近地面臭氧污染特征及防控措施研究_林源野.pdf

污染与治理-121-近地面臭氧污染特征及防控措施研究林源野，秦 冰*，段中山，彭 伟，袁 馨（陆军勤务学院，重庆 401331）摘要：近地面臭氧是目前我国最严重的大气污染物之一。本文在归纳和总结近年来我国各地区臭氧浓度和气象因素变化趋势的基础上，梳理了疫情（COVID-19）期间，各个国家和地区的封闭政策对臭氧污染的影响。最后，阐述了臭氧污染的相关防控措施，探讨了PM2.5和臭氧联合防控，为“十四五”期间我国臭氧污染治理提供理论支持。关键词：臭氧；时空特征；COVID-19；PM2.5和O3联合防控中图分类号：TS5 文献标志码：A DOI：10.20025/ki.CN10-1679.2023-04-41Characteristics and Control Measures of Near-surface Ozone Pollution in ChinaLin Yuanye,Qin Bing*,Duan Zhongshan,Peng Wei,Yuan Xin(Army Service College,Chongqing 401331,China)Abstract:Near-surface ozone is one of the most serious air pollutants in China.Based on the induction and summary of the change trend of ozone concentration and meteorological factors in various regions of China in recent years,the infl uence of ozone pollution caused by closed policies in various countries and regions during the COVID-19 epidemic was sorted out.Finally,the prevention and control measures of ozone pollution were reviewed,and the joint prevention and control of PM2.5 and ozone were discussed,which provided theoretical support for ozone pollution control in China during the“14 th Five-Year Plan”period.Key words:ozone;spatial and temporal characteristics;COVID-19;PM2.5 and O3 combined prevention and control1前言2013年以来，“污染防治攻坚战”、“蓝天保卫战”、大气污染防治行动计划等一系列污染防控政策的出台，使得空气质量得到了明显改善，NOx的排放量显著降低，PM2.5浓度持续下降。但在一些重点城市群，空气污染的天数却依然占有不小的比例，这是因为继PM2.5后，第二大污染物臭氧的污染形势仍然严峻，甚至有加剧的趋势。与“看得见”的雾霾相比，臭氧污染往往不易察觉，如果不引起重视，将会造成非常严重的后果。2020年是我国“蓝天保卫战三年行动计划”收官之年，大气污染治理进入深水区，在PM2.5治理取得明显效果的同时，臭氧污染问题仍亟待突破。20132019年，生态环境公报公布的六项污染物中，O3污染状况不容乐观，有些重点区域还呈加重趋势。2019年，全国337个城市的O3平均浓度同比涨幅达6.5%，其中长三角等重点区域的涨幅更为显著，且年均浓度均超标。2020年，在长三角、成渝地区等重点区域，以臭氧为首要污染物的超标天数占总超标天数的43.1%，仅次于占比51.3%的PM2.5。为了监测环境空气质量，我国设立了涵盖国家、省、市、县四个层级的监测网，监测站点主要分布于京津冀及周边地区、长三角、珠三角、成渝地区等重点区域，但随着大气污染的复杂化和区域传输等问题，还需加强其他地区和城市监测站点的科学布置。2我国臭氧污染的特征2.1臭氧浓度时空变化特征2.1.1 全国层面近年来，大量研究者基于监测站观测、模型模拟和卫星反演等数据，从国家层面对我国臭氧污染状况进行了全面分析。研究发现，近年来我国O3污染呈缓慢上升趋势，除了京津冀及周边地区等重点区域外，中部地区的河南、武汉等地，臭氧污染形势也不容乐观。从全国层面来看，我国臭氧浓度整体呈现夏季高、春秋季居中、冬季最低的特征。