北京城市與西北遠郊地表臭氧濃度梯度移動監測研究

張紅星,韓立建,任玉芬,姚余輝,孫旭,王效科,周偉奇,鄭華

中國科學院生態環境研究中心,城市與區域生態國家重點實驗室,北京城市生態系統研究站, 北京 100085

臭氧(O3)是空氣的重要微量成分,約90%的臭氧存在于平流層,吸收紫外線,保護地球生物與環境,對人類是有利的;約10%的臭氧存在于對流層,具有消菌殺毒的功效,但臭氧濃度持續增加可能會構成大氣污染,對生態系統和生物健康造成不利影響。20世紀70年代以來,對流層中臭氧的背景濃度以每年0.5%—2%的速率增長[1]。以北京為例,2004年以來北京市臭氧濃度整體呈現上升趨勢[2-3],城市與區域臭氧濃度升高以及空氣氧化性增強引發的環境問題日益引起關注[2- 11]。

從空間分布看,點位監測表明北京城區地表臭氧濃度相對較低,周邊區縣相對較高[12]。然而飛機監測發現北京及周邊區域1.5km以下受近地面人為活動影響較大,在水平方向上,0—2km范圍內城區四環內臭氧濃度高[13]。北京城市與區域空間臭氧格局需要進一步監測研究。

相比空中臭氧,地表臭氧濃度對人與各類生態系統影響更直接,但是人們尚不清楚在城市與區域空間上臭氧的濃度分布規律。此前關于地表臭氧的研究多集中于點位觀測或聯網觀測[2,4,10,12,14-15]。然而,因為點位監測代表的空間范圍不確定,臭氧在地表的空間格局仍然不清晰。盡管有研究發現北京西部和北部臭氧平均濃度高,但是這些研究也是基于點位的監測數據,目前缺少臭氧在這些區域空間上連續變化規律的報道。此外有研究表明,植物排放的BVOC在臭氧生成過程中發揮作用[16],可以使白天的臭氧濃度升高[17],然而植被與臭氧的關系的觀測研究較少。

本研究采用北京城市生態系統研究站移動監測的數據資料,選擇夏季典型臭氧污染天氣,沿道路多點位水平方向移動監測北京城市到西北郊區、遠郊臭氧濃度變化特征,用遙感技術獲取道路沿線植被歸一化指數NDVI,研究二者之間的關系,結合天氣形勢和氣團軌跡分析,揭示北京城市與遠郊地表臭氧遞變規律及植被機制。

1 材料與方法

1.1 監測儀器

采用臭氧濃度分析儀(49i,美國熱電公司)測定臭氧濃度, 檢測方法為紫外光度法,根據紫外光經過樣品后被吸收的程度計算出臭氧的濃度,零點漂移<2.14μg/m3/24h,跨度漂移1個月小于1%,最低可檢測限μg/m3,最大量程4285.71μg/m3。每次監測前都用Thermo 49i-PS校正49i,監測頻率為60s。

1.2 監測方法

把臭氧分析儀49i搭載在移動監測車上,用氣泵通過采樣桿從車頂部室外抽入空氣,從車底部排出空氣,臭氧分析儀49i通過其內置氣泵從采樣桿分流口采集氣體樣品,分析完畢通過廢氣通道從車底部排出,采樣管從車頂伸出車外40cm,離地面約3.3m。工控機實時記錄監測數據,每60s返回1次監測數值;用開發的移動監測車供電系統給儀器供電;用基于GPS的車輛定位跟蹤系統實時記錄車輛的經度、緯度、速度。經緯度的精度約10 m。

選擇夏季典型無風晴天,沿固定線路從北京城內到西北遠郊,行進的同時監測。從林業大學北路出發,經由城市支路,三環路、然后通過京藏高速(G6)出城,往北京西北遠郊行駛,經由昌赤城路到延慶大莊科鄉(圖1)然后返程,經由昌赤路、京藏高速、林萃路等,回到出發地點林業大學北路。移動測定的時間是2012年5月10日14:16到19:21;7月24日13:25到18:30;8月24日12:08到18:05。這3天是典型的臭氧污染天氣。表1中詳細介紹了移動監測車具體運行時間、道路類型、名稱及代表區域。為了便于控制時間變化對臭氧濃度變化的影響,把移動監測過程依據監測車運行的地段和相應時間分段(表1)。

