地表臭氧“数据现象”的发现和认识

作者 | 我不是共工

小编注：本文作者保留著作权，仅代表作者个人观点。

科学界认为，大气臭氧问题有两个：一个是地表臭氧污染，一个是臭氧层空洞，即所谓“在天是佛在地是魔”，都与环境有关。地表臭氧污染与光化学污染相关，其前体物为挥发性有机物和氮氧化物等，每年秋季最为严重，甚至需要专项行动。

焦虑的基层环保工程师敏思好学，关注环境问题但“手无寸铁”，只能利用公开的环境数据“观察”发现和思考，生态环境部网站首页“数据服务”发布城市空气质量“AQI实时报”，2019年4月开始复制整理了一些数据并发现了一些现象，本想完整观察2020年全年数据后再总结报告，但网站改版不再公开详细数据了，申请政务公开没有得到能用的数据，只好利用有限的资料草草收场，提出初步发现的“现象”和粗浅的认识。

一、监测数据中发现的现象

环境空气自动监测站点用自动监测技术手段监测到的“臭氧浓度”值具有以下特征和现象：

1、镜像现象

臭氧浓度与NO₂（NOx、NO）实时负相关。

小寒日某市四站点NO₂和O₃曲线

4月5日六站NOx、NO₂、NO、O₃ 曲线

2、阴雨乱象

阴雨天二氧化氮和臭氧均偏低，曲线变化杂乱。

某市三县六站三组凌乱的O₃（上部）和NO₂（下部）曲线

3、双峰现象

研究发现部分城市臭氧浓度“双峰现象”，并解释为本地源和外地传输源，我们观察“臭氧时变化曲线”发现的尖峰、双峰、平顶峰和“高原线”，随机性大不固定，没有代表性。

O₃浓度峰值

2019年9月29日广东各市O₃时变化曲线（各种峰）

2020年4月15日珠三角城市O₃曲线（各种峰）

4、时延现象

日浓度峰值不是（北京时间，下同）正午12时，而是延迟3小时到15-16时，最低值多在日出后7时前后。8-12时升高较快，15-16时到峰值后缓慢降低。西部乌鲁木齐市约晚2小时，高原城市延迟更长。

珠三角7市10月份O₃曲线       某县城7月1日O₃浓度

2020年4月15日东莞中山国控站O₃曲线

5、飘移现象

即“空间飘移现象”、“打靶现象”、“扬场现象”，就像射击场与靶场、谷场与扬场的关系。空间位置上日最高浓度不是“太阳当空照”的季节，而是“下一季”，夏季夏至日太阳在北回归线上，全国臭氧最高浓度在济南邢台一线，南北相差1500km，秋季秋分日太阳在赤道上，珠三角和豫北臭氧浓度最高，南北相差2600km和4000km。

夏至日京广沿线，15时日最高浓度从咸宁向北一路递增到石家庄，而后保定北京降低，张家口再升。

夏至日京广和京九沿线城市O₃-8h对比

6、高原现象

即“抢篮板现象”，高原站点臭氧浓度高，峰值平直，持续时间长。类似篮球赛的“抢篮板”，大个弹跳好的总是容易抢到球。下图是某市5区县11站点4月18日臭氧曲线，“气象五参数”中站点当日气压在862-946hPa之间，某县城海拔约1300米，两条曲线飞起。

4月18日某市5区县省控11站点O₃曲线

7、北纬35°现象

美国西海岸的洛杉矶是世界臭氧污染的“传说”和标杆，在北纬34°，对应中国徐州-许昌-西安一线，豫北、冀南、晋南、山东是我国夏季臭氧污染重点地区。

8、“暴力平均”现象

全国337个地级以上市，约30个县级环保模范城市，1436个国控站点，“暴力平均”这些站点的经纬度为东经112°12′1.37″北纬33°14′10.60″，指向河南省镇平县二龙乡。

