缘乞科枚
Journal of Green Science and Technology
2021年4月第23卷第8期邯郸市臭氧污染影响因子及来源解析
张M1'2,王丽涛刘振通1,2,刘营营1,2,谭静瑶1,2,赵淑婷1,2,王雨1,2,
齐孟姚鲁晓曙'2,汪庆1,2,许瑞广⑺
(1.河北工程大学能源与环境工程学院,河北邯郸056038;
2.河北省大气污染成因与影响重点实验室,河北邯郸056038)
摘要:指出了臭氧(OQ污染受光化学反应、区域传输和气象条件的共同影响。对2018年6~7月邯郸市Os
及其前体物浓度以及气象因素进行了在线监测,并使用H y split-4对O3高浓度时段(2018年6月1〜7
日,6月19-30日和7月1〜7日)邯郸每日气团进行72h后向轨迹模拟,对邯郸市夏季03污染影响因子
及来源进行了分析。结果表明:监测期间O3平均小时浓度为90.7M g/m3,每日之中03浓度呈单峰分布,
在11:00〜13:00达到峰值。VOCs的组分占比为烷桂(70.1%)>芳香桂(17.2%)>烯桂(10.0%),2—甲
基戊烷、异戊烷、异戊二烯、丙烷、对一二乙基苯、乙烷、乙块、乙烯、苯乙烯是VOCs中浓度较高的物种。低
风速及东北风向、西南风向是邯郸夏季03浓度较高的原因,风速为0.4-0.8m/s时,0s日均浓度较高。
为氏,提出了邯郸处于显著的NO*控制区,加强对NO*的管控才能有效降低邯郸夏季03污染。Os高浓
度时段均有来自东南方向的气流,邯郸市夏季03浓度较高的原因可能是本地排放和近距离输送,远距离
输送不是Q高浓度的主要原因。
关键词:臭氧;影响因子;来源解析;邯郸
中图分类号:X515文献标识码:A文章编号:1674-9944(2021)08-0037-05
1引言
近年来,随着《大气污染防治行动计划》的实施,细
颗粒物(PM2.s)已经得到了有效的控制,目前我国大气污染从传统的煤烟型向复合型污染转变,近地层臭氧
(OJ污染是当前国内大气污染常见的形式之一m匕03是光化学烟雾的组成部分,其前体物主要为挥发性有机物(VOCs)和氮氧化物(NO x)[3],VOCs在对流层光化学氧化循环中起到关键作用,直接或间接地控制光氧化剂的生成速率,对大气氧化潜势有着重要影响。
目前对于Q污染的研究重点主要集中于时空变
化特征及前体物的敏感性,李凯等⑷对泰安市2018年5〜7月的Q污染特征及敏感性进行分析发现03浓度日变化呈单峰型变化,在15:00出现最高值。韩丽等旳对2019年4〜8月成都市03污染敏感性进行研究发现03超标日对人为源敏感性最强,对NO*为负敏感性,上午时段存在O3输入,下午本地生成占主导,其余时段Q输出影响较强。Imran等⑷研究了2018年7〜8月亚洲夏季风期间孟加拉湾O3和CO的运输过程发现在航路的下风处,0s产量在上午处于过渡状态,其余时间则处于NO*限制状态。Han等⑺对华北平原2018年8月8〜13日典型的03污染事件的垂直剖面和光化学形成机理进行了研究,结果表明,从地表到1.1km,存在三层(200m,200—1000m,>1000m)不同的光化学Q产生,其中200〜1000m中白天Q的生成量处于最高值。Wang等⑷研究了对流层气象条件对Q浓度的影响。
邯郸市位于河北省南端,太行山东麓,是晋冀鲁豫四省要冲,人口众多,交通发达,是典型的重污染城
市。目前的研究主要集中在PM2.5和VOCs,刘振通等讯分析了邯郸市2018年夏季VOCs主要来源及对03和健康的影响,鲁晓皓等删研究了邯郸市VOCs变化特征及Q和SOA生成潜势,齐孟姚等对邯郸市黑碳气溶胶浓度变化及影响因素进行了分析。而针对Q的研究不足,本研究为探寻03影响因子及污染来源,对邯郸市03及其前体物的污染特征、气象因子对O3浓度的影响、Os敏感性以及传输路径进行分析,以期为区域03联防联控提供科学手段和理论依据。
2材料与方法
2.1监测地点
本研究的监测地点位于河北省邯郸市河北工程大学老校区(现邯郸学院西校区)能源与环境工程学院实验楼4楼平台(36°34'N,114°29'E),海拔约56.5m,距离地面约10m,是典型的居民文教混合区。周围没有明显的排放源以及高层建筑遮挡,因此监测结果具有代表性,具体位置如图1所示。对2018年6~7月的4、VOCs、NO*等污染物的在线监测数据进行分析,剔除
