光化学臭氧日变化特征与其前体物关系的探讨
第29卷第6期2006年12月
南京气象学院学报
Journal of Nanjing I nstitute of Meteor ol ogy
Vol . 29No . 6Dec . 2006
文章编号:100022022(2006) 0620744206
光化学臭氧日变化特征与其前体物关系的探讨
朱彬
1, 2
, 安俊岭, 王自发, 李一
221
(1. 南京信息工程大学江苏省气象灾害重点实验室, 江苏南京 210044; 2. 中国科学院大气物理研究所LAPC, 北京 100029)
摘要:NMHC 、NOx 体积
分数及NMHC /NOx比值的关系。结果表明, MA O ) (EK 图, E mp irical Kinetic Modeling App r oach ) 的关键因子是; 最大值需要的时间(τNOx 体积分O 3max ) 与NMHC /NOx, 与NMHC 、数关系不大。此外, 20变化趋势的原因。
关键词:; 臭氧前体物; 大气光化学模式中图分类号::A
Rel ati ons of D i urnal Vari a ti ons of
Photoche m i cal Ozone to Its Precursors
ZHU B in
1, 2
, AN Jun 2ling , WANG Zi 2fang , L I Yi
221
(1. Jiangsu Key Laborat ory of Meteor ol ogical D isaster, NU I ST, Nanjing 210044, China; 2. LAPC, I nstitute of A t m os pheric Physics, Chinese Acade my of Science, Beijing 100029, China )
Abstract:The relati ons of the diurnal peak of phot oche m ical oz one and its occurring ti m e t o the oz one p re 2curs ors (N MHC,NOx ) and the rati o of N MHC /NOxare researched by using an at m os pheric phot oche m ical box model . Results show that the most i m portant fact or on the peak oz one (φs sl ope of EK MA O 3max ) ridge’
τgraph is co mpositi ons of N MHC . The diurnal peak oz one occurring ti m e (o of O 3max ) is dependent on the rati N MHC /NOxand compositi ons of N MHC, but independent on concentrati ons of N MHC and NOx . The reas on of the advancing trend of τp lained by the model results . O 3max in Beijing in recent 20years is ex
Key words:phot oche m ical oz one; features of oz one diurnal variati on on urban scale; oz one p recurs ors; at 2mos pheric phot oche m ical model
0 引言
研究发现, 城市污染大气光化学臭氧的生成量
收稿日期:2006209212; 改回日期:2006210223
和生成速率与其前体污染物NOx 、NMHC 体积分数
及NMHC /NOx比值的关系极大, 并且它们之间的光化学反应关系也极其复杂。例如, 北京近10多年观
基金项目:中国科学院大气物理研究所LAPC (LAPC 2KF 22006209) ; 江苏省气象灾害重点实验室资助项目(K LME20060302) ; 江苏省教育厅
高校自然科学基金重大项目(06KJA17021)
作者简介:朱彬(19692) , 男, 江苏姜堰人, 博士, 副教授, 主要从事大气物理和大气化学研究, binzhu@nuist . edu . cn .
第6期 朱彬等:光化学臭氧日变化特征与其前体物关系的探讨
物种的数值积分采用半隐欧拉方法