在監測車移動監測臭氧濃度的同時,對照點北京城市生態系統研究站的教學植物園監測平臺(116°25′39.36″,39°52′22.48″)同步監測臭氧濃度和氣象要素,測定頻率60s。每次監測前,都將移動監測車的臭氧分析儀、GPS、對照點臭氧分析儀時間同步。

表1 監測線路及測定時間

圖1 生態監測車運行路線圖Fig.1 Monitoring route of mobile vehicle

1.3 數據處理

用Origin Pro8繪制觀測期間的溫度、濕度、風矢量變化圖;用SPSS13.0軟件,運行ANOVA程序,分析不同路段間臭氧濃度的差異顯著性,運行Independent samples T-test分析對照點和同時間范圍內移動監測數據之間差異顯著性;用ArcGIS10.0軟件把監測車軌跡和臭氧濃度相對高低標示在地圖上;用HYSPLIT模型做氣團質點后向軌跡分析,以沙塘溝(116°10′11.35″,40°24′12.78″)、大莊科(116°14′59.23″,40°23′3.23″)、十三陵(116°12′26.82″,40°14′0.10″)為氣團后向軌跡的終點,氣團運行時間為6 h,設置氣團高度為700.00m;用GrADS 2.1分析典型臭氧污染情況下的天氣形勢,氣象數據選取NOAA數據庫2012年5月10日、7月24日、8月24日北京時間下午16時的數據。

利用移動監測獲取的點位經緯度數據,在ArcGIS支持下生成50m緩沖區,基于LandSAT7衛星遙感數據,計算緩沖區內NDVI的平均值,7月份衛星數據不可用,鑒于植被在生長盛期變化不明顯,故用8月份的數據替代進行NDVI計算。

2 結果與分析

2.1 監測期間的環境因子變化

2.1.1溫度日變化

本研究中,對照點北京教學植物園的最高溫度都出現在14:00到15:00之間,且都大于30℃,在監測車運行時段的平均溫度都大于28.5℃。2012年5月10日12:00—20:00,對照點的平均氣溫是29.05℃,最高氣溫30.35℃,出現在14:50;7月24日的平均氣溫是31.09℃,最高氣溫32.47℃,出現在14:20;8月24日平均氣溫是28.52℃,最高氣溫30.66℃,出現在14:40(圖2)。

圖2 監測期間環境因子變化Fig.2 The environmental factors in monitoring days20120510：2012年5月10日,May 10, 2012;20120724：2012年7月24日,July 24, 2012;20120824：2012年8月24日,August 24, 2012

2.1.2相對濕度日變化

3次臭氧典型污染天氣監測期間的平均濕度都低于50%,最低濕度都出現在14:00—14:30之間,和最高氣溫的出現時間段基本重合。2012年5月10日12:00—20:00對照點的平均濕度是36.42%,最低是32.11%,出現在14:00;7月24日的平均濕度是49.91%,最低是43.22%,出現在14:10;8月24日的平均濕度是33.32%,最低是27.08%,出現在14:20。

2.1.3風矢量日變化

5月10日的平均風速是0.52m/s,7月24日是0.52m/s,8月24日是0.69m/s。這3次典型臭氧污染天氣時,晚上幾乎是靜風狀態,10:00后整體風向為南風。12:00后平均風速都小于1.2 m/s(圖2)。2012年5月10日12:00—20:00對照點風向為西南風,平均風速為0.97m/s,最大風速1.72 m/s,出現在15:10,最小風速0.42 m/s,出現在16:50;7月24日12:00—20:00的風向為西南和南風,平均風速為0.93 m/s,最大1.70 m/s,出現在14:50,最小0.39 m/s,出現在12:20;8月24日風向為南和西南,12:00—20:00的平均風速為1.19 m/s,最大為2.05 m/s,出現在16:30,最小為0.38 m/s,出現在20:00。

