中国区域大气本底站近地面臭氧来源贡献及区域代表性

刘宁微,马建中,安兴琴,林伟立,徐婉筠,徐晓斌,李得勤,李荣平

① 中国气象局 沈阳大气环境研究所,辽宁 沈阳 110166② 中国气象科学研究院,北京 100081;③ 中央民族大学,北京 100081

臭氧(O)作为OH自由基的重要来源之一,间接决定着对流层多种微量成分的寿命(Levy,1971;Wofsy et al.,1972);O也是一种重要的温室气体,对全球气候变化有着重要影响(廖宏等,2021);近地面O又是一种强氧化剂和植物毒剂,直接危害人体健康和地表植被(Lee et al.,1996;Shindell et al.,2012;Qu et al.,2021)。因此研究O的时空变化和污染来源对于全球气候变化和保护地球生物都具有重要意义。

经济合作与发展组织的《2050年环境展望报告》(Organisation for Economic Co-operation and Development,2019)显示,由于人口老龄化与城市化发展,近地面O将成为诸多国家死亡率高发的重要诱因之一。当今,很多国家积极制定地面O环境质量标准、加大力度管控O前体物排放,旨在减少O污染产生的危害。研究表明,近年来全球O背景浓度呈增长趋势(约1 μg/a),这主要与全球气候变暖、人为污染排放、区域大范围传输等因素有关。由于O的长距离输入输出和平流层-对流层交换是影响近地面O浓度的重要因素,O在区域范围内的背景浓度值不仅决定于其自然背景值(自然前体物反应生成和平流层输送),更决定于人为污染物在区域、洲际、半球甚至全球尺度范围内长距离输送的影响(Jacob et al.,1999;Jaffe et al.,1999;Wild et al.,2004;Lewis et al.,2007;Li et al.,2014;Thompson et al.,2014;Chakraborty et al.,2015;Hogrefe et al.,2016;Ni et al.,2018;Yarragunta et al.,2019;Xue et al.,2020)。当前,长距离输送的贡献不仅已成为对流层O研究领域的前沿热点,更由于其研究方法有限导致的不确定性而成为该研究领域的难点(Monks et al.,2015)。

大气污染物的本底监测代表排除局地工业和人类活动影响的较大范围内整个大气环境混合均匀后的大气平均状况,对未来大气成分的变化具有非常重要的早期预警作用。中国大气本底站O观测数据为系统研究中国区域本底大气O浓度的季节变化特征和化学传输机制等提供宝贵的数据支持,对于中国乃至北半球大气O浓度水平及变化特征的研究具有十分重要的科学价值。

1 长距离输送对中国区域本底大气O3的影响

O的长距离输入输出和平流层-对流层交换沉降是除了光化学生成消耗之外,影响近地面O浓度的最重要因素。尽管O污染事件通常发生在人口密集和工业发达的地区,但高浓度的O及其前体物会随着大气运动进行长距离输送,从而影响污染源下风向对流层O的分布。在行星尺度大气环流的影响下,O及其前体物由边界层被输送至其上方的自由对流层,其寿命得以显著延长,继而主要沿中纬度西风带向其下风向的区域、洲际,甚至半球尺度进行有规律的输送(Stohl,2004;Htap,2010)。人为排放或生物质燃烧所致的污染气团可以由东亚向北美、北美向欧洲、欧洲向中东、东亚输送,从而实现北半球甚至全球范围内的输送。

1.1 洲际长距离输送

国际上已经通过全球大气化学模式模拟的方法,开展了许多有关O及其前体物在全球范围内长距离输送的研究,其中包括跨太平洋、跨大西洋和跨欧亚大陆的输送影响(Wang et al.,2009;West et al.,2009;Emmons,2010;Li et al.,2014)。跨太平洋的污染物输送研究表明,由于亚洲人为源排放的增加,2000—2006年北美洲西部O体积浓度增加了1×10至2×10(Zhang et al.,2008),这一输送在春季所需时间约为6 d(Jaffe et al.,1999);1999—2049年间美国西部、东部夏季平均O体积浓度将分别增加2×10至6×10至和1×10至2×10(Zhang et al.,2008)。对于跨太平洋输送的季节变化,有学者认为最大影响时期为4—6月(Zhang et al.,2008),也有学者认为最大影响时期是夏季(Brown-Steiner and Hess,2011)。

跨大西洋的污染物输送研究表明,由于中、高纬度的频繁输送,来自北美的污染气团仅需6～15 d就可以达到大西洋中部(Honrath,2004;Owen et al.,2006;Val Martin et al.,2006)。夏季,北美长距离输送对欧洲的O贡献在边界层和对流层中、上部分别为3×10至5×10(7%～11%)和10×10至13×10(18%～23%)。在个别污染事件中,北美对欧洲的O贡献分别可达25×10至28×10(800～600 hPa)和10×10至12×10(边界层)(Guerova et al.,2006)。

