湖北臭氧分布特征及其管控措施

陳 楠，陸興成，姚 騰，操文祥，楊 諾，許 可，祝 波，馮志雄，4，田一平

1.湖北省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，湖北 武漢 430072 2.香港科技大學(xué)環(huán)境學(xué)部，香港 999077 3.鄂州市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，湖北 鄂州 436099 4.香港科技大學(xué)數(shù)學(xué)系，香港 999077

湖北臭氧分布特征及其管控措施

陳 楠1，陸興成2，姚 騰2，操文祥1，楊 諾3，許 可1，祝 波1，馮志雄2，4，田一平1

1.湖北省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，湖北 武漢 430072 2.香港科技大學(xué)環(huán)境學(xué)部，香港 999077 3.鄂州市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，湖北 鄂州 436099 4.香港科技大學(xué)數(shù)學(xué)系，香港 999077

采用地面站點(diǎn)觀測(cè)、衛(wèi)星觀測(cè)以及UWCM 0-D箱子模型模擬的方法研究湖北2013—2015年臭氧時(shí)空分布特征，并探討其管控措施。從地面站點(diǎn)觀測(cè)看出，時(shí)間分布上，這3年臭氧年平均濃度經(jīng)歷先下降后上升的過(guò)程，總體呈上升趨勢(shì)，而二氧化氮年平均濃度則呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢(shì)；空間分布上，湖北各區(qū)域臭氧濃度分布不均勻，呈現(xiàn)東高西低的遞減分布趨勢(shì)。 從衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)看出，2015年湖北的臭氧柱濃度高于2013、2014年同期。從空間分布來(lái)看，臭氧的柱濃度是從東北到西南、從省外到省內(nèi)逐漸遞減，因此推測(cè)，除了本地生成，湖北的臭氧有一部分是來(lái)源于省外傳輸。最大臭氧生成量法顯示，烯烴(乙烯和丙烯)對(duì)湖北夏天臭氧生成量的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于其他揮發(fā)性有機(jī)化合物。箱子模型模擬的結(jié)果顯示，湖北應(yīng)該通過(guò)控制揮發(fā)性有機(jī)化合物的排放來(lái)降低臭氧生成速率，控制氮氧化物反而使臭氧生成速率提高。

湖北；臭氧；生成速率；箱子模型；管控

2015年湖北17個(gè)城市地面站點(diǎn)觀測(cè)的臭氧平均濃度[根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012，指第90百分位日最大8 h平均質(zhì)量濃度，下同]為146 μg/m3；而對(duì)于2013年起開(kāi)展監(jiān)測(cè)的1個(gè)城市(武漢)，其2015年平均濃度較2013年上升5.6%，較2014年上升9.0%；對(duì)于2014年起開(kāi)展監(jiān)測(cè)的3個(gè)城市(武漢、宜昌、荊州)，其2015年平均濃度較2014年平均上升14.8%。2015年武漢、荊州、鄂州、咸寧、黃岡、潛江6個(gè)鄂東地區(qū)臭氧超標(biāo)，2016年上半年8個(gè)城市臭氧濃度較上年同期有所上升[1-4]。臭氧成為繼細(xì)顆粒物之后湖北第二大首要污染物。嚴(yán)峻的臭氧污染問(wèn)題，大大超過(guò)了湖北省大氣環(huán)境的承載能力，對(duì)區(qū)域景觀、人體健康和生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成了巨大危害，嚴(yán)重制約了湖北省城市群競(jìng)爭(zhēng)力的整體提升和區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。因此，遏制湖北省臭氧污染進(jìn)一步惡化的趨勢(shì)，改善空氣質(zhì)量，保障公眾健康，已經(jīng)成為湖北省環(huán)境保護(hù)工作中一項(xiàng)刻不容緩的任務(wù)。