2.1.4光強日變化

圖3 典型臭氧污染天氣臭氧濃度日變化過程 Fig.3 The diurnal change of ozone concentrations in typical pollution days

5月10日、7月24日、8月24日都是晴天,光強呈現典型的單峰日變化特征,地表接受的光合有效輻射分別是30.93mol/m2.d、31.95mol/m2.d、40.35mol/m2.d。

2.1.5臭氧濃度日變化

臭氧濃度的日變化特征整體表現為“S”型,從零時起濃度保持低水平或者平緩下降,甚至在夜間可以回到0.00μg/m3。但是,從 7:00開始臭氧濃度開始快速上升。在5月10日,于16:00達到一天中的最高峰280.18μg/m3,然后開始下降;7月14日,13:00到達了較高水平,高峰從13:00持續到17:00,約200.00—210.00μg/m3;8月24日,12:00達到較高水平,高峰從12:00持續到17:00然后開始下降,約190.00—205.00μg/m3。高濃度的臭氧甚至可以持續到晚上21:00以后。

2.2 臭氧濃度和氣象因子的關系

本研究中,相關分析(Pearson Correlation)表明,臭氧濃度在典型污染天氣和空氣溫度成顯著正相關,和空氣濕度成顯著負相關,和光強成顯著正相關。

表2 臭氧濃度和氣象因子的關系

** 極顯著(P<0.0001)

2.3 典型污染期間地表臭氧濃度城市郊區梯度特征

整體平均而言,北京西北山區植被覆蓋良好區域的臭氧濃度高于北京城區和北京西北部山前的平原區域。在選擇的固定監測線路上,從十三陵往西北山區方向,沿昌赤路,到延慶大莊科鄉,山區道路上監測到的臭氧濃度明顯高于在京藏高速和北京城區三環主路的監測值(圖4)。在3次監測過程中有一個共同現象,十三陵是地表臭氧濃度的分界點。從十三陵開始,往植被茂密的山區方向臭氧濃度陡然升高,黃色變成紅色(圖4),并保持在高水平。返程時往城區方向,車輛駛出十三陵區域后臭氧濃度顯著降低(圖4),紅色變成黃色。西北山區(Ⅳ、Ⅴ)臭氧濃度約是高速公路上(Ⅲ、Ⅵ)的2.28到3.33倍,是平原城市區域平均水平約2.00倍。

圖4 北京城市和郊區地表臭氧濃度連續變化特征Fig.4 Surface ozone concentrations gradient between urban and rural region of Beijing

2.4 不同時間段,城市和郊區不同地點臭氧濃度的差別

在三次移動監測中(表3,圖5),西北山區相鄰約兩個小時內監測到的兩組數值(Ⅳ、Ⅴ)差別不顯著(P<0.001),平均為254.68μg/m3,但顯著高于北京城區監測到的臭氧濃度127.08μg/m3(P<0.001)。西北山區移動監測到的平均值是城區平均值的2.00倍,最大值是城區監測到的最小值的11.14倍。西北山區的臭氧濃度平均是城區支路(Ⅰ)的1.41—1.76倍,是城區交通主干道(Ⅱ)的2.09倍,是高速路(Ⅲ)的2.29—3.32倍。

在移動監測中,除了西北山區(Ⅳ、Ⅴ)的臭氧濃度外,對照點在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅵ、Ⅶ等各地段測得的臭氧濃度均值都顯著高于(P<0.001)各時段在不同路段監測的臭氧濃度(表3)。西北山區臭氧和對照點濃度差別最小,是城區對照點的1.11倍。考慮到對照點,臭氧濃度從高到低的排序是：西北山區(Ⅳ、Ⅴ)>對照點(教學植物園)>城市支路(Ⅰ、Ⅶ)>城市快速路和高速路(Ⅱ、Ⅲ、Ⅵ)。盡管如此,值得注意的是監測過程中發現,監測車靠近道旁樹時監測到臭氧高值,沒有道旁樹的路段臭氧明顯降低。此外發現,城市支路上臭氧濃度也有高于對照點的情況,對照點濃度也有高于山區臭氧的情況(圖5)。

