典型生态功能区臭氧生成敏感性及气象驱动力解析——以千岛湖地区为例.pdf

第 40 卷第 1 期2024 年 2 月中国环境监测Environmental Monitoring in ChinaVol.40No.1Feb.2024典型生态功能区臭氧生成敏感性及气象驱动力解析 以千岛湖地区为例余传冠1,刘 旭2,宋 美 真1,蒋 晓 婷1,刘 雨 姗2,刘 雪 倩2,李 达2,李 欣 怡2,王 子 鹏2,潘玉青2,李鹏飞21.杭州市生态环境局淳安分局,浙江 杭州 3117992.河北农业大学理工系,河北 沧州 061108摘要:千岛湖地区是我国重要的自然保护区,属于典型生态功能区。当前,臭氧(O3)正频繁成为影响千岛湖地区空气质量的首要污染物,但对于与此相关的千岛湖地区 O3生成敏感性,研究人员目前仍未了解清楚。利用 20192021 年TROPOMI 卫星观测数据,运用 O3生成敏感性指示剂方法,即甲醛对流层垂直柱浓度和二氧化氮对流层垂直柱浓度的比值(FNR),量化解析了千岛湖地区 O3生成敏感区的时空演化特征。结果表明,千岛湖地区 FNR 呈现逐年升高趋势,且显著高于杭州市主城区。千岛湖地区氮氧化物(NOx)控制区逐年扩张,自 2019 年开始,由西南向东北逐步蔓延。截至2021 年,NOx控制区已基本覆盖整个千岛湖地区。千岛湖地区 O3生成敏感区在夏季基本属于 NOx控制区,在其他季节属于 NOx控制区或协同控制区。结合气象再分析数据发现,FNR 与温度呈强正相关(r=0.8),与相对湿度呈较弱正相关,与风速和云液态水含量呈较弱负相关。当温度大于 7.0 、风速小于 6.2 m/s、云液态水含量小于 5.510-5 g/m3、相对湿度大于 57.5%时,O3生成趋向于受 NOx控制。此外,与杭州市相比,千岛湖地区 O3生成对气象参数变化更为敏感。研究成果对我国典型生态功能区 O3污染防控具有重要的启示作用。关键词:千岛湖地区;TROPOMI;臭氧(O3);挥发性有机物(VOCs);氮氧化物(NOx)中图分类号:X502文献标志码:A文章编号:1002-6002(2024)01-0118-12DOI:10.19316/j.issn.1002-6002.2024.01.14收稿日期:2022-07-05;修订日期:2022-09-09基金项目:国家自然科学基金项目(22006030);河北省重点研发计划项目(22343702D);河北省青年拔尖 人才 项目(BJ2020032);河北农业大学引进人才科研专项(YJ201833);河北省高等学校科学技术研究项目(KY2021024,QN2019184)第一作者简介:余传冠(1986-),男,浙江杭州人,学士,高级工程师。通讯作者:李鹏飞Analysis of Ozone Formation Sensitivity and Meteorological Drivers in Typical Ecological Functional Areas:A Case Study of the Qiandao Lake AreaYU Chuanguan1,LIU Xu2,SONG Meizhen1,JIANG Xiaoting1,LIU Yushan2,LIU Xueqian2,LI Da2,LI Xinyi2,WANG Zipeng2,PAN Yuqing2,LI Pengfei21.Chunan Branch of Hangzhou Municipal Ecology and Environment Bureau,Hangzhou 311799,China2.College of Science and Technology,Hebei Agricultural University,Cangzhou 061108,ChinaAbstract:The region of the Qiandao Lake is a significant natural reserve in China,representing a typical ecological functional zone,in which ozone(O3)frequently becomes the primary air pollutant.However,the O3 formation sensitivity therein remains unclear.Using the