中国典型区域气象和排放变化对硫酸盐和硝酸盐形成途径的影响研究

来源 :华北电力大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:cjrck
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近年来,由于大气污染物的大幅减排,我国空气质量显著改善,但大部分地区细颗粒物(PM2.5)浓度仍远超国家二级标准(35μg/m3)。硫酸盐(SO42-)和硝酸盐(NO3-)是PM2.5的重要组成成分,在PM2.5中占比显著提高。SO42-和NO3-前体物排放(SO2和NOx)的大幅削减与其在PM2.5组分占比的显著提高的背离现象引起了社会和学术界广泛关注,相关成因以及SO42-和NO3-生成途径的变化过程亟待解释清楚。本研究基于空气质量模型Community Multiscale Air Quality Modeling System(CMAQ),综合运用反应示踪、过程分析等方法,重点量化剖析了 2013-2017年京津冀、长三角、珠三角和四川盆地气象条件和大气污染物排放变化对SO42-和NO3-浓度及其生成途径的影响,并探究了该时间段内京津冀地区大气氧化性增强引发NO3-浓度不降反升的根本原因,主要研究结论如下:(1)气象条件和大气污染物排放变化导致各地区SO42-生成途径变化显著且有明显的季节变化特征。总体上,京津冀、长三角和四川盆地一次排放(SO42-EMIS)对SO42-浓度的贡献最大,分别为37.86%、30.55%、33.01%。珠三角过氧化氢(H2O2)对SO2的液相氧化反应(SO42-H2O2)贡献最大,为29.75%。从季节变化角度分析,秋冬季SO42-EMIS贡献最大,京津冀、长三角、珠三角和四川盆地分别为41.78%、32.19%、24.41%、39.09%。春季OH·自由基(OH·)对SO2的气相氧化反应(SO42-OH)贡献更为显著,四个地区分别为24.46%、3 5.43%、18.76%、32.33%。夏季则SO42-H2O2贡献更为显著,四个地区分别为26.82%、21.64%、27.48%、25.18%。气象条件变化对SO42-浓度及生成途径的影响在冬季最为显著,有利的气象条件显著促进了 SO2和SO42-的扩散过程,导致SO42-浓度在四个地区分别减少了 2.88、0.17、0.75、1.01 μg/m3,其中 SO42-EMIS、SO42-OH、SO42-H2O2以及Fe3+和Mn2+催化下氧气(02)对SO2的液相氧化反应(SO42-Fe3+Mn2+)分别平均下降了 17.23%、31.62%、15.24%、30.02%,其他季节气象条件变化对SO42-的影响相对不明显;大气污染物排放变化主导了各地区SO42-浓度的下降,四个地区SO42-浓度分别减少了 8.86、4.35、3.92、8.48μg/m3。其中,SO42-OH 下降幅度最大,平均为 57.86%,其次为 SO42-Fe3+Mn2+(52.67%)、SO42-EMIS(43.21%)和 SO42-H2O2(38.96%)。但由于各地区臭氧(03)浓度的上升促进了对SO2的液相氧化过程,这导致了在SO2环境浓度显著降低的情况下,四个地区O3对SO2的液相氧化反应(SO42-O3)贡献平均增加了 56.70%。因此,在京津冀、长三角和四川盆地,仍需要努力减少燃煤使用以进一步控制SO42-的一次排放。而在珠三角地区,应更多的关注OH·和H2O2对SO2的二次氧化过程,努力降低大气中各类氧化剂的浓度,从而进一步降低SO42-浓度。(2)气象条件和大气污染物排放变化导致NO3-生成途径变化显著但其季节变化特征相对不明显。京津冀、长三角、珠三角和四川盆地均为OH.与NO2的氧化反应(NO3-OH)对NO3-浓度贡献最大,分别为52.53%、49.51%、63.54%、46.08%,之后分别是五氧化二氮(N2O5)的非均相反应(HetN2O5)、挥发性有机物(VOCs)和HO2自由基(HO2·)与硝酸自由基(NO3-·)的氧化反应(NO3-VOCs)、N2O5 与水(H2O)的反应(NO3-N2O5)和 NO2 的非均相反应(HetNO2)。与SO42-相比,不同地区、不同季节NO3-生成途径的主要贡献差别不大。总体上,冬季HetN2O5贡献显著,四个地区分别为48.97%、47.85%、25.69%、49.23%。其他季节各个地区均为NO3-OH贡献最大,春季分别为51.53%、51.22%、65.36%、55.15%,夏季分别为 61.25%、75.88%、80.90%、75.32%,秋季分别为 55.08%、54.91%、65.17%、50.66%;气象条件变化对NO3-浓度及生成途径的影响同样在冬季最为显著,有利的气象条件促进了 NO2和NO3-的扩散过程,使得四个地区NO3-浓度分别减少了 2.47、2.39、2.51、2.57μg/m3。秋季,气象条件变化使得到达地表的太阳辐射大幅增加,促进了 OH·的形成,导致京津冀NO3-OH增加了2.69μg/m3,使得该地区部分区域NO3-浓度出现了不降反升的现象。其他季节,气象条件变化对NO3-的影响相对不明显;大气污染物排放变化仅导致珠三角NO3-浓度降幅较大(28.36%),其他地区均较小,京津冀、长三角、四川盆地分别为8.51%、16.18%、18.21%。冬季,由于大气污染物排放变化导致大气氧化性显著增强使得京津冀地区HetN2O5增加了 2.77 μg/m3,NO3-OH增加了 1.45μg/m3。为进一步有效降低各地区NO3-的环境浓度需控制大气环境中各类氧化剂的浓度,因此应努力实现对各种污染物排放的协同控制。(3)气象条件和大气污染物排放变化均导致京津冀地区大气氧化性显著增强。气象条件变化导致京津冀OH.和HO2·浓度分别增加了 7.82%和30.47%,同时,气象条件变化的直接效应导致冬、夏、秋季O3浓度分别增加了 1.56、26.89、2.33 μg/m3,春季减少了 3.71 μg/m3。气象条件变化的间接效应在夏季导致O3浓度增加了 1.98 μg/m3,其他季节间接效应的影响相对较小;大气污染物排放变化导致OH·和HO2·浓度分别增加了 36.91%和75.69%,同时,也导致了 O3在冬、春、夏、秋季分别增加了 5.66、9.37、25.63、6.98 μg/m3。其中,工业源和交通源的排放变化是导致O3浓度增加的主导因素。冬、春和秋季,工业源排放变化的贡献更为显著,导致O3浓度分别增加了 3.87、5.28、4.67μg/m3。夏季则是交通源排放变化的贡献更大,导致O3浓度增加了 24.63 μg/m3。而电力源排放变化导致O3浓度在冬、春、夏、秋季分别减少了 0.88、2.54、9.86、2.10 μg/m3。大气氧化性增强对二次颗粒物形成途径的影响已不容忽视,削减大气中各种氧化剂浓度是进一步控制各地区SO42-和NO3-环境浓度的关键。
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