高温热浪下江苏省典型臭氧污染过程的特征及成因分析_楚翠姣.pdf

第 42 卷第 6 期气象科学Vol 42，No62022 年 12 月Journal of the Meteorological SciencesDec，2022楚翠姣，梁进，孙旭光，等高温热浪下江苏省典型臭氧污染过程的特征及成因分析气象科学，2022，42(6):742-753CHU Cuijiao，LIANG Jin，SUN Xuguang，et alCharacteristics and mechanisms of typical ozone pollution episode during heat wavesin Jiangsu ProvinceJournal of the Meteorological Sciences，2022，42(6):742-753高温热浪下江苏省典型臭氧污染过程的特征及成因分析楚翠姣1，2梁进3孙旭光2钟声1房佳蓓2陆维青1(1 江苏省环境监测中心，南京 210019;2 南京大学 大气科学学院，南京 210023;3 江苏科技大学 海洋学院，江苏 镇江 212003)摘要基于环境空气质量监测数据，本文分析了 2022 年 6 月 1418 日高温热浪期间江苏省臭氧污染过程的时空变化特征，并结合天气形势、WF-CMAQ 模拟和典型城市大气超级站挥发性有机物(VOCs)在线监测数据进行了成因分析。结果表明:高温热浪期间，江苏省 13 个地级城市臭氧污染超标率达 96.9%，中度污染超标率为 27.6%，臭氧日最大 8 h(MDA8 O3)峰值质量浓度高达260.0 g m3。南通市、无锡市、苏州市 3 个典型城市臭氧质量浓度的日变化特征显示，0713 时臭氧质量浓度增长率在 27.9%46.7%，多个时段净增量超过 40.0 gm3。利用 WF-CMAQ 模型对污染过程进行了数值模拟、过程分析和溯源分析。结果显示，典型城市白天小时平均光化学贡献在 24.533.0 g m3之间，稳定高值的光化学贡献，叠加持续稳定或突发的传输贡献，导致此次高温热浪下臭氧质量浓度爆发式升高，出现峰值污染。在偏南风的影响下，省外污染源来自浙江省贡献最高，在 13.9%33.8%，其中无锡市和苏州市受浙江省外源影响较大。此外南通市大气超级站 VOCs 在线监测结果显示，臭氧污染期间逐日 VOCs 体积分数在 45.510983.6109之间，整体处于高值水平，臭氧生成潜势(OFPs)贡献排名前十的物种以烯烃和芳香烃物质为主。关键词高温热浪;臭氧污染;过程分析;区域传输;挥发性有机物;臭氧生成潜势分类号:X51doi:1012306/2022jms0087文献标识码:A收稿日期(eceived):2022-07-16;修改稿日期(evised):2022-09-11基金项目:国家重点研发计划项目(2022YFE0106600);国家自然科学基金资助项目(41505059;41775074);江苏省环境监测科研基金项目(2111);江苏省 PM2.5与臭氧协同控制重大专项(2019023)通信作者(Corresponding author):楚翠姣(CHU Cuijiao)chucj njueducnCharacteristics and mechanisms of typical ozone pollution episodeduring heat waves in Jiangsu ProvinceCHU Cuijiao1，2LIANG Jin3SUN Xuguang2ZHONG Sheng1FANG Jiabei2LU Weiqing1(1 Jiangsu Environmental Monitoring Center，Nanjing 210019，China;2 School of Atmospheric Sciences，Nanjing University，Nanjing 210023，China;3 School of Oceanography，Jiangsu University of Science and Technology，Jiangsu Zhenjiang 212003，China)AbstractBased on air monitoring data，this study analyzes characteristics of the ozone pollutionepisode