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近年来随着城市化和工业化进程的加速,高浓度的臭氧和大气细粒子已成为我国京律地区、上海、珠江三角洲等地区现实而严峻的大气污染问题。挥发性有机物(VolatileOrganicCompounds,VOCs)在对流层光化学氧化循环中起到关键作用,它们在大气光化学反应过程中的消耗与臭氧的生成直接相关。目前国内对VOCs光化学消耗量的研究十分有限,这在一定程度上制约了对臭氧形成机制的深入探讨。
本研究选择光化学污染比较严重的珠三角和北京的市区和郊区作为研究对象,在VOCs连续在线观测的基础上,选取合适的天然源和人为源物种光化学消耗量的估算方法,系统地研究典型城市区域主要VOC物种的光化学消耗量及其与臭氧生成的相关关系。在此基础上,利用多元线性回归初步探讨不同地区臭氧生成与前体物(VOCs和NOx)初始浓度之间的内在关系,为该地区光化学污染控制和前体物削减策略提供科学的依据。
本论文通过两次大型综合外场观测,获得了珠三角和北京地区夏季VOCs浓度组成和时间分布特征。珠三角地区市区VOCs浓度水平明显高于下风向的郊区;北京地区市区点和和郊区点的浓度水平接近。两个市区观测点(GZ和PKU)的大部分人为源物种在早晚出现峰值,与交通流量变化一致。郊区点(BG和YFUA)主要人为源物种的峰值浓度出现在夜晚,并持续到第二天清晨。
根据异戊二烯及其氧化产物的实测浓度和它们的光化学反应机理,估算异戊二烯的光化学消耗量及初始浓度。北京市区点和郊区点异戊二烯的平均初始浓度分别为3.25±1.63ppbv和2.86±1.47ppbv,约是各自实测浓度的3.7倍和4.5倍。可见,忽略异戊二烯的光化学消耗量会低估其对臭氧生成的影响。利用校正后的初始浓度计算臭氧生成潜势,发现这两个点异戊二烯对臭氧生成的相对贡献增加了一倍。
利用二甲苯/乙苯的浓度比值确定气团光化学龄,再由各VOC物种的实测浓度和它们的光化学反应机理,估算人为源各物种的光化学消耗量。估算结果为,市区和郊区观测点中,烯烃和芳香烃都是VOCs光化学消耗量的主要贡献者。观测期间,市区点(GZ和PKU)的VOCs和NOx光化学消耗量的日变化规律,与臭氧和PAN等二次污染物基本吻合,在午后出现峰值。郊区点(BG和YUFA)大部分时间段前体物光化学消耗量的变化规律与臭氧生成一致,但在个别臭氧浓度高值时段前体物的光化学消耗量并未出现相应的峰值,这说明除本地光化学过程之外,臭氧生成可能受气团传输的影响。
采用基于观测的研究方法(OBM),对臭氧峰值浓度和前体物的初始浓度进行多元线性回归,考察不同地区VOCs和NOx对臭氧生成的敏感性。结果发现:在两个市区点(GZ和PKU)臭氧生成对VOCs比较灵敏,单位VOCs的减少造成臭氧显著降低。在两个郊区点(BG和YUFA),NOx和VOCs的降低均造成臭氧峰值浓度的下降,而且,单位氮氧化物减少造成的臭氧降低较VOCs更加显著。但是若要使区域内有效控制臭氧污染,需要同时减少VOC和NOx的初始浓度水平来实现。