O3污染形成的原因是什么？关于 O3体积分数水平与污染状况
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对流层O3污染是局地光化学过程和区域输送共同作用的结果。
有研究表明，前体物排放处于高位及高反应活性前体物的化学转化是O3污染形成的主要内在原因，环境因子及气候条件是关键外在因子，三维立体传输（平流层输入、垂直混合及水平传输）是重要影响因素。
Wei等研究表明2015年以来我国夏季O3浓度及O3污染出现概率明显加重，尤其在华北平原和主要大气污染传输带（即“2+26”城市）。
Wang等对武汉城市圈区域O3生成机制的研究表明，（NO+HO2）过程主导着O3的光化学生成，（NO2+OH）过程主导O3光化学损耗，夜间（O3+烯烃）对于O3的汇作用不可忽视。
Shen等研究指出在珠三角地区，副热带高压控制下日照强、云量少和风力弱等气象条件有利于光化学反应生成较高浓度的O3而不利于其扩散，O3平均值较高。
谢放尖等研究表明南京市O3污染主要集中在春夏季，且O3污染的区域输送贡献明显。
Wang等进一步研究发现来自东南方向的O3传输是南京夏季夜间O3上升的主要原因。
Zeng等研究发现生物质燃烧、污染物输送和平流层入侵对北京上空对流层O3的贡献显著。
Liao等采用聚类算法解析北京地面O3日变化的主要型态、时变特征及其气象和化学影响机制，指出北京地面O3整日偏高型的形成有赖于夜间低空急流输送与日间前体物浓度增长两方面条件的共同作用。
作为我国中部地区重要的省份，山西省位于华北平原西面的黄土高原上，地形较为复杂，东倚太行山，西傍吕梁山，高原内部起伏不平，河谷纵横，由于地形不同导致了O3污染气象条件存在明显差异。
近年来，O3已成为继PM2.5之后山西超标最严重的大气污染物，山西O3污染显著加剧。
然而，与京津冀、长三角和珠三角地区相比而言，缺乏对该区域O3浓度分布特征及其影响因素等相关研究。
山西省大气成分观测网涵盖城市站点和高山站点，分别代表受人为活动影响较大和相对清洁可作为背景的站点，为分析山西典型区域的O3浓度分布差异以及不同区域间污染输送相互作用提供了支撑。
本研究利用2019年3月至2020年2月山西省大气成分观测网的6个地面观测站点观测的反应性气体O3、NO、NO2和NOx体积分数数据以及同期的气象资料，从O3的季、日变化特征、前体物NOx与气象条件以及气团输送的影响等方面进行分析，以期为山西省空气质量预报提供参考并对大气O3污染防治管理提供依据。
材料与方法
站点概述
山西省6个大气成分观测站从北到南依次为大同站(DT)、朔州站(SZ)、五台山站(WTS)、太原站(TY)、临汾站(LF)和晋城站(JC)，基本实现了山西全域网络覆盖（图1），6站均依托国家气象站建设，站址周围探测环境良好，且均已纳入国家温室气体观测网首批名录。
大同站(113.41°E，40.08°N，海拔1052.6m)和朔州站(112.43°E，39.37°N，海拔1114.8m)均位于山西省北部，分别地处大同盆地的中心和西南端，都属温带大陆性季风气候，大同站处在大同市城乡结合地区，周围有农田和林地环绕，东、西两侧分别邻近铁路和高速公路；朔州站位于朔州市主城区北部，四周分布有学校、企事业单位、居民住宅及多条城区交通主干道。
太原站(112.54°E，37.75°N，海拔776.2m)位于省会太原市南城区，地处太原盆地北端，也属温带大陆性气候，下垫面主要为水泥、沥青和少量的植被覆盖，站点临近城市快速路和高速口，受交通车辆影响明显。
临汾站(111.49°E，36.06°N，海拔449.5m)和晋城站(112.85°E，35.53°N，海拔794.0m)分别位于山西省的西南部和东南部，前者地处临汾盆地，属半干旱、半湿润季风气候，站点建在临汾市主城区西南部，人口较密集，紧邻近郊和外环快速路等交通主干道；后者地处晋城盆地，属暖温带半湿润大陆性季风气候，站点建于晋城市城乡结合区，附近分布有学校、公园、少量住宅及农田，除汽车尾气和居民生活排放外无明显污染源。
可见，以上5站观测结果主要代表了山西不同城市地区大气成分浓度水平，属于城市站点。