during heat waves on June 14 to 18，2022 Combined with synoptic situation，WF-CMAQ modelsensitivity experiments，and online monitoring data of Volatile Organic Compounds(VOCs)from urbanatmospheric chemical super site，the study investigates mechanisms of the pollution episode The resultsshow that 96.9%of cities exceed O3pollution standards，27.6%of cities exceed moderate standard，thepeak of daily maximum 8-hour average O3(MDA8 O3)reaches 260.0 g m3 The ozone concentrationgrowth rate during 0700 BST-1300 BST in heavily polluted cities of Nantong，Wuxi and Suzhou rangesfrom 27.9%-46.7%，with net increasing of more than 40.0 g m3in several hours According to WF-CMAQ simulation results，daytime photochemical contribution in typical city is between 24.5-33.0g m3 Stable and high photochemical contribution，combined with continuous or sudden transportcontribution，leads to rapid increase of ozone concentration and emergence of peak pollution during heatwaves Under mainly southerly wind，emission sources outside the province come from Zhejiang with thehighest contribution，ranging from 13.9%-33.8%Wuxi and Suzhou are the most severely affected citiesby Zhejiang pollution transport In addition，online VOCs monitoring data from Nantong Atmosphericchemical super site performs that daily VOCs volume fraction is between 45.5109-83.6109duringozone pollution，at a high level overall The top 10 species of OFPs contribution are mainly olefin andaromatic hydrocarbonsKey wordsheat wave;ozone pollution;process analysis;regional transport;VOCs;OFPs引言近地面臭氧对人体健康和生态系统存在潜在危害1-2，高质量浓度臭氧会对人体呼吸系统和循环系统产生健康风险，会损害植物叶片，导致粮食作物减产。近年来，在“大气十条”推动下，颗粒物质量浓度明显改善，但以高质量浓度臭氧为标志的严重光化学污染事件频繁出现，成为城市空气质量关注的焦点。已有观测和数值模拟试验研究表明3-6，臭氧污染与气象条件有着密切关系，气温高、太阳辐射强、相对湿度小有利于臭氧局地光化学生成。利用近地面空气质量监测数据对长三角区域臭氧污染事件的研究结果表明7-8，高温和长时间日照等气象条件下易出现臭氧质量浓度高值，造成臭氧污染事件。我国气象上通常把日最高气温达到或超过 35 时称为高温，连续 3 d 及以上的高温天气过程称为高温热浪天气事件9。