收稿日期,2021-02-02
基金项目:国家自然科学基金(编号:41475131;41703088);大气重污染成因与治理攻关项目(编号:DQGG-05-09;DQGG-01-07;DQGG-02—09;DQGG—03—04);河北省杰出青年科学基金(编
号:D2017402086);河北省重点研发计划项目(编号:17273712D,19273707D)作者简介:张雨(1997-),女,硕士研究生,研究方向为区域空气质量模拟和控制策略研究。
通讯作者:王丽涛(1979-),女,教授,研究方向为区域空气质量模拟和控制策略研究。
37
张雨,等:邯郸市臭氧污染影响因子及来源解析环境与安全因仪器故障等造成的不可用和无效数据,提高数据的准确性。
3胪oxr北
・37°时北
11护00”久ii5nr(r东ii於(r(r东iitw M、
36P(r北
114°0*0*^ 116。0'0■东东
图1监测站位置
2.2监测仪器
本研究中O3.NO-NO2-NO x的监测数据分别采用美国赛默飞世尔科技公司(Thermo Fisher Scientific)的49i紫外发光03分析仪和42i型NO-NO2-NO x 分析仪。Os分析仪采用紫外光度法,在1X10-9水平上在线监测Q浓度。NO—NOz—NOx分析仪的最低检测限为0.40X10—9,每天的量程漂移为±1%满量程,每天的零点漂移小于0.40X10-%气象数据监测仪与大气污染物监测仪均通过计算机终端输出实时数据,数据每5min自动记录1次。VOCs监测数据采用德国AMA Instruments公司生产的AMA GC5000型挥发性有机物在线谱监测仪,该仪器集自动采样、分析于一体,适用于VOCs中的C2〜c】2碳氢化合物的长期监测,主要包括GC5000VOC分析谱(两级富集,目标化合物C2〜C6),GC5000BTX分析谱(单级富集,目标化合物G〜G2),DIM200动态校准器(最大稀释倍数2500倍)。具有10〜12级检测灵敏度,可以24h连续采样,同时监测56种VOCs。通过定期校准、维护来保证仪器的正常运行。
2.3Hysplit后推气流轨迹聚类分析
HYSPLITC Hybrid Single—Particle Lagrangian Inte­grated Trajectory Model)是由美国国家海洋大气中心(NO AA)和澳大利亚气象局合作开发的一种计算和分析大气污染物输送、扩散轨迹的专业模型,常用来研究采样期间大气气团来源分析。本研究使用Hysplit-4对Q高浓度时段邯郸每日气团进行72h后向轨迹模拟,模拟高度为500m,后向轨迹模型所用的气象数据由美国国家环境预报中心(NCEP)的全球资料同化系统所提供(ftp://arlftp. v/p ub/a rchives/gdasl/)。
3结果与讨论
3.1邯郸市Q及其前体物污染特征
监测期间(2018年6〜7月份),邯郸市O3平均小时浓度为90.7/tg/m3。监测期间VOCs.Os,NO X平均小时浓度日变化如图2所示,Os平均小时浓度呈单峰分布,在5:00左右下降至最低值,之后随着温度升高,光反应增强浓度迅速升高。在11:00〜13:00达到峰值,中午12:00浓度最高,为144.9M g/m3,这与太阳辐射有关,随着光照强度的增强,温度的升高,浓度快速上升凹。监测期间VOCs的小时浓度与O3呈正相关,相关系数为0.77。NO s(NO+NO2)的小时浓度与小时浓度呈负相关,相关系数大小为0.98。夜间大气边界层较低,大气扩散能力较白天弱他,NO X在3:00〜6:00之间出现浓度升高趋势。随着光照条件的增强,温度升高,大气中的NO’和VOCs发生光化学反应浓度快速上升(表1)。
时间
图2监测期间V0C s、C)3、N0h平均小时浓度日变化
监测期间,对56种VOCs组分进行了定量分析,包括烷疑29种,芳香疑16种,烯婭10种,烘疑1种。邯郸市VOCs的组分为烷烽>芳香烽〉烯疑〉乙烘,占比分别为70.1%,17.2%、10.0%和2.7%,其中2—甲基戊烷、异戊烷、异戊二烯、丙烷、对一二乙基苯、乙烷、乙烘、乙烯、苯乙烯是VOCs中浓度较高的