TROPOMI measurements coupled with the O3 formation indicators,i.e.,the ratio(FNR)of formaldehyde and nitrogen dioxide tropospheric vertical columns,the spatiotemporal characteristics of the O3 formation sensitivity regimes in the region of the Qiandao Lake from 2019 to 2021 were quantitatively investigated.The results showed that the FNR values in the region of the Qiandao Lake increased year by year and were significantly higher than those in downtown Hangzhou.On this basis,the NOx-limited regime in the Qiandao Lake area expanded year by year,starting from 2019,it gradually spread from the southwest to the northeast and had basically covered the Qiandao Lake area by 2021.In summer,the O3 formation in the Qiandao Lake was typically NOx-limited,while,in other seasons,that was limited by VOCs-NOx or NOx.By introducing meteorological reanalysis data,we found that FNR had a strong positive correlation with temperature(r=0.8),a weak positive correlation with relative humidity,and a weak negative correlation with wind speed and cloud liquid water content.When the temperature was higher than 余传冠等:典型生态功能区臭氧生成敏感性及气象驱动力解析 以千岛湖地区为例119 7.0 ,the wind speed was less than 6.2 m/s,the cloud liquid water content was less than 5.5 10-5 g/m3,and the relative humidity was greater than 57.5%,the O3 formation tended to be NOx-limited.In addition,compared with the O3 formation in Hangzhou,that in the Qiandao Lake region was more sensitive to meteorological parameters.Our results have important implications for O3 pollution mitigation in typical ecological functional zones in China.Keywords:the Qiandao Lake;TROPOMI;O3;VOCs;NOx近地面臭氧(O3)尤其是高浓度 O3会显著损害人类健康和生态环境1-2。近年来,我国已陆续报道了大量 O3污染事件,其间的近地面 O3浓度往往远超国家标准限值(160 g/m3,GB 30952012)3-6。近地面 O3污染主要归因于 O3前体物 氮氧化物(NOx)和挥发性有机物(VOCs)的大量排放。在我国,NOx主要来自人为排放源,包括工业生产、交通运输等7;VOCs 不仅来自人为排放源,也来自生物排放源,包括森林、草原、湿地等8。