南岭高山森林大气挥发性有机物的源汇机制研究

来源 :暨南大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:wangxingyu2009
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挥发性有机物(VOCs)是对流层臭氧和二次有机气溶胶的关键前体物,在大气化学过程中扮演着极其重要的角色。对大气VOCs源汇机制的分析研究有助于深入理解我国复合大气污染的形成机制。目前我国对高人为源及高自然源排放交互作用影响下VOCs源汇机制的研究尚不够深入,针对该科学问题本研究率先以华南大气光化学反应活跃区周边的南岭高山森林这一生态敏感区为研究场所,选取干湿季代表月份(7~11月)连续五年(2014~2018年)开展大气化学野外综合观测实验,采用online-GC-MS/FID、PTR-MS、DOAS、Tenax TA+TD-GC-MS等多种在线和离线技术手段对包括非甲烷碳氢化合物(NMHCs)、卤代烃、含氧挥发性有机物(OVOCs)及生物源挥发性有机物(BVOCs)在内的多种VOCs进行了全面系统地观测分析研究。运用大气化学反应模型模拟和参数化法估算等多种数据分析手段,分析了南岭高山森林大气VOCs的浓度、组成、活性、变化及来源,阐述了典型人为源VOCs的区域传输及光化学老化特征,并重点探究了典型BVOCs的大气氧化过程和典型OVOCs的生成转化机制。本研究旨在加深对华南高山森林地区大气VOCs源汇机制的全面认识,并首次探讨了天然源与人为源大气交互作用影响下VOCs转化的“放大机制”,对未来研究森林与城市的互反馈机制具有重要意义。本研究主要得到了以下结论:1)南岭高山森林大气VOCs中OVOCs的占比(54.5%)最高,其次为烷烃(14.7%)、BVOCs(13.0%)、卤代烃(8.1%)、烯烃(7.4%)、芳香烃(2.3%)。BVOCs和OVOCs在湿季(7~9月)的浓度普遍高于干季(10~11月),而芳香烃和卤代烃的浓度则是干季更高。与国内外高山森林区域相比,典型BVOC如异戊二烯(189±130 pptv)、α-蒎烯(168±115pptv)和典型芳香烃如苯(144±21 pptv)、甲苯(205±36 pptv)的浓度显著偏低,而主要氧化产物如甲醇(3763±788 pptv)、甲醛(1884±356 pptv)和丙酮(1247±150 pptv)的浓度则偏高。以上结果说明南岭大气VOCs的转化程度较高。2)采用基于MCM的箱式大气化学模型(PBM-MCM)对2016年7~8月南岭点位大气的氧化能力进行了模拟,发现O3(53.5±1.3 ppbv)和大气自由基(白天?OH和夜晚?NO3的浓度分别为7.3±0.5×106、6.0±0.5×108 molecules cm-3)的浓度均显著高于全球其他森林区域,与珠三角背景区的水平较为接近。作为PBM-MCM的补充,运用基于苯系物光化学老化的参数化方法对9:00~15:00时段的区域大气氧化能力进行了估算,结果表明,区域尺度的?OH浓度(19.7±2.3×106molecules cm-3)显著高于PBM-MCM模拟的点位尺度的?OH浓度(11.7±0.4×106 molecules cm-3)。以上结果表明,可能受珠三角城市群的影响,南岭的大气氧化性被明显增强。3)对异戊二烯及其氧化中间产物甲基乙烯基酮(MVK)和甲基丙烯醛(MACR)的分析表明,尽管南岭分布有大量亚热带常绿阔叶林等高异戊二烯排放植被,但本研究在植物排放最旺盛的季节所观测到的白天异戊二烯浓度(377±46 pptv)显著低于国内外同类型高山森林区域,而氧化产物与反应物的比值(1.9±0.5)却偏高。对异戊二烯的大气反应时间(0.27 h)和初始浓度(1213±108 pptv)的进一步计算表明,异戊二烯在区域高氧化性大气条件下发生了迅速和彻底地转化。以上结果表明,南岭森林强大气氧化性正导致森林排放的异戊二烯被快速彻底地氧化,亦使得大气中观测到的异戊二烯浓度异常偏低。4)为进一步验证城市地区的人为源排放对南岭大气VOCs氧化的影响,对2016年7~11月VOCs的重要氧化中间产物乙二醛(Gly)和甲基乙二醛(Mgly)的特征进行了分析。结果表明,南岭大气中的Gly(509±31 pptv)和Mgly浓度(340±32 pptv)及二者的比值(Gly/Mgly=1.8±0.2)均显著高于国内外森林区域的水平。基于前体物的理论计算发现本地光化学氧化生成可以解释~67%的Mgly和~9%的Gly观测值,表明南岭大气中的Gly可能受到了强的区域传输影响。对观测期间不同方向气团的分析表明,来自华东的天然源排放和珠三角的苯系物排放对南岭大气Gly和Mgly的生成具有较大的贡献。结合生物质燃烧示踪物氯甲烷和MODIS火点图的气团后向轨迹分析表明,干季华中华北的生物质燃烧排放对南岭Gly和Mgly的浓度也有重要影响。以上结果表明,强的区域大气氧化能力和来自城市地区的人为源排放可能对南岭大气VOCs的转化存在较严重的扰动作用。5)另外,本研究首次报道了华南高山森林大气中典型氯氟烃CFC-11(332±13 pptv)的浓度明显高于东亚背景值(235±1 pptv)和全球本底值(230±1 pptv)的现象。进一步分析发现污染时段CFC-11与人为源标志物一氧化碳和苯具有高度正相关性。基于PSCF的潜在来源分析表明,南岭大气中高浓度的CFC-11主要来源于我国西南部、中部以及越南和缅甸等欠发达区域,而来自珠三角等发达区域的贡献较小。以上结果表明,区域经济发展不平衡和缺乏有效的政策监管可能是近年来东亚CFC-11排放增加的主要因素。本研究得到了世界气候研究计划(WCRP)核心项目SPARC的高度关注,对于精准管控我国的消耗臭氧层物质以及提高我国履行国际环境责任的能力具有重要意义。
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