华北工业城市夏季大气臭氧生成机制及减排策略_郑镇森.pdf

Eco-EnvironmentalKnowledge Web环 境 科 学Environmental Science第44卷第4期 2023年4月Vol44，No4 Apr，2023华北工业城市夏季大气臭氧生成机制及减排策略郑镇森1，窦建平2，张国涛1，李丽明1，徐勃3*，杨文1，白志鹏1*(1 中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室，北京100012;2 淄博市生态环境质量控制服务中心，淄博255030;3 山东省淄博生态环境监测中心，淄博255000)摘要:为了分析工业城市臭氧(O3)污染的特征及形成机制，2021 年 6 月在华北平原淄博市开展了综合观测，利用盒子模型(基于 MCMv3.3.1 化学机制)探究 O3前体物削减优化方案 结果表明:O3污染时期伴随静稳、高温低湿和强辐射等气象条件，含氧挥发性有机物(OVOC)和烯烃等人为源挥发性有机物(AVOC)组分对 O3生成潜势(OFP)和 OH反应速率(k OH)贡献率最大;模型研究发现 O3主要受本地光化学生成和以输出性为主的区域传输影响，本地污染管控对降低 O3污染更为重要;污染时期高浓度的 OH(10 106cm3)和HO2(14 108cm3)引发局地瞬时 O3生成速率高值(峰值 36 109h1)，HO2+NO 和 OH+NO2反应途径分别对本地 Ox光化学生成(63%)和去除(50%)收支贡献最大;相比于非污染时期，污染时期 O3生成控制分区更倾向于氮氧化物(NOx)控制区，基于不同排放情景的模拟结果进一步说明以 NOx减排为重点的协同减排策略能够有效控制当地 O3污染，该方法也可为我国其他城市 O3精准防控提供借鉴关键词:臭氧(O3);盒子模型;MCMv3.3.1 化学机制;O3-NOx-VOC 敏感性;臭氧减排情景模拟中图分类号:X515文献标识码:A文章编号:0250-3301(2023)04-1821-09DOI:1013227/j hjkx202210204收稿日期:2022-10-19;修订日期:2022-12-04基金项目:典型重工业城市大气有机气溶胶分子水平表征、来源解析及健康风险项目(G2021060002L);大气重污染成因与治理攻关项目(DQGG202119);淄博市生态环境局大气复合污染综合观测网络项目(SDG3703002020002000003)作者简介:郑镇森(1995 )，男，硕士研究生，主要研究方向为大气O3污染控制，E-mail:zhengzhensen20 mails ucas ac cn*通信作者，E-mail:a1163163 com;baizp craes org cnPhotochemical Mechanism and Control Strategy Optimization for Summertime OzonePollution in an Industrial City in the North China PlainZHENG Zhen-sen1，DOU Jian-ping2，ZHANG Guo-tao1，LI Li-ming1，XU Bo3*，YANG Wen1，BAI Zhi-peng1*(1 State Key Laboratory of Environmental Criteria and isk Assessment，Chinese esearch Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China;2 Zibo EcologicalEnvironment Quality Control Service Center，Zibo 255030，China;3 Zibo Eco-Environmental Monitoring Center，Zibo 255000，China)Abstract:To investigate the characteristics and formation mechanism of ozone(O3)pollution in an industrial city，an extensive one-month field campaign focusing on O3andits precursors(e g，volatile organic compoundsVOCand nitrogen oxidesNOx)was conducted in Zibo City，a highly industrializd city in the North China Plain，inJune 2021 The 0-D box model incorporating the latest explicit chemical mechanism(MCMv3.3.1)was applied using an observation dataset(e g，VOC，NOx，HONO，andPAN)as model contraints to explore the optimal reduction strategy for O3and its precursors The results showed that during high-O3episodes，stagnant weather conditionswith high temperature and solar radiation as well as low relative humidity were observed，and oxygenated VOCs and alkenes from anthropogenic VOCs contributed the most tothe total ozone formation potential and OH