物种。2—甲基戊烷和异戊二烯主要来源于汽车尾气,异戊烷主要来源于油气挥发,丙烷主要来源于液化石油气的使用,对一二乙基苯来源于柴油车排放或燃烧源,乙烷和乙块是典型的燃烧产物,乙烯既可能是燃烧源,也可能来自于石化等工业的排放,苯乙烯主要来源于家具涂料、油墨、密封剂和溶剂的使用屈。
3.2邯郸市O3与气象因子的关系
关于气象因子,很多学者的研究已经证实,高温低湿条件有利于O3污染维持和发展茂],本研究针对风向和风速对Q浓度的影响进行分析。监测期间邯郸市风向风速与03浓度的关系如图3所示,邯郸夏季主要以东北风向和西南风向为主,相反的风向可能容易造成污染物在邯郸累积跑。高浓度Q主要受西南风和东北风的影响。风速会影响的区域输送和累计扩散盟,不同风速对Os浓度的影响有差异,邯郸夏季风速较低,低风速有利于污染维持和发展。Os相对集中分布在0.4〜0.8m/s,风速在0〜0.4m/s、0.4〜0.8 m/s、0.8〜1.2m/s时的天数的占比分别为41.0%、44.3%和14.7%。风速为0.4〜0.8m/s时日均浓
38
2021年4月绿科技第8期
度较高。在0.8 m/s 以下时,风速与Q 浓度存在正相 东北和西南风向以及较低的风速是邯郸市夏季Q 浓关,以大气混合作用为主,当风速大于0. 8 m/s 时,大气
度较高的原因。
扩散作用明显,风速与Q 浓度成负相关。综上所述,
表1监测期间邯郸市VOCs 及其主要物种小时浓度统计结果
F g/m 3
O3浓度(》團m3 )
物种
平均浓度
标准偏差物种平均浓度标准偏差物种
平均浓度标准偏差
VOCs
126.552.1正壬烷0,60・41—戊烯0.50.3乙烷
3.7  2.5正癸烷
0.70.2顺式一2—戊烯
0.90.6丙烷  3.8  2.9正十一烷  1.3
0.6苯
3.0  3.5正戊烷
3.0  2.2正十二烷
2.6
0.8甲苯
3.3  2.2异戊烷
20,5
9.5异丁烷
1.7  1.4苯乙烯
3.4
1.82,2-二甲基丁烷  1.20.5正丁烷
2.2  1.8间/对一二甲苯
1.20.63—甲基戊烷
0.30.2
环戊烷
0.51,3乙基苯
2.10.8正己烷
1.6  1.1甲基环戊烷0.50,9邻一二甲苯
1.41,0环己烷
0.30.32,3-二甲基丁烷0.7  2.0异丙基苯
0.60.32—甲基己烷0.30.22—甲基戊烷47.039.0正丙苯
0.60.2
2,3-二甲基戊烷0. 20.12,4—二甲基戊烷
0.90.8对一乙基甲苯
0.50.33—甲基己烷0. 20.1乙烯  3.5  5.11,3,5 一三甲基苯0. 20.12,2,4 一三甲基戊烷
0.30.2
丙烯
0.90.6间一乙基甲苯
0.60.2正庚烷
0.40.2
1—丁烯0.20.3邻一乙基甲苯
0.60.3甲基环己烷
0.50.3顺式一2—丁烯
0.5
0.31,2,4 一三甲基苯0.20.12,3,4 —三甲基戊烷0.30.2异戊二烯
5.2
5.61,2,3—三甲基苯0.90.72—甲基庚烷0.30.21—己烯0,50・3间一二乙基苯
1.3  1.5
3—甲基庚烷
0.30.3反式一2—丁烯0.9  1.0对一二乙基苯
3.7  1.7
正辛烷0.4
0・4
反式一2—戊烯
0,5
0.4
乙块
3.7
3.2
城速/(m/s)
图3监测期间03浓度与风向凤速关系
3.3邯郸市O3敏感性分析
O 3污染受光化学反应、区域传输和气象条件的共 同影响宓23]。YOCs 和NO X 在6:00〜9:00之间的浓
度可以作为一天的初始浓度,VOCs 与NO 、比值可以 作为判断O 3生成主要受NO X 还是VOCs 控制的依
据[24〕。当vOCs/NO x 比值大于8(宜线y  = 8工上方)
时,OH 自由基与VOCs 的反应占主导地位,过氧自由
基之间的反应主要链终止反应,。3生成主要受NO X 控
制,加强NO ’的管控可有效降低Q 生成。当二者比值 小于4(直线丿=虹下方)时,OH 自由基和NO X 反应占 主导地位,Os 生成主要受VOCs 控制,此时采取有效措
施降低vocs 浓度将有效降低a 生成。比值基于两者 之间时,处于温合性敏感区,受两者共同影响。
