胡亚男，王 佳，徐丽娜，韩见弘

1.内蒙古自治区气象服务中心，内蒙古 呼和浩特 010051 2.内蒙古自治区呼和浩特生态环境监测站，内蒙古 呼和浩特 010051

臭氧(O3)是挥发性有机物(VOCs)和氮氧化物(NOx)在紫外线照射下发生光化学反应生成的二次污染物，是我国区域大气复合污染的重要因素，近地面O3超过自然水平会对人体健康、生态系统和气候变化有显著影响。近年来，中国多省市近地面O3污染逐渐取代PM2.5成为夏季的首要污染物，在排放源相对稳定的情况下，大气污染物浓度变化主要受天气形势和气象要素影响。

内蒙古自治区所处纬度较高，多晴朗少云天气，且紫外线辐射较强，有利于O3生成，但地势相对平坦，整体风速偏高，又有利于污染物的扩散。由于内蒙古地形狭长，东西部气候差异明显，污染物时空分布特征也不同。目前关于O3污染与气象因子相关分析的研究较多[1-4]，关于内蒙古O3污染特征分析的研究较少，大多针对个别盟市[5-6]或旗县[7]。陈志青等[8-9]对内蒙古O3浓度时空变化的分析表明，2017年较2015年O3浓度呈加重趋势，空间分布表现为中部>西部>东部，这与我们对2018—2020年内蒙古O3的时空分布特征分析结论不同，说明内蒙古O3浓度时空分布特征随时间而变化。因此，本文研究了近几年内蒙古O3污染的时空分布特征，并针对全区O3污染典型个例进行天气形势和气象要素的分析，为内蒙古O3预报和减排决策等提供参考和依据。

1.1 数据资料

2018年1月1日至2020年12月31日内蒙古12个盟市O3日最大8 h滑动平均值数据来自内蒙古环境监测中心站，呼和浩特市O3和PM10逐小时数据来自中国环境监测总站的全国城市空气质量实时发布平台。内蒙古12个盟市气象要素逐小时数据来自“国省统一气象数据环境系统(CIMISS)”，包括气温、降水量、相对湿度、10 min平均风速、10 min平均风向、地表温度和能见度等。2018年5月30日至6月4日FNL再分析资料来自美国国家环境预测中心(NCEP)，时间分辨率为6 h。

1.2 研究方法

按照《环境空气质量评价技术规范(试行)》(HJ 663—2013)[10]规定，采用O3日最大8 h滑动平均值的第90百分位数(O3-8 h-90per)进行O3质量浓度年评价；
使用2018—2020年内蒙古12个盟市O3日最大8 h滑动平均值数据进行月变化特征和周末效应的分析；
以《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)[11]中污染物的二级浓度限值为依据进行超标率统计，即O3日最大8 h平均质量浓度限值为160 μg/m3，1 h平均质量浓度限值为200 μg/m3。

选取内蒙古O3污染典型个例，分析天气形势和气象条件对O3质量浓度的影响，2018年5月31日至6月3日O3在内蒙古大部分地区达到轻度污染及以上，为了解O3污染发展和消散时天气形势，前后各多取1 d，即选取2018年5月30日至6月4日进行个例分析。使用NCEP FNL资料分析该过程天气形势演变特征，并以呼和浩特市为例对比O3和气象要素的逐小时序列，分析气象要素对O3的影响。

2.1 内蒙古近地面O3浓度的时空分布特征

2.1.1 内蒙古O3质量浓度年评价

内蒙古2018—2020年O3-8 h-90per分别为146、137、131 μg/m3，均未超过国家二级标准限值且呈逐年下降的趋势。由《中国生态环境状况公报(2019—2020年)》可知，2019年全国O3质量浓度较2018年上升6.5%。与全国O3质量浓度上升态势不同，内蒙古2019年较2018年下降6.2%。2020年全国O3质量浓度较2019年下降6.8%，内蒙古2020年较2019年下降4.4%。从2018—2020年内蒙古12个盟市O3-8 h-90per来看(表1)，高值主要分布在内蒙古中西部偏南地区，尤其是乌海市和鄂尔多斯市。2018年内蒙古O3-8 h-90per为114～164 μg/m3，仅乌海市、阿拉善盟和鄂尔多斯市超过国家二级标准限值,2019年为109～155 μg/m3，2020年为106～147 μg/m3，均低于国家二级标准限值。除赤峰市2020年O3-8 h-90per较2018年上升3.1%，其他盟市均表现为下降趋势，其中锡林郭勒盟下降幅度最大，可达20%。