在全球气候变暖背景下，高温热浪天气事件频发10，期间常伴随高质量浓度臭氧污染，已有研究指出11-12，光化学反应增强是引起高温热浪下臭氧质量浓度增加的重要原因，造成臭氧质量浓度最大增加约24.0 g m3。基于精细化地面观测和空气质量模型模拟对臭氧污染形成机制的研究表明5，13-14，风场对污染物输送具有重要影响，区域污染物输送也是造成臭氧高质量浓度重污染事件发生的重要原因，上风向排放源质量浓度对下风向区域臭氧质量浓度影响较为明显。从臭氧前体物看，近地面臭氧主要来自挥发性有机物(VOCs)与氮氧化物(NOx)的大气光化学反应生成。已有研究指出15，当前长三角地区臭氧生成对 VOCs 较为敏感，臭氧质量浓度主要受 VOCs 控制。江苏省近年来也逐步开展了 VOCs 观测和数值试验研究，基于 2015 年 VOCs 排放清单的研究发现16，人为源排放量居前五位的物种分别为烷烃、芳香烃、烯烃、含氧挥发性有机物(OVOCs)和卤代烃。由于 VOCs 化学组成复杂且化学活性对臭氧生成存在显著差异，不同地区不同时段 VOCs 物种构成也存在明显差异。对 2013 年 8 月南京市区 VOCs 在线连续自动监测的研究指出17，观测期间 VOCs 平均体积分数为 52.0109，已超过北京(污染状况相近情境下比较)，VOCs 污染较为严重，体积分数占比大小分别为烷烃OVOCs烯烃芳香烃。对 2019年 8 月 13 日9 月 30 日江苏省 13 市 VOCs 离线监测数据的分析发现18，臭氧质量浓度处于污染状态时的 VOCs 体积分数高于优、良状态。2022 年 6 月中旬我国华北大部、华东北部等地区出现较大范围持续高温天气，涉及河北、河南、山东、江苏、山西、陕西、内蒙古等多个省份，26 个国家级气象站日最高气温突破当地 6 月历史观测极值19。受大范围高温天气影响，华北大部、华东北部等地区出现明显的臭氧污染过程，河北省和山东省部分城市达中至重度污染。江苏省自 6 月 14 日开始全省范围臭氧污染，至 18 日 7 个城市达中度污染水平，经历了该年首次夏季高温热浪下持续臭氧重污染过程。江苏省位于长江经济带下游，是长三角经济发达省份之一，人口密集，工业集中，污染物排放量大，臭氧前体物质量浓度偏高，臭氧污染呈现逐年上升趋势，已经成为制约环境空气质量持续改善的重要因素，开展臭氧污染特征和成因分析具有重要意义。本文选取 2022 年 6 月 1418 日江苏省高温热浪期间的典型臭氧重污染过程，基于环境空气质量监测数据分析了此次臭氧污染的时空变化特征，并结合气象资料、WF-CMAQ 模式模拟和典型城市大气超级站VOCs 在线监测数据探讨此次污染过程的成因，以期为江苏省臭氧污染防治及联防联控提供参考。3476 期楚翠姣，等:高温热浪下江苏省典型臭氧污染过程的特征及成因分析1数据与方法11数据来源本文选取 2022 年 6 月 1418 日高温热浪期间江苏省一次典型臭氧重污染过程，基于省内 92 个环境空气质量监测站点(图 1a)臭氧小时质量浓度实况数据，分析此次臭氧污染过程的时空变化特征。参照国家生态环境部环境空气质量指数(AQI)技术规定(HJ6332012)的相关评价方式，臭氧质量浓度采用小时质量浓度和日最大 8 h 滑动平均质量浓度(Maximum 8-hour Average，MDA8 O3)两种指标表征方式。同时采用臭氧质量浓度增长率表示臭氧小时质量浓度变化速率，即计算后 1 h 臭氧质量浓度与前 1 h 臭氧质量浓度差与前 1 h 质量浓度的比值，正值表示臭氧质量浓度上升，负值表示臭氧质量浓度下降。气象要素数据来自江苏省气象局气象观测站逐时气象实况数据，主要气象要素包括气压、气温、相对湿度、风速和风向。由于此次臭氧污染过程中，南通市污染程度最重，故本文还收集了该市大气超级站 VOCs 在线监测数据，用以说明污染过程中 VOCs 的分布特征。该站设在市环保公园内环境教育馆楼顶(31.99N，120.94E)，测站 1 km 外有道路、住宅、汽车加油站、工地和工业等污染源。VOCs 监测仪器为武汉天虹 研 发 的 在 线 挥 发 性 有 机 物 自 动 监 测 仪TH300B，采用超低温空管捕集与气相色谱质谱联用检测技术，可对环境空气中 VOCs 质量浓度进行在线连续监测，体积分数检出限范围为 0.0081090.05109。