[11]
745
测发现, 在臭氧及臭氧前体物的体积分数不断升高的同时, 日臭氧最大体积分数出现时刻又有不断提
[1]
前的趋势。
对于光化学臭氧体积分数与其前体物的关系,
[223]
国内外都有研究。但对于不同污染状况及前体物特征下的臭氧日变化特征研究还较少。日臭氧最大体积分数φO 3max 及其出现时刻τO 3max 是描述臭氧日变化的关键特征值。Finlays on 2Pitts 等在其著作中提及臭氧等体积分数曲线(EK MA, Emp irical Ki 2netic Modeling App r oach ) 形态与NMHC 组成的关系, 但未作进一步分析。特别是τO 3max 与NMHC 组成、NMHC /NOx等的关系未发现在文献中有专门研
[1]
究。张远航等根据北京10多年的观测, 发现日臭氧最大体积分数出现时刻有不断提前的趋势并初步解释了这一现象, 认为τO 3max 化能力的增强。安俊岭利用2004(volatile or 2ganic carbons, ) 排放量有利于降低该地的臭氧体积分数, 说明北京近交通主干线地
[5]
区为VOCs 控制区。王雪松等通过模拟研究认为, 人为源排放VOC 对北京地区臭氧生成具有重要贡献, 其源排放数据表明北京市2000年夏季VOCs/NOx排放率质量比约为1134。这样的排放比
[4]
[2]
。该模式的
特点是较详细地考虑了有机物和自由基及其反应, 适合于研究各种环境物种体积分数下O 3的生消和NOx 的氧化情况。
模式中给出了各种体积分数下NO 、NO 2及12个与人为及自然直接排放有关的NMHC 物种的初值, 其他物种初值设为0。然后用各种不同体积分
数NMHC 和NOx 的组合为初始条件, 算出φO 3max 和τ纵坐标分别绘出臭O 3max , 再以NMHC 和NOx 为横、氧最大体积分数φO 3max 及其出现时刻τO 3max 的等值线(EK MA 曲线) 。12个物种, NMHC 物种, 1。NMHC , NMHC 组成中烷(包括商业区、火电厂、石化工业区、钢铁工业区) 碳原子数参考了M iddlet on 等的工作
[13]
[12]
。由
于观测资料的限制, 具体物种分配比及物种的平均并根据我国情况作了调整。在模式计算中还作了如下假定:1) 考虑了晴天太阳辐射的日变化, 取40°N (北京) ; 2) 由于日间混合层高度的抬升, 07:00—15:00污染物稀释速率为3%/h, 之后无稀释; 3) 模拟过程中没有污染物加入, 不考虑污染物的输送和干沉降。
表1 直接排放的N M HC 物种比例1)
Table 1 Rati o of s pecies in p ri m ary NMHC
占总NMHC 比例/%
模式中物种
C 2H 6C 3H 8ALK A ETHEN ALKE I S OP
具有大城市的源排放特征。王淑兰等利用北京
市多点观测资料分析了O 3污染的区域特征, 发现不同地区臭氧日变化峰值出现时间有较大差异, 强调了O 3的生成是局地光化学过程和区域输送共同作用的结果, 其分布特征与气象条件密切相关。
本文试图较系统地探讨不同污染状况(如NMHC /NOx比值) 及污染特征(NMHC 组成) 下, φτO 3max 、O 3max 与其前体物的关系, 并从大气光化学反应机制上予以解释。
[6]
代表的物种属类乙烷丙烷
C >3的烷烃
商业、交通区
[***********][***********]10110
火电厂
[***********][***********]310110
石化工业区
[***********][***********]5310110
平均碳原子数/个
[***********]
乙烯
C >2的烯烃
异戊二烯活泼芳香烃酚类甲醛
C >2的醛
1 模式描述与研究方法
本文采用的大气光化学模式以LLA 2C 机制为
[7][8]
基础(Lur mann 等、Cart 等) , 补充考虑了异戊二烯等生物排放物种的化学转化过程, 曾和UCR 的烟雾箱试验进行对照, 取得满意结果。STE M 区域化
[9210]
学输送模式移植该模式后, 又加入了化学物种和反应方程, 更新了化学动力学数据。目前该模式气相化学部分包括了81个物种、178个反应, 这81个物种又可细分为14个无机物种、42个有机物种及25个自由基, 假定自由基满足准稳态近似, 其他
AROM CRES OL HCHO ALD2KET HCOOH
酮类甲酸
烷烃∶烯烃∶芳香族化合物∶
醛酮酸
52∶23∶65∶13∶31∶31∶18∶7
15∶7
31∶7
注:1) 指物种所含碳原子数与NMHC 总碳原子数之比.