表1 2018—2020年内蒙古O3-8 h-90perTable 1 O3-8 h-90per from 2018 to 2020 in Inner Mongolia

内蒙古O3质量浓度逐年降低，分析原因认为：一方面由于近几年能源结构和产业结构调整，大力发展新能源，减排效果显著。据内蒙古能源局统计，截至2020年底内蒙古新能源装机达到50.54 GW，居全国第一，1/3的电力装机和1/6的社会用电量来自新能源。另一方面，从内蒙古2018—2020年5—7月气象要素区域平均值或极值来看(表2)，平均日照百分率逐年降低，尤其2020年下降幅度更大，说明实际日照时间减少，同时太阳辐射量减少；
而平均最大风速和平均风速逐年增大，且平均最大风速为11.46～12.16 m/s，有利于大气污染物的扩散；
平均气温、最高气温和极端气温在2019和2020年均比2018年有所降低。这些都是导致O3质量浓度降低的气象因素。

表2 内蒙古2018—2020年5—7月气象要素均值或极值Table 2 Average or extreme value of meteorologicalelements in Inner Mongolia from Mayto July in 2018-2020

内蒙古12个盟市2018—2020年O3超标率如图1所示，西部盟市明显高于东部盟市，各盟市O3超标率均显著下降，尤其是阿拉善盟和乌海市，2020年比2018年分别降低了10.1%和8.2%，仅赤峰市和通辽市略微上升。2018、2019、2020年O3超标时间分别为1～45、0～28、0～16 d，年超标率分别为0.3%～12.3%、0.0%～7.7%、0.0%～4.4%。2018、2019年乌海市O3超标率最高，分别为12.3%、7.7%；
2020年通辽市最高，为4.4%；
兴安盟和呼伦贝尔市O3超标率不超过0.5%，几乎不存在O3污染问题。

图1 2018—2020年内蒙古12个盟市O3超标率Fig.1 Ozone exceeding rate of 12 leaguecities in Inner Mongolia in 2018-2020

2.1.2 内蒙古各盟市O3质量浓度月变化特征

如图2所示，各盟市O3月平均质量浓度和O3月超标率的变化趋势均呈单峰型分布，峰值主要出现在5—7月，兴安盟和呼伦贝尔市与其他盟市不同，6月O3质量浓度低于5月和7月。春夏季O3质量浓度明显高于秋冬季，这是由于秋冬季太阳辐射减弱，气温降低，尤其冬季高浓度大气颗粒物导致气溶胶光学厚度增大，使得光化学反应速率减缓，O3质量浓度相对较低[12-13]。蒙西地区(阿拉善盟至乌兰察布市)O3质量浓度明显高于蒙东地区(锡林郭勒盟至呼伦贝尔市)，蒙西各盟市O3月平均质量浓度峰值为137～146 μg/m3，蒙东各盟市为102 ～127 μg/m3。乌海市和鄂尔多斯市在6月O3超标率最高，均可达26.7%，呼和浩特市、包头市、乌兰察布市和阿拉善盟超标率峰值为22.2%～24.4%，巴彦淖尔市、通辽市和赤峰市为15.6%～18.9%，锡林郭勒盟、兴安盟和呼伦贝尔市较低，为1.1%～4.3%。

图2 内蒙古12个盟市O3月平均质量浓度和O3月超标率Fig.2 Monthly average ozone concentration and monthly ozoneexceeding rate in 12 league cities of Inner Mongolia