跨欧亚大陆的污染物长距离输送通常会导致来自欧洲的污染物途经地中海、中东,进而影响东亚地区的空气质量。欧洲的O前体物长距离输送对西伯利亚Mondy站月平均O的贡献为0.5×10至3.5×10,对日本的贡献为0.1×10至2.5×10,与来自北美的高纬度输送贡献非常接近(Wild,2004)。位于亚洲下风向的日本,春季分别受到来自欧洲、北美、中国的O输送影响,其贡献分别为(3.5±1.1)×10、(2.8±0.5)×10、(4.0±02.8)×10,在大陆冷风过境条件下表现得最为显著(Yoshitomi et al.,2011)。

1.2 现有研究基础与不足之处

目前,已有一些有关区域外长距离输送对中国不同地区O背景浓度贡献的研究。在这些研究中,有的是基于MOZART-4模式的敏感性试验方法(Li et al.,2014),有的是利用GEOS-Chem模式首先示踪O(O=O+O+NO+2NO+PANs+HNO+HNO+3NO),然后驱动离线O模拟的方法(Wang et al.,2011;Zhu et al.,2017)。这几项研究得出的有关不同污染源区长距离输送对中国区域O影响的结论分歧较大,贡献最显著的源区和受体地区也存在争议,其中包括:来自东南亚的O对华东地区贡献最大(Wang et al.,2011)、来自欧洲的O对中国区域整体贡献最大(Li et al.,2014)和来自北美的O对冬季中国北方(30°N以北)地区贡献最大(Zhu et al.,2017)。然而,以上几项长距离输送对中国O背景浓度贡献的模式模拟研究均未考虑平流层对对流层的O贡献。事实上在中国区域,平流层O的输送作用在前体物排放很少的本底地区显得非常重要。研究表明,在瓦里关和香格里拉等高原站点,平流层输送对对流层O的影响更具有决定性的作用(Ding and Wang,2006;Zheng et al.,2011;Ma et al.,2014;Xu et al.,2016),但利用模式模拟结果量化评估平流层O输送的研究相对较少。Liu et al.(2020)利用平流层-对流层耦合的大气化学-环流模式(EMAC)中的O示踪模拟方法研究了2010—2012年来自全球不同源区的O对中国区域近地面O季节变化的贡献。然而,该研究缺乏对O来源示踪在经度方向的细致分区(如:将整个北半球中高纬度对流层视为一个整体),相对粗略地研究了来自不同纬度带的气团对中国区域近地面O的贡献。

2 中国区域大气本底站O3变化及其区域代表性

网络观测是揭示O空间分布及长期变化规律的最佳途径,世界气象组织(WMO)的全球大气观测(GAW)计划是探究大气长期理化性质的重要国际方案之一。目前,中国大陆区域的瓦里关(WLG)全球大气本底站和香格里拉(XGLL)、阿克达拉(AKDL)、临安(LA)、上甸子(SDZ)和龙凤山(LFS)等5个区域本底站,是世界气象组织全球大气观测计划的重要组成部分,这6个大气本底站获得的O观测数据为系统研究中国区域本底大气O浓度的季节变化特征和化学传输机制等提供宝贵的数据支持,对于中国乃至北半球大气O浓度水平及变化特征的研究具有十分重要的科学价值(Ding and Wang,2006;Lin et al.,2008a;Xu et al.,2008;Ma et al.,2014;Cheng et al.,2017;Liu et al.,2020)。大气本底监测数据也是评估大气化学输送模式对中国区域O分布变化规律模拟效果的重要基础资料(Zhu et al.,2017)。各站位置、经度、纬度、海拔高度见Liu et al.(2019)。

2.1 中国区域大气本底站O3时空变化特征

1981—2006年,中国区域的6个WMO/GAW大气本底站陆续开始正式运行,国内学者基于本底站地面观测数据对各大气本底站O变化特征及影响机制进行了深入分析。在中国东部,位于华北平原东北角的SDZ凭借其优越的地理位置和山谷地形,成为定量反映来自华北平原污染物输送影响的理想站点(Lin et al.,2008b)。亚洲夏季风(ASM)在华北平原表现为西南向,在其影响下来自华北平原温度高、速度快的污染气团对SDZ近地面O有28.9×10的贡献,形成夏季峰值,比在冬季盛行东北风时来自清洁背景区气团影响下的近地面O体积浓度高33.4×10(Ge et al.,2012)。污染气团中光化学反应生成O比例较小,直接输送是导致SDZ夏季高O体积浓度的原因(Ge et al.,2012)。位于东南沿海地区的LA在ASM的影响下,近地面O体积浓度在5月和10月呈现出双峰,在一定程度上反映出该地区上游污染气团对O春季峰值的影响(Xu et al.,2008;范洋等,2013)。位于东北地区中部的LFS近地面O体积浓度在夏季达到峰值,这是由ASM环流背景下华北、东北中、南部污染气团输送形成的(刘宁微等,2021)。