从空间上看，O3污染主要集中在京津冀及周边、汾渭平原和苏皖鲁豫交界地区、长三角、珠三角区域，成渝地区和长江中游地区的O3污染也逐渐凸显。在我国，臭氧已经成为继颗粒物之后又一重要的污染物，针对臭氧污染的治理刻不容缓。2.1.2 重点城市群我国臭氧污染存在明显的时空特征，主要受地区、辐射强度、温度等要素影响。其中京津冀及周边地区、汾渭平原、长三角北部和成渝地区等区域污染特征突出。基金项目：构建核与辐射污染防治课程“理、虚、实”三位一体实践教学模式研究；放射性气溶胶高空快反压制装备需求论证研究（LJ20222Z060077）.第一作者简介：林源野（1992-），女，硕士，助教，研究方向：大气污染、环境管理.通讯作者简介：秦冰（1984-），男，博士，讲师，研究方向：环境保护、环境管理，邮箱：.污染与治理-122-20172019年，京津冀及周边地区臭氧污染较为严重，臭氧浓度较全国平均水平高31.9%1。从季节来看，高浓度臭氧污染天气主要发生在夏季，研究人员通过对其前体物VOCs反应活性进行分析发现，一些苯系物具有较高的臭氧生成潜质，需要重点关注的是溶剂行业和石化行业烯烃的排放。长三角和珠三角地区是人口和工业聚集区域，臭氧前体物排放较多，同时还受到风场和高压系统产生的下沉运动影响。臭氧生成是对VOCs还是对NOx敏感，风场是主要因素。从日浓度变化来看，某些地区的臭氧生成是从早上的NOx限制型到午后的VOCs限制型，再逐渐过渡到傍晚时对NOx敏感，因此相关部门可以根据具体情况分时段控制NOx或VOCs。成渝地区近年来出现过连续多天的臭氧重污染天气，分析其原因，更多是受气象条件的影响，低压系统与气旋性环流相结合的气象条件非常有利于臭氧及其前体物的积累。在其前体物中，成渝地区大部分都是VOCs控制型，其VOCs的来源大部分是汽油车排放和燃料燃烧。与京津冀地区的污染类似，石化行业的烯烃排放也是重要来源之一。作为空气污染最严重的区域之一，汾渭平原在2018年第一次被纳入国家重点污染防治区域。20152019年，汾渭平原的O3-8h-90百分位年均浓度升高了12.2 g/m3，且连续3年超过二级标准限值2。临汾是汾渭平原O3污染最严重的城市，2018年，临汾的空气质量排名位列全国末位，原因主要是其能源结构以燃煤为主，燃煤污染特征明显，同时工业污染、机动车污染问题也很突出，此外，汾渭平原特殊地形和气象条件导致污染物不易扩散。2.2气象特征研究表明，近地面臭氧浓度的变化同气温呈正相关，同湿度呈负相关。温度越高、光照时间越长，挥发的量也就越大，反应程度越充分，所以臭氧浓度往往也就更高。在晴朗的高温天气下，大气中水汽含量低，云量少，从而使到达地面的太阳辐射增强，加剧了大气中的O3前体物发生光化学反应的速率。而在较高的湿度下，氧化氢自由基的形成增强，入射到地球表面的太阳辐射减少，光化学反应减弱。基于此，有学者提出了一个“雾地球”工程方案3，通过向大气中喷洒水雾以增加局部环境湿度，从而减少地面臭氧污染。但有热带地区的研究发现，随着水蒸气含量增加超过一定浓度，臭氧浓度开始同湿度呈正向趋势。此外，关于臭氧浓度与湿度变化的关系有一个很关键的发现，就是当氮氧化物水平很低时，臭氧浓度的下降与相对湿度无关，与绝对湿度有关，就算前期降水较多，天气一旦转晴，臭氧就会迅速积累超标。由于不同的气候条件和当地污染的背景浓度，臭氧浓度对气象条件的依赖性在不同地区或不同季节可能会有很大差异，对气象的深入研究有助于预测臭氧污染天气的发生。对广州地区的气象研究发现，反气旋的气象条件容易加重臭氧污染，而气旋型的气象条件则会导致较低的臭氧浓度。另外，在不同环流和风场条件下，臭氧浓度的变化特征明显，长江地区天气系统处于副热带高压时，容易发生臭氧污染，而且臭氧不会随着风场扩散，因为城市臭氧主要来自自身的排放，而不是其他城市的传输。除了温度和湿度等自然因素外，社会经济因素也应纳入考虑范围。对我国东北地区20102018年对流层臭氧浓度的研究发现4，造成近地面臭氧浓度升高的原因还与GDP、汽车保有量呈显著正相关。2.3COVID-19期间臭氧污染特征2019年以来，新型冠状病毒在世界各国肆虐，很多国家和地区都采取了封锁政策抵御新冠病毒的传播。值得关注的是，人们生活方式的骤变对空气污染产生了影响。以我国成都市为例，由于实施了一系列封锁管控措施，成都地区2020年上半年，大部分大气污染物浓度均有所下降，但臭氧浓度却异常升高，且臭氧高值区时间段较2019年有所提前，主要原因是气候的影响5。我国杭州地区新冠疫情期间的大气质量研究结果与成都地区一致，O3不降反升，城市臭氧平均浓度与疫情前相比呈显著增加态势，其原因主要是夜间NO对O3的化学滴定作用减弱，导致本底O3浓度增加。