“暴力平均”每日366个城市有效数据，可以看到日变化和月变化。

2019年全国O₃平均曲线    10月中旬全国O₃曲线

依时间，可以看各市、各省、各区域相似性和差异，看时变化、季节变化和年变化，看到一个直观、全面、动态的臭氧，一个“全豹”、一头“大象”。

霜降日全国平均（CO在次坐标轴上）

2019年10月部分城市O₃月均值

2019年城市O₃浓度最大月 

二、基于数据现象的思考和认识

1、“负相关”揭示臭氧的本质

“镜像”即臭氧与二氧化氮（氮氧化物）负相关，早已是公开的秘密。监测站的专家说：臭氧与二氧化氮是两个物质，不具有相关性。臭氧是通过光化反应，数据偏高时段在中午的2-4点；氮氧化物数据偏高时段是早上8-9点和下午5-6点（太阳不太大，辐射不强时）；PM_2.5与PM₁₀数据相关是因为同根同源。但臭氧和二氧化氮没有存在数据倒挂一说，但他们有相关性，不是绝对性；臭氧数据高的原因有汽车尾气和有机化合物增加有关系，至于这两方面谁的影响大，目前没有结论。在线监测设备运维的工程师们对这种现象的解释为：氮氧化物是臭氧的前体物，氮氧化物可以消耗臭氧，一般情况是氮氧化物越高臭氧就低；氮氧化物与臭氧数据倒挂的原因是汽车尾气排放，尤其是路边站，经常出现。汽车排放的尾气会与臭氧中和，消耗臭氧，所以氮氧化物的增高，臭氧会降低。臭氧是自然界天然的绝对的氧化剂，不可能是二氧化氮的氧化产物。这些认识和观点与事实不符，都是错误的。

二氧化氮是空气中的二次污染物，不是一次污染物，是氧化产物不是氧化剂。臭氧与二氧化氮是此消彼长的因果关系，监测浓度实时负相关。

2、臭氧本从天上来

“时延现象”、“飘移现象”、“高原现象”和“35°现象”都有力的说明地表臭氧污染不是来自地表，也不是在地表生成的。“高原现象”（截胡现象、抢篮板现象）证实“近水楼台先得月”。“双峰现象”很随机，不能解读为本地源和外地源，尖峰平峰更多。

臭氧污染从4月清明谷雨开始，到10月寒露霜降结束，历时半年，峰值地区和地区峰值都在进进退退，在某些时候，还可以看到臭氧峰值在不同站点之间走动。

3、臭氧污染可防控

“阴雨乱象”印证了臭氧与湿度的关系，臭氧是氧的同素异形体，常温下为无色气体，有一股特殊的草腥味，有极强的氧化能力，稳定性极差，常温下可自行分解为氧，臭氧是自然界中的强氧化剂，具有杀菌、消毒、解毒的作用，臭氧能氧化水中杂质被消耗掉。

自动监测站点在室外无遮蔽的地方，峰值在干燥晴朗的午后，浓度值可能很高，持续时间可能较长，但人们生产生活避开了臭氧高峰时段，室外活动也采取了一定的防护措施，臭氧危害被夸大，臭氧污染可防可控。

4、臭氧污染是减法

臭氧浓度不是地表“生成”了多少，而是“减少”了多少，是减法，消耗多了减少多了臭氧浓度就低。这个“减量”可以是空气中水分（湿度），也可以是还原性物质。

O₃在水中溶解度曲线

臭氧易溶于水，溶解度是氧气的13倍，约100mg/L，臭氧能被空气中水吸收和被消耗。 

5、臭氧在线监测数值

地表臭氧监测数据表征的可能是臭氧的浓度，也可能是活性氧原子的量度，或者是空气的氧化能力。

中国地形分三级台阶，人口主要分布在海拔500米以下的三级台阶上平原丘陵地区。《中国人群暴露参数手册（成人卷）概要》把京津冀晋蒙豫同归为华北，成人平均长期呼吸量16.5m³/d，比华东华南多2%，但山西内蒙在二级台阶海拔较高，某市11个省控站因气压变化浓度折算提高7-17.5%，张家口国控站提高8.6%，与国际接轨的“标准状态”让山西内蒙等高原地区“输在起跑线上”。

吸收紫外光能的不仅有氧，还包括所有大气的分子、微尘、水汽等吸收、散射和反射，约有1%太阳紫外线到达地面。环境空气监测站点全部是城市站点，人类活动对城市气候影响尤为显著，与郊区相比有热岛、干岛、湿岛、混浊岛和雨岛等“五岛效应”，这些都影响着监测数值。在大气污染较轻的森林、山间、海岸周围存在比较丰富的臭氧。农村空气质量被忽略，其自净能力和环境容量也被无视，城市空气承受更大的压力。