然而臭氧作為二次污染物，形成機(jī)理復(fù)雜，污染防控難度大，其前體物的類型、濃度和比例直接影響臭氧的生成。目前湖北對(duì)臭氧的基礎(chǔ)研究薄弱，各城市缺乏本地化研究，沒(méi)有全面開(kāi)展前體物清單調(diào)查，臭氧管控措施仍需進(jìn)一步探討。近地面臭氧作為二次污染物，在同等氣象條件下，濃度取決于其前體物VOCs、NOx的組分和濃度，但它們之間的關(guān)系是非線性的。不同地區(qū)臭氧污染的控制要素是不同的。因此，在治理臭氧污染時(shí)應(yīng)首先摸清地區(qū)臭氧污染控制要素，合理配置資源，才能得到最大環(huán)境效益[5-9]。本研究采用地面站點(diǎn)觀測(cè)、衛(wèi)星觀測(cè)以及UWCM 0-D箱子模型模擬的方法來(lái)研究湖北省臭氧的時(shí)空分布特征，摸索其生成和傳輸規(guī)律，并探討適合湖北省的有效管控措施。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1地面站點(diǎn)監(jiān)測(cè)方法

本研究中使用的地面站點(diǎn)為國(guó)家空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)城市站(以下簡(jiǎn)稱“國(guó)控站”)，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括二氧化硫、二氧化氮、可吸入顆粒物、一氧化碳、臭氧、細(xì)顆粒物、能見(jiàn)度及氣象參數(shù)等。湖北17個(gè)城市，2013年僅有武漢1個(gè)城市開(kāi)展了環(huán)境空氣中的臭氧監(jiān)測(cè)，2014年有武漢、宜昌和荊州3個(gè)城市開(kāi)展了臭氧監(jiān)測(cè)，2015年起17個(gè)城市全面開(kāi)展臭氧監(jiān)測(cè)。

本研究中還使用了湖北省、鄂州市大氣復(fù)合污染自動(dòng)監(jiān)測(cè)站(以下簡(jiǎn)稱“超級(jí)站”，分別位于武漢、鄂州)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。超級(jí)站配套有完善、先進(jìn)的監(jiān)測(cè)設(shè)備，不僅能完成常規(guī)環(huán)境空氣質(zhì)量參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)，還可以獲取氣態(tài)污染物及大氣顆粒物的理化特性、氣象等在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。具體監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及其相關(guān)儀器設(shè)備如表1所示。

表1 超級(jí)站的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及儀器設(shè)備

1.2遙感監(jiān)測(cè)方法

地面站點(diǎn)觀測(cè)雖然可以給出詳細(xì)的臭氧小時(shí)濃度，但對(duì)臭氧的分析僅局限于各個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)。衛(wèi)星觀測(cè)可以提供整個(gè)湖北的臭氧柱濃度分布。本研究采用臭氧觀測(cè)儀(OMI)三級(jí)月均產(chǎn)品對(duì)湖北臭氧柱濃度的分布進(jìn)行分析。OMI搭載在Aura衛(wèi)星上，過(guò)境時(shí)間一般為當(dāng)?shù)氐?3:00—14:00，OMI傳感器的波長(zhǎng)范圍以及波譜分辨率分別為270～500 nm、0.5 nm。該傳感器天底觀測(cè)空間分辨率為13 km×24 km，軌道掃描幅寬為2 600 km，可提供每日全球覆蓋觀測(cè)[10-11]。除了臭氧柱濃度，OMI傳感器還可以監(jiān)測(cè)氣溶膠、云以及大氣中的其他氣體，如二氧化氮、二氧化硫以及甲醛等的柱濃度。OMI的相關(guān)產(chǎn)品可以通過(guò)TEMIS的網(wǎng)站下載(http://www.temis.nl/index.php)。

1.3UWCM0-D箱子模型

本研究采用UWCM 0-D箱子模型模擬8月武漢的臭氧生成速率。UWCM 0-D箱子模型(以下簡(jiǎn)稱“箱子模型”)是從UW-CAFE 1-D模型改編而成[12]。該模型采用Master Chemical Mechanism (MCM) v3.2化學(xué)機(jī)制[13-14]。在本研究中，箱子模型的氣態(tài)污染物濃度采用國(guó)控站和超級(jí)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，在本研究中，將超級(jí)站各類揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)濃度、臭氧、一氧化碳、亞硝酸、硝酸以及相關(guān)的氣象數(shù)據(jù)(溫度、濕度和氣壓)代入到模型里運(yùn)行，從而得出臭氧生成速率。除了氣態(tài)污染物的濃度數(shù)據(jù)作為輸入，本研究中的箱子模型同時(shí)需要應(yīng)用衡量氣體光解速率。美國(guó)大氣研究中心(NCAR)的 Tropospheric Ultraviolet and Visible (TUV) 模型用來(lái)計(jì)算大氣中的光解速率，本研究中我們同時(shí)考慮了大氣中氣溶膠的光學(xué)厚度以及臭氧柱濃度對(duì)光解速率的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1地面站點(diǎn)觀測(cè)的臭氧及二氧化氮濃度分布