为衡量各 VOCs 物种反应活性对臭氧生成潜势的影响，Carter20 定义了增量反应活性(Incremental eactivity，I)，即在给定气团 VOCs混合物中，加入或去除单位特定 VOCs 所产生的臭氧质量质量浓度变化。通常 VOCs 物种反应越快，I 值越大，当改变气团中 VOCs 与 NOx 质量质量浓度比值，使得 I 值最大称为该 VOCs 物种最大增量反应活性(MI)。本文采用 Carter20 研究得到的MI 修正值来计算臭氧生成潜势(Ozone FormationPotentials，OFPs)，计算公式如下:OFPi=MIi VOCsi，(1)其中:VOCsi为观测期间环境空气 VOCs 质量质量浓度，单位为 gm3;MIi为该 VOCs 物种最大增量反应活性系数。12模式介绍与设置本文模拟试验采用 WF-CMAQ 模式，由美国环境预测中心 NCEP、美国国家大气研究中心 NCA和美国环保署 EPA 共同开发的中尺度天气预报空气质量耦合模式。该模式核心有中尺度气象模式、污染排放模式和多尺度空气质量模式，气象模块与化学传输模块在时间和空间上完全耦合。模式模拟采用 Lin 微物理参数化方案、TM 长波辐射方案、Goddard 短波辐射方案、Noah 陆面方案、YSU 边界层方案。长三角地区采用上海环境科学研究院人为源排放清单21，其他地区采用清华大学MEIC 亚洲人为源排放清单22，生物源排放采用MEGAN 模型。选取 2022 年 6 月 1219 日为模拟研究时段，即 6 月 12 日 00 时至 19 日 24 时(北京时，下同)，并剔除 6 月 12 日 00 时至 13 日 24 时的起转时间，对 6月 1418 日模拟结果进行分析。模拟采用 3 层嵌套(图 1b)，最外层区域覆盖东亚大部分地区，第二层区域覆盖江苏省及周边地区，最内层主要集中覆盖江苏省，水平分辨率分别为 27、9 和 3 km，垂直分层为 35 层，选取此次污染过程中污染较重的南通市、无锡市、苏州市和盐城市 4 个城市进行臭氧污染溯源比较。模式模拟使用气象资料来自 NCEP FNL 全球再分析数据，网格分辨率为11，时间分辨率为6 h。13模拟评估方法基于地面观测数据对 WF 模拟的气象要素(气温、相对湿度、风速和风向)，以及 CMAQ 模拟的6 月 1418 日南通市、无锡市、苏州市和盐城市臭氧质量浓度数据，采用皮尔逊相关系数()、平均分数偏差(Mean Fraction Bias，MFB)、平均分数误差(Mean Fraction Error，MFE)来衡量数值模拟的准确度。相关系数反映模拟与观测的相关程度，即趋势是否一致，MFB 反映模拟对观测的相对偏离，即观测值和模拟值均值或量级的差异，MFE 反映模拟对观测的绝对偏差。各个统计量的定义如下:=ni=1(xm?xm)(xo?xo)ni=1(xm?xm)2ni=1(xo?xo)2，(2)MFB=ni=1(xm xo)ni=1xo 100%，(3)MFE=ni=1|xm xo|ni=1xo 100%。(4)其中:xm为模拟值;xo为观测值;n 为样本量。447气象科学42 卷图 1(a)江苏省环境监测站点分布;(b)WF-CMAQ 模拟三层嵌套区域Fig1(a)Location of monitoring stations in Jiangsu Province;(b)domains for WF-CMAQ simulation2结果分析21臭氧污染特征图 2 给出了 1418 日高温热浪期间江苏省 13市 MDA8 O3实况质量浓度的空间分布。根据现行的环境空气质量标准(GB3095-2012)，14 日和 18日，除泰州市和南通市外，其他 12 市均超过 160.0g m3，达到轻度污染水平，当日城市超标率为92.3%，1517 日城市超标率为 100%，整体高温热浪期间城市污染超标率高达 96.9%，中度污染超标率为 27.6%。从各市质量浓度看，13 市最大 MDA8O3质量浓度在 194.0260.0 gm3，除连云港市和泰州市外，其他 10 市最大 MDA8 O3质量浓度均超过 215.0 gm3，其中南通市连续 3 d 均超过215.0 g m3，最高值为 260.0 gm3。从全省平均看，1418 日全省平均 MDA8 O3质量浓度在179.0215.0 g m3之间，平均质量浓度为 202.0g m3，其中 18 日为 215.0 gm3，达中度污染水平。