成都城市群的不同人为源对臭氧浓度的贡献

何 苗，李 迪，付 虹，明镇洋

（西南交通大学地球科学与环境工程学院，成都 611756）

臭氧是氮氧化物（NOx）和挥发性有机物（VOCs）在一定条件下与自由基经一系列光化学反应形成的二次污染物，并且NOx和VOCs中的活性组分对O3生产与消耗的影响是一个高度非线性过程[1]。QU等[2]利用WRF-CAMx模型和因子分离技术分析五大排放源对华北地区日最大O3的影响，结果发现，发电厂源对O3的贡献量最大，工业和电厂排放源协同作用有利于O3生成。程艳丽等[3]运用空气质量模式研究不同人为源排放对珠江三角洲O3生成的贡献，得出珠江三角洲O3受VOCs控制区，流动源排放VOCs最多，其次是溶剂、油漆使用源，人为源对O3的贡献率高达90%。LI等[4]利用WRF-Chem对人为源和生物源进行模拟，发现人为源对O3生成起主导作用，森林中丰富的生物VOCs通过与人为产生的NOx相互作用促进了城市地区O3的生成。本文定量分析单个人为源对臭氧污染的贡献，探讨各人为源对臭氧浓度的协同影响，为成都城市群臭氧污染防治策略的制定提供参考。

1 方法

本文基于强力法，利用CMAQ系统（美国国家环境保护局研制的第三代空气质量预报和评估系统）能识别的农业源、工业源、电厂源、生活源和交通源排放清单进行研究。选取2017年4月、7月、10月、1月分别作为春季、夏季、秋季、冬季的代表月份，分别对单个源清单进行模拟，将VOCs和NOx排放作为同一人为源探讨，定量分析不同人为源排放对成都城市群臭氧污染的贡献，基于因子分离法[5]探究人为源排放对O3污染的协同影响。

将成都市人为源排放数据及气象模式得到的气象参数输入CMAQ系统，为降低初始条件对模拟结果的影响，每个月均提前5日进行模拟。成都市O3模拟值与观测值如图1所示，在时间变化趋势上整体趋于一致，CMAQ系统能较好地展示O3的时间变化趋势，其模拟结果是可信的。

图1 臭氧模拟时间序列

2 结果与分析

2.1 单个人为源对臭氧生成的贡献

利用CMAQ系统模拟单个人为源清单，分别计算2017年单个人为源排放对O3的总贡献量f。其中，A、I、P、R和T分别指农业源、工业源、电厂源、生活源和交通源。

采用强力法得到的五大排放源净贡献均较高，从图2可以看出，单个人为源对成都城市群的O3浓度的净贡献量表现为工业源最高（34.8～45.2 ppbv），交通源次之（29.7～42.5 ppbv），大部分城市电厂源和生活源前体物排放净贡献量比较接近，O3净贡献量区间为22.11～32.5 ppbv，农业源贡献最低（21.3～30.5 ppbv），各排放源O3浓度贡献量各季分布表现为夏季＞春季＞秋季＞冬季。

图2 各城市对O3的净贡献量

如图3（a）所示，德阳市工业源贡献量最高，其次为成都，春夏季贡献量最高，夏季O3浓度贡献量为34～60 ppbv，春季最大贡献量超过68 ppbv，成都、德阳、绵阳为春夏季高值区。如图3（b）所示，成都、雅安交通源排放对O3的净贡献量较多，春夏季贡献量高，夏季O3浓度贡献量为34～48 ppbv，较高值区主要分布在雅安、绵阳北部以及成都与德阳两市交界处，而春季主要集中在成都，贡献量为34～46 ppbv。成都、绵阳、德阳三市交通发达，成都、雅安机动车排放为O3生产提供了较多的前体物[6]。

如图3（c）所示，电厂源夏季贡献量最高，贡献量为32～50 ppbv，中高值主要分布在成都偏东北方向以及绵阳北部地区，电厂源春季对成都城市群的臭氧贡献约为44 ppbv，秋季贡献量为30～34 ppbv。如图3（d）所示，生活源排放绵阳市、成都市贡献量最高，夏季生活源贡献量不高，浓度低于48 ppbv，春季生活源浓度偏高地区主要为绵阳北部，贡献量大于46 ppbv，秋季遂宁生活源贡献量较高。如图3（e）所示，农业源排放对O3的贡献最少，排放量为21.4～30.55 ppbv，源清单中农业源排放污染物只有NH3，主要来自氮肥施用、秸秆堆肥等以NH3排放为主的排放源，NH3在大气中被·OH氧化为NOx来参与O3的生成[7]。农业源中各城市的贡献量为成都＞绵阳＞德阳＞资阳。

图3 工业源、交通源、电厂源、生活源和农业源各季对O3的贡献

2.2 不同人为源对臭氧生成的协同影响

为了研究不同人为源对O3生成的协同影响，以成都城市群的夏季为例，利用因子分离法和CMAQ系统研究不同人为源排放叠加对O3的协同影响，如表1所示。

表1 FST情景实验方案

2.2.1 两种人为源排放对O3的协同影响

与单个人为源排放对O3生成的影响相比，大部分两种人为源排放叠加（见图4）使O3出现降低（fIP，fIR，fIT，fPR，fPT，fRT），说明与单个排放源相比，大部分两种人为源的叠加对O3生成有一定抑制作用。电厂源分别与工业源、生活源、交通源叠加后，O3浓度减少10～15 ppbv，这是由于电厂源排放的前体物以NOx为主，成都城市群主要为VOCs控制区，NOx浓度增加会使O3浓度降低[8]；工业源与交通源叠加后（fIT），O3高值区主要分布在成都、德阳，二者的协同影响与其个体相比，O3浓度少量降低（＜5 ppbv）。生活源与工业源（fIR）的协同效应与单个源相比，O3减少5～10 ppbv，大于生活源与交通源（fIA）叠加对O3生成的影响。农业源分别与工业源、电厂源、生活源、交通源叠加后（fIA，fAP，fAR，fAT），其对O3生成的影响和单个人为源的影响差异不大，这可能与农业源排放的NH3被·OH氧化的速率快慢有关[7]。

图4 两种人为源排放对O3的协同影响

2.2.2 三种人为源排放对O3的协同影响

在两种源叠加的基础上再叠加一种人为源，进一步分析三种人为源排放对O3生成的协同影响，如图5所示。电厂源分别与工业源、生活源、交通源叠加，对O3生成有一定抑制作用，而电厂源和工业源共存，再与生活源或交通源进行叠加（fIPR，fAPT），对O3生成的影响较两两叠加时大约增加10 ppbv。工业源与交通源排放大量VOCs和NOx，叠加以VOCs排放为主导的生活源后（fIRT），对O3的生成作用大于消耗作用；电厂源排放大量NOx，当电厂源、交通源叠加生活源（fPRT）时，VOCs和NOx排放量进一步增加，成都城市群O3浓度略有增加，对高值区成都、德阳的影响不明显；任意两种人为源叠加农业源（fIAP，fIAR，fIAT，fAPT，fART，fPRT）均降低了对O3生成的贡献。

图5 三种人为源叠加对O3的协同影响

3 结论

成都城市群处于VOCs控制区，单个人为源对成都城市群的O3浓度的净贡献量表现为工业源＞交通源＞电厂源≈生活源＞农业源；各排放源O3浓度贡献量的各季分布表现为夏季＞春季＞秋季＞冬季。两种人为源叠加会抑制O3生成，三种人为源叠加对O3生成的影响各不相同。成都城市群O3防治需要重点管控工业源、交通源和生活源排放。