研究进展
我实验室创新团队揭示南海地区臭氧污染与海洋和大陆空气相互作用的重要关系
来源:南方海洋实验室
2020.09.28
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近年来,珠三角地区近地面的臭氧污染问题愈发严重。以往的研究认为,海洋上空的大气环境相较于大陆更为清洁,但由于海洋与大陆气团的化学与物理性质不同,它们之间的相互作用会引起污染物的传输和积累,所以其对于光化学臭氧污染的影响不同于普通一次污染物。因此有必要研究海洋与大陆气团的相互作用对珠三角沿海地区的臭氧传输、生成与积累的影响,以深入认识不同气团对沿海地区光化学污染的作用。同时,量化大陆各挥发性有机化合物(VOCs)物种对海洋臭氧形成的贡献,对制定和实施减轻臭氧污染的控制措施也至关重要。

我实验室海洋-陆地-大气相互作用与全球效应创新团队骨干成员郭海教授在研究中综合考虑了珠三角沿海地区近地面高臭氧日的天气形势、海陆风循环、大气污染物浓度分布、大气氧化性以及臭氧光化学反应中自由基的反应通道后发现,尽管南海近岸海域的一次污染物浓度相较于珠三角沿海城市低,其臭氧污染情况却比沿海城市更为严重,这主要与海陆风循环引起的大陆与海洋气团交替有关(图1)。研究还发现,南海的高浓度臭氧与自由基的更高速率的光化学循环有关(图2),由陆地到海洋的传输过程中,本地臭氧的生成速率及大气化学氧化性均有逐步升高的趋势。该研究成果分别以“Ozone pollution around a coastal region of South China Sea: interaction between marine and continental air”、“Surface O3 photochemistry over the South China Sea: Application of a near-explicit chemical mechanism box model”和“Photochemical evolution of continental air masses and their influence on ozone formation over the South China Sea”为题,分别发表在Atmospheric Chemistry and PhysicsEnvironmental PollutionScience of The Total Environment上。

图1.WRF-CMAQ模拟2013年8月21日08:00 (a),14:00 (b),19:00 (c),23:00 (d) 的臭氧浓度空间分布情况。图中箭头表示地面风场。

图2. PTM-MCM模拟2013年秋季高臭氧天从大陆站点(东涌,TC)到海洋站点(万山岛,WSI)光化学循环速率的递增趋势。

本研究分别选取了珠三角沿岸的一个城郊站(TC)与一个海洋站(WSI)在2013年8月至11月进行同步观测,采集了痕量气体、挥发性有机化合物(VOCs)以及气象参数,并结合光化学箱式模型(PBM-MCM)与大气化学与传输模式(WRF-CMAQ)进行模拟分析。研究发现在受到台风外围下沉气流以及大陆反气旋的控制下,两个站点均出现温度高、光照充足、风速较小的气象条件,有利于臭氧的生成与积累,从而导致高臭氧污染事件。观测数据显示,虽然海洋站点的一次大气污染物浓度远低于大陆站点,但臭氧浓度相对城郊站更高。一方面因一氧化氮浓度较低,一氧化氮对臭氧的滴定作用较弱;另一方面,近海面大气的氧化能力较近地面大气更强,VOCs被氢氧自由基氧化的速率更快,有利于光化学反应生成臭氧。随着陆风的发展,大陆气团推进到近岸地区将内陆地区的空气污染物传输到海洋上空,同时气团的老化程度更高,该气团在近海面大气环境中发生光化学反应,导致南海近岸海域的臭氧浓度高于陆地地区。随着海风的发展,离岸海域上空气团将海上形成的臭氧携带回内陆,导致香港等珠三角沿海地区晚上出现较小的臭氧峰值。

上述研究成果说明了由于海洋与大陆气团的性质不同,它们对臭氧生成的光化学反应有不同的影响。因此,在海陆风循环的作用下,沿海地区的臭氧污染会出现叠加与反复的情况。此外,该研究揭示的气团从大陆到海洋环境的光化学演化过程,也为珠三角沿海地区进一步制定和实施适当的臭氧污染控制策略提供参考。

文章链接

DOI: 10.5194/acp-18-4277-2018

DOI: 10.1016/j.envpol.2017.11.001

DOI: 10.1016/j.scitotenv.2019.04.075

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