与高温热浪前期(1013 日)臭氧平均质量浓度相比，臭氧质量浓度绝对增量为 70.0 gm3，增幅超过 53.0%，此次高温热浪下臭氧污染呈现出持续时间长、污染程度重的特点。图 3 给出了高温期间全省平均及 13 市实况臭氧小时质量浓度时间序列。可以看出，上午臭氧质量浓度迅速升高，约在 1012 时小时质量浓度达到或超过 160.0 g m3，下午 1517 时质量浓度达到峰值，至夜间 21 时左右降至 160.0 gm3以下，整体超标时长接近或超过 10 h。全省平均日最大小时质量浓度峰值均接近或超过 200.0 g m3，其中 18日 16 时全省平均小时质量浓度峰值达 221.0g m3。从 13 市臭氧小时质量浓度峰值看，污染期间各市小时质量浓度峰值在 240.0 291.0 gm3之间，其中南通市和镇江市分别于 16 日 17 时、18 日 17 时出现此次污染过程臭氧小时质量浓度最大值，高达 291.0 g m3。图 4 给出了高温热浪期间污染程度较重的南通市、无锡市、苏州市和盐城市 4 个城市实况臭氧小时质量浓度增长率。可以看出，0713 时，臭氧质量浓度增长率为正值，受日间臭氧光化学生成影响，臭氧质量浓度快速上升，18 时以后至次日凌晨，质量浓度增长率为负值，主要受夜间 NO 滴定作用，臭氧质量浓度快速下降。其中盐城市 0713 时臭氧质量浓度平均增长率为 15.7%，与盐城市相比，无锡市和苏州市日间臭氧质量浓度增长率明显较高，平均增长率为分别为 27.9%和 34.2%，南通市臭氧质量浓度平均增长率甚至高达 46.7%。从臭氧质量浓度绝对增量看，南通市、无锡市和苏州市多个时段净增量超过 40.0 g m3，比如 15 日 0810 时和 17 日 0911 时等，导致臭氧质量浓度迅速升高，呈现爆发式增长的特点。22天气形势分析此次江苏省高温热浪天气过程主要发生在 6 月1418 日，图 5 给出了 16 日 500 hPa 位势高度场和近地面天气形势。从 500 hPa 位势高度场看(图5a)，副热带高压主体(位势高度高于 5 880 gpm)位于 120E 以西的南海洋面上，亚洲大陆北部受高压脊控制，江苏省受到高压脊前西北下沉气流影响。随着高压脊东移，该天气系统对江苏省的影响一直5476 期楚翠姣，等:高温热浪下江苏省典型臭氧污染过程的特征及成因分析图 26 月 1418 日日最大 8 h 臭氧质量浓度空间分布(单位:g m3):(a)14 日;(b)15 日;(c)16 日;(d)17 日;(e)18 日Fig2Spatial distribution of daily maximum MDA8 O3concentration in Jiangsu Province on June 14 to 18(unit g m3)图 36 月 1418 日臭氧质量浓度时间序列(单位:g m3)Fig3Spatial distribution of daily maximum MDA8 O3concentration in Jiangsu Province on June 14 to 18(unit g m3)稳定并维持至 18 日，19 日后减弱。从近地面天气形势看(图 5b)，江苏省受地面高压后部弱均压场影响，主导风向以偏南风为主。从天气形势看，在高压暖脊的影响下，下沉气流有利于地面增温，叠加暖脊控制下，白天晴朗少云，太阳辐射强度高，利于产生持续晴热高温天气。天气形势特征决定了气象要素分布，气象要素是造成臭氧污染过程的关键因素。从高温热浪期间全省日最高气温看(图 6a)，1415 日日最高气温均在 30.0 以上，1618 日日最高气温均超过35.0，整体平均日最高气温为 34.2，远高于其前期(1013 日)，升幅为 6.7，也明显高于近 5 a同期日最高气温。从气温逐时变化时间序列看(图6b)，14 日上午 13 市气温迅速升高，至 14 时左右上升至全天最高，从 15 日开始 13 市 0918 时气温均高于 30.0，至夜间气温仍高达 25.0 左右，且气温逐日连续攀升。从相对湿度时间序列看(图 6c)，上午相对湿度迅速下降，至下午降至全天最低，0918 时相对湿度大致稳定维持在 36.0%58.0%，平均湿度为 42.8%。