其他国家和地区在疫情期间也采取了很多管控措施。爱尔兰对封锁政策导致的大气污染物变化的研究发现6，5月封锁期间，城郊的臭氧含量略有增加，平均为13.7%，而在农村地区，同期臭氧含量下降了5.6%。值得注意的是，在城郊和农村地区，封锁后整个时期的月均臭氧浓度都低于前几年的平均值。作者认为，疫情期间影响某一地区臭氧浓度的主要因素可能是交通，也就是NOx的排放，而郊区臭氧突然增加的原因可能是由于“周末效应”，某些大城市的封锁措施实际上可能放大了“周末效应”。在对疫情期间采取封锁政策的印度地区的研究发现7，封锁期间虽然臭氧水平上升，但其前体物水平大幅下降。孟买地区的臭氧变化主要由其前体物比值决定，VOCs在封锁期间起了主要作用。还有一个值得注意的研究就是臭氧浓度与新冠肺炎病例数之间的关系，对波兰华沙新冠肺炎病例数与天气因素关系的研究表明，地面臭氧浓度与COVID-19日病例数呈负相关关系8。此研究虽然有很多不确定的地方，但是提供了一个思路，促使人们思考在影响新冠病毒传播水平的许多因素中，大气污染造成的影响有哪些。3臭氧污染的防控研究3.1NOx限制型/VOCs限制型了解臭氧的形成机制对其污染防控至关重要。臭氧形成涉及复杂的非线性化学过程，在强烈的阳光紫外线照射下，前体物经过复杂的光化学反应产生臭氧。近年来，在工业化飞速发展的背景下，只靠控制NOx排放来控制O3污染是不现实的，因此，对VOCs的来源进行解析，分析其组成，并制定相应的管控措施很有必要。城市中的VOCs主要源自机动车尾气排放，其次是植被排放、溶剂使用和生物质燃烧。在去工业化政策的引导下，车辆排放已取代工业排放成为很多地区VOCs的主要来源。在暖季高O3事件发生较多的情况下，长三角地区VOC排放量较大的北部、东部和东南部沿海3个区域的O3产生均处于NOx限制状态，因此建议在长三角分区域控制NOx前体物排放。3.2臭氧与PM2.5的协同控制目前，我国近地面臭氧和PM2.5复合污染特征已经凸显，臭氧污染的防治已由单一污染物防治转向多污染物联合防治。相关人员在制定NOx和VOCs的减排方案时，需要考虑两种污染物的相互影响。有学者在对PM2.5和臭氧的相关性分析中发现，高温条件下，PM2.5与臭氧普遍呈现正相关关系，而在寒冷条件下则普遍存在负相关关系9。主要原因是高温条件下O3浓度和光化学活性对二次粒子形成的促进作用，及低温环境中PM2.5能够降低污染与治理-123-应浓度限值要求，顺利通过了环保验收。（2）恶臭的负压收集系统事关生活垃圾中转站恶臭治理的成败，在生活垃圾中转站恶臭收集设计时宜采用计算机软件对空间气流进行仿真模拟。（3）干式化学吸附装置、高效沸石分子筛吸附装置、高效活性炭吸附装置内气体均布结构的设计对其处理效果、使用寿命及工程运行成本影响巨大。参考文献：1DB 31/1025-2016，恶臭（异味）污染物排放标准S.上海：上海市环境保护局，2016.2赵庆松，易志刚，赵昕宇，等.生活垃圾转运站恶臭污染与控制研究进展J.绿色科技，2022，24（20）：148-152+160.3Ziyang Lou,Mingchao Wang,Youcai Zhao，et al.The contribution of biowaste disposal to odor emission from landfills.J.Journal of the Air&Waste Management Association(1995),2015,65(4):479-484.4Junwan Liu，Guodi Zheng.Emission of volatile organic compounds from a small-scale municipal solid waste transfer station:Ozone-formation potential and health risk assessmentJ.Waste Management,2020,106(C):193-202.5Haobo Tan，Yan Zhao，Yue Ling，et al.Emission characteristics and variation of volatile odorous compounds in the initial decomposition stage of municipal solid wasteJ.Waste Management,2017(68):677-687.6黄廷夫.大型垃圾中转站除臭设备与工艺J.科技经济市场,2014(4):5-6.7GB/T 7701.1-2008，煤质颗粒活性炭 气相用煤质颗粒活性炭S.