2.1.1 時(shí)間分布

湖北臭氧監(jiān)測(cè)時(shí)間跨度最長(zhǎng)的城市是武漢，從2013年就開(kāi)展了臭氧監(jiān)測(cè)，因此，以武漢10個(gè)國(guó)控站為例分析湖北臭氧及二氧化氮濃度的時(shí)間分布。

表2是2013—2015年湖北武漢10個(gè)國(guó)控站和全市的臭氧年平均濃度。可以看出，盡管2014年武漢全市臭氧年平均濃度較2013年略有下降，但在這3年間總體仍呈上升趨勢(shì)。臭氧年平均濃度增幅最大的是東湖梨園，年平均濃度由2013年的142 μg/m3升至2015年的187 μg/m3，增幅為31.7%；其次為東湖高新，增幅11.4%；還有5個(gè)站點(diǎn)年平均濃度增幅為5%～10%；武昌紫陽(yáng)、漢口江灘的年平均濃度增幅相對(duì)較小，沒(méi)有超過(guò)5%；僅有漢陽(yáng)月湖、漢口花橋的年平均濃度略呈下降趨勢(shì)，但降幅均沒(méi)有超過(guò)5%。

表2 武漢國(guó)控站2013—2015年臭氧年平均濃度

如圖1所示，在各年度中臭氧濃度較高的4—10月，其年度差異也比較明顯。如2013年的5月和9月臭氧平均濃度最高，而2014年6月最高，2015年則是5月和8月最高。

圖1 武漢2013—2015年4—10月全市臭氧平均濃度Fig.1 Average concentrations of ozone from April to October during 2013-2015 in Wuhan

NOx和VOCs是臭氧的前體物。表3是武漢國(guó)控站和全市二氧化氮的年平均濃度。除了沉湖七壕，二氧化氮的年均質(zhì)量濃度在2013年基本為50～65 μg/m3，而在2015年則基本為45～60 μg/m3；部分站點(diǎn)(如青山鋼花、東湖高新和吳家山)的二氧化氮年平均質(zhì)量濃度在2013—2015年3年內(nèi)下降超過(guò)10 μg/m3。

3年間臭氧濃度的時(shí)間變化趨勢(shì)和二氧化氮的時(shí)間變化趨勢(shì)并不是完全一致的，如全市臭氧年平均濃度經(jīng)歷先下降后上升的過(guò)程，而二氧化氮年平均濃度則呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢(shì)。

表3 武漢國(guó)控站2013—2015年二氧化氮年平均質(zhì)量濃度

2.1.2 空間分布

從空間分布來(lái)說(shuō)，如表2和表3所示，即使在同一個(gè)城市，不同站點(diǎn)間臭氧濃度、二氧化氮濃度也會(huì)相差較大。2015年，臭氧年平均質(zhì)量濃度最高的沉湖七壕和最低的漢口江灘相差了大約40 μg/m3，而同年二氧化氮年平均質(zhì)量濃度最高的漢陽(yáng)月湖和最低的沉湖七壕也相差了大約40 μg/m3。所以，這個(gè)區(qū)域臭氧和二氧化氮濃度的空間分布是不均勻的。

從全省范圍來(lái)看，如圖2所示，2015年4—10月臭氧平均濃度空間分布不均勻，呈現(xiàn)東高西低的遞減分布趨勢(shì)。

圖2 湖北2015年4—10月臭氧濃度Fig.2 Spatial distribution of ozone in Hubei from April to October in 2015

從地面站點(diǎn)觀測(cè)結(jié)果看，湖北臭氧及二氧化氮濃度在時(shí)間、空間上分布不均勻，且具有不同特征。導(dǎo)致這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可能是由不同年份、不同月份、不同站點(diǎn)所在區(qū)域間臭氧前體物的濃度及組分(比如工業(yè)排放、秸稈焚燒等情況不同)、光照強(qiáng)度及溫度等的差異造成臭氧生成機(jī)制有所區(qū)別，也可能是某些站點(diǎn)的臭氧濃度受到了區(qū)域傳輸?shù)挠绊憽３粞跎蓹C(jī)制和傳輸影響的不一致性給湖北臭氧管控的政策制定帶來(lái)了一定的難度。