从近地面风场看(图 6d)，1415日主导风向以西南风为主，16 日以偏南风为主，1718 日以东南风为主，0918 时全省平均风速约647气象科学42 卷图 46 月 1418 日(a)南通市、(b)无锡市、(c)苏州市和(d)盐城市臭氧小时质量浓度(灰线，单位:g m3)、增长率(单位:%)和净增量(蓝线，单位:g m3)Fig4Time series of hourly O3concentration(gray curve，unit:g m3)，growth rate(bar，unit:%)，net increase(blue curve，unit:g m3)in(a)Nantong，(b)Wuxi，(c)Suzhou，and(d)Yancheng on June 14 to 18图 56 月 16 日(a)500 hPa 位势高度场;(b)近地面气压场、风场Fig5(a)500 hPa geopotential height and(b)sea level pressure and wind field on June 16为 2.4 m s1。气象条件是触发臭氧高质量浓度污染的重要因素，已有研究指出3，当气温高于 25.0，相对湿度在 30.0%60.0%之间，叠加风速小，云量少时，臭氧超标率大幅上升。此次高温热浪期间 4 个典型重污染城市实况臭氧质量浓度和气温、相对湿度、风速的相关性结果显示(表 1)，臭氧质量浓度与气温呈正相关，相关系数均在 0.81 以上，与相对湿度呈负相关，相关系数均在0.84 以下，与风速的相关系数在 0.580.68 之间，均通过=0.01 的显著性检验。在高压暖脊的影响下，白天晴朗少云，到达地面的短波辐射增强，进一步促进臭氧光化学生成。23模型验证表 2、3 为模式验证的统计结果。由表 2 可知，气温和相对湿度模拟值和观测值的相关系数分别为 0.91 和 0.86，且 MFB 和 MFE 均接近 0，表明WF 模式能较好地模拟气温和相对湿度。而对于7476 期楚翠姣，等:高温热浪下江苏省典型臭氧污染过程的特征及成因分析图 6(a)6 月 1018 日最高气温(单位:)和 6 月 1418 日(b)小时气温(单位:)、(c)相对湿度(单位:%)、(d)平均风速(单位:m s1)和风向Fig6(a)Daily maximum air temperature(unit:)on June 10 to 18;(b)time series of hourly air temperature(unit:)，(c)relative humidity(unit:%)and(d)wind field(unit m s1)on June 14 to 18表 16 月 1418 日逐小时气象因子等与臭氧质量浓度的相关系数Table 1Correlation coefficient between hourly O3concentration andmeteorological factors on June 14 to 18参数气象因子与臭氧质量浓度相关系数南通无锡苏州盐城气温/0.880.840.900.81相对湿度/%0.890.920.930.84风速/(m s1)0.580.670.680.61注:表示通过=0.01 的显著性检验风速和风向的模拟，模拟值和观测值的趋势基本一致，但风速的 MFB 和 MFE 均偏高，原因是 WF 对风速存在一定高估，尤其夜间风速整体上高估 1.02.0 m s1。由表 3 和图 7 可知，CMAQ 模拟的 4 个城市臭氧小时质量浓度和观测值的相关系数较高，均通过显著性检验，说明二者趋势基本一致，但模拟值较观测值有所低估，原因可能与 WF 模拟的风速整体偏高有关，风速的偏差可能会通过物理和化学过程影响臭氧生成与累积。整体来看，模拟结果与观测数据虽存在差异，但 CMAQ 模式可以较为准确地模拟出臭氧的日变化特征，并能在一定程度上捕捉臭氧质量浓度峰值，可用于后续分析。24污染过程分析CMAQ 模式的过程分析模块(IP)可以区分大表 2WF 模式气象要素模拟评价Table 2Statistical comparison results of meteorological factorsbetween WF simulation and observation参数MFB/%MFE/%气温/0.914.686.31相对湿度/%0.862.2615.52风速/(m s1)0.3466.8679.27风向0.5323.0531.16注:表示通过=0.01 的显著性检验表 3CMAQ 模式 O3质量浓度模拟评价Table 3Statistical comparison results of O3concentrationbetween CMAQ simulation and observation城市MFB/%MFE/%南通0.9014.6024.35无锡0.8816.3723.79苏州0.8611.1123.53盐城0.8316.5621.31注:表示通过=0.01 的显著性检验气中各物理化学过程对污染物生成的相对贡献，已被广泛应用于臭氧污染过程分析。