五台山站(113.52°E，38.95°N，海拔2208.3m)位于山西省东北部，属暖温带半干旱型森林草原气候的北端，因地处偏远，海拔较高，周边没有大的人为污染源，四周森林草地覆盖良好，已纳入中国气象局野外科学试验基地，属于高山站点。
山西省6个大气成分观测站地理位置示意
数据资料
6站采用的观测仪器分别为美国热电环境设备公司生产的49i紫外光度法O3分析仪，检测下限1.0×10-9(体积分数，下同)，零漂<1.0×10-9（24 h），跨漂<±1%（月）；42i化学发光NO-NO2-NOx分析仪，检测下限0.40×10-9，零漂<0.40×10-9（24 h），跨漂<±1%（满度值）。
所有仪器每日24 h连续采样，数据记录频率为5 min。
选取6站2019年3月至2020年2月O3、NO、NO2和NOx在线观测数据，利用仪器的日常零跨检查与定期多点校准等结果对原始数据进行质量控制和订正，各站均保留85%以上的有效数据，在此基础上计算小时均值和日均值等。
选取6站同期地面气象观测资料，包括逐小时气温、风速、风向、辐射以及日降水量、日日照时数等。
用于后向轨迹模式计算的气象场资料（2019年3月至2020年2月）为美国国家环境预报中心（NCEP）提供的全球资料同化系统（GDAS）数据，每日4个时次，即00:00、06:00、12:00和18:00，水平分辨率为1°×1°。
结合后向轨迹进行O3污染输送分析的气体资料，采用将O3观测数据的小时时间序列减去相应的30d滑动平均后时间序列的方法，取得与季节变化基本不相关的气体体积分数差值<∆φ（O3）>进行研究。
此外，选取2019年3~9月中国高分辨率高质量近地表O3污染物数据集（ChinaHighO3）进行地面MDA8O3浓度空间分布图的绘制，并与研究结果作比对。
结果与讨论
O3体积分数水平与污染状况
下面给出了6站O3日最大8h体积分数滑动平均值φ（MDA8O3）的逐日变化。
可以看出，研究时段内6站φ（MDA8O3）均表现出明显的日际变化，O3体积分数一般在4~9月较高，10月至翌年3月较低。
晋北的大同和朔州2站φ（MDA8O3）年变化趋势接近，且朔州φ（MDA8O3）整体上略高于大同，晋东北的五台山站φ（MDA8O3）还在3月出现了高值。
晋中部的太原站φ（MDA8O3）整年保持较低水平，晋南部的临汾和晋城2站φ（MDA8O3）都表现出夏半年高于冬半年的特点，但冬半年临汾φ（MDA8O3）明显低于晋城，与晋北部大同和朔州2站φ（MDA8O3）变化相近的特征不同。
研究期内山西6站φ（MDA8O3）逐日变化
下面给出了研究时段内山西6站φ（MDA8O3）超标天数及第90位百分数。
根据《环境空气质量标准》（GB 3095-2012）和《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》（HJ 633-2012），2019年除太原站仅在6月出现了φ（MDA8O3）超标，其余站均在5~9月发生φ（MDA8O3）超标，另外大同、临汾和晋城3站在4月也发生超标，而五台山站更是从3月起就出现了超标。
山西6站2019年φ（MDA8O3）超标天数从高到低依次为：晋城（60d）、临汾（55d）、五台山（54d）、朔州（40d）、大同（26d）和太原（2d），可以看出，晋南部的晋城和临汾站φ（MDA8O3）超标最严重，其次是晋北部的五台山、朔州和大同站，晋中部的太原站全年仅有2d发生超标，O3污染程度最轻。
从φ（MDA8O3）超标发生的月份来看，O3污染月份主要分布在5~9月，6站5~9月φ（MDA8O3）超标率均占全年超标率的88%以上，其间又以6月污染最严重，如太原站6月φ（MDA8O3）超标率占全年100%，其余5站6月φ（MDA8O3）超标率分别占全年的23%~39%，以上结论与《山西省大气环境气象公报（2019年）》基本一致。
由于朔州、五台山、临汾和晋城这4站的φ（MDA8O3）第90位百分数均超出二级标准限值160μg·m-3（折合等于75×10-9），因此这4站2019年O3超标。
研究期内山西6站φ（MDA8O3）超标天数及第90位百分数
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