2.2遙感觀測(cè)的臭氧柱濃度

從圖3可以看出，湖北8月的臭氧柱濃度在2013—2015年不是單調(diào)遞增或者單調(diào)遞減。從整個(gè)區(qū)域分布來(lái)看，2015年8月臭氧平均濃度是3年中最大的，大部分地區(qū)的臭氧柱濃度達(dá)到了286 Du，普遍大于2014年8月的濃度。在空間分布上，湖北東部、北部的臭氧柱濃度普遍較高，湖北西部、南部的臭氧柱濃度比全省其他地區(qū)低，臭氧的柱濃度分布是由東北到西南逐漸遞減的，且省外高于省內(nèi)。由此推斷，湖北的臭氧除了省內(nèi)生成外，還有一部分來(lái)源于省外傳輸。需要進(jìn)一步了解臭氧省內(nèi)生成和省外傳輸?shù)谋壤M(jìn)行更加詳細(xì)的研究(如運(yùn)用3D化學(xué)傳輸模式)，從而更好地制定與落實(shí)相關(guān)的臭氧管控措施。

2.3遙感觀測(cè)的甲醛和二氧化氮的濃度比值

湖北的臭氧受到省外跨區(qū)域傳輸影響的同時(shí)，省內(nèi)生成的臭氧仍占觀測(cè)到臭氧的較大比例。圖4是湖北2013—2015年8月甲醛和二氧化氮質(zhì)量濃度比(FNR)。甲醛的柱濃度3級(jí)產(chǎn)品也是來(lái)自O(shè)MI衛(wèi)星數(shù)據(jù)。當(dāng)FNR<1時(shí)，說(shuō)明該地的臭氧生成量主要受VOCs濃度的制約；當(dāng)12時(shí)，表明該地的臭氧生成量受NOx濃度的制約[15]。雖然這個(gè)指數(shù)是根據(jù)美國(guó)洛杉磯的VOCs成分和臭氧濃度得出的，但因?yàn)榇蟛糠种袊?guó)城市的臭氧污染程度以及VOCs的濃度和部分北美城市相近，因此有相關(guān)研究也使用這個(gè)指數(shù)來(lái)探討我國(guó)的臭氧控制措施[16-17]。

圖3 湖北2013—2015年8月OMI臭氧柱濃度Fig.3 Ozone column concentrations in August of 2013, 2014 and 2015

圖4 湖北2013—2015年8月甲醛與二氧化氮質(zhì)量濃度比(FNR)Fig.4 The ratios of formaldehyde to nitrogen dioxide in August of 2013, 2014 and 2015

可以看出，2013—2015年8月的FNR在整個(gè)湖北均小于1。這個(gè)結(jié)果說(shuō)明，湖北8月在OMI過(guò)境時(shí)的臭氧生成量均受VOCs濃度的控制。需要注意的是，這個(gè)結(jié)果只能反映衛(wèi)星過(guò)境時(shí)(13:00—14:00)的情況。珠三角的相關(guān)研究表明[18]，臭氧生成量受VOCs和NOx濃度的制約情況在一天內(nèi)是不斷變化的。因此，不能僅僅根據(jù)這個(gè)結(jié)果去推斷8月整個(gè)湖北都應(yīng)該控制VOCs的排放從而使湖北的臭氧濃度降低。在以后的研究里，還需要進(jìn)一步通過(guò)3D化學(xué)傳輸模型對(duì)整個(gè)湖北的臭氧生成機(jī)制進(jìn)行研究。

2.4湖北VOCs關(guān)鍵活性成分及其對(duì)臭氧生成量的貢獻(xiàn)