IP 共包含 7 个过程 对 臭 氧 生 成 的 贡 献 量，分 别 是 水 平 扩 散(HDIF)、水平平流(HADV)、垂直扩散(VDIF)、垂847气象科学42 卷图 76 月 1418 日(a)南通市、(b)无锡市、(c)苏州市和(d)盐城市观测和模拟的臭氧质量浓度时间序列(单位:g m-3)Fig7Time series of observed and simulated O3concentration(unit:g m-3)in(a)Nantong，(b)Wuxi，(c)Suzhou，and(d)Yancheng on June 14 to 18直平 流(ZADV)、化 学 过 程(CHEM)、干 沉 降(DDEP)和云过程(CLDS)。本文中将水平扩散、水平平流、垂直扩散、垂直平流的总和定义为输送过程(TAN)，代表所有输送过程的总贡献。图 8 给出了 6 月 1418 日南通市、无锡市、苏州市和盐城市 4 个重污染城市近地面层(060 m)IP 时间序列。可以看出，此次高温期间近地面(060 m)化学过程、传输过程和沉降过程对臭氧质量浓度有决定贡献，云过程对臭氧贡献微弱，对其忽略不计。由于臭氧是光化学反应产物，加上夏季太阳辐射强度较大，化学过程对臭氧质量浓度有着相对稳定的贡献，输送过程贡献与气象条件密切相关，与化学过程贡献相比，不确定因素较多。根据江苏沿江地区夏季的日照时间划分日夜，图 8 中近地面(060 m)臭氧生成贡献率的日变化基本特征表现为:夜间化学贡献总为负值，因为夜间前体物光解反应停止，臭氧作为氧化剂被 NO 滴定消耗;夜间传输贡献总体上为正值，主要由于夜间大气边界层高度降低，有利于高层臭氧向下传输，导致臭氧在近地面累积。夜间沉降贡献量级较小，化学贡献和传输贡献的相对大小决定了夜间的臭氧质量浓度水平，如果传输贡献小于化学贡献，夜间臭氧质量浓度会迅速下降出现谷值，如在 6 月17 日夜间至 18 日凌晨时段，南通市、无锡市和苏州市臭氧质量浓度水平降低至约 20.0 gm3;如果传输贡献和化学贡献相当或前者大于后者，臭氧会在夜间维持较高的质量浓度水平，如在 6 月 15 日夜间至 16 日凌晨时段，盐城市臭氧质量浓度维持在100.0 g m3。白天化学贡献为稳定的正值，此次高温期间 4市白天小时平均化学贡献在 24.5 33.0 g m3之间，由于午间气温和太阳辐射强度均处于较高水平，化学贡献的小时质量浓度峰值在 30.0 50.0g m3之间。当白天传输贡献表现为正值，对应的近地面(060 m)臭氧质量浓度小时净增量常出现接近或超过 40.0 gm3，臭氧小时质量浓度会在其后 12 h 内迅速响应增长，从而出现峰值污染，例如在 14 日至 18 日午后时段，南通市出现的臭氧高质量浓度峰值均叠加了正的传输贡献。当白天传输贡献表现为负值，叠加沉降过程的负贡献，使得臭氧小时净增量稳定维持或者降低，从而臭氧质量浓度稳定维持或者降低。总体来看，此次白天稳定高值的光化学贡献是高质量浓度臭氧污染发生的重要基础，来自持续稳定或突发的传输贡献，使得臭氧质量浓度净增量徒增，导致臭氧质量浓度爆发式升高，出现峰值污染。ISAM(TheIntegratedSourceApportionmentMethod)是 CMAQ 模型中的综合溯源追踪分析方法，它不仅可以追踪一次污染物(如一次颗粒物)，还可以追踪二次污染物(如二次气溶胶和臭氧等)。9476 期楚翠姣，等:高温热浪下江苏省典型臭氧污染过程的特征及成因分析图 86 月 1418 日(a)南通市、(b)无锡市、(c)苏州市和(d)盐城市近地面(060 m)IP 时间序列Fig8Daily variation of O3concentration and change rate due to various atmospheric processes of surface layer in(a)Nantong，(b)Wuxi，(c)Suzhou and(d)Yancheng on June 14 to 18臭氧的溯源解析基于臭氧对前体物 VOCs 和 NOx 的生成敏感性，可用于识别不同类别、不同地区的源排放对目标污染物的贡献。