在中国西部,位于青藏高原东北角的WLG近地面O在夏季达到峰值,其成因在学术界存在不同观点。有的学者认为中国境外的长距离输入占主导作用,其次是平流层输送,而中国境内光化学过程的贡献很小(Ma et al.,2002a,2002b);有的学者认为中国南部和中部的长距离输送贡献最大,其次是平流层输送(Xue et al.,2011,2013);还有的学者认为贡献最大的是平流层输送(Ding and Wang,2006)、中国东部输送(Zhu et al.,2004;Li et al.,2009)和东亚夏季风期间的跨边界层输送和深对流(Ma,2005;Yang et al.,2014)。位于青藏高原南部的XGLL近地面O在春季达到峰值,反映出ASM环流驱动下的人为污染源输送和光化学反应生成作用的影响;副热带西风急流和平流层对XGLL的O垂直输送作用也不容忽视(Ma et al.,2014)。中国西北角的AKDL位于非季风区,其近地面O浓度在春夏季较高,主要受欧亚大陆长距离输送的影响,也与该站点处于较高纬度,春季受到平流层输送影响较大有关(刘宁微和马建中,2017)。

2.2 现有研究基础与不足之处

为了进一步揭示位于中国不同地区各大气本底站O变化的区域特征,Liu et al.(2019)利用对流层O柱浓度的卫星遥感反演数据,研究了中国区域6个WMO/GAW大气本底站O季节变化的区域代表性。结果表明:各大气本底观测站分别与其周围一定范围内的区域具有相同的对流层O柱浓度最大值月份分布。WLG 6月O峰值的代表范围仅限于青藏高原东北部的WLG及其以东、以南狭窄的有限区域。XGLL 5月O峰值代表青藏高原南部大范围的矩形区域。AKDL区域代表性独特,出现在4月的O峰值代表以AKDL为中心的一个西北-东南走向的狭长区域。对于中国东部的站点,LA处于东亚夏季风直接影响区,O峰值出现在夏季风开始前的5月,代表其以东和以南的整个中国东南沿海地区。SDZ 6月O峰值代表该站向西、向北大范围华北平原污染地区。LFS 7月O峰值代表位于其正北方向、处于下风方的小范围地区(Liu et al.,2019)。然而,该项研究基于卫星遥感反演数据,只能初步反映出各大气本底站对流层O柱浓度的区域代表性,缺乏对与人体健康密切相关的近地面O区域特征的分析;而由于研究方法的局限性,也无法深入揭示形成O变化区域特征的复杂因素。

3 研究展望

基于上述研究基础与不足之处,凝练出如下两点需要解决的科学问题。首先,如何利用全球大气化学-环流模式的示踪模拟结果,定量评估来自全球不同地区的O对中国本底大气O的影响,尤其是京津冀、长三角、珠三角3个主要污染源区生成的O对中国本底大气O的影响,是亟待解决的科学问题之一;接下来,如何利用全球大气化学-环流模式的示踪模拟结果,评估中国区域6个大气本底站近地面O季节变化的区域代表性,是亟待解决的另一科学问题。

未来的相关研究可以将发展平流层-对流层耦合的高分辨率全球大气化学-环流模式和O示踪模拟技术作为重点方向,结合中国区域大气本底站地面O观测数据以及卫星遥感观测的中国区域对流层O柱浓度数据和京津冀、珠三角、长三角等主要污染源区的O探空观测数据,综合分析中国大气本底站近地面O时空变化特征,模拟研究来自平流层和全球不同地区,特别是中国京津冀、长三角、珠三角3个主要污染源区对流层的气团对中国区域本底大气O浓度的贡献,探讨各大气本底站近地面O季节变化的区域代表性。以上一系列研究的开展,将为更好地利用WMO/GAW大气本底站的O数据,了解中国大气O的季节和区域变化特征及长期变化趋势,评估大气化学输送模式对中国区域近地面O季节和区域变化的模拟效果做出积极的贡献,并对中国近地面O观测站网的建设布局提供着重要的科学参考。