通過(guò)OMI衛(wèi)星數(shù)據(jù)的FNR得知湖北的臭氧生成量主要受VOCs濃度的影響，因此有必要去分析湖北各主要VOCs的濃度以及它們的主要化學(xué)性質(zhì)。本研究收集了湖北東部城市武漢和鄂州超級(jí)站2015年8月VOCs的數(shù)據(jù)。由圖5可以看出，武漢6種主要VOCs濃度均大于鄂州，特別是武漢的甲苯與丙烷質(zhì)量濃度，8月平均值分別達(dá)4.01 μg/m3和6.33 μg/m3；而鄂州的甲苯和丙烷質(zhì)量濃度僅為1.13 μg/m3和1.65 μg/m3。乙烯濃度在2個(gè)城市比較接近，分別為3.27 μg/m3和2.45 μg/m3。通過(guò)一些VOCs平均濃度的比，可以進(jìn)一步了解湖北本地VOCs的相關(guān)性質(zhì)。例如，甲苯與苯體積比可以用來(lái)評(píng)價(jià)機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣對(duì)VOCs的貢獻(xiàn)[19]，當(dāng)甲苯和苯的體積比小于2時(shí)，表示當(dāng)?shù)氐腣OCs氣團(tuán)受機(jī)動(dòng)車(chē)影響顯著。武漢和鄂州的甲苯與苯的體積比分別為0.70和0.54，說(shuō)明2個(gè)地方的VOCs氣團(tuán)均明顯受機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣影響。乙烷和乙炔的體積比則通常用來(lái)評(píng)價(jià)氣團(tuán)的光化學(xué)年齡，新鮮的機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣氣團(tuán)中該比值為0.47±0.26[20]，乙炔會(huì)隨著光化學(xué)的反應(yīng)進(jìn)行而被消耗掉。因此，該比值越大，說(shuō)明VOCs的光化學(xué)年齡越長(zhǎng)。在武漢和鄂州，這個(gè)比值分別為2.67和2.31，表明這2個(gè)地方的大氣存在著光化學(xué)老化現(xiàn)象，間接反映了光化學(xué)反應(yīng)在這2個(gè)地方相對(duì)比較活躍。

圖5 武漢和鄂州8月6種主要VOCs月均質(zhì)量濃度Fig.5 Monthly average concentrations of six main VOCs in August in Wuhan and Ezhou

由于各種VOCs的化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，不能僅根據(jù)各種VOCs的濃度去判斷它們各自光化學(xué)反應(yīng)活性以及對(duì)臭氧生成量的貢獻(xiàn)。因此，需要分析VOCs的最大增量活性[21]，從而掌握各主要VOCs的臭氧生成量。表4給出了各VOCs和OH的反應(yīng)速率、最大增量活性、VOCs物種的濃度(白天06:00—18:00平均值)及能夠產(chǎn)生臭氧的最大濃度。

表4 武漢、鄂州主要VOCs的濃度以及最大臭氧生成量

注:1)相關(guān)VOCs在298 K時(shí)和大氣中的羥自由基OH反應(yīng)速率,單位mol/(cm3·s)[22]； 2)MIR為最大增量反應(yīng)活性，表示單位VOCs增加所產(chǎn)生的臭氧量; 3) [VOCs]×MIR,單位μg/m3。

從VOCs和羥自由基OH的反應(yīng)速率可以看出，乙烯、丙烯、甲苯以及乙苯具有比較大的反應(yīng)活性，分別達(dá)8.52、26.30、5.96、7.10 mol/(m3·s)。部分VOCs在武漢和鄂州的濃度相差比較大，如丙烷、甲苯和乙苯在武漢的質(zhì)量濃度分別為6.33、4.62、3.33 μg/m3；而在鄂州，這3種VOCs的日間質(zhì)量濃度僅為2.88、1.12、0.52 μg/m3。濃度的差別也導(dǎo)致最大臭氧生成量的不同，如苯、甲苯和乙苯在武漢日間的最大臭氧生成量為2.67、17.91、9.75 μg/m3，而在鄂州這3種VOCs日間最大臭氧生成量?jī)H為1.08、4.35、1.52 μg/m3。在武漢和鄂州影響臭氧生成量的最重要VOCs均為乙烯，其最大臭氧生成量在2個(gè)城市分別達(dá)28.65、20.50 μg/m3。乙烯和丙烯在武漢和鄂州對(duì)臭氧生成量的貢獻(xiàn)比較大，因此控制這2種氣態(tài)污染物的排放可以達(dá)到降低臭氧濃度的目的。