同一類型監測地段,臭氧濃度隨時間變化。城市支路(Ⅰ)12:08—13:55時間段監測到的臭氧濃度平均為181.06μg/m3,顯著高于(Ⅶ)17:47—19:21時間段監測到的臭氧濃度144.60μg/m3。高速公路上(Ⅲ)14:48—16:36時間段監測到的臭氧濃度111.13μg/m3,顯著高于(Ⅵ)17:20—19:05時間段監測到的值。這種現象符合臭氧從日間到黑夜濃度逐漸降低的日變化規律。

相近時間段內,城市快速路和高速路臭氧濃度差別不顯著。13:14—16:08時間段在城市快速路三環上(Ⅱ)測得的城市平均臭氧濃度121.99μg/m3,和14:48—16:36時間段在京藏高速公路出京方向(Ⅲ)測得的平均臭氧濃度111.13μg/m3差異不顯著(P<0.001)。

表3 北京城市和郊區不同地段監測到的地表臭氧濃度/(μg/m3)

圖5 移動監測和對照點臭氧濃度值Fig.5 The ozone concentrations monitored using mobile vehicle contrast to control pointM-O3：移動監測車測得臭氧濃度;C-O3：對照點北京教學植物園同時間測得臭氧濃度

2.5 臭氧濃度和植被的關系

研究發現,臭氧濃度和監測點周圍50米范圍內的NDVI呈顯著正相關關系,隨著NDVI的增大,監測到的臭氧濃度呈現出Logistic增長(圖6)。當監測車途經區域的植被NDVI指數較大,植物茂密時,監測到高濃度臭氧概率較大。對照點教學植物園的臭氧濃度和NDVI的關系同樣能夠通過Logistic方程得到較好擬合(圖6)。

圖6 監測到的臭氧濃度和采樣點周圍植被歸一化指數(NDVI)的關系Fig.6 The relationship between ozone concentrations and NDVI around monitoring sites

2.6 城鄉臭氧濃度空間變異及對照點時間變異

從北京城區到西北遠郊,山區地表臭氧濃度的空間變異系數最小,高速公路、城市快速路、支路空間變異較大(表4)。不同時段對應路段監測的臭氧濃度的空間變異系數都明顯大于同時間段對照點的時間變異系數(表4)。在3次監測中,城市與區域監測的所有臭氧濃度的空間變異系數平均為0.41,監測期間對照點臭氧濃度時間變異系數為0.06,說明監測到的臭氧濃度地點間的差異主要是由于空間不同造成,時間變化不是引起地點間差異的主要原因。

表4 移動監測臭氧濃度空間變異系數和同時間范圍對照點臭氧濃度時間變異系數

Table 4 The coefficients of spatial variation of ozone monitored using mobile vehicle and the coefficients of variation in control point at the same time

區域Region地段Sites時間Time5-107-248-24平均MeanCK5-107-248-24平均Mean 城區 Urban regionⅠ0.320.290.120.24 0.030.060.020.04城區Urban regionⅡ0.330.210.230.26 0.040.050.010.03高速路Free wayⅢ0.390.280.270.31 0.020.040.010.02西北山區North-west mountain regionⅣ0.140.120.070.11 0.030.090.020.05西北山區 North-west mountain regionⅤ0.100.110.110.11 0.030.050.030.04高速路 Free wayⅥ0.400.400.430.41 0.020.050.020.03城區Urban regionⅦ0.340.260.370.32 0.010.040.020.02全部0.440.370.430.410.060.080.040.06

西北山區的空間變異最小,約為0.11;城市支路的空間變異系數為0.24—0.32;高速路為0.31—0.41;城市快速路為0.26。

2.7 典型污染期間郊區臭氧后向軌跡分析及天氣形勢

在5月10日,7月24日,8月24日的3次典型污染天氣時,從16時開始,700m海拔高度上6 h氣團后向軌跡結果表明,西北部山區的氣團來至北京城區方向(圖7)。5月10日和7月24日的氣團主要來至北京城區,8月24日的氣團來至城區西部,沿太行山東麓向北遷移。

在2012年5月10典型臭氧污染天氣發生時,天氣形勢為大范圍均壓場(圖7),北京大部分位于均壓場內;7月24日和8月24日典型臭氧污染發生時,北京城市與區域位于高壓后部,低壓前部,由弱高壓控制(圖7)。

