52.84±42.40 54.59±42.44 53.96±40.48 吉林市 63.47±45.30 71.04±42.46 68.82±40.59 四平市 59.70±47.79 59.12±39.52 65.94±38.66 通化市 50.24±43.98 48.68±42.82 48.91±41.60 白城市 58.36±34.68 59.05±35.41 60.41±34.92 白山市 50.47±48.86 51.70±42.25 53.45±39.64 辽源市 49.29±39.28 64.66±46.86 64.62±44.06 松原市 56.95±36.81 68.73±44.06 62.68±41.94 延边州 53.25±35.18 56.16±32.98 59.76±35.09 表 2 吉林省2015~2017年5~7月O3 MDA8浓度PCA分析方差贡献率
% 年份 方差 PC1 PC2 PC3 PC4 2015 VCR 62.81 12.48 6.30 3.67 CVCR 62.81 75.30 81.60 85.27 2016 VCR 67.97 11.20 5.25 3.60 CVCR 67.97 79.17 84.42 88.01 2017 VCR 68.75 10.28 4.57 3.60 CVCR 68.75 79.03 83.60 87.42 注: VCR:方差贡献率;CVCR:累积方差贡献率。 -
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