和凌红，潘润西，卢星林，庞业，付洁，黄乃尊
广西壮族自治区生态环境监测中心，广西南宁，530028
摘要：本文利用广西环境空气质量监测数据、臭氧激光雷达监测数据与气象
数据，研究了2015—2020年广西臭氧污染时空分布特征及变化规律，分析了广西臭氧年变化、月变化、日变化以及典型城市的垂直分布特征。结果表明，广西臭氧具有明显的时空变化特征，呈现双峰型的年度变化，春末夏初及秋季高于其他季节，且日变化具有单峰分布特征。此外，北部城市高空臭氧团对地面污染贡献小，南部城市高空臭氧团多有向地面下沉、积累趋势，对地面臭氧污染贡献较大。
关键词：广西，臭氧，污染，时空变化，垂直分布
1.引言
臭氧（O3）是大气中的一种痕量气体，在地球大气化学中起着非常重要的作用。平流层中的O3吸收99%太阳紫外辐射，是地球生命的保护伞。但是在对流层，由人类活动排放的挥发性有机物（VOCS）、氮氧化物（NOX）等大气污染物在一定条件下会发生光化学反应产生O3，从而对植物[1，2]、生态环境[3]和人体健康[4，5]等产生不利影响。
随着中国O3观测的开展，许多城市对O3质量浓度变化特征的研究[6-9]指出，O3质量浓度逐年增加，超标现象越来越严重，且我国大多数城市的O3处于VOCS控制区。O3污染是多重空间和时间积累的结果，其主要的来源是本地污染排放和周边区域污染输送[10]，其中气象条件作为外因，对近地面O3浓度水平的变化同样起重要作用。
近几年来，广西在中国与东南亚的经济交往中占有重要地位，而伴随着社会和经济的发展，广西大气臭氧污染也逐渐凸显，影响群众身体健康，制约广西经济和社会可持续发展，因此研究广西大气臭氧污染立体分布特征具有重要意义。本文利用2015-2020年广西环境空气O3浓度监测数据，结合气象资料进行统计、比较，对广西典型城市的O3污染现状及污染特征进行初步分析和探讨，旨在为科学认知广西近地面大气O3污染特征，进而深入评价现有污染联防联控政策的合理性、科学性提供切实参考，为提高 O3污染的预报准确率提供数据支撑。
2．数据与方法
利用广西14个城市环境空气自动监测站的O3污染物质量浓度监测数据，时间段为2015年1月至2020年12月。依据《环境空气质量标准》(GB 3095—
2012)和《环境空气质量评价技术规范》(HJ 663—2013)对O3进行评价。
气象数据来自中国气象科学数据共享服务网的中国地面气象站逐小时风向和风速的观测数据。
臭氧激光雷达监测数据来自于广西壮族自治区生态环境监测中心布设的臭氧激光雷达监测点位，监测分为两个阶段，时间和点位布设如下：
布点城市 监测时间
桂林市 2018年9—10月、2019年4—7月
防城港市 2018年9—11月、2019年4-7月
南宁市 2018年9—10月、2019年5—8月
3. 结果与分析
3.1广西O3污染时空变化特征
3.1.1 O3年变化特征
2015—2020年广西O3日最大8小时平均值第90百分位数(O3-8h-90per)平均浓度呈现上升趋势（图1左），且污染高值区由点状分布转至面状分布，由2015年的桂北区域逐步蔓延至桂中区域，并向四周辐射（图2）。其中2019年广西O3污染最重，虽然2020年可能受气象条件和大气污染防治管控影响，O3日最大8小时平均值第90百分位数平均浓度稍有下降，为117微克/立方米，但是臭氧1小时(O3-1h)平均浓度却逐年升高（图1右），说明广西大气氧化性整体水平上升，臭氧污染加剧问题不容忽视。
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右：广西O3-1h浓度年变化
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如图3，2015—2020年广西O3月平均浓度呈现双峰分布，峰值出现在4—
5月和9—11月，最大峰值出现在9-10月，总体上春末夏初及秋季是O3高值区，冬季是O3低值区。广西地处中低纬度地区，春末夏初及秋季副热带高压仍活跃于广西上空，太阳辐射较强，而秋季地面风速相对更小、空气干燥，故秋季是最易发生O3污染过程的季节，但是春季恰是广西甘蔗秸秆燃烧（广西甘蔗秸秆占农作物秸秆的67%[11]）多发的季节，本地生物质燃烧污染源的增多也是造成春季O3污染的原因之一[12]。2019年9月是近6年来O3月平均浓度最高值， 2020年虽然O3月峰值浓度稍有回落，但是O3双峰出现的时间较2019年提前，且O3月峰值跨度增大，最大峰值跨度变为8-11月，说明O3高污染时段有所延长。
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3.1.3O3日变化特征