与人为源 VOCs 相比,大部分的生物源VOCs(如异戊二烯等)具有更高的反应活性,进而在 O3生成过程中发挥着重要作用8。早期研究已证明,O3前体物减排对 O3污染防控的有效性取决于 O3生成敏感性,即取决于O3生成是受 NOx控制还是受 VOCs 控制9。理论上,在 NOx饱和情况下,VOCs 减排将削减有机自由基(RO2)的化学生成,进而抑制 NOx的化学循环,从 而 降 低 O3浓 度,称 为 VOCs 控 制;在VOCs 饱和情况下,NOx减排将降低 NO2的光解反应,进而遏制自由氧原子,从而降低 O3浓度,称为 NOx控制;介于两者之间时,O3生成对 NOx和VOCs 均敏感,称为协同控制10。根据该理论,在VOCs 控制区,NOx减排将减缓 O3消耗,从而加重O3污染。另外,以往的研究表明,气象参数(如温度、相对湿度、风速等)对 O3生成敏感性也有重要影响11。因此,O3生成敏感性解析对城市 O3污染防控至关重要。然而,相关研究仍面临较大的不确定性。过往研究通常运用模型方法与观测方法探究 O3生成敏感性。模型方法可在时间、空间、物种 3 个维度提供详细的 O3生成敏感性计算过程。例如,模型研究发现,O3生成敏感性具有极强的时空特异性12-15。在大城市地区(如北京、上海、广州、香港等),O3生成敏感性多为 VOCs 控制;相反,在大城市周边地区,O3生成敏感性多为 NOx控制。然而,以上结论与先验排放清单、气象模拟结果、化学模 拟 结 果 密 切 相 关,具 有 较 高 的 不 确 定性16-19。观测方法可在物种维度上提供 O3生成敏感性计算过程。例如,观测研究同样发现,在大城市地区(如北京、上海、广州等),O3生成敏感性多属于 VOCs 控制20-26。与模型研究相比,观测研究结果具有更高的准确性。然而,由于设备资源、实验条件等外部因素的限制,观测研究的时空代表性往往较弱。相比之下,卫星观测成为 O3生成敏感性解析的有效补充。截至目前,大量研究基于卫星观测平台,利用 O3生成敏感性指示剂方法,即甲醛(HCHO)对流层垂直柱浓度(HCHO)与二氧化氮(NO2)对流层垂直柱浓度(NO2)的比值FNR=(HCHO)/(NO2),开展了 O3生成敏感性计算27。该方法最早由 SILLMAN 等28提出,主要原理是 HCHO 是许多 VOCs 的短寿命氧化产物,与 VOCs 的化学生成(主要与过氧自由基发生反应)有良好的相关性,大致成正比关系。MARTIN 等27最早将 FNR 拓展应用于卫星观测数据(GOME-2)研究。CHOI 等29发现,与模型方法相比,该方法可以更好地捕捉 O3生成敏感性的时间演化特征。在此基础上,大量研究基于空间精度更高的卫星观测数据(OMI),运用 FNR 方法,在国家尺度(如美国、中国等)和区域尺度(如京津冀、珠三角等)广泛开展了 O3生成敏感性解析30-34。然而,由于空间精度的限制,针对城市尺度的相关研究还比较有限。相比以往的卫星观测数据(如 GOM-2 和 OMI 等),新近 TROPOMI 卫星观测数据具有前所未有的空间精度(3.5 km5.5 km 3.5 km7.5 km)35-36,从而具备了探索城市内部 O3生成敏感性的潜力。需要强调的是,以往的卫星观测研究多聚焦于大区域与大城市,针对郊区的研究还十分有限。本研究聚焦的千岛湖地区属于我国重要的典型生态功能区(图 1),位于杭州市淳安县境内。2020 年淳安县大气首要污染物为 O3,O3浓度为 137 g/m3,与浙江省典型工业区县(如海盐县和上虞区)基本持平。本研究利用 20192021 年 TROPOMI 卫星观测数据,采用 FNR 方法,定量解析千岛湖地区 FNR 的时空演化特征,120 中国环境监测第 40 卷第 1 期2024 年 2 月以厘清千岛湖地区 O3生成敏感性。在此基础上,引入土地利用和气象资料,探究 O3生成敏感性与土地利用类型、气象参数之间的潜在关系,从而为我国典型生态功能区 O3污染防控提供重要参考。1材料与方法1.1研究区域基本资料千岛湖地区位于长三角腹地,处于杭州市西南方向,是我国重要的生态功能区(图 1)。与大城市不同,千岛湖地区的植被覆盖率超过 70%(含森林、水生植物和耕地)(图 1),具有丰富的生物源 VOCs 排放。与一般远郊地区不同,千岛湖地区紧邻杭州市主城区,同时面临大量人为源VOCs 和 NOx排放。因此,千岛湖及周边地区面临较为复杂的 O3生成敏感区时空分布。