中國地區(qū)低對(duì)流層高層大氣化學(xué)與長距離輸送特征研究.pdf

1、了解低對(duì)流層高層空氣(海拔約1000～4000米高度)的污染特征及其物理化學(xué)變化過程對(duì)于認(rèn)識(shí)人類活動(dòng)對(duì)區(qū)域甚至全球尺度大氣環(huán)境的影響具有重要意義。本研究通過在我國西北瓦里關(guān)山、華北泰山以及華南衡山開展高山觀測，在東北吉林、西北甘肅、華東山東、江蘇等地開展飛機(jī)航測，對(duì)主要的大氣污染物進(jìn)行了測量，并利用多種統(tǒng)計(jì)方法和分析手段如大氣光化學(xué)箱模型、氣流軌跡分析和聚類分析等對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究了我國典型地區(qū)低對(duì)流層高層空氣的污染狀況、時(shí)空變化

2、特征及其相關(guān)的大氣化學(xué)過程與長距離輸送特征。
　　 基于觀測實(shí)驗(yàn)所獲得的第一手?jǐn)?shù)據(jù)，本研究系統(tǒng)掌握了我國上述典型地區(qū)低對(duì)流層高層大氣的污染水平與時(shí)空變化特征。作為我國的大氣本底，瓦里關(guān)的大氣污染物濃度普遍較低，但在某種條件下也可受到人為污染長距離輸送的影響。主要污染物均呈現(xiàn)春季濃度高、夏季濃度低的季節(jié)變化特征和白天濃度低、夜間濃度高的日變化趨勢(shì)。與之相比，泰山和衡山的大氣污染物濃度則顯著較高，明顯受到了人為污染的影響。尤其是泰山

3、，其主要一次污染物濃度高達(dá)瓦里關(guān)和部分歐美高山站點(diǎn)的幾倍到幾十倍，表明華北地區(qū)低對(duì)流層高層的空氣污染已十分嚴(yán)重。受日間邊界層發(fā)展以及山谷風(fēng)的影響，泰山和衡山的主要污染物均呈現(xiàn)出下午濃度高、夜間濃度低的日變化特征。
　　 研究還發(fā)現(xiàn)我國東北吉林地區(qū)夏季的高空云水已明顯酸化，樣品的平均pH值約為4.93。硫酸根和硝酸根為主要的致酸離子，二者的當(dāng)量比約為2.1。對(duì)比同步采集的高空云水和地面降水樣品發(fā)現(xiàn)，云下沖刷過程可對(duì)該地區(qū)的降水酸度

4、起到一定的中和作用。此外，通過對(duì)比本研究與PEM-WestB和TRACE-P飛機(jī)航測實(shí)驗(yàn)關(guān)于幾種關(guān)鍵鹵代烴的觀測資料發(fā)現(xiàn)，1994-2007年間中國-西北太平洋地區(qū)自由對(duì)流層大氣中CH3CCl3、CCl4和C2Cl4的濃度均呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢(shì)，說明我國加入《蒙特利爾公約》后所采取的控制措施已取得較好效果。
　　 通過后向氣流軌跡聚類分析，本研究查明了瓦里關(guān)夏季大氣來源的氣候態(tài)長距離輸送規(guī)律，并分析了其年際變化。發(fā)現(xiàn)瓦里關(guān)夏季來自

5、東部的氣流較多，氣團(tuán)在抵達(dá)前于低空經(jīng)過了我國中、東部等人口密集、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū)；進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)這些氣團(tuán)具有較高的臭氧生成效率(7.7～11.3 ppbv/ppbv)，因此我國東部地區(qū)人類活動(dòng)排放的污染物向西長距離輸送對(duì)瓦里關(guān)乃至整個(gè)青藏高原的大氣臭氧(及其它微量成分)具有重要貢獻(xiàn)。應(yīng)用MCM光化學(xué)箱模式模擬了瓦里關(guān)的現(xiàn)場大氣光化學(xué)反應(yīng)過程，發(fā)現(xiàn)春、夏季的大氣光化學(xué)反應(yīng)均可導(dǎo)致O3凈生成，日間O3的平均生成速率分別約為0.30 ppbv/

6、h和0.26 ppbv/h。HO2與NO反應(yīng)是導(dǎo)致O3化學(xué)生成的主要反應(yīng)，而O3的化學(xué)消耗則主要來自O(shè)3的光解反應(yīng)，其次為O3與自由基OH和HO2的反應(yīng)。
　　 通過對(duì)大氣總氮氧化物(NOy)及其主要組成物種(包括NO、NO2、HNO3、aerosol NO3-和PAN)進(jìn)行測量，本研究查明了瓦里關(guān)、泰山和衡山大氣中反應(yīng)性氮氧化物的組成特征。上述我國典型地區(qū)的大氣反應(yīng)性氮氧化物均主要以硝酸(鹽)的形式存在，表明在我國特定的大氣環(huán)

7、境中氮氧化物的化學(xué)轉(zhuǎn)化以參與無機(jī)反應(yīng)生成硝酸(鹽)為主。研究也發(fā)現(xiàn)上述地區(qū)的氮氧化物組成特征各不相同，反映了我國不同地區(qū)具有各自獨(dú)特的大氣化學(xué)過程。研究同時(shí)認(rèn)識(shí)了泰山和衡山典型季節(jié)大氣氣溶膠NO3-的粒徑分布特征：泰山春、夏季氣溶膠NO3-均呈粗、細(xì)雙模態(tài)分布，且粗、細(xì)粒子中的濃度基本相當(dāng)，而衡山春季氣溶膠NO3-主要分布于粗模態(tài)中。
　　 利用后向氣流軌跡聚類分析，本研究還查明了泰山和衡山典型季節(jié)的大氣長距離輸送特征。春季泰山

8、地區(qū)主要受到來自華北平原西部和北部地區(qū)污染物區(qū)域輸送的影響；而夏季則主要受來自華北平原西南部以及魯東膠東半島地區(qū)污染物區(qū)域輸送的影響。華東(包括華北平原和長三角)、珠三角以及衡山北部地區(qū)污染物的跨界傳輸是春季影響衡山地區(qū)大氣污染的重要來源。此外，夏季華北地區(qū)污染物的跨界傳輸是導(dǎo)致在東北地區(qū)自由對(duì)流層內(nèi)觀測到嚴(yán)重污染個(gè)例的主要原因。
　　 本研究獲得了我國東北、西北、華東和華北地區(qū)典型季節(jié)對(duì)流層低層二氧化硫(SO2)和顆粒物光散射

9、系數(shù)(Bsp)的垂直分布廓線，也獲得了東北地區(qū)對(duì)流層低層內(nèi)多種非甲烷烴和鹵代烴的垂直分布廓線。大部分組分均呈現(xiàn)地面濃度最高，隨高度升高濃度逐漸降低的垂直分布特征。這些廓線將有助于對(duì)化學(xué)傳輸模式以及對(duì)大氣成分衛(wèi)星遙感產(chǎn)品的驗(yàn)證等。通過對(duì)比飛機(jī)航測結(jié)果與OMI邊界層SO2反演產(chǎn)品，本研究初步評(píng)估了OMI衛(wèi)星在我國開展SO2空間遙感的表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)OMI二級(jí)產(chǎn)品可以較好地區(qū)分不同地區(qū)的SO2污染狀況，但在污染極為嚴(yán)重的山東濟(jì)南地區(qū)，OMI反演產(chǎn)品