746南京气象学院学报第29卷
2 结果与讨论
2. 1 N O x 2N M HC 2O 3光化学反应体系分析
OH 主要生成反应为R9, 汇反应为R6, 可得
[OH ]=k 9[NO ][HO 2]/(k 7[RH ]) 。
(4)
奇氢的损耗反应为光化学循环的链终止反应:
M
对流层内, 在无NMHCs 、CO 、CH 4参与的光化学反应体系中,
ν→O (3P ) +NO , NO 2+h
O (P ) +O 2→O 3 (快) , NO +O 3→NO +O 2。
3
NO 2+OH HNO 3+M ,
M
(R10)
(R1) (R2) (R3)
HO 2+HO 2(RO 2) H 2O 2(ROOH ) +O 2,
(R11)
以上循环无臭氧净生成。假定各物种体积分数达稳态, 有光稳态关系:
[NO 2]/[NO ]=k 3[O 3]/J1。
(1)
臭氧光解产生激发态氧原子, 并进一步和水汽反应
产生OH 自由基,
ν→O 2+O (1D ) , (R4) O 3+h
O (D ) +H 2O →2OH 。
1
以HO 2的自身反应为主。
考虑奇氢自由基达稳态,
2
P (HO x ) =K 10[NO 2][OH ]+k 11[HO 2]。(5) 2. 2 N O x 、N M HC 及N M HC /N O x 与日臭氧最大
, 其比值对臭氧体积分数变化也有决。下面应用前述EK MA 方法, 采用表1中北京商业、交通区的NMHC 组成制作日最大峰值臭氧φO 3max 等体积分数曲线和峰值体积分数出现时刻τNMHC 2O 3光化O 3max 等时间曲线, 以此说明NOx 2学反应体系中NMHC 、NOx 体积分数及NMHC /NOx与φO 3max 和τO 3max 的关系。
图1是φNOx 对光O 3max 等值线, 反映了NMHC 、化学臭氧生成的重要性以及NMHC /NOx比值对臭氧生成的影响。NOx 体积分数对臭氧生、消都有影响; NMHC 在光化学反应中, 起到提供HO 2自由基和有机过氧自由基RO 2的作用, 它们促使NO 氧化为NO 2, 进而NO 2光分解产生臭氧, 因此NMHC 体积分数对臭氧生、消也都有影响。连接图中各等体积分数线的拐点可得到EK MA 曲线的脊线, 脊线上
[16]
NMHC /NOx≈1315, 该值比Dodge 的结果略大, 其原因于213节中分析。脊线将图分为两部分, 在图右下方, 当固定NMHC 时, NOx 的减少会导致O 3大量减少; 而固定NOx 体积分数, NMHC 体积分数改变对O 3影响不大。即在脊线右下方NOx 是O 3的控制因素。在脊线左上方, 若维持NOx 不变, 降低NMHC, O 3就会显著降低; 若固定NMHC, 减少NOx, O 3反会略增加, 直到达到脊线, 即在脊线左上方NMHC 控制区。这一现象已被大量的现场实测、实
[223]
验室试验、模式模拟所证实。
接着211节的分析, 当NMHCs 体积分数高、NOx 体积分数相对低时, R11是奇氢的主要汇, R11µR10。此时(5) 式右端第1项不重要, 可略去, 代入(3) 式得
P (O 3) =2k 9[NO P (HO x ) /k 2。(6)
(1
边界层中, 约80%的O (D ) :13
O (D ) +M→O (P ) , 的链引发反应。
O 2
CO +OH RH +OH
O 2
HO 2+H 2O , RO 2+H 2O ,
(R6) (R7) (R8)
RO 2+NO →NO 2+RO (快) , RO +O 2→RCHO +HO 2,
HO 2+NO →NO 2+OH (快) 。(R9)
RH 表示非甲烷碳氢化合物(NMHCs ) , k 6(k 6相应于反应R6的反应速率系数, 下文同理) 代表各NMH 2Cs 与OH 反应的权重反应速率常数。一般城市污
染大气中, RH 在光化学反应中的重要性比CO 、CH 4大得多, 如与OH 反应, 生成RO 2自由基等。R7、R9与R3竞争, 将NO 氧化为NO 2, 自由基反应R7、R9较快, 通过R1、R2很快有O 3净生成, 因此反应R6是形成O 3的控制步骤, 由于初始OH 体积分数决定于R4, 所以形成O 3的速度也间接与光强有关。
在城市大气条件下, NOx 、NMHCs 都较丰富, OH 、HO 2和RO 2(过氧有机自由基) 在大气光化学反应循环中有重要作用, 定义奇氢自由基HOx =OH+HO 2+RO 2
[15]
[14]
。在以上反应中, R7~R9是奇氢守恒
的, OH 、HO 2、RO 2互相转化。臭氧生成率(P (O 3) ) 可表示为
P (O 3) =K 7[NO ][RO 2]+k 9[NO ][HO 2]。
(2)
如设R7~R9是有效的链传递反应, 上式重写为:
P (O 3) =2k 9[NO ][HO 2]。
(3)
在链引发后的光化学循环反应中, 可设OH 达稳态,
