基于GIS分析臭氧污染时空变化趋势

四川大学博\硕士研究生课程报告考试课程名称3S技术与应用考试方式□笔试□口试口撰写论文考试成绩任课教师考试时间四川大学研究生院制基于GIS分析臭氧污染时空变化趋势（1新能源与低碳技术研究院；2建筑与环境学院）1研究背景臭氧是氧化剂中的最主要成份，在美国洛杉矶臭氧占总氧化剂的30-45%，是光化学烟雾最重要的二次污染物。自从光化学烟雾发生以来，人们对臭氧的研究越来越多，不仅因为它对人和动植物的严重危害，而且由于：1.臭氧常常被用来研究平流层和对流层之间的传输扩散过程；2.臭氧是第一个做为长距离迁移考虑的污染物，可传输250公里，常被用来研究对流层内大气的传输过程；3.由于臭氧长距离迁移的性质，而且对整个大气化学反应都有影响，臭氧是对流层空气带内控制化学流动的最重要物质。机动车使用数量的大幅度增加以及其他化工污染源的增加，使得我国空气污染也由传统的煤烟型向复合型（煤烟型和机动车尾气混合污染）转变。氮氧化物（nitrogenoxide,NOx）和挥发性有机物（volatileorganiccompounds，VOCs）的排放量不断增加，通过光化学反应造成的大气臭氧（ozone,O3）污染逐渐加重，已成为中国空气污染的主要问题之一。O3是光化学氧化剂的主要成份，具有强氧化性，对眼睛和呼吸道有很强的刺激性，损害人体肺功能，甚至导致各种疾病的发生。1.1臭氧的形成及性质1840年德国C.F.舍拜恩在电解稀硫酸时，发现有一种特殊臭味的气体释出，因此将它命名为臭氧。1785年，德国人在使用电机时，发现在电机放电时产生一种异味。1840年法国科学家克里斯蒂安•弗雷德日将它确定为臭氧。臭氧（O3）又称为超氧，是大气中一种微量气体，具有强氧化性和化学活性的物质。在常温常压下，较低浓度的O3无色；体积浓度达到15%时呈淡蓝色，有刺激性腥臭气味；浓度高时与氯气气味相像。大气环境中的氧分子在太阳辐射光化的作用下，产生孤立的氧原子，氧原子和四周氧分子相化合，就形成了臭氧。大气中的臭氧含量从距地面大约10km的地方开始逐渐升高，在距地面20〜50km（即平流层）的时候，大气中的臭氧含量达到了最大值，再往上臭氧含量又急剧减少。臭氧只占整个大气层的极小一部分,但它却对保护人类安全有着重要的作用。臭氧是大气中非常稀薄的气体，大气中的臭氧可分为两部分：一距离地面10〜50km的高空平流层中的臭氧，是地球生物不可缺少的保护伞。二是距地面10km以下对流层中的地表臭氧，地表大气中只包含微量的臭氧，通常浓度为10〜100ppb。与高空平流层中的臭氧相反，这一地表臭氧污染，严重危害动植物的健康和生存。空气污染中的O3属于二次污染物，在温度适宜的情况下，空气中的NOx（主要包括NO、NO2等）和VOCs（包括烃类、卤代烃、芳香烃和多环芳香烃等）在紫外线（ultraviolet,UV）的照射下经过一系列光化学反应形成刺激性强的淡蓝色烟雾，其主要成分为O3、醛类以及各种过氧酰基硝酸酯（peroxyacetylnitrates,PANs）,其中O3占90%以上。O3的高度的化学活性，可以参与众多的大气光化学反应，引起酸雨、光化学烟雾、大气能见度降低等对流层污染现象，对人体健康造成直接或间接的损害。