三、对大气臭氧问题的几点猜想

没有理论支撑，没有试验条件，手无寸铁只能空想，基于臭氧数据现象特征发现和认识，再提几点猜想：

1、臭氧在平流层产生

地球引力将90%以上的大气和水汽集中在对流层，依温度梯度，华南广州平流层底约17km气温-80℃，北方北京平流层底8km（冬）-17km（夏），气温-55℃（冬）--65℃（夏），平流层空气密度是地表的1-10%（气压10-100hPa）。

被誉为“地球生物生存繁衍的保护伞”的臭氧层是指距地面15～50km的大气平流层中臭氧浓度相对较高的部分。太阳能量以光子的形式发散，在真空中历时500秒达到地球。太阳辐射能1368W/m²，7%在紫外光谱区,最大能量在波长475nm处。太阳辐射通过大气时强度和光谱能量分布都发生变化。到达地面的太阳辐射能量约占对流层上部的45%，即55%的能量被大气反射和吸收，平流层的氧气吸收紫外光能生成活性氧原子和臭氧而“在天是佛”。

2、氧原子在平流层飘移

高能紫外裂解平流层稀薄的氧气分子产生的活性氧原子，“三晋云山皆北向”，在地球电磁场的作用下，活性氧原子（不是臭氧分子）向北极（或两极）高纬度地区流动。活性氧原子空中飘移沉降3小时，向北跑了1500-4000km，地球北纬35°地区3小时也转过了4000km。

3、臭氧的沉降和消耗

活性氧原子在平流层向北飘移，与氧分子等三体碰撞形成臭氧。臭氧比重大，不能停留在平流层，沉降到地表。沉降过程中在对流层被消耗还原成氧气，未被还原到达地表的臭氧“在地是魔”。

4、臭氧在线监测数值特征

地表臭氧监测数据表征的可能是臭氧的浓度，也可能是活性氧原子的量度，或者是空气的氧化能力。

中国地形分三级台阶，人口主要分布在海拔500米以下的三级台阶上平原丘陵地区。《中国人群暴露参数手册（成人卷）概要》把京津冀晋蒙豫同归为华北，成人平均长期呼吸量16.5m³/d，比华东华南多2%，但山西内蒙在二级台阶海拔较高，某市11个省控站因气压变化浓度折算提高7-17.5%，张家口国控站提高8.6%，与国际接轨的“标准状态”让山西内蒙等高原地区“输在起跑线上”。

吸收紫外光能的不仅有氧，还包括所有大气的分子、微尘、水汽等吸收、散射和反射，约有1%太阳紫外线到达地面。环境空气监测站点全部是城市站点，人类活动对城市气候影响尤为显著，与郊区相比有热岛、干岛、湿岛、混浊岛和雨岛等“五岛效应”，这些都影响着监测数值。在大气污染较轻的森林、山间、海岸周围存在比较丰富的臭氧。农村空气质量被忽略，其自净能力和环境容量也被无视，城市空气承受更大的压力。

四、吁请验证和研究臭氧“数据现象”

本文是“早产”的“观察报告”，数据现象的发现和猜想展示了一种观察研究的方法和表象，直观浅显非主流，这些“数据现象”可以在任何国控、省控、市控自动监测站点获得，都可以绘制成“散点图”验证这些现象，也可以获得授权在任何站点进行“干扰性”“验证性”试验。这些观点认识如果成立将具有颠覆性，将可能影响大气污染防控的方法和方向，如果不成立也需要深入研究和解释。吁请相关人员和机构能够从这个角度观察研究一下臭氧问题，希望有同行者，希望有人继续它。

武汉疫情把环保专家多年来所谓雾霾成因的重大研究成果击的粉碎（不是污染防治效果），新冠正在阻止全球变暖，全球疫情又把环保学家气候变暖理论击的粉碎！环保界还有多少理论需要去粗取精去伪存真？空洞、酸化、持久？世界正经历“百年未有之大变局”，中国和中国环保要有“自信”，要有自己的作为，少走些弯路，少一些“南辕北辙”“缘木求鱼”“大战风车”，实实在在的解决实实在在的环保问题。

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