本文利用该溯源追踪模块对 1418 日臭氧前体物 NOx 和 VOCs 进行省外溯源模拟，通过对不同省份标记，将污染来源分配到各省来源的不同组分中，得到不同省份平均贡献比(图 9)。模拟结果显示，臭氧污染期间南通市、无锡市、苏州市和盐城市 NOx 和 VOCs 受省外污染源贡献明显，4 市来自省外污染源的贡献占比在 42.6%61.0%之间。结合天气形势分析，在近地面以偏南风为主导风向的影响下，省外污染源来自浙江省贡献最高，在 13.9%33.8%之间，其中无锡市和苏州市受浙江省外源影响较大，贡献占比分别为 29.1%和 33.8%。其次来自江西省和安徽省，贡献占比分别在 5.4%9.4%和 4.5%8.8%之间。25VOCs 及其臭氧生成潜势的组成VOCs 是臭氧光化学反应的重要前体物，其化学组成复杂且不同组分参与臭氧生成的化学活性存在明显差异。图 10a 给出了此次高温热浪期间南通市 VOCs 体积分数及化学组成，逐日体积分数在45.510983.6109之间，与邻近非高温热浪期间(2226 日，图10b)逐日 VOCs 体积分数35.910944.9109相比，明显处于高值水平，这可能与高温期间 VOCs 挥发速率较快有关。同时也可以看出臭氧污染程度最重的 1617 日 VOCs 体积分数较低，这可能与 1617 日持续高温下臭氧质量浓度较高有关，臭氧累积是 VOCs 发生化学反应的结果，臭氧质量浓度受 VOCs 消耗量影响明显，当环境温度升高，VOCs 中部分物种化学反应速率加快，使得高质量浓度臭氧污染期间 VOCs 消耗量更高23。高温期间 VOCs 平均体积分数为 63.3109，远大于非高温热浪期间 VOCs 平均体积分数为 39.5109，各类VOCs 平均质量浓度依次为烷烃卤代烃OVOCs芳香烃烯烃炔烃，分别为 20.2109、18.3109、9.2109、7.4109、6.8109和 1.4109，对 VOCs的质量浓度贡献分别为 31.9%、28.9%、14.5%、11.7%、10.8%和 2.2%(图 10c)。图 11 给出了高温热浪期和非高温热浪期南通市 VOCs 和 OFPs 贡献最高的前十物种。从 VOCs体积分数看，高温热浪期间排名前十的物种分别为丙酮、丙烷、乙烷、溴甲烷、二氯甲烷、氯乙烷、氯乙烯、乙烯、正丁烷、异戊烷，主要以烷烃、卤代烃为主，物种数量占到一半以上(图 11a)。非高温热浪期间排名前十的物种分别为溴甲烷、丙酮、1-戊烯、乙烷、二氯甲烷、氯乙烯、丙烷、乙烯、乙炔、甲苯，仍以烷烃、卤代烃为主，但整体上体积分数明显小于高温热浪期(图 11b)。从 OFPs 贡献来看，高温热浪期排名前十的物种分别是乙烯、间/对二甲苯、1-戊烯、丙烯、氯乙烯、反式-2-丁烯、13-丁二烯、顺式-2-丁烯、甲苯、丙醛，主要以烯烃和芳香烃物质为主(图 11c)。与非高温热浪期相比(图 11d)，臭氧生成潜势明显较高。由于烯烃和芳香烃物质均含有057气象科学42 卷图 96 月 1418 日(a)南通市、(b)苏州市、(c)无锡市和(d)盐城市 4 市污染气团省级来源分布Fig9Distribution of provincial sources of polluted air mass in(a)Nantong，(b)Wuxi，(c)Suzhou，and(d)Yancheng on June 14 to 18?图 10高温热浪期和非高温热浪期(a、b)VOCs 体积分数和组分占比(c、d)平均 VOCs 组分占比Fig10(a，b)VOCs volume fraction and composition(c，d)the average composition of different groups during ozonepollution during hot waves and non-heat waves不饱和的碳氢化合物，高温下反应活性较高，MI为各类 VOCs 中最高，虽然其质量浓度较低，但对臭氧生成潜势贡献较高。已有关于南通市臭氧污染关键 VOCs 物种溯源分析指出24，烯烃主要来源于机动车尾气和石化工艺，芳香烃主要来源于涂料溶剂使用和化工工艺等人类生产活动，因此控制该城市臭氧污染可