由图4可以看出,监测期间邯郸市VOCs/NOx 比
值小于4的天数很少,仅占1.7%,比值介于4和8之间
的天数占45. 8%,而比值大于8的天数所占比值最大
(52.5%)。由此可见,邯郸夏季NO=对Q 影响较大, 该研究结果与以往研究结果具有较好的一致性®2。
•旳o
(oqdd)SOOA
100
050 100NOx (ppbV )
图4邯郸市VOCs 和NCL 浓度关系
150
39
张雨,等:邯郸市臭氧污染影响因子及来源解析环境与安全
3.4高浓度期间Q来源分析
监测期间O3浓度较高的3个时段分别是6月1〜7日、6月19〜30日及7月1〜7日,其(X平均小时浓度分别为10&5递/n?、113.5M g/m\121.5M g/m3e 对这几个时段进行后向轨迹聚类分析,探究大气污染输送对邯郸市夏季Q的影响。03高浓度期间气团轨迹聚类分析如图5所示,邯郸夏季气团轨迹较为分散,受季风
和海洋暖湿潮流的影响,轨迹较短[旳。6月1〜7日,轨迹1的短距离输送所占比重最大,为46%,该气团主要来自河南北部,由开封途径新乡、鹤壁、安阳到达邯郸。其次为来自西南方向的气团2(29%)。6月19〜30日邯郸主要受来自东南方向气团的影响,其中轨迹1主要来自山东西部城市,由聊城途径濮阳到达邯郸。7月1〜7日邯郸主要受来自东方气团的影响,其中短距离输送的轨迹1所占比重最大(36%),由济宁到达邯郸。而轨迹2和轨迹4的长距离输送与轨迹1所占比例相差不大,轨迹2和轨迹4主要来自山东。7月1〜7日O3主要以山东方向的输送为主.综上所述,整个高浓度时段均受来自东南方向气流的影响,与对气象因子的讨论中风向与03浓度关系的结果具有较好的一致性。邯郸市夏季(X受山东一带气团传输影响较大,近距离输送(33%〜46%)对邯郸03浓度有一定的贡献,而远距离输送(8%〜32%)不是邯郸夏季O3高浓度的主要原因。
(a)2018年6月1~7日
PU O
6
C
n
N
E.9E1&
(b)2018年6月19~3。日
6
N
o
T
9
C
S
(<■)2018年7月1~7日图503高浓度期间气团轨迹聚类分析
4结论
本文对2018年6〜7月邯郸市03及其前体物浓度以及气象数据进行在线监测,对O3污染影响因子及来源进行分析,主要结论如下:
(1)监测期间(2018年6〜7月)邯郸市O3平均小时浓度为90.7pg/n?,每日之中03浓度呈单峰分布,在11:00〜13:00达到峰值。VOCs的组分占比为烷婭(70.1%)>芳香绘(17.2%)>烯绘(10.0%),2一甲基戊烷、
异戊烷、异戊二烯、丙烷、对一二乙基苯、乙烷、乙
焕、乙烯、苯乙烯是VOCs中浓度较高的物种。
(2)邯郸夏季风向主要为东北风和西南风,相反的风向容易造成污染物的积累。风速较低,风速在0.4〜0.8m/s时O3日均浓度较高。在0.8m/s以下时,风速与Q浓度为正相关,以大气混合作用为主,当风速大于0.8m/s时,大气扩散作用明显,风速与Os浓度成负相关。邯郸市夏季属于NCL敏感型污染,加强NO*管控才能有效降低邯郸夏季O3污染。
(3)03高浓度时段均有来自东南方向的气流
受山东一带气团传输影响较大,邯郸市夏季O3浓度较高的原因可能是本地源排放和近距离输送,而远距离输
送不是邯郸市夏季O3高浓度的主要原因。
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Sources Apportionment and Factors of Ozone Pollution in Handan City Zhang Yu1,2,Wang Litao1,2,Liu Zhentong1,2,Liu Yingying1,2,Tan Jingyao1,2,
Zhao Shuting1,2,Wang Yu1,2,Qi Mengyao1,2»Lu Xiaohan1,2,Wang Qing1,2,Xu Ruiguang1,2
(1.School of Energy and Environmental Engineering,Hebei University of Engineering,Handan,Hebei 056038»China;2.Hebei Key Laboratory of Air Pollution Cause and Impact,Handan,Hebei056038,China)