第6期 朱彬等:光化学臭氧日变化特征与其前体物关系的探讨747
区) τO 3max 为高值区, 即需要较长的光化学反应时间
(光化学反应时间超过11h, 约在地方时16—17时) , 臭氧体积分数才能达到极大值, 这时φO 3max 决定于光强。在阴影区左上(右下) , 随NMHC /NOx减少(增加) O 3峰值出现时间将显著提前。例如, NMHC /NOx为1, 则反应9h 后(即地方时15时) O 3达到峰值; NMHC /NOx为50, 反应进行6h 后(即地方时12时) O 3可达到峰值。实际上τO 3max 反映的是NOx 2NMHC 2O 3光化学反应体系中, 臭氧生成速率和
图1 商业、交通区NMHC 组成比例时,
EK MA 方法计算的φ单位:10-9) O 3max 等值线(Fig . 1 EK MA graph of φons of co mpositi on O 3max on the conditi rati os of NMHC in business and traffic areas (units :10
-9
)
消失速率达到相等的时间。当NMHC /NOx在5~16之间, 、消速率达到相等, 。但当(, HOx 的损耗反应) 、消速率会较快地达到相等, 3, 光化学反应, 即τO 3max 较小
。
可见臭氧生成率正比于NO , (在提供HOx , 控制区。d [O 3]
=P (O 3) -D (O 3) =0, d t
其中, D (O 3) 为O 3损失率。此时, 2k 9[NO][HO 2]=2k 11[HO 2], 即[NO]2
k k 9
[HO 2]。
当NOx 体积分数高, NMHCs 体积分数相对低时, R10是奇氢的主要汇, R10µR11。此时(5) 式右端第2项可略, (5) 式化为
[OH ]=
。
k 10[NO 2]
(7)
图2 商业、交通区NMHC 组成比例时,
EK MA 方法计算的τO 3max 等值线(单位:h )
(7) 式代入(4) 式得
[HO 2]=
P (HO x ) k 6[RH ]k 10[NO 2]k 9[NO ]
。(8)
Fig . 2 EK MA graph of τons of composi 2O 3max on the conditi ti on rati os of NMHC in business and traffic areas (units:h )
(8) 式代入(3) 式得
P (O 3) =2k 9
P (HOx ) k [RH ]k 9k 10[NO 2][NO ]
。(9)
2. 3 N M HC 物种组成与φO 3max 及τO 3max
(9) 式表明, 臭氧生成率与NMHCs 体积分数成正
由于NMHC 中各物种组成比例的时空分布有
很大的差异, 这种差异是否会导致φO 3max 和τO 3max 发生系统性变化呢? 按照上述同样方法和条件, 分别采用表1中北京火电厂和石化工业区的NMHC 物种组成比例为初始条件, 计算了相应的φO 3max 和τ图3、4) 。与图1比较, 图3a 、3b 最显O 3max 等值线(
著的差异是φO 3max 脊线发生了变化, 图3a (商业交通区NMHC 组成比例) 中脊线为NMHC /NOx=1815, 而图3b (石化工业区NMHC 组成比例) 中脊线为NMHC /NOx=1015。对比商业交通区、火电厂和石化工业区NMHC 中各物种组成比例可以发现, 三地有较大不同。其中烷烃占总NMHC 的比例在火电
比, 而与NOx 体积分数成反比, 此条件为NMHCs 控制区。一般在大多数地区为NOx 控制区, 但在大城市中心常为NMHCs 控制区。当臭氧达最大时,
2k 9[NO ][HO 2]=2k 10[NO 2][OH ]。(10)
(4) 式代入(10) 式得
[NO 2]/[RH ]=2k 6/k 10。
(11)
图2是在与图1同样情况下得到的相应的τ由图2可见, 与φO 3max 等值线。O 3max 不同, τO 3max 仅与NMHC /NOx比值有关而与NMHC 、NOx 体积分数无关。当NMHC /NOx比值在5~16之间(图中阴影
748南京气象学院学报第29卷
图3 火电厂(a ) 和石化工业区(b ) NMHC 组成比例时
的φO 3max 等值线
Fig . 3 EK MA graph of φons of O 3max on the conditi compositi on rati os of NMHC in ther mal power stati on (a )
and petr oleu m che m ical industry areas (b )
图4 火电厂(a ) 和石化工业区(b ) NMHC 组成比例时
的τO 3max 等值线
