武汉夏季臭氧污染特征及生成机理研究

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在“中部崛起”战略的引领下,武汉市经济迅速发展,工业化、城镇化不断加快导致大量臭氧前体物排放,使得臭氧(O3)污染问题也日益突出。臭氧由于其高氧化性对人体健康和植物成长都会造成严重危害,同时还会影响大气氧化性。作为二次污染物,臭氧的形成过程较复杂,臭氧与其前体物并非简单的线性关系,因此需要对武汉地区大气臭氧污染特征及臭氧光化学生成机理进行深入研究,加深对臭氧生成过程的理解,识别对臭氧生成影响较大的污染物,从而帮助制定准确有效的臭氧削减措施。本研究在2018年8月利用苏玛罐对武汉城区站点(紫阳)及郊区站点(黄陂)进行挥发性有机物(VOCs)采样,共计采集112个大气样品,运用气相色谱-质谱/火焰离子(GC-MS/FID)系统对样品进行分析,并结合本地化的光化学箱式模型(PBM-MCM)对采样期间光化学反应过程进行模拟。通过野外采样、实验室分析和模式模拟相结合等手段,研究武汉城区和郊区夏季臭氧及其前体物污染特征、臭氧与其前体物关系和臭氧光化学生成机理,得到的主要结论如下:(1)武汉城区紫阳站点8月臭氧平均浓度为36.5±1.6 ppbv,低于郊区黄陂站点(47.1±1.5 ppbv),但紫阳站点一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、一氧化碳(CO)及VOCs的浓度高于郊区黄陂站点。紫阳、黄陂站点采样期间高臭氧日的O3、NO、NO2和CO浓度均明显高于非高臭氧日,高臭氧日温度较高、相对湿度较低且风速较小,导致臭氧及其前体物更容易生成和累积。(2)紫阳、黄陂两个站点VOCs成分中烷烃浓度占比均最高,但各成分占比存在差异,说明两个站点VOCs来源可能不同。两个站点苯/甲苯比值表明紫阳站点VOCs可能受机动车源影响更大,而黄陂站点VOCs可能受燃煤源影响更大。(3)紫阳站点高臭氧日、非高臭氧日臭氧生成均受人为源挥发性有机物(AVOCs)控制,黄陂站点高臭氧日、非高臭氧日臭氧生成均受AVOCs和NO协同控制。针对非甲烷总烃(NMHCs)的浓度、相对反应增量(RIR)、OH反应性3项指标进行综合评估,发现异戊烷、乙炔对紫阳站点臭氧浓度贡献较大,而丙烷、丙烯、异戊烷对黄陂站点臭氧浓度贡献较大。(4)紫阳、黄陂站点高臭氧日OH、HO2模拟浓度水平和其生成及消耗速率明显高于非高臭氧日,说明高臭氧日光化学反应强度更高。两个站点OH均主要通过HO2+NO反应生成,通过OH+VOCs和OH+CO反应消耗;HO2主要通过RO2+NO和OH+CO生成,通过HO2+NO反应消耗。(5)紫阳、黄陂站点高臭氧日的臭氧模拟生成、消耗及净生成速率均高于非高臭氧日,且紫阳站点高臭氧日、非高臭氧日臭氧模拟生成、消耗及净生成速率均高于黄陂站点,说明紫阳站点光化学反应更强烈,通过光化学反应生成的臭氧更多。紫阳、黄陂站点的臭氧生成路径中HO2+NO反应均占比更高,但臭氧在紫阳站点主要通过OH+NO2反应消耗,在黄陂站点则主要通过O(~1D)+H2O反应消耗,说明两个站点的臭氧消耗过程存在差异。
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