2.5湖北臭氧生成速率影響因素及管控措施探討

通過(guò)模型手段探討臭氧管控措施，從而確定是控制VOCs還是控制NOx。位于武漢的湖北省超級(jí)站VOCs觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量相對(duì)較好，區(qū)域代表性較強(qiáng)，因此以武漢2015年8月為例，用箱子模型模擬臭氧生成速率(06:00—18:00平均值)。從表5可以看出，8月武漢日間平均臭氧生成速率為39.0 μg/(m3·h)h，小于2007年8月北京的臭氧生成速率[64.3 μg/(m3·h)][23]。主要原因是由于北京2007年8月的芳香烴遠(yuǎn)高于武漢2015年8月的芳香烴濃度。從表5也可以看出，隨著VOCs濃度的下降，臭氧生成速率也在逐漸下降，當(dāng)VOCs濃度下降到原來(lái)的50%時(shí)，臭氧生成速率從39.0 μg/(m3·h)降至18.4 μg/(m3·h)。但是控制NOx則起到了相反作用，隨著NOx濃度的下降，臭氧生成速率不降反升，當(dāng)NOx濃度降至原來(lái)的50%時(shí)，臭氧生成速率升至61.7 μg/(m3·h)，比原來(lái)的臭氧生成速率升高了21.4 μg/(m3·h)。當(dāng)同時(shí)控制NOx和VOCs排放時(shí)，臭氧生成速率呈略微下降趨勢(shì)，如同時(shí)控制VOCs和NOx濃度至原來(lái)的50%時(shí)，臭氧生成速率略微下降至33.6 μg/(m3·h)，比原來(lái)降低了約14%。

表5 控制VOCs和NOx對(duì)臭氧生成速率的影響

根據(jù)第2.4節(jié)的討論，可以得出烯烴在武漢和鄂州對(duì)臭氧生成量的貢獻(xiàn)比較大。因此，用箱子模型又分別進(jìn)行了3個(gè)模擬：除去所有的烯烴;除去所有的芳香烴;除去所有的烷烴。模擬的臭氧生成速率分別為23.4、26.6、37.1 μg/(m3·h)，從而再一次驗(yàn)證了在武漢烯烴對(duì)臭氧生成速率的貢獻(xiàn)也是最大的。雖然烷烴的濃度是所有VOCs里面最高的，但是由于烷烴的化學(xué)性質(zhì)不活潑，因此對(duì)臭氧生成速率的貢獻(xiàn)十分有限。

經(jīng)過(guò)箱子模型的模擬，得出控制VOCs是降低武漢臭氧生成速率的最好途徑，這個(gè)結(jié)果跟OMI衛(wèi)星數(shù)據(jù)的FNR結(jié)果一致。同時(shí)控制NOx和VOCs也可以起到降低臭氧生成速率的作用，但是效果不明顯。同時(shí)，結(jié)果也顯示烯烴是VOCs里對(duì)臭氧生成量和臭氧生成速率貢獻(xiàn)最大的，因此，可以考慮從控制烯烴(乙烯或者丙烯)開(kāi)始來(lái)降低湖北的臭氧生成速率。

3 結(jié)論

1)地面站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，時(shí)間分布上，2013—2015年3年間武漢臭氧年平均濃度經(jīng)歷先下降后上升的過(guò)程，總體呈上升趨勢(shì)，而二氧化氮年平均濃度則呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢(shì)；不同年度間，臭氧濃度月度分布也不盡相同；空間分布上，湖北各區(qū)域臭氧濃度和二氧化氮濃度分布不均勻，其中臭氧濃度呈現(xiàn)東高西低的遞減分布趨勢(shì)。

2)OMI衛(wèi)星數(shù)據(jù)的臭氧柱濃度顯示湖北的臭氧柱濃度在2013—2015年3年中不是單調(diào)遞增或者單調(diào)遞減。其中，2015年8月的臭氧柱濃度最大，普遍高于2014年8月和2013年8月。從區(qū)域分布來(lái)看，臭氧柱濃度是從東北到西南、從省外到省內(nèi)逐漸遞減，因此推測(cè)，除了省內(nèi)生成，湖北的臭氧有一部分是來(lái)源于省外傳輸。衛(wèi)星數(shù)據(jù)的FNR顯示湖北的臭氧生成量受到VOCs濃度的控制。

