北京市植物挥发性有机物排放对臭氧浓度影响的模拟研究

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在平流层臭氧可以起到人类与生态系统的保护伞作用,在对流层高浓度臭氧则是一种大气污染。臭氧污染已逐渐成为中国一个重要的环境问题,特别是在人口稠密、经济发展较快的地区。臭氧逐渐成为北京市夏季首要污染物。本研究首先利用地面空气质量自动监测站的观测数据,分析了北京市臭氧浓度分布的时空变化规律。进而,通过WRF-Chem模拟试验分析诊断了植物挥发性有机物(BVOCs)排放、人为源排放和太阳辐射对臭氧浓度时空分布的影响。通过多组敏感性试验,厘清BVOCs对臭氧浓度时空分布影响的贡献,阐明BVOCs与臭氧浓度变化因果关系;通过敏感性试验,辨析BVOCs与人为源以及太阳辐射等气候变率对臭氧浓度的相对贡献,以期为降低区域臭氧浓度,减缓臭氧污染提供科学依据。  通过对2015年臭氧自动空气质量监测站的观测数据分析,研究发现:北京市臭氧浓度存在明显的季节变化,夏季高、冬季低。就空间变化而言,北京市的臭氧浓度空间分布呈现北部高、南部低,郊区高,城区低的特征,且夏季的空间变异性小于其他季节。进而,对臭氧日平均浓度数据进行高通滤波,去除其季节变化信号后,对其进行小波分析,发现:在冬、春、秋末三个时段臭氧浓度未现周期性变化信号,而在5~8月呈现出显著的10~20天的周期,其中6~7月还呈现出5~8天的周期。臭氧浓度与日照时数的交叉小波分析表明,在p<0.05的条件下,二者在5~8天和10~20天周期上呈现出显著的相关性,且位相一致,这意味着臭氧浓度的周期性变化可能是由于太阳辐射所致。此外,臭氧浓度还具有明显的周循环,工作日浓度较低,其中周四最低,周末浓度较高。另外,北京市臭氧平均浓度出现峰值的时刻也存在季节差异,秋冬约为16:40、春夏约为17:20。同时,峰值出现的时刻呈现出空间差异,城区站约为17:00时出现,郊区站约为18:00时,并且这一现象与季节主导风向有关。  模拟实验表明:模拟与观测之间的相关系数为0.38(p<0.01),同样,WRF-Chem模式模拟结果再现了臭氧浓度的日循环特征,模式模拟与观测的臭氧浓度时间变率显著相关(r=0.93,p<0.01)。其中,BVOCs对于区域臭氧生成会起到一定的贡献。对于其空间分布来说,BVOCs的贡献主要在北京市的北部地区,其植被覆盖度较高。BVOCs对于总臭氧浓度的贡献约为6μg m-3,占总量的5%。通过对敏感性试验分析,结果表明BVOCs对于北京市臭氧浓度分布的贡献较小,人为源排放的影响仍占主导地位,BVOCs对臭氧浓度分布的影响与太阳辐射的贡献相当。
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