2.1.3 内蒙古各盟市O3周末效应

由于内蒙古O3质量浓度高值分布在5—7月，将2018—2020年5—7月O3日最大8 h滑动平均值数据按工作日(周一至周五)和周末(周六和周日)划分，周末效应用工作日和周末O3质量浓度的差值百分比表示，如图3所示。锡林郭勒盟、赤峰市、通辽市和兴安盟的O3质量浓度在周末高于工作日，差值百分比为-6.6%～-2.6%，其余盟市表现相反，即在工作日高于周末，差值百分比为1.6%～7.7%，O3的周末效应存在东西部差异。ZHAO等[14]的研究表明，O3的前体物NOx主要来自工业源、电力源和交通源，总贡献率接近90%，VOCs主要来自交通源，包括机动车尾气与汽油挥发源等[15-17]，而夏季O3浓度高主要受工业源和交通源的影响[18]，由于中西部盟市第二产业(工业类)占比相对东部盟市更高，因此工作日O3前体物排放更多，导致O3浓度更高。

图3 内蒙古12个盟市O3周末效应Fig.3 Weekend effects of ozone concentrationin 12 league cities in Inner Mongolia

选取乌海市和通辽市分别代表西部和东部地区，对比分析O3质量浓度在周末与工作日的日变化特征，结果如图4所示。由于夜间NO2在紫外线辐射催化作用生成氧原子的反应较弱，主要进行的是NO对O3的消耗，而周末O3前体物NOx的排放低于工作日，因此夜间NO对O3的消耗减少，乌海市和通辽市O3质量浓度在夜间均表现为周末高于工作日；
在白天10：00之后乌海市工作日O3质量浓度高于周末，而通辽市全天均表现为周末O3质量浓度高于工作日，这主要与NO2/NO(表示NO2与NO质量浓度比，下同)和O3的累积速率有关，NO2/NO越高越有利于O3生成[19]。

图4 乌海市和通辽市周末和工作日O3质量浓度日变化Fig.4 Diurnal variation of ozone concentrationin Wuhai City and Tongliao City onweekends and weekdays

2.2 O3污染典型个例天气形势和气象要素分析

2.2.1 O3污染典型个例过程

从2018年5月30日至6月4日内蒙古各盟市O3日最大8 h滑动平均质量浓度和PM10质量浓度来看(表3)，此次过程前期主要表现为O3污染，后期逐渐转变为PM10污染，两者在空间上均有由西向东发展的趋势。5月30日西部阿拉善盟O3质量浓度达到轻度污染，5月31日蒙西地区(阿拉善盟至乌兰察布市)大部分为轻度污染，其中鄂尔多斯市为中度污染；
6月1日除呼伦贝尔市、兴安盟和赤峰市外，其余盟市均为轻度污染，其中鄂尔多斯市和包头市为中度污染；
6月2日西部盟市(阿拉善盟、乌海市、巴彦淖尔市和包头市)转为PM10污染，其他盟市为O3污染，其中乌兰察布市和锡林郭勒盟为中度污染；
6月3日仅赤峰市和通辽市为O3轻度污染，其他盟市均为PM10污染，其中呼伦贝尔市和锡林郭勒盟分别达到严重污染和重度污染；
6月4日全区空气质量好转，仅乌海市为PM10轻度污染，其他盟市为优或良。这与风场和温度场的变化密切相关，需要结合天气形势进一步分析。

表3 2018年5月30日至6月4日 内蒙古12个盟市O3日最大8h滑动平均质量浓度和PM10质量浓度日均值Table 3 Daily maximum 8h moving average concentration of O3 and daily mean concentration of PM10in 12 league cities of Inner Mongolia from May 30 to June 4,2018