3)武漢的主要VOCs濃度普遍高于鄂州的VOCs濃度。特別是甲苯和苯的濃度，武漢8月這2種VOCs的質(zhì)量濃度達(dá)到4.01 μg/m3和6.33 μg/m3，而鄂州這2種VOCs的質(zhì)量濃度僅為1.13 μg/m3和1.65 μg/m3。相關(guān)VOCs濃度的對(duì)比說(shuō)明，湖北的VOCs濃度受機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣的貢獻(xiàn)比較大，同時(shí)光化學(xué)反應(yīng)對(duì)VOCs氣體老化作用比較大。通過(guò)最大增量活性發(fā)現(xiàn)，8月武漢和鄂州VOCs中烯烴(乙烯+丙烯)對(duì)臭氧生成量的貢獻(xiàn)比其他VOCs種類要大，可以考慮從控制這2種VOCs入手控制湖北的臭氧濃度。

4)箱子模型的模擬顯示，8月武漢的日間臭氧生成速率達(dá)39.0 μg/(m3·h)。通過(guò)控制VOCs、控制NOx、同時(shí)控制VOCs和氮氧化物的敏感性實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，控制VOCs是最有效降低臭氧生成速率的途徑，當(dāng)把VOCs降至50%時(shí)，日間臭氧生成速率從39.0 μg/(m3·h)降至18.4 μg/(m3·h)。控制NOx反而會(huì)令臭氧的生成速率升高，當(dāng)把NOx濃度限制在原來(lái)濃度的50%時(shí)，日間臭氧生成速率會(huì)增至61.7 μg/(m3·h)。同時(shí)控制VOCs和NOx對(duì)臭氧的生成速率影響不大。同時(shí)，在分別除去烯烴、芳香烴和烷烴的實(shí)驗(yàn)中，箱子模型的模擬進(jìn)一步驗(yàn)證了烯烴是對(duì)臭氧生成速率影響最大的VOCs種類。因此，可以考慮從控制烯烴開(kāi)始來(lái)降低湖北的臭氧生成速率。

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OzoneDistributionCharacteristicsandItsControlMeasuresinHubei

CHEN Nan1, LU Xingcheng2, YAO Teng2, CAO Wenxiang1, YANG Nuo3, XU Ke1, ZHU Bo1, FENG Zhixiong2,4, TIAN Yiping1

1.Hubei Environmental Monitoring Center Station, Wuhan 430072, China 2.Division of Environment, Hong Kong University of Science & Technology, Clear Water Bay, Hongkong 999077, China 3.Ezhou Environmental Protection Monitoring Station, Ezhou 436099, China 4.Department of Mathematics, Hong Kong University of Science & Technology, Clear Water Bay, Hongkong 999077, China

Ground site observation, satellite observation and UWCM 0-D box model simulation were used to study the spatial and temporal distribution of ozone in Hubei during 2013-2015, and then its control measures were examined. From the data in observation stations, the annual average concentration of ozone decreased in 2014 and then increased in 2015 when compared to that in 2013. In contrast, the annual average concentrations of the nitrogen dioxide showed a decreasing trend during these three years. The spatial distribution of the ozone concentrations in Hubei is uneven, with a trend of decreasing distribution from east to west. Seen from the satellite observations, ozone column concentration in 2015 is higher than that in 2013 and 2014. Spatial distribution indicates that ozone column concentrations gradually decreased from northeast to southwest, from outside to inside of the province, which suggests that in addition to local generation, part of ozone in Hubei came from the regional transport. According to the method of maximum ozone formation, olefins (ethylene and propylene) contributed more ozone generation in summer than other VOCs (volatile organic compounds). The box model simulation results showed that Hubei should control the emission of VOCs to reduce the ozone production, while controlling the nitrogen oxide would raise the ozone generation rate.

Hubei; ozone; generation rate; box model; control

X823；X515

：A

：1002-6002(2017)04- 0150- 09

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.04.19

2016-11-21;

：2017-02-01

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃試點(diǎn)專項(xiàng)(2016YFC0200900);湖北省環(huán)保廳環(huán)保科研項(xiàng)目(2016HB03,2016HB04)

陳 楠(1981-)，女，湖北武漢人，博士，高級(jí)工程師。

田一平