6CDVOCsRH036NO+O(aP)Humifyc/epende/ifOHforniationformation町Qi韦E甲）Surface图6CDVOCsRH036NO+O(aP)Humifyc/epende/ifOHforniationformation町Qi韦E甲）Surface图1.1对流层臭氧主要来源和汇的示意图1.2臭氧的来源贡献StratosiiherephotolysisNO,femoval：……才啊photo-1NO；RO2-~pP沁y團掠HQ,*Q?Lreacbons/DiydeftositionLowNQpathwayfurther全球化学物传输模型（GlobalChemicalTransportModel,GCTM）研究表明，每年对流层O3可达344Tg,平均48%来源于光化学反应，29%来源于区域外远距离传输，23%来源于平流层；由此可知，地面O3主要来源于光化学反应和风力因素的区域外远距离输送°O3的来源有天然和人为两方面。天然来源的O3,包括平流层进入对流层的部分以及自然产生的NOx（土壤和闪电）与生物排放的VOCs（甲烷、萜烯类化合物）反应所生成的部分，最主要的天然源是平流层和对流层之间，以及对流层内的扩散所产生；而人为的地面O3是由燃煤、机动车尾气及石油化工等排放的NOx和碳氢化合物反应所生成。在平流层中，存在着天然的低质量浓度O3（2〜8mg/L）,它可以保护地球表面生物免受有害紫外线的照射，被誉为“地球生命的保护伞”，大气对流层出现的O3,大部分是人为污染物，通常被称为有害O3，即O3污染。1.3臭氧产生的影响因素臭氧是典型的二次污染，臭氧污染的控制主要是控制其前体物。臭氧污染的形成与臭氧的前体物、相对湿度、风速、温度、区域传输及平流层向对流层的输送等因素有关。臭氧的前体物：大气中NOx、VOCs等增加，也能导致O3生成量增加。NOx和VOCs是O3的两个重要前体物，但两者对O3生成或消耗的影响并非是简单的线性关系。高浓度NOx下,VOCs浓度的增加有利于O3的产生，反之低浓度NOx时VOCs浓度的增加可能会抑制o3的生成。o3的生成量受到当地不同类型前体污染物排放水平的影响。相对湿度：o3质量浓度与湿度之间呈负相关关系，空气湿度增加时，o3质量浓度降低，反之亦然。风速：不稳定的空气可通过垂直扩散方式将空气上层高质量浓度的o3,向地面输送，风速和湍流作用的增强，也有利于光化学反应速率的提高。温度：温度与o3质量浓度存在明显的正相关关系，即随着气温上升，o3的质量浓度提高。因为挥发性有机物VOCs以及汽车尾气形成的氮氧化物，在高温以及光照辐射的共同作用下，会催化臭氧的产生。阳光照射越强烈，越会刺激臭氧产生。区域传输：由于大气的流动性，污染物容易发生跨境传输。气象条件是影响跨境传输的最重要的因素。小尺度的跨境传输，传输距离短，影响较大，大尺度的跨境传输由于沿途的衰减或者加强，结果更为复杂。在全球范围内的季风环流的影响，污染物还存在着全球尺度上的传输，比如中国的污染物可能会对美国西部地区的大气污染造成影响。平流层向对流层的输送：平流层中存在着大量的臭氧，吸收了大量的紫外线。当大气扰动剧烈时，平流层会向对流层输送部分臭氧。也是造成高海拔地区（如拉萨）臭氧浓度相对较高的原因。1.4臭氧的危害1.4.1臭氧对人体的危害臭氧几乎能与任何生物组织反应，对呼吸道的破坏性很强。毒理学研究发现，臭氧能引起肺部炎症，增强气道反应性以及血液流变学改变。同样，臭氧也会刺激眼睛，使视觉敏感度和视力降低。此外，臭氧会阻碍血液输氧功能，造成组织缺氧；使甲状腺功能受损、骨骼钙化。1.4.2臭氧对植物的危害植物受损害的程度主要取决于臭氧浓度及作用时间。适量的臭氧可以作为消毒剂，可以杀灭细菌病毒，能有效防止植物虫害和病害。当大气中臭氧浓度P.lppm时，使植物生长受到抑制和早期衰老，如绿色消褪、叶色变红、叶表面灰白、出现白色的养麦皮状的小斑点、暗褐色的点状斑、不规则的大范围坏死。臭氧对植物的危害还有一些是不可视的，比如生理机能降低、生长发育受到抑制，形成早期老化。1.4.3臭氧对环境及工业生产的危害臭氧很不稳定，在常温常态常压下即可分解为氧气，由于分解时放出大量热量，故当其含量在25%以上时，很容易爆炸。不过现实生活中很难达到25%。工业中就不一样了，臭氧具有很强的氧化性，除了金和铂外，臭氧化空气几乎对所有的金属都有腐蚀作用，铝、锌、铅与臭氧接触会被强烈氧化，臭氧对非金属材料也有强烈的腐蚀作用。1.5用于评价臭氧的指标我国现行的GB3095-20l2《环境空气质量标准》（自20l6年l月l日起在全国实施）中分别规定了风景名胜等自然保护区（一类区）和城乡居民生活工作区（二类区）的限值标准，并且采用lh平均值（O3-1h）和日最大8h平均值©罰）两个限制指标。O3-1h、O3-8h和日均值3者间的转换率为20：15：8,O3-8h能更好地反映日均暴露值和人体吸人值，因此WHO推荐指标为03-8；美国、欧盟等国家和地区参考WHO准则制定了。珈，标准（100〜120卩g/m3）。我国二类区O3-8h标准与美国相同，高于欧盟、WHO限值，一类区O3-8h标准与WHO相同。表1中国、美国和欧盟环境空气质量标准中03的限值（Rg/m3中国美国欧盟WHO一类区二类区日最大8h平均1001601601201001h平均160200臭氧评价的一些指标：1）M24:日均值的周平均值的年均值2）M7:从9:00到16:0的周平均值的年均值3）N100:一年中小时浓度＞100ppb的小时数

