基于OMI數據的京津冀及周邊地區O3生成敏感性

武衛玲,薛文博,雷 宇,王金南 (環境保護部環境規劃院區域空氣質量模型與管控研究中心,北京 100012)

2013年《大氣污染防治行動計劃》(以下簡稱“大氣十條”)實施以來,京津冀地區 PM2.5濃度下降明顯,但 O3作為首要污染物的比例逐年升高,O3污染日益加劇.2016年京津冀地區O3日最大8h第90百分位濃度平均為172μg/m3,同比上升 6.2%,污染程度超過珠江三角洲和長江三角洲[1].O3主要是氮氧化物(NOx)與揮發性有機物(VOCs)兩個重要的前體物在陽光照射下發生光化學反應形成的二次污染物.一般前體污染物濃度越高、光照越強、氣溫越高,則光化學反應越強烈,O3濃度越高[2-3].NOx和VOCs生成O3的機制較為復雜,控制單一污染物可致 O3濃度上升,研究控制區域 O3生成的敏感性,科學確定 NOx和VOCs減排比例是降低O3濃度的關鍵.

確定O3生成敏感性的方法主要有敏感性測試法、源示蹤法、指示劑法.敏感性測試法是基于不同排放情景下模擬的O3濃度變化,分析不同前體物的敏感性貢獻[4-5].王雪松等[6]利用CAMx-OSAT源示蹤法分析了北京地區O3污染的來源.Sillman等[7]首次提出將P(H2O2)/P(HNO3)作為指示劑判定 O3生成敏感性,隨后 NOx、O3/NOy、HCHO/NO2、HCHO/NOy等指示劑被廣泛用于判斷 O3生成敏感性.眾多指示劑中,P(H2O2)/P(HNO3)被認為最具普適性的指標[8-10],但在區域層面P(H2O2)/P(HNO3)實際監測數據難于獲取.OMI衛星產品中HCHO和NO2應用廣泛,利用HCHO/NO2指示劑來判斷O3控制區具有時間、空間連續性的優點,且人為干擾因素小.HCHO濃度可作為VOCs的指示劑,而NO2濃度可作為NOx的指示劑,當HCHO/NO2比值小于1時處于VOCs控制區,比值大于2時處于NOx控制區,介于 1和 2之間為 NOx-VOCs協同控制區[11-13].Duncan等[11]利用衛星 OMI柱濃度產品HCHO/NO2研究了美國不同城市O3生成的敏感性;單源源等[14]利用 OMI遙感數據分析了我國中東部地區 O3控制區變化狀況.但我國城市 O3污染主要集中在 6～9月份,呈現夏季高、春秋居中、冬季最低的特征[15],選用全年平均數據有不足之處,且隨著 NOx減排,O3生成敏感性的時空分布特征均發生顯著變化,特別是針對京津冀及周邊地區夏季O3控制區變化的研究尚屬空白.

圖1 研究范圍Fig.1 Study area

本研究針對京津冀及周邊地區夏季日益加劇的O3污染,利用2005～2016年6～9月份OMI對流層NO2和HCHO柱濃度數據,采用HCHO/NO2指示劑方法判別 O3生成敏感性,重點分析了“2+26”城市 O3敏感性的時空變化及原因,為制定京津冀及周邊地區O3控制策略提供科學依據.

1 數據與方法

1.1 數據來源

用來監測地球臭氧層的 Aura衛星于 2004年發射成功,是一顆太陽同步軌道的近極軌衛星,過境時間一般在當地時間13:40～13:50,其搭載的OMI傳感器主要產品包括SO2、NO2、HCHO、O3等氣體,NO2和HCHO兩種產品反演算法均基于差分吸收光譜技術(DOAS).本文 HCHO和NO2對流層柱濃度數據均為OMI產品,在一定程度上消除了系統誤差.HCHO和NO2對流層柱濃度數據來源于歐空局TEMIS項目網站的全球月均濃度產品[16],OMI NO2月均產品空間分辨率為0.125°×0.125°,NO2產品的不確定性約為 15%[17],HCHO 月均產品空間分辨率為 0.25°×0.25°,數據的相對不確定性大約為25%[18].