reactivity(k OH)The in-situ O3variation was primarily affected by local photochemical production and export processhorizontal to downwind areas or vertical to the upper layer The reduction in local emissions was essential to alleviate O3pollution in this region During high-O3episodes，high concentrations of OH(10 106cm3)and HO2(14 108cm3)radical drove and generated a high O3production rate(daytime peak value reached 36 109h1)The reaction pathways of HO2+NO and OH+NO2contributed the most to the in-situ gross Oxphotochemical production(63%)and photochemical destruction(50%)，respectively Compared to those during low-O3episodes，the photochemical regimes during high-O3episodes were more inclined to be considered as the NOx-limited regime Detailed mechanism modeling based on multiple scenarios further suggested that the synergic emission reduction strategy of NOxand VOC，while focusing onNOxemission alleviation，would be practical options for controlling local O3pollutions This method could also provide policy-related guidance for the precise O3pollutionprevention and control in other industrialized Chinese citiesKey words:ozone(O3);0-D box model;MCMv3.3.1 mechanism;O3-NOx-VOC sensitivity;optimum O3control scenario modelling近地面臭氧(O3)在太阳辐射条件下，经由氮氧化物(NOx)和 挥 发 性 有 机 物(volatile organiccompound，VOC)等前体物在一系列光化学反应下生成1 近地面高浓度的 O3会对人体健康、农作物和植被等产生不良影响2，3 自 2013 年大气污染防治行动计划 实施以来，我国颗粒物的浓度逐年降低，而 O3却呈现逐年攀升的态势4，5 因此针对性开展臭氧生成机制、主要来源和传输规律的研究，强化科技支撑，是应对我国 O3污染问题的关键，我国已经取得系列成果6 10 诊断不同前体物对 O3生成的敏感性是构建 O3精准防控体系的关键步骤，其研究方法主要有基于排放模型(emission-based model，EBM)、基于观测模型(observation-based model，OBM)和遥感反演等手段11 13 OBM 适用于探究局地 O3生成敏感性，更能反映实际大气污染特征，其分析手段主要有参数比值法13、烟雾产量模型(smog production model，SPM)14 和盒子模型15 等 盒子模型基于详细化学环境科学44 卷机制，以观测数据集为约束条件，该方法能更有效地评估局地 O3-NOx-VOC 敏感性，现已广泛应用于我国的城市群 O3污染研究16 19，例如分析得到 20132014 年期间武汉市的 O3生成控制分区整体上处于 VOC 控制区，石油和溶剂使用源对 O3生成贡献较大15;2017 年夏季华北平原的济南市则处于过渡区，其机动车排放对 O3污染形成贡献较大20 华北平原夏季 O3污染问题长期受到关注，如2019 京津冀地区 O3年评价值(O3日最大 8 h 滑动平均值的第 90 百分位数)为全国平均水平的 1.3倍21 位于华北平原地区的山东省淄博市，是一个O3体积分数逐年提升的工业城市，在 2015 2019年期间淄博市近地层 O3体积分数年增长趋势为2.9 109a1，但该地区 O3生成机制的相关研究有限22 本研究于 2021 年 6 月在淄博市开展了综合观 测，增 加 了 关 键 监 测 物 种如 oxygenatedvolatile organic compound(OVOC)、HONO 和过氧乙酰硝酸酯(PAN)等约束22，采用基于最新的MCMv3.3.1 化学机制的盒子模型方法模拟近地层O3化学反应过程，探究 O3生成的关键前体物及其影响，以期为我国面临 O3污染的工业城市开展针对性的管控提供支持1材料与方法1.1观测实验2021 年 6 月，在工业城市淄博市开展了一次为期 30 d 连续在线观测 观测站点(118.14E、36.86N)位于淄博市城区，毗邻交通主干道，周边 1 km 范围内无其他明显污染源 观测期间气象因素、O3及其前体物等观测参数和仪器型号如表 1 所示，各仪器皆由专门的人员运维，其质量控制与质量保证可参考以往发表的研究23 其中，VOCs 的观测仪器为在线气相色谱-质谱联用技术(GC-MS/FID，ThermoScientific GC5800)，时间分辨率为 1 h 空气