本研究中的气象再分析数据来自欧洲中期天气预报中心(ECMWF)(https:/www.ecmwf.int/en/forecasts/datasets/reanalysis-datasets/era5),杭 州 市 土 地 利用和行政区划的基准年均为 2019 年。注:土地利用类型数据来自哨兵 2 号卫星监测结果,底图下载自浙江省地理信息公共服务平台标准地图栏目(https:/ 1千岛湖地区基本情况及土地利用类型Fig.1Basic situation and land use typesin the Qiandao Lake area1.2TROPOMI 卫星观测数据本研究使用了 20192021 年两组 TROPOMI数据集,分别是(HCHO)和(NO2),源自欧洲航天局 哥 白 尼 开 放 获 取 中 心(Copernicus Open Access Hub)(https:/scihub.coper-nicus.eu)。TROPOMI 搭载于哨兵 5 号卫星,于 2017 年 10 月发射升空,覆盖 270 2 385 nm 波段37。其中,320405 nm 波段(第三波段)用于监测 HCHO,405 500 nm 波 段(第 四 波 段)用 于 监 测NO235-36,两 个 波 段 的 最 低 信 噪 比 均 为 800 1 000。然而,由于 HCHO 的光密度比 NO2小一个数量级,HCHO 的信噪比低于 NO235-36。关于上述产品的不确定性,过往研究已进行了全面、深入的理论分析和对比验证36,38-39。为进一步降低相关影响,本研究对相关数据进行了过滤,过滤标准37,40如下:云覆盖率(CF)0.75,太阳天顶角(SZA)0.1。本 研 究 覆 盖20192021 年,相应数据的空间精度为 3.5 km5.5 km 3.5 km7.5 km。本研究基于日观测数据,运用过采样方法41,构建了空间精度为 1.0 km1.0 km 的年均和季均数据。1.3O3生成敏感区识别本研究运用 FNR 方法识别 O3生成敏感区。过往研究已证实基于卫星观测数据的 FNR 方法可用于 O3生成敏感区识别,并明确了 FNR 与 O3生成敏感性的量化关系,具体如下:FNR2.0,为 NOx控制;其他情况,为协同控制27,32。需要说明的是,虽然上述量化关系已被广泛应用于美国、欧洲以及中国等国家和地区的相关研究,但是城市地区的气溶胶水平通常高于远郊,而较高浓度的气溶胶在理论上将作为巨大的自由基的汇,促使 O3生成敏感性更倾向于 VOCs 控制42。最新的卫星观测研究30表明,在美国大城市(如匹兹堡、芝加哥、休斯敦等),只有当 FNR超过 3 时,O3生成才会完成由 VOCs 控制区向NOx控制区的转变。这一阈值远高于以往的研究结果,因此,本研究也将讨论该阈值的不确定性对O3生成敏感区的影响。需要说明的是,地面监测资料(https:/:18007/)显示,千岛湖地区 2020 年细颗粒物年均浓度为 11 g/m3,略低于上述美国大城市。因此,FNR=2 可作为千岛湖地区 NOx控制区和协同控制区之间的分界阈值上限。余传冠等:典型生态功能区臭氧生成敏感性及气象驱动力解析 以千岛湖地区为例121 2结果与讨论2.1千岛湖地区 FNR 时空演化特征本研究引入了高精度的 TROPOMI 卫星观测结果,明确区分了千岛湖地区及杭州市其他地区(HCHO)、(NO2)以及 FNR 的时空演化特征。图 2 呈 现 了 20192021 年 杭 州 市(HCHO)、(NO2)以及 FNR 的空间演化特征,表 1 汇总了具体结果。首先,20192021 年杭州市(NO2)的空间分布呈现显著的东北高、西南低的特征。具体来说,(NO2)高值和低值始终分别出现在位于杭州市东北方向的主城区(此处主要是下城区、拱墅区、上城区、滨江区、江干区和西湖区,分子数浓度为 46.110-25 molec/cm2)和位于杭州市西南方向的千岛湖地区(15.310-25 molec/cm2),前者是后者的 3.0 倍。推测主要原因是相比位于杭州市东北方向的主城区,位于杭州市西南方向的千岛湖地区 具有明显更 少的机动车 排放源与工 业排放源。其次,与 20192021 年杭州市(NO2)的空间分布相似,(HCHO)的空间分布仍呈现东北高、西南低的特征,(HCHO)高值和低值也同样分别出现在位于杭州市东北方向的主城区(此处主要是拱墅区、下城区、上城区、萧山区、滨江区、江干区,34.110-25 molec/cm2)和位于杭州市西南方向的千岛湖地区(30.310-25 molec/cm2),前者是后者的 1.1 倍。