1.2 研究方法

研究范圍:包括北京、天津、河北、河南、山東、山西6省(市),面積共69.9萬km2,本文重點分析京津冀大氣污染傳輸通道“2+26”城市,包括北京、天津,河北省石家莊等8城市,山西省太原等4城市,山東省濟南等7城市,河南省鄭州等7城市.研究范圍見圖1.

數據處理:獲取2005～2016年間6～9月份全球網格化NO2和HCHO月均產品,提取京津冀及周邊地區數據,為實現不同分辨率的數據匹配,將0.25°分辨率的HCHO數據重采樣到0.125°,并計算逐網格 HCHO/NO2,行政轄區內 HCHO、NO2柱濃度平均為所有網格的平均值.

式中:c(HCHO)為 HCHO 柱濃度;c(NO2)為 NO2柱濃度;η為二者比值.

O3生成的敏感性判別標準:當η小于1時,O3生成處于VOCs控制區,O3濃度對VOCs排放量的變化較為敏感;當η大于2時,O3生成處于NOx控制區,O3濃度對 NOx排放量的變化較為敏感;η介于 1～2之間為 NOx-VOCs協同控制區[13-14,19].本文利用衛星遙感 OMI HCHO/NO2的柱濃度比值,研究京津冀及周邊地區夏季 O3生成的敏感性.

2 結果與討論

2.1 O3前體物時空分布

O3是NOx和VOCs在大氣中經過一系列光化學反應生成的二次污染物,NO2作為 NOx的重要組成部分,OMI NO2柱濃度可以反映NOx濃度的變化[20-21].HCHO對產生VOCs的自由基化學過程具有重要影響,OMI HCHO對流層柱濃度可以表征VOCs排放的變化[22-24].本文利用12a年間 OMI NO2和 HCHO柱濃度來分析 NOx與VOCs排放的時空變化特征.

如圖 2(a)和圖 3(a)所示,6 省(市)夏季 NO2柱濃度均呈現先升高后降低的趨勢,2005～2010年間NO2濃度呈上升趨勢,2011年之后NO2柱濃度逐年降低.6省(市)中天津濃度最高,均值超過10×1015molec/cm2,山西省濃度最低,柱濃度在5×1015molec/cm2上下波動,北京、河北、山東、河南濃度接近.北京、天津、石家莊、邯鄲、唐山、淄博等“2+26”城市 NO2柱濃度較高,高值達到 15×1015molec/cm2以上.

圖2 2005～2016年6～9月NO2和HCHO柱濃度Fig.2 Variation of NO2 and HCHO VCDs for June～September, 2005～2016

2005～2016年間,6省(市)夏季HCHO柱濃度年際變化趨勢一致,見圖 2(b).甲醛柱濃度夏季主要受大氣光化學氧化作用影響,與溫度、植物異戊二烯、工業活動等密切相關[14].6省(市)中天津濃度最高,均值為 14×1015molec/cm2,其次是山東和河南,均值約為 13×1015molec/cm2,山西濃度最低,均值為 7×1015molec/cm2.HCHO 柱濃度高值區集中在北京南部、天津、河北南部、山東和河南的大部分地區,濃度高值達 20×1015molec/cm2,空間分布見圖3(b).