圖7 典型臭氧污染天氣時的氣團后向軌跡和天氣形勢圖Fig.7 The synoptic types and backward trajectories in typical ozone pollution weather圖中每條軌跡上的點是后向3 h氣團質點所在位置

3 討論

3.1 臭氧污染的氣象原因

溫度、濕度、光照共同影響臭氧的生成和轉化。我們研究發現,臭氧濃度和溫度正相關,相關系數0.75。嚴茹莎等[10]研究發現,臭氧濃度和溫度顯著正相關,相關系數達到0.74。研究結論基本一致。同時,我們發現臭氧濃度和空氣濕度顯著負相關,相關系數0.80,這和程念亮等[7]的發現相似。本研究中臭氧濃度和光強呈現顯著正相關,相關系數為0.40。

盡管有研究認為臭氧濃度和風速正相關[7],但更多證據支持適宜的風速(≤3.00m/s)是造成近地層臭氧濃度高的必要條件。在風速較低的情況下,大氣層結構穩定,上下混合均勻,臭氧濃度垂直廓線較平穩[18]。本研究中,3次典型污染天氣當天12時到20時,地表監測到的都為平均風速低于1.20m/s的南風(圖2)。5月10日的氣流方向為東南向,7月24日的為南向氣流,8月24日的為西南向氣流(圖7)。低于1.2m/s的弱南風是三次典型臭氧污染天氣的共同氣象條件。

本研究中,5月10日天氣形勢為均壓場控制,7月24日和8月24日為高壓后部,低壓前部。研究認為,北京處于低壓前部控制時,邊界層穩定[10]本地排放的污染物不容易擴散,高溫低濕的氣象條件有利于本地臭氧的生成[7,9]。程念亮等[7]研究發現臭氧超標日地面氣壓形勢場高壓類、 低壓類、 均壓類等各占16%,36%,48%,以均壓、低壓前部、弱高壓為主。本研究選擇的天氣型和前人研究比較一致,都是典型污染天氣形勢。不同的是,本研究發現在均壓場控制情況下,北京城市與區域的整體臭氧污染水平相對更高(圖5、圖7)。原因可能是在均壓控制下,大氣層結更穩定,風速較低,不利于各種污染物的擴散,空氣濕度小,溫度高,光化學反應劇烈,造成城市與區域整體臭氧濃度偏高。

3.2 北京城市與區域臭氧空間分布特征

研究表明位于北京周邊平谷、密云、昌平、延慶、房山南部、通州東南部周邊區縣的臭氧濃度高于城區的臭氧濃度,北京周邊對照點臭氧濃度高于郊區,郊區高于城區,城區高于交通污染監測點[12]。本研究發現,在西北遠郊山區森林區域的臭氧濃度從十三陵開始臭氧濃度陡然升高,從高到低的順序依次是西北山區(Ⅳ、Ⅴ)>對照點教學植物園>城市支路(Ⅰ、Ⅶ)>城市快速路和高速路(Ⅱ、Ⅲ、Ⅵ)。從平均水平而言,山區大于城區,城區大于交通沿線,這和前人研究比較一致。不同的是,我們發現城市與區域臭氧空間變化比較復雜,在不同地點間存在較大變異。在城市支路上臭氧濃度也有高于對照點的情況,對照點濃度也有高于山區臭氧的情況(圖5)。

以前的研究發現北京西部和北部山區的臭氧平均濃度高于平原地區;在平原地區,公園中的臭氧濃度高于道旁綠化帶[15],十三陵的定陵處臭氧濃度高于北京城區的平均臭氧濃度,是北京城區的1.01到1.56倍[2]。但點位監測的方法不能發現大范圍內臭氧空間變化的特征。我們用移動監測的辦法發現西北山區的平均值是城區平均值的2.00倍,是城區對照點北京教學植物園的1.10倍,山區最大值是城區監測到的最小值的11.14倍。此外,發現進入西北植被茂密區后臭氧濃度陡然升高到平原區域約2.00倍并在山區保持在高位的現象,這是前人用傳統固定點位監測無法發現的科學現象,其機制值得深入研究。