2.2.2 O3污染天气形势分析

2018年5月30日至6月4日 850 hPa高度场、温度场和10 m高度风场如图5所示，其中蓝色实线表示850 hPa位势高度，黑色箭头表示10 m高度风速。5月30—31日内蒙古中西部地区对流层低层不断有南部暖平流汇入，逐渐形成深厚的暖高压(暖脊)，在反气旋和辐散下沉气流控制下为晴朗少云天气，同时在强烈的太阳辐射作用下温度升高，中西部地区O3达到轻度污染。6月1—2日蒙古国西部对流层低层槽底不断有冷平流汇入，槽加深发展，槽前暖平流和暖脊东移，由中西部O3污染转变为中东部O3污染；
6月2日内蒙古西部地区在北下的冷平流、大风以及前期高温后干燥的地表有利于起沙等条件的作用下，表现为PM10污染。6月3日在内蒙古东北部地区槽发展为强盛的冷涡，等高线密集，冷平流较强，气温显著下降，全区O3质量浓度降低，PM10质量浓度升高，在呼伦贝尔市和锡林郭勒盟PM10达到严重污染；
由于粗颗粒物PM10易于沉降和扩散，在大风的持续作用下，6月4日全区大部地区空气质量转为优良。综上所述，此次O3污染过程表现为前期南部暖平流汇入和深厚暖高压控制内蒙古大部分地区，O3浓度升高并达到轻度污染及以上；
后期来自蒙古国西部地区的冷槽东移发展，在内蒙古东北部形成冷涡，冷平流较强且降温显著，O3浓度下降。

图5 850 hPa高度场、温度场和10 m风场日平均空间分布图Fig.5 The daily average spatial distribution of the850 hPa height,temperature and 10 m wind

2.2.3 气象要素对O3和PM10质量浓度的影响

以呼和浩特市为例，2018年5月30日至6月4日O3、PM10质量浓度和气象要素逐小时时间序列如图6所示。O3质量浓度和气温、地表温度呈显著正相关，相关系数分别为0.79和0.71，与相对湿度呈负相关，相关系数为-0.43，均通过了置信度为0.01的显著性水平检验。从O3污染前期气象条件来看，5月30日至6月2日气温和地表气温维持在较高水平，日最高气温为27～28 ℃，最高地表温度为51～56 ℃，风速较小，为0.6 ～5.3 m/s，能见度较高，为33～35 km；
白天(08：00—19：00)风向以西南风为主，而呼和浩特市北部和东南部为山地、南部和西南部为平原的地形导致地势由东北向西南倾斜，西南风使得大气污染物不易扩散；
这些均为有利于O3生成和积累的气象条件。5月30日至6月2日 O3浓度峰值逐渐升高，6月1日和2日 O3质量浓度分别为225 μg/m3和234 μg/m3，均达到轻度污染。

图6 2018年5月30日至6月4日呼和浩特市O3、PM10 、PM2.5质量浓度和气象要素时间序列Fig.6 Time series of O3,PM10,PM2.5 concentration and meteorological elementsin Hohhot from May 30 to June 4,2018

6月3日10 min平均风速超过8 m/s，01：00风速达到12 m/s，为6级强风风力，风向为西北风，PM10质量浓度在6月3日02：00飙升至823 μg/m3，同时能见度下降至4.5 km;6月3日最高气温和最高地表温度较前一天均下降5 ℃，O3质量浓度从前一天的233 μg/m3下降至102 μg/m3，PM10也在西北风的持续作用下在午后降至39 μg/m3。此次过程中PM2.5/PM10(表示PM2.5与PM10质量浓度比)为12%～40%，在PM10质量浓度超过500 μg/m3时，PM2.5/PM10仅为18%～23%，说明这是一次沙尘天气过程，后期O3质量浓度的下降得益于温度和能见度降低以及易于污染物扩散的风向。

1)内蒙古2018—2020年 O3质量浓度年评价值均未超过国家二级标准限值且呈逐年下降的趋势，各盟市O3超标率也显著下降，仅赤峰市和通辽市略微上升。内蒙古O3质量浓度高值区主要分布在中西部偏南地区，尤其乌海市和鄂尔多斯市，在6月平均O3超标率可达26.7%。

2)内蒙古O3的周末效应存在东西部差异，锡林郭勒盟、赤峰市、通辽市和兴安盟O3质量浓度在周末高于工作日，其余盟市表现相反。

3)O3浓度变化和天气形势关系密切，南部暖平流汇入和深厚暖高压控制内蒙古大部地区，O3浓度升高，蒙古国西部地区冷槽东移发展，在内蒙古东北部形成冷涡，冷平流强且降温显著，O3浓度下降。

4)高温、低湿、微风和较高的能见度均为有利于O3生成的气象条件，而西北大风通过降低温度、能见度和易于扩散的风向使得内蒙古O3浓度降低，但同时可能会导致PM10污染。

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