Fig . 4 EK MA graph of τons of O 3max on the conditi compositi on rati os of NMHC in ther mal power stati on (a )
and petr oleu m che m ical industry areas (b )
厂最大(65%) , 商业交通区次之(52%) , 石化工业区最小(31%) ; 而烯烃+芳香烃在石化工业区最大(62%) , 商业交通区次之(41%) , 火电厂最小(28%) 。与图2比较, 图4a 、4b 也有类似变化, 即由于三地NMHC 组成比例的差异, 导致τO 3max 等值线高值区的位置发生了变化, 火电厂τO 3max 高值区范围在NMHC /NOx=615~24, 石化工业区τO 3max 高值区范围在NMHC /NOx=315~10。大气NMHC 物种极多, 但按它们在大气中的寿命(或与OH 自由基的反应活性) 可粗分为两类:长寿(慢反应) 物种和短寿(快反应) 物种。烷烃(C 2H 6、C 3H 8、ALK A ) 的反应速率常数较小, 属于长寿物种(寿命约1d 以上) ; 烯烃、芳烃(除苯外) 及醛类的反应速率常数较大, 属于短寿物种。短寿物种化学活性强, 比长寿物种能更快、更有效地提供HO 2、RO 2自由基, 因此当NMHC 中短(长) 寿物种占的比例大时, φO 3max 等值线的脊线(即NMHC /NOx比值) 必然减小(增大) , 相应的τO 3max 中的大值区也将随脊线偏移。2. 4 对臭氧日变化观测结果的可能解释
的体积分数不断升高的同时, 日臭氧最大体积分数
出现时刻有不断提前的趋势(图5) 。1982—1997年北京臭氧体积分数增加很快, τO 3max 出现时间也逐年提前, 1982—1987年τO 3max 出现在14:00—16:00, 1993—1997年提前到12:00—14:00。
一般就一个大的区域来说, NMHC /NOx比值较大, 大气光化学特征处于NOx 控制区。但是在大城市中心地区, NMHC /NOx比值较小, 大气光化学特征处于NMHC 控制区。而且由于在城市地区NOx 寿命很短, 转化很快, 因此, 存在由市中心的NMHC 控制区向城郊、乡村NOx 控制区移动的特[17]
征。观测表明, 北京市NOx 年平均体积分数以
[12]
9%/a 的速率递增, 据EK MA 臭氧等体积分数曲线, 臭氧的最大体积分数必然增加。另一方面, τO 3max 逐年提前可能与近年北京汽车保有量的急剧增大、大气中NOx 比NMHC 增加得更快有关。即尽管臭氧前体物不断增加, 但NMHC /NOx比值却在下降。据前节分析, 在脊线左上方, NMHC /NOx比值减少会造成τO 3max 提前。另一种可能情况是, NMHC /NOx比值增加, τO 3max 也将提前。但是, 在大
[14]
北京10多年观测发现
[1]
,
在臭氧及臭氧前体物
第6期 朱彬等:光化学臭氧日变化特征与其前体物关系的探讨749
城市高NMHC /NOx比值一般并不太多见, 特别是在
[4]
以汽车尾气污染为主的城市。如前述, 安俊岭、
[5][6]
王雪松等、王淑兰等的研究都显示北京市区臭氧生成为VOC 控制, 支持本研究提出的北京市NMHC /NOx比值较低的可能。
本文仅从大气光化学反应的特征来研究光化学臭氧的日变化特征, 在具体分析实际大气臭氧变化特征时, 还必须考虑局地光化学过程和区域输送过程的共同作用, 特别是臭氧分布与气象条件的关系。
[18]
此外, 陆思华等研究表明, 北京市VOCs 成份烷烃、烯烃、芳香烃组成比例有所变化, 芳香烃的含量有较大程度的增加, 烯烃组成比例有所下降。其对臭氧体积分数及日最大臭氧出现时刻也应产生影响, 其量值有待观测资料的进一步搜集和分析
。
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Fig . 5 D iurnal variati ons of ozone in Zhongguanchun
[1]
)
3 结论
(1) 影响日臭氧最大体积分数φO 3max (脊线) 的
关键因子是NMHC 、NOx 体积分数、NMHC 成份组成比例及NMHC /NOx比值。
(2) 日臭氧最大体积分数出现时刻τO 3max 与MHC /NOx比值有关, 与NMHC 、NOx 体积分数关系
不大。当NMHC /NOx比值在5~16之间需要较长的光化学反应时间臭氧净生成量才能达到极大值, 即τ过低的O 3max 较大, 这时φO 3max 决定于光强。过高、MHC /NOx比值都将使τO 3max 提前。
(3) 日臭氧最大体积分数出现时刻τO 3max 和NMHC 成份组成比例有关。高活性NMHC 占总NMHC 的比例大, 会使EK MA 曲线的脊线处NMHC /NOx比值变小, τO 3max 高值区缩小。
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