因此,相比之下,20192021年杭 州 市(NO2)的 空 间 差 异 性 远 大 于(HCHO)。推测主要原因是 位于杭州市 东北方向的主城区具有丰富的人为源 VOCs 排放,位于杭州市西南方向的千岛湖地区具有丰富的生物 源 VOCs 排 放,前 者 大 于 后 者,但 相 差 并 不显著。最后,上述情况直接导致 20192021 年杭州市 FNR 空间分布呈现显著的东北低、西南高的特征。具体来说,FNR 高值和低值始终分别出现在位于杭州市西南方向的千岛湖地区(FNR=2.0)和位于杭州市东北方向的主城区(此处主要是下城区、拱墅区、上城区、滨江区、江干区和西湖区,FNR=0.7)。综上,从整个杭州市来看,千岛湖地区始 终 具 备 最 低 的 年 均 (NO2)和 年 均(HCHO),以及最高的年均 FNR,并且 FNR 的空间分布 特 征 主 要 取 决 于 (NO2)的 空 间 分 布特征。注:4 列子图分别表示 2019 年、2020 年、2021 年以及 20192021 年的年均值(从左至右),3 行子图分别表示(NO2)、(HCHO)和 FNR 的年均值(自上而下)。图 2杭州市(NO2)、(HCHO)和 FNR 的空间分布特征Fig.2Spatial distributions of(HCHO),(NO2),and FNR in Hangzhou 122 中国环境监测第 40 卷第 1 期2024 年 2 月表 120192021 年杭州市(HCHO)、(NO2)以及 FNR 的年度特征Table 1Annual averages of(HCHO),(NO2),and FNR in Hangzhou from 2019 to 2021指标县(市、区)2019 年2020 年2021 年20192021 年平均(HCHO)/(10-25 molec/cm2)拱墅区32.4635.1037.1234.90下城区31.8435.2836.3834.50上城区32.7834.2535.8634.29萧山区32.7336.2436.4333.90滨江区32.9232.0037.3433.61江干区32.6235.5737.7433.60富阳区28.7033.9028.1133.01余杭区31.7735.1137.3532.89西湖区31.6434.9136.0432.73临安区30.8032.1534.5531.79建德市30.0231.8732.8230.63桐庐县29.3932.2333.2330.34淳安县28.0531.6531.1330.28(NO2)/(10-25 molec/cm2)拱墅区45.8050.5045.5047.27下城区46.4751.1746.0747.90上城区44.3850.7343.9846.36萧山区38.7045.7344.0641.04滨江区43.6851.5245.1946.30江干区43.3351.6146.6346.08富阳区28.1134.8431.3631.44余杭区35.0143.7439.1437.92西湖区40.7446.5540.9242.68临安区18.7425.0422.0121.19建德市19.3420.1918.8419.62桐庐县20.7825.1022.0122.22淳安县14.9615.9712.9615.29FNR拱墅区0.710.700.820.74下城区0.690.690.790.72上城区0.740.680.820.74萧山区0.850.790.830.83滨江区0.750.620.830.73江干区0.750.690.810.73富阳区1.020.970.901.05余杭区0.910.800.950.87西湖区0.780.750.880.77临安区1.641.281.571.50建德市1.551.581.741.56桐庐县1.411.281.511.37淳安县1.881.982.401.98图 3 呈现了 20192021 年杭州市和千岛湖地区(HCHO)、(NO2)以及 FNR 的时间演化特征,表 2 汇总了春(35 月)、夏(68 月)、秋(911 月)、冬(12 月及 12 月)季的季节平均结果。