圖3 2016年6～9月NO2和HCHO柱濃度Fig.3 NO2 and HCHO VCDs for June～September, 2016

2.2 O3控制區空間分布

根據2016年6～9月衛星HCHO/NO2變化規律,研究“2+26”城市O3生成的敏感性.從空間分布來看,北京北部、承德、張家口、山東東部、河南大部分城市處于NOx控制區,衡水、濮陽兩地全部處于NOx控制區,O3生成受NOx控制的區域需要優先削減NOx排放.O3生成受VOCs控制的區域集中在北京、天津的城市中心以及唐山、太原、邯鄲、安陽等重工業發達城市,O3生成受VOCs控制的區域需要優先削減 VOCs排放.NOx-VOCs協同控制區主要集中在北京、天津、太行山沿線工業城市、河北北部和山東中部工業城市群,處于NOx-VOCs協同控制區的區域,需要開展 NOx與 VOCs協同減排,優化減排比例.2016年 O3生成敏感性見圖4(d),“2+26”城市O3生成的敏感性面積比例見表1.

表1 2016年不同城市控制區比例(%)Table 1 The ratio of O3 sensitivity in different cities, 2016 (%)

在 NOx減排政策方面,我國自“十二五”期間開始NOx總量減排,將其納入約束性指標.雖然火電、水泥等重點行業NOx減排效果顯著,但隨著城市機動車保有量的快速增加,機動車尾氣中的NOx和碳氫化物,是形成 O3的絕佳條件,因此大部分城市NO2和O3濃度不降反升.NOx減排政策需要持續推進,處于NOx控制區的區域減排NOx更加緊迫.在VOCs減排政策方面,2010年環保部首次把 VOCs列為重點污染物[25],2013年“大氣十條”提出在石化、有機化工、表面涂裝、印刷包裝等行業開展VOCs污染綜合治理[26].但人為源 VOCs排放大多是無組織排放,存在排放基數不清、治理成本較高、處理效果較差等問題,加上夏季天然源 VOCs排放量不可忽視,VOCs減排任務艱巨.

圖4 不同年份6～9月份O3控制區變化Fig.4 Variation of O3 sensitivity for June～September, in different years

2.3 O3控制區年際變化

根據 2005～2016年衛星HCHO/NO2變化規律,京津冀及周邊地區VOCs控制區、NOx-VOCs協同控制區均呈先增加后減少的趨勢,NOx控制區呈先減少后增加的趨勢.2013年以來呈現出“VOCs控制區轉變為NOx-VOCs協同控制區、NOx-VOCs協同控制區轉變為NOx控制區”的趨勢.山東中部工業城市群由NOx-VOCs協同控制區逐漸轉變為NOx控制區,石家莊、邢臺、濟南、淄博、新鄉、焦作、濟源、晉城等城市由VOCs控制區轉變為NOx-VOCs協同控制區,見圖4.

2005年京津冀及周邊地區NOx控制區面積占比約為60%,主要集中在北京北部、河北北部、河南大部分地區、山東沿海城市,之后NOx控制區的面積比例呈下降趨勢.進入“十二五”之后,環保部開始實施NOx總量控制政策,2011年NOx控制區面積比例出現“拐點”,面積比例達到最低38%.2013年“大氣十條”實施以來,NOx排放量明顯下降,NOx控制區的面積比例呈增加趨勢.2016年京津冀及周邊地區NOx控制區面積比例達到最高65%.

圖5 2005～2016年6～9月份O3控制區變化Fig.5 Variation of O3 sensitivity for June～September,2005～2016

2005 年京津冀及周邊地區VOCs控制區面積比例約為 6%,主要集中在北京、太原、石家莊等城市中心及工業較發達地區.之后隨著經濟快速發展,VOCs控制區明顯增加.2010年“2+26”城市中天津、唐山以及太行山東麓城市石家莊、邢臺、邯鄲、安陽、鶴壁、新鄉、焦作等均處在VOCs控制區.2011年VOCs控制區面積比例出現“拐點”,達到最大為 16%.2013年 VOCs控制區相比2010年明顯減少,面積比例約為 6%.2016年 VOCs控制區進一步減少,面積達到最低僅為 3%.“十二五”以來,NOx減排取得顯著成效,但VOCs排放量未得到有效控制,VOCs排放量呈持續增加的趨勢,因此,VOCs控制區面積逐年減少.