Abstract:The ozone(O3)pollution is affected by photochemical reaction,regional transport and meteorological con­ditions.In this study?online monitoring of meteorological?O3and its precursors concentrations in Handan City from June to July2018was conducted,and Hysplit一4was used to simulate the72h backward trajectory of the daily air mass in Handan City during the period of high O3concentration(June1〜7,June19〜30,and July1〜7,2018). The influencing factors and sources of O3in summer of Handan city were analyzed.The results showed that the aver­age hourly concentration of O3is90.7pig/m3during the monitoring period.Within a day,O3concentrations showed
a single peak in11:00〜13:00.Alkanes were the largest contributors(70.1%),followed by Aromatic hydrocarbons
(17.2%)and Alkenes(10.0%).2一Methylpentane,isopentane,isoprene,propane,p一diethylbenzene,ethane,a-cetylene,ethylene,styrene are the species with higher concentration in VOC3.The low wind speed and the northeast and southwest wind direction are the reasons for the hig
her O3concentration in summer of Handan City.The daily average O3concentration was higher when the wind speed was0.4〜0.8m/s.Handan is in a significant NOx control area,that O3pollution can be effectively reduced by strengthening the control of NOx.In the period of high concen­tration of O3,there was air mass from the southeast direction.The high O3concentration of Handan City in summer may be caused by the local emission and short一distance transport,while the long一distance transport was not the main reason for the high O3concentration.
Key words:O3;sources apportionment;factors;Handan city
(上接第34页)
有利于保护镇康县域内的生物多样性,有利于镇康县生态建设的长远发展。
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