如图4，2015—2020年广西O3日变化均呈现单峰分布，总体呈现午后高、早晚低的特点，与地面接收到的太阳总辐射日变化规律一致，其中O3峰值浓度均出现在15时，O3浓度谷值在8时， 15时太阳辐射最强时段，而8时O3浓度最低可能与上班高峰期，机动车尾气排放增多导致的二氧化氮对O3的滴定作用有关。2019年O3峰值浓度最高，2020年O3峰值有回落，但基础浓度明显均高于往年，峰宽较大，表明大气氧化性增强，大气污染治理难度增大。
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3.2 广西O3垂直分布特征分析
为识别广西O3垂直分布特征，选取广西桂林、防城港和南宁3个城市布设O3激光雷达监测点位，分别代表广西北部、南部和中部区域。结果表明广西区域差异虽然不显著，但仍有其规律，不同城市间O3垂直分布及污染传输规律各有特征。
3.2.1 不同城市的O3垂直分布各有差异
南宁市在多云天气下偶有高空O3团出现，但出现频率较低，持续时间较短；
夜间高空和地面出现的O3残留较少，结合地面O3实况，知南宁夜间地面O3浓度值波谷为三个城市中最低， O3日浓度波峰和波谷对比反差较大，其午后O3峰值主要来自于地面生成，而夜间O3消散良好，推测与南宁较高的二氧化氮对O3的滴定作用有关。
桂林市高空O3团出现频率较高，夜间高空常有O3团残留，滞留时间可长达两三天，故其夜间的地面O3浓度值“波谷”相对南宁和防城港也较高，推测与桂林作为旅游城市，夜间人类活动较多有关，其午后O3峰值常来自于O3高空污染团和地面生成共同作用。
防城港市高空O3团的特征最为明显，其浓度较高，持续时间最长，可达五六
天，且高度较低，厚度较厚，偶有向地面沉降的趋势。地面O3浓度峰值受高空O3团夜间残留和沉降的影响最大，O3污染时段通常出现高空夜间残留O3团与地面生成叠加，甚至出现高空O3团逐日下沉、积累，导致地面O3浓度出现多峰值，且峰值逐日升高。
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3.2.2 不同城市O3污染传输规律
选取南宁三个子站、桂林、防城港及周边的柳州、来宾和崇左等城市的春夏季O3监测数据和气象监测数进行统计（2019年4月22日-8月31日），得出各地市的O3污染分布规律：
桂林市在偏北风和西风条件下O3污染指数较高，主要污染传输可能来自于偏东北部和西部。南宁市处于广西中部城市，存在各站点O3浓度差值较大的现象，在西北风条件下南部站点（英华嘉园）污染较重；在南风条件下偏北部站点（区农职院和天桃学校）污染较重，有区域O3传输的可能性。防城港市主要集中于南风条件下污染较重，海上O3传输可能性偏大。柳州市与来宾市在东风条件下均存在东部O3高值现象；崇左市西南风条件下O3高值较多。
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4.结论
2015—2020年广西O3浓度变化具有明显的立体分布特征：
（1）从年变化特征来看，广西O3呈现升高趋势，其中2019年O3污染最重，2020年稍有缓解，但是广西O3小时平均浓度升高，大气氧化性逐年增强，臭氧污染问题不容忽视。
（2）从月变化特征来看，广西O3变化呈现双峰型，春末夏初和秋季较高，冬季多为一年中O3浓度较低的季节，其中O3峰值出现在4—5月和9—11月，9-10月最高，在副热带高压较活跃且地面风速小，空气干燥的秋季节最易产生O3污染。
（3）从日变化特征来看，广西O3变化呈现单峰型，13—18时为O3浓度高值时段，呈现出午后高、早晚低的特征。
（4）从垂直分布来看，O3浓度区域差异不显著，但仍有其规律，不同城市间O3垂直分布及污染传输规律各有特征。广西北部城市出现高空O3团频率高，滞留时间可达两三天，但对地面O3污染贡献小，其在偏北风和西风条件下污染指数较高；南部城市高空O3团浓度高，高度低，多有向地面下沉、积累趋势，对地面O3污染贡献较大，其在南风条件下污染指数较高；中部城市出现高空O3团频率相对低，O3污染主要以本地生成为主，且不同城市受不同风向影响不一。
（5）不同城市O3污染传输规律不一，桂林市在偏北风和西风条件下O3污染
指数较高。南宁市各站点O3污染分布随风向变化大，存在区域O3传输的可能性。防城港市在南风条件下污染较重，海上O3传输可能性偏大。柳州市与来宾市在东风条件下均存在东部O3高值现象；崇左市西南风条件下O3高值较多。
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基金项目:广西重点研发计划(No.桂科AB16380292),广西重点研发计划（No.桂科AB20238015)