SUM60:—年中小时浓度值超过60ppb的浓度和W126：从早上八点到晚上八点的臭氧小时浓度和AOT40f:每年4月到九月从早上六点到晚上八点臭氧小时浓度值超过40ppb的臭氧浓度总和(PaolettiEetal.,2007)2数据来源与分析工具我们从国家环境空气质量监测网获取了2013-2017年共60个城市的臭氧小时数据，前期根据评价臭氧的指标进行简单的计算。为了科学地评价臭氧的时空变化趋势，我们计算了MDA8、M24、M7、N100、SUM60、W126和AOT40f等臭氧暴露指数，这些臭氧指数已经被广泛地用来评价臭氧污染的生态效应。工具：ArcGIS和HYSPLITE32013年国家臭氧监测点位图我国O3超标现象较为普遍，近年来很多环境监测研究发现O3质量浓度有上升的趋势。环境保护部发布的历年《中国环境状况公报》显示：自2013年起，京津冀、长三角、珠三角等重点区域及直辖市、省会城市和计划单列市共74个城市按照新标准开展监测。NaBOSHIliMUswh图NaBOSHIliMUswh图3.12013年国家环境空气质量监测点位分布示意图4研究结果4.1普通克里金插值及颜色分级2013年2014#2015#2016#2017#囱$1M申％h:a.atII'.2013年2014#2015#2016#2017#囱$1M申％h:a.atII'.I*Hl«-Mi制0I1lip图4.1普通克里金插值及颜色分级结果77我们计算了2013年至2017年臭氧六项指标（M24,M7,N100,SUM60,W126andAOT40f）的平均值，对于2013年后新增的城市，计算了从起始年份到2017年的平均值，并用Arcgis10.2绘制饼形图（图4.1）。从图中我们可以看到臭氧污染比较严重的地区有京津冀（北京-天津-河北）、长江三角洲和珠江三角洲这三个传统上的大气污染热点地区。近些年来,臭氧污染的区域分布呈现出由沿海向内陆扩散的趋势,从图4.1可以看出川渝地区（四川-重庆）,尤其是西北地区（甘肃-青海）已经成为臭氧污染较为严重的地区。对比三大重点区域O3浓度统计结果发现,三大重点区域O3浓度变化特征不尽相同，京津冀区域O3污染最为严重。2013年至2017年，SUM60，W126，AOT40f这三个臭氧暴露指数累积值得整体变化趋势大体一致,2013年值2015年,呈现出降低的趋势由于县级城市数量的大幅度增加，2015年后，城市数量基本稳定后，这三个指数的的平均值呈现出逐年增加的趋势，与2015年相比，增幅分别为40%，42%和43%。且2017年最大值达到最大。4.2省会城市臭氧各项指标的年际变化II113(1tl114II113(1tl114■图4.2省会城市臭氧各项指标的年际变化中国省会城市率先与2013年1月1日开展对臭氧的监测，图4.2显示了中国31个省级行政区的2013年至2017年臭氧六项指标五年变化的柱形图。省会城市都是人口聚集、工业集中的区域，大气污染状况也比较严重，在臭氧的时空分布方面具有很好的代表性。从图4.2中得到，很多省会城市臭氧浓度一直呈上升的趋势，尤其是东部的表现最为明显。4.3AOT40f统计分析