首先,从年均浓度来看,20192021 年,千 岛 湖 地 区 (NO2)整 体 下 降 明 显,而(HCHO)整体小幅上扬,由此导致 FNR 显著上升(27.7%)。杭 州 市 呈 现 相 似 的 年 度 变 化 趋势,(NO2)逐年小幅下降(2.4%),(HCHO)逐年上 升(14.8%),由 此 导 致 FNR 累 计 上 升17.6%。相比之下,千岛湖地区 FNR 上升更为显著。其次,从季节浓度来看,20192021 年,杭州市和千岛湖地区各个参数呈现相似的变化规律。千岛湖地区(NO2)呈现明显的夏低冬高的季节变化特征,而(HCHO)呈现完全相反的季节变化特征,即夏高冬低。此类规律与光化学反应强度、植物 VOCs 排放的季节变化特征直接相关,由此导致千岛湖地区 FNR 的季节变化特 征与(HCHO)一致。相比之下,杭州市呈现相似的季节 变 化 趋 势,但 变 化 程 度 不 同,原 因 在 于(NO2)。具体来说,不管是冬季还是夏 季,杭余传冠等:典型生态功能区臭氧生成敏感性及气象驱动力解析 以千岛湖地区为例123 州市(NO2)显著高于千岛湖地区(高 35.7%90.7%),而 (HCHO)高 度 相 似(-0.6%10.3%),由此导致千岛湖地区各季节的 FNR 均显著大于杭州市。图 320192021 年杭州市和千岛湖地区(HCHO)、(NO2)及FNR 的月度分布特征Fig.3Monthly distributions of(HCHO),(NO2),and FNR inQiandao Lake area and Hangzhou from 2019 to 2021表 220192021 年杭州市和千岛湖地区(HCHO)、(NO2)及 FNR 的季节和年度特征Table 2Seasonal and annual averages of(HCHO),(NO2),and FNR in Qiandao Lake areaand Hangzhou from 2019 to 2021指标年份千岛湖地区杭州市春夏秋冬平均春夏秋冬平均(HCHO)/(10-25 molec/cm2)201925.3036.6028.6021.7028.0526.5140.3829.8922.1230.80202025.9051.3028.3021.1031.6527.2751.8929.8022.5134.73202124.2044.4028.4027.5031.1327.0547.1631.5627.3535.36(NO2)/(10-25 molec/cm2)201910.458.1112.0029.2714.9617.9012.5221.7139.6824.64202013.206.2015.1329.3315.9720.9810.1528.6548.9924.26202113.507.069.1922.0812.9623.0811.2018.8642.1024.05FNR20192.424.512.380.741.881.483.231.380.561.2520201.968.271.870.721.981.305.111.040.461.1920211.796.293.091.252.401.174.211.670.651.472.2千岛湖地区 O3生成敏感区时空演化特征图 4 展示了 20192021 年杭州市 O3生成敏感区的年度分布,包括 NOx控制区、VOCs 控制区以及协同控制区。其中,最重要的空间分布特点是千岛湖地区 O3生成敏感区与杭州市主城区显著不同,且两者之间存在清晰的分界区域。长期以来,杭州市主城区一直为 VOCs 控制区,而且VOCs 控制区的面积也保持稳定。结合图 2 发现,出现此情况的主要原因是人为源 NOx排放一直居高不下,因而相对于人为源 VOCs 排放,人为源NOx排放一直占据主导地位。与之不同的是,千岛湖地区 NOx控制区的范围变化显著。该控制区自 2019 年开始由西南向东北逐步蔓延,截至 2021 年已基本覆盖整个千岛 124 中国环境监测第 40 卷第 1 期2024 年 2 月湖地区。结合图 2 发现,出现此情况的主要原因是随着 20192021 年大气污染防治工作的推进,千岛湖地区 NOx和 VOCs 排放结构发生了显著变化,尤其是 NOx排放在逐步降低。相应地,杭州市其他地区为协同控制区。随着 NOx控制区的逐步扩张,协同控制区自 2019 年开始由西南向东北逐步萎缩。截至 2021 年,协同控制区的覆盖范围包括桐庐县、建德市、临安区的大部分地区,富阳区西部,以及余杭区西部的少量地区。