北京：生态环境部，2008-11-20.8HJ 55-2000，大气污染物无组织排放监测技术导则S.北京：国家环境保护总局，2000-12-07.9HJ 905-2017，恶臭污染环境监测技术规范S.北京：环境保护部，2017-12-29.光解速率，且臭氧对新排放的NO有较强的滴定作用。在区域层面，北京、长江经济带等重要城市群的O3和PM2.5含量与郊区相比，在时间和空间上存在差异，总体呈现城郊臭氧浓度高、城市地区PM2.5数值高的格局。4结论和展望近地面臭氧污染已经成为继PM2.5之后影响最为严重的大气污染。目前，我国京津冀及周边地区、长三角、汾渭平原和成渝地区呈现臭氧污染的严重态势，这些地区人口密集、工业发达，臭氧污染的前体物来源广泛，导致臭氧污染不断加剧，相关部门需制定更为严格的减排措施，有针对性地解决臭氧污染问题。解决臭氧污染问题关键要弄清该地区是VOCs限制型、NOx限制型还是过渡状态，因为不同地区的能源和产业结构不同，导致生成的VOCs种类不同，光化学反应性不同，因此，不同地区需针对不同的臭氧形成机理制定本地化的措施，而不是目前以减量为基础的全国统一政策。此外，大量研究已经表明，臭氧与PM2.5在前体物及形成过程中都有相互影响，因此，未来臭氧与PM2.5协同防控将成为政策制定的重点。COVID-19期间很多地区的大气污染都有减轻趋势，只有臭氧浓度不降反升。目前，疫情在各个国家和地区还尚未停止，关注当地的臭氧污染情况是非常值得注意的问题。此外，臭氧污染与新冠病例之间也发现了相关性，这为研究提供了新的思路，探讨疫情期间经济社会变化对大气污染的影响。总体来讲，臭氧污染防控及治理需各方建立起有效的联防联控机制，紧密协作，共同治理。参考文献：1孟晓艳,李婧妍,解淑艳,等.20172019年中国337个城市及重点区域臭氧污染状况分析J.中国环境监测,2021,37(3):9-17.2解淑艳,霍晓芹,曾凡刚,等.20152019年汾渭平原臭氧污染状况分析J.中国环境监测,2021,37(1):49-57.3Kumari S,Jayaraman G,Ghosh C.Analysis of long-term ozone trend over Delhi and its meteorological adjustmentJ.International Journal of Environmental Science and Technology,2013,10(6)：1325-1336.4Liang Z,Ju T,Dong H，et al.Study on the variation characteristics of tropospheric ozone in Northeast ChinaJ.Environmental Monitoring and Assessment,2021,193(5)：1-16.5祁宏,张小玲,康平,等.COVID-19疫情期间成都市地面臭氧污染特征及气象成因分析J.环境科学学报,2021,41(10):4200-4211.6Spohn T K,Martin D,Geever M，et al.Effect of COVID-19 lockdown on regional pollution in Ireland.Air QualityC.Atmosphere&Health,2021：1-14.7Sahoo P K,Salomo G N,Jnior J D S F，et al.COVID-19 lockdown:a rare opportunity to establish baseline pollution level of air pollutants in a megacity,IndiaJ.International Journal of Environmental Science and Technology,2021,18(5)：1269-1286.8Winiewski O,Kozak W,Winiewski M.The ground-level ozone concentration is inversely correlated with the number of COVID-19 cases in Warsaw,PolandC.Air Quality Atmosphere&Health,2021：1-5.9Zhu J,Chen L,Liao H，et al.Correlations between PM2.5 and ozone over China and associated underlying reasonsJ.Atmosphere,2019,10(7)：352.（上接第120页）