3.3 遠程輸送對臭氧污染的影響

很多科學家都發現了遠程輸送對臭氧污染的影響。蘇福慶等[19]將影響北京外來污染物輸入的風帶分為3 種類型,即東風帶、西南風帶及東南風帶輸送通道。認為3 個輸送風帶的輸入, 山前輸送匯系統對大范圍污染物的匯聚,是造成北京外來污染物輸入的主要原因。唐貴謙等認為復合氣流易將河北、天津乃至山東、山西等地的污染物傳輸到北京,加之西部和北部山體的阻擋極易造成污染物的積累[14]。王占山等觀測到了一次西南風作用下的明顯的臭氧輸送過程,榆垡、豐臺花園、奧體中心、懷柔監測站臭氧峰值出現的時間從南到北滯后[12]。徐敬等[11]研究發現北京地區受西南氣流影響時,會導致下風向的北部山區出現極高的臭氧濃度。安俊琳等[9]研究表明北京盛行東南、 偏南和偏西氣流時,容易造成高臭氧濃度。本研究中,5月10日典型臭氧污染天氣時,發生了均壓場控制下的東南向弱氣流,氣團從東南向西北輸送(圖7);7月24日和8月24日天氣形勢是高壓后部,低壓前部控制下的南向弱氣流。輸送通道和前人的研究基本相一致,即發生典型臭氧污染時,均伴隨著南向弱氣流,氣流沿西山前從南向北輸送(圖7),但沒有發現東風帶輸入氣流。然而,即便存在西南風和東南風輸送,本研究中后向軌跡分析表明,監測到的高濃度臭氧可能不是當天遠程輸送而來。按照后向運動軌跡,16:00時到19：00時西部山區的氣團質點來源于城區上空10：00時到13：00時(圖7)。以城區臭氧相對較高的對照點為例,該時間段內城市臭氧濃度還沒有達到一天中最高的程度(圖3),且低于西北山區監測到的平均值。即便城市中臭氧濃度達到了一天中的最高值,其仍然比郊區監測到的平均值低(圖5)。所以,本研究中監測到的高濃度臭氧可能不是從城區輸送來的。

但是,北京對西北遠郊森林區域確實有物質輸送(圖7)。城市地區的氣團在向下風向傳輸的過程中經過“老化”可導致下風向的臭氧濃度水平高于市區[20]。城市道路和生產生活排放的臭氧前體物NOx和VOCs遠程運動到北京北部山區,在溫度較高,濕度較小的氣象條件下,可能因為森林植物排放的VOCs的參與[21],光化學反應產生臭氧并大量富集在該區域。此外,由于遠郊相對缺乏NO污染物,臭氧消耗較少,加上地形的影響可能存在累及效應。

3.4 高濃度臭氧和植被的可能關系

通過移動中多點連續觀測發現北京西北山區地表臭氧濃度平均值高且空間變異小,而城區臭氧濃度平均值相比西北山區小且空間變異比較大。盡管西北山區平均臭氧水平高于北京城區,但也觀測到了城區教學植物園臭氧濃度高于西北山區的情況,特別是在城市支路上距離道旁樹比較近的地方也觀測到了臭氧濃度高值(圖5)。前人的觀測多基于單位時間平均值,這種統計方法的好處是便于宏觀展現格局和過程,弊端是對發生在植物空氣界面附近的生理生化以及光化學過程監測不到。比如,盡管從平均情況看道旁綠化帶的臭氧濃度低于公園[15],但是,在距離道旁綠化帶近的地方,確實觀測到了多組高于公園的值(圖5)。