从面积来看,协同 控制区是杭 州市最 大 的 O3生 成 敏感区类型。此外,如 2.2 节所述,在 FNR 方法中,协同控制区和 VOCs 控制区之间的阈值具有较大的不确定性。其中,FNR=2 可作为千岛湖地区 NOx控制区和协同控制区之间的分界阈值上限。结合表2 发现,一旦采用上述分界阈值,杭州市主城区依然为 VOCs 控制区,而杭州市其他地区(包括千岛湖地区)将全面纳入协同控制区。图 5 进一步解析了 20192021 年杭州市和千岛湖地区 O3生成敏感区的季度变化特征。首先,在历年夏季,杭州市全境基本为 NOx控制区,只有杭州市主城区在 2019 年夏季呈现为协同控制区。主要原因是相对于(NO2),(HCHO)在夏季会快速攀升、居高不下。图 420192021 年杭州市 O3生成敏感区分布Fig.4Distribution of the O3 production sensitivityareas in Hangzhou from 2019 to 2021图 5杭州市不同季节的 O3生成敏感区分布Fig.5Seasonal distribution of O3 production sensitivity areas in Hangzhou其次,千岛湖地区 O3生成敏感区呈现出显著的四季变化。在夏季,千岛湖地区 O3生成敏感区全部为 NOx控制区。在春季和秋季,千岛湖地区O3生成敏感区并不稳定。一方面,千岛湖地区春季 O3生成敏感区逐年由 NOx控制区转化成协同控制区。具体来说,千岛湖地区 O3生成敏感区在2019 年春季基本属于 NOx控制区,而在 2021 年春季则属于 NOx控制区和协同控制区。另一方余传冠等:典型生态功能区臭氧生成敏感性及气象驱动力解析 以千岛湖地区为例125 面,千岛湖地区 O3生成敏感区在秋季属于 NOx控制区和协同控制区。在冬季,千岛湖地区 O3生成敏感区呈现出由 VOCs 控制区向协同控制区转化的倾向。最后,除杭州市主城区和千岛湖地区外,杭州市其他地区的 O3生成敏感区也呈现显著的季节变化特征。杭州市其他地区的 O3生成敏感区在春季和秋季基本属于协同控制区,在夏季基本属于 NOx控制区,在冬季基本属于 VOCs 控制区。2.3千岛 湖 地 区 O3生 成 敏 感 区 变 化 驱 动 力特征图 6、图 7 分别显示了 20192021 年杭州市、千岛湖地区 FNR 与气象参数(温度、风速、相对湿度以及云液态水含量)的相关性。千岛湖地区温度、风速、云液态水含量、相对湿度与 FNR 的相关系数分别为 0.83、-0.27、-0.58、0.37,杭州市分别为 0.85、-0.34、-0.55、0.44。相比之下,千岛湖地区和杭州市的相关系数极为相似。注:每个点代表一个月均值。横向黑色虚线 FNR=1、FNR=2 分别对应 VOCs 控制区与协同控制区、NOx控制区与协同控制区的分界线,纵向黑色虚线对应拟合直线与分界线的交叉点。图 620192021 年千岛湖地区 FNR 与气象参数的相关性Fig.6Relationship between FNR and meteorological factorsin Qiandao Lake area from 2019 to 2021首先,温度变化与 FNR 变化最为相关,呈现温度越高,FNR 越大的变化趋势。主要原因是温度升高会促进植物源 VOCs 排放,进而推高(HCHO)和 FNR。由此推测,植物源是影响当地 FNR 的重要因素。这也导致夏季温度高,FNR 随之达到最大值,O3生成敏感区属于 NOx控制区;冬季温度低,FNR 随之达到最小值,O3生成敏感区属于 VOCs控制区。这可能是由于夏季的高温及强辐射促进了植物源 VOCs 的排放,进而抬升了(HCHO);反之,冬季的低温降低了(HCHO)。其次,较高的云液态水含量往往导致较弱的辐射效应,进而削弱植物源 VOCs 的排放,从而降低(HCHO)和 FNR;较高的风速和相对湿度会同时降低(HCHO)和(NO2),进而与 FNR 呈现较弱的相关性。具体来说,相对湿度变化与FNR 变化呈现较弱的正相关关系,倾向于相对湿度越高,FNR 越大,即:夏季相对湿度较大,FNR较大,O3生成敏感区属于 NOx控制区;冬季相对湿度较小,FNR 较小,O3生成敏感区属于 VOCs控制区。