唐山市歷年 VOCs控制區的變化最具代表性,2010年VOCs控制區面積比例相比2005年大幅增加,大部分區域由NOx-VOCs協同控制區轉變為 VOCs控制區.主要原因是首鋼京唐公司2010年6月一期工程竣工投產導致唐山市NOx排放量大幅增加,但“十二五”實施 NOx總量減排之后,2013年和2016年唐山VOCs控制區比例由2010年的 78.33%分別減少到 48.33%和 50%,NOx-VOCs協同控制區比例由2010年的21.67%分別增加到48.33%和50%.

2.4 O3控制區月變化

植被釋放的異戊二烯、單萜烯和其他VOCs 的排放量主要受季節變化影響,每年4月開始,溫度快速升高,植被 VOCs排放量隨之增大.由于夏季高溫、高輻射和日照時間長的因素所致,6～8月植被VOCs排放量達到最大,9月溫度逐步降低,植被 VOCs排放量急速下降[27].2005～2016年“2+26”城市不同月份的 HCHO 柱濃度變化較大,相比6～8月,9月HCHO柱濃度明顯降低,見圖6.

圖6 2005～2016年間6～9月份HCHO柱濃度Fig.6 HCHO VCDs in June-September, 2005～2016

根據2005～2016年6～9月O3敏感性發現,6～8月期間 O3受VOCs控制區的區域大致相同,主要集中在唐山、石家莊、邯鄲、焦作、淄博、太原、朔州、陽泉等“2+26”城市;NOx控制區主要集中在北京北部、河北北部、山西西部、河北和河南大部分地區.但9月受平均氣溫、降水等因素的影響,天然源VOCs排放量明顯下降,VOCs控制區增加顯著,NOx控制區明顯減少;北京、天津、太行山沿線城市、河南中北部、山東中部城市群等均處在VOCs控制區.6～8月的NOx控制區轉變為9月的NOx-VOCs協同控制區,NOx-VOCs協同控制區轉變為VOCs控制區.

圖7 2005～2016年不同月份O3控制區Fig.7 Sensitivity of ozone production in different months, 2005～2016

2013～2016年京津冀區域 O3監測數據表明,O3濃度呈上升趨勢.主要原因是大部分城市處于VOCs控制區或者NOx-VOCs協同控制區,只削減 NOx排放量,并未有效降低 O3濃度.京津冀及周邊地區O3生成敏感性隨時間、空間變化明顯,控制O3需要深入開展O3污染形勢分析,分析不同控制區域NOx與VOCs協同減排面臨的科學問題,優化減排比例,進而提高“2+26”城市大氣污染防治的精細化水平.

3 結論

3.1 O3生成敏感性的空間分布特征表明,O3生成受VOCs排放控制的地區主要集中在北京、太原、石家莊等城市中心及工業較發達地區,受NOx排放控制的地區主要集中在北京北部、河北北部、河南大部分地區、山東沿海城市,其他區域為NOx-VOCs協同控制區.

3.2 2005～2016年間O3生成敏感性的年紀變化特征表明,京津冀及周邊地區受 VOCs控制的區域面積先增大后減少,受NOx控制的區域面積先減少后增加.NOx控制區在 2011年出現“拐點”,NOx控制區面積比例達到最低 38%,之后呈增加趨勢,2016年占比達到65%.

3.3 2005～2016年6～9月O3生成敏感性月變化特征表明,9月 VOCs控制區增加顯著,6～8月的NOx控制區轉變為9月的NOx-VOCs協同控制區,NOx-VOCs協同控制區向VOCs控制區轉變.

3.4 京津冀及周邊地區 O3控制區隨時空變化明顯,控制 O3污染需要分析不同地區 NOx與 VOCs協同減排面臨的科學問題,進而優化減排比例,提高“2+26”城市大氣污染防治的精細化水平.

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