本研究中,除了西北森林區域外,在對照點教學植物園和城市道路支線等植物茂密區域也監測到了臭氧高值,在一定時間范圍內,臭氧濃度和植被NDVI指數呈現正相關,臭氧濃度隨NDVI指數Logistic增長。這一結果證明了在植被覆蓋良好的區域臭氧濃度高[12]。植物排放的BVOCs在大氣光化學反應中發揮重要作用可能是植被良好地區臭氧濃度高的原因[22]。Trainer 等[21]認為大氣污染 80%來自植物釋放的碳氫化合物。事實上,在美國 亞特蘭大地區,政府用10年的時間控制了人為污染物排放后,大氣環境質量并沒有明顯改善,原因是大量松樹(主要釋放單萜烯)和橡樹(主要釋放異戊二烯)是BVOCs的主要來源,在合適的光照和濕度下,它們與人為排放的 NOx 共同作用產生了臭氧,從而大大增加城市發生光化學煙霧,最終導致控制臭氧水平失敗[22]。本研究中,西北山區植被覆蓋率達到95%以上,遠郊森林區域有473種植物,他們放出大量的BVOCs[23];對照點北京教學植物園,景觀以植被為主,距離南部二環主路約200 m,在南風的作用下(圖2),道路上機動車排放的NOx和VOCs進入教學植物園。NO2光解導致 O3的生成,植物排放的BVOCs氧化生成活性自由基,尤其是HO2·、RO2·等,HO2·、RO2·引起NO向NO2轉化,一方面提供了生成O3的NO2源,更重要的是破壞NO2-NO-O3的光解循環,使臭氧累積[24],這可能是對照點臭氧濃度高的原因之一。在北京城市道路的支路上有長勢良好的樹木白蠟和國槐,可能參與了臭氧生成的光化學反應過程,造成植物附近臭氧濃度高。植物源VOCs、化石源VOCs、NOx等在植物參與下,在植物空氣界面進行的生理學和光化學反應和臭氧生成過程的關系,需要加強模擬和觀測研究。

3.5 臭氧濃度空間變異的可能原因

本研究中地表臭氧在城鄉地表的平均變異系數約為0.41,在山區平均為0.11,在高速路上為0.36,在城市支路上平均為0.27。道路交通狀況和道旁植被多寡可能會影響臭氧生成和消耗過程而影響空間變異。車輛排放出NO和VOCs,道路等級越高,車流量越大,還原性氣體越多,越容易造成臭氧消耗,城市中臭氧晚上甚至可以消耗完(圖3);另一方面,道路等級越低,監測車離行道樹越近,緩沖范圍內植被NDVI越高,越容易監測到高濃度臭氧。可能是因為植物排放的異戊二烯或萜烯類VOCs在光作用下參與了臭氧生成,促使更多的NO2釋放出帶電氧原子,帶電氧原子和氧分子生成臭氧[24]。

地表景觀均勻度和過程差異可能會影響臭氧的空間格局。山區植被茂密,地表特征相對均勻,車輛稀少,臭氧的生成和消耗空間差別不大。但是,高速路、城市道路經過的區域,車流變化大,建筑高度和分布各異,擴散條件差別大,道旁植被格局及距離車道遠近不同,這些都可能對臭氧的生成和遷移轉化產生影響。城市不同景觀和干擾對臭氧的積累耗散,遷移轉化需要更多研究加以證明。

4 結論

(1)臭氧濃度和監測路線周邊植被NDVI指數正相關,隨其Logistic增長。地表臭氧濃度在山區植被茂密地區陡然升高到平原城市區域的約2.00倍且在山區保持此高水平,界限明顯。但在城區道旁樹或公園綠地也監測到了高濃度臭氧,其比遠郊植被茂密地區的臭氧略低。空間上,北京臭氧濃度從高到低的順序是西北山區(Ⅳ、Ⅴ)>對照點教學植物園(城區)>城市支路(Ⅰ、Ⅶ)>城市快速路和高速路(Ⅱ、Ⅲ、Ⅵ)。

(2)山區地表臭氧濃度的空間變異系數最小,為0.11;高速公路最大,為0.31—0.41;、城市快速路約為0.26,城市支路空間變異較大0.24—0.32。

(3)夏季大范圍均壓場、高壓后部、低壓前部等穩定天氣型易造成及南向弱氣流,能夠把空氣污染物輸送到西北遠郊,但本研究中監測到的西北山區高濃度臭氧并非當天從城區輸送而來。城市與區域產生的臭氧前體物輸送到西北山區與植被共同作用可能是北京西北部山區夏季典型天氣臭氧濃度高的原因之一。