风速变化、云液态水含量变化与 FNR 变 126 中国环境监测第 40 卷第 1 期2024 年 2 月化呈现较弱的负相关关系,即:风速越大,云液态水含量越高,FNR 越小,越倾向于 NOx控制区;反之,风速越小,云液态水含量越低,FNR 越大,越倾向于 VOCs 控制区。注:每个点代表一个月均值。横向黑色虚线 FNR=1、FNR=2 分别对应 VOCs 控制区与协同控制区、NOx控制区与协同控制区的分界线,纵向黑色虚线对应拟合直线与分界线的交叉点。图 720192021 年杭州市 FNR 与气象参数的相关性Fig.7Relationship between FNR and meteorological factorsin Hangzhou from 2019 to 2021从量化关系上看,在千岛湖地区,当温度大于7.0 、风速小于 6.2 m/s、云液态水含量小于5.510-5 g/m3、相对湿度大于 57.5%时,O3生成敏感区属于 NOx控制区;当温度小于 4.1 、风速大于 6.2 m/s、云液 态水含量 大 于 7.1 10-5 g/m3、相对湿度小于 57.5%时,O3生成敏感区属于协同控制区或 VOCs 控制区。此外,千岛湖地区温度、风速、云液态水含量、相对湿度与 FNR 拟合方程的斜率分别为 0.30、-0.41、-0.63、0.12,杭州市分别为 0.20、-0.31、-0.40、0.10。从绝对值的角度看,千岛湖地区的斜率均大于杭州市,这意味着与杭州市相比,千岛湖地区 O3生成敏感区对气象参数变化更敏感。3结论 1)20192021 年,杭州市(NO2)呈现明显的东北高、西南低的空间分布趋势,(HCHO)呈现相似的空间分布趋势,FNR 呈现显著的东北低、西南高的空间分布趋势。FNR 高值和低值分别出现在千岛湖地区(FNR=2.0)和杭州市主城区(此处主要是下城区、拱墅区、上城区、滨江区、江干区和西湖区,FNR=0.7)。2)20192021 年,千岛湖地区(NO2)整体下降明显,(HCHO)整体小幅上扬,FNR 逐年显著上升。千岛湖地区(NO2)呈现明显的夏低冬高的季节变化特征,(HCHO)呈现完全相反的季节变化特征。FNR 的季节变化特征与(NO2)一致,并且不管是冬季还是夏季,千岛湖地区 FNR均显著大于杭州市。3)千岛湖地区 O3生成敏感区分布与杭州市主城区显著不同,且两者之间存在清晰的分界区域。20192021 年,杭州市主城区一直为 VOCs余传冠等:典型生态功能区臭氧生成敏感性及气象驱动力解析 以千岛湖地区为例127 控制区。与之不同的是,在千岛湖地区,NOx控制区逐年扩张,自 2019 年开始由西南向东北逐步蔓延,截至 2021 年已基本覆盖千岛湖地区。4)千岛湖地区 O3生成敏感区呈现一定程度的四季变化规律:在夏季基本为 NOx控制区,在春季逐年由 NOx控制区转化成协同控制区,在秋季属于 NOx控制区或协同控制区,在冬季逐年由VOCs 控制区向协同控制区转化。5)千岛湖地区 FNR 与温度呈强正相关关系(r=0.8),与相对湿度呈较弱正相关关系,与风速和云液态水含量呈较弱负相关关系。当温度大于7.0 、风速小于 6.2 m/s、云液态水含量小于5.510-5 g/m3、相对湿度大于 57.5%时,O3生成敏感区属于 NOx控制区。此外,与杭州市相比,千岛湖地区 O3生成敏感区对气象因素变化更为敏感。参考文献(References):1 WESCHLER C J.Ozones Impact on Public Health:Contributions from Indoor Exposures to Ozone and Products of Ozone-Initiated Chemistry J.Environmental Health Perspectives,2006,114(10):1 489-1 496.2 LELIEVELD J,EVANS J S,FNAIS M,et al.The Contribution of Outdoor Air Pollution Sources to Premature Mortality on a Global Sale J.Nature,2015,525(7569):367-371.3 WANG T,XUE L,BRIMBLECOMBE P,et al.Ozone Pollution in China:A Review of Concentration