4J120r6sc<39%4J120r6sc<39%图4.3臭氧AOT40f的年际变化对于森林，CLRTAP(2015)提出了5ppm-h的临界负荷，Bull(1996)和Bytnerowiczetal.(2008)提出(2008)AOT40f的临界值为10ppm。图4.3表明，从2013-2017年，超过AOT40f临界值的城市越来越多，表明我国的森林正遭受着越来越重的臭氧污染的影响。其中，西南林区包括青藏高原南缘的森林受臭氧的威胁最大，其次是东南林区，受臭氧污染威胁最小的是东北林区。4.4热点城市臭氧污染的跨境传输对流层O3的来源包括天然源和人为源，天然源主要涉及平流层的输入和光化学反应生成，o3的人为源包括交通运输、石油化工行业、燃煤电厂等，这些污染源排放的o3前体物。研究表明，污染物的跨境传输也是导致臭氧高浓度事件的一个重要因素。我们利用HYSPLITE和ARCGIS结合，分析四个具有代表性城市的高臭氧浓度小的后向轨迹团，根据后向轨迹图，我们可以大致判断出，污染物的来源和传输路径。4.4.1北京北京夏季大气臭氧污染十分严重，是光化学污染的典型季节，污染状况可能已经超过欧美特大城市。北京及周边地区O3存在2条污染带，一条污染带主要集中在北京-保定-山西北部地区，另一条主要集中在北京、天津及渤海上空。NCAAHY5PIITMODELForwardtfajec^oriMsmartingat1500UTC26Jul17

GF占NCAAHY5PIITMODELForwardtfajec^oriMsmartingat1500UTC26Jul17

GF占GMiSBr枳葩心IOrflu15(10tUia-33¥FQWHdKj.ffvM*ThnWrEHiiT.i^iMkiaUhiik°VhkbJMrt—&MDJ皿山MH•口0^輛甘图4.4北京臭氧高浓度事件下的气团后向轨迹通过HYSPLITE和GIS的结合，我们可以判断气团的来源。从图中可以看出，2017年月26号这天影响北京大气质量的气团主要来自于南面的河北、天津和河南。

4.4.2上海随着城市发展、能源结构的转变、城市汽车保有量的迅速增加，高浓度臭氧污染将成为上海大气污染中的突出问题。目前长三角工业区夏季大气污染呈现明显的复合型污染的特征，即高浓度臭氧和高浓度细颗粒物叠加并存。尽管国际上已经发展了一系列机理性强的大气化学输送模式来进行臭氧预报，但由于污染源的不确定性使模式难以得出正确的结果业务应用往往比较困难。从图4.5可以看出，7月15号这天影响上海的臭氧浓度的气团来自于东北方向的海面上，受江苏和山东的影响。图4.5上海臭氧高浓度事件下的气团后向轨迹懐耳-空图4.5上海臭氧高浓度事件下的气团后向轨迹懐耳-空N鬲总rtSOJn口缶1500；1WXJ1BH13JS豐冒24.4.3成都成都独特的盆地气候条件——常年风速小、静风频率高，日照时间短、冬季逆温现象多，夏季热岛效应明显等对臭氧浓度的变化有很大的影响。对温度、相对湿度、风速和日照时数的分析可得，气温高、湿度小、风速大、日照时间长等气象条件对高浓度臭氧的综合作用较大。且冬天由于前体污染物量大并不因逆温现象的出现而臭氧浓度升高；成都市城区夏季城市热岛效应明显，光化学反应的速度加快，且形成的热岛环流有利于污染物在城区积聚形成尘盖，使得近地面大气中的臭氧浓度在全年最高。因此一天中下午臭氧浓度最高，一年中夏季最高。7月11号，成都臭氧浓度超标严重。影响成都的臭氧的气团主要来自于北面的甘肃、山西和宁夏。由于跨境传输路径较远，较远地区的贡献就很小。从传输方向上看，成都受德阳、绵阳的影响最大。图4.6成都臭氧高浓度事件下的气团后向轨迹巴第u图4.6成都臭氧高浓度事件下的气团后向轨迹巴第u4.4.4广州广州受东南季风的影响强烈，广州臭氧浓度与东南季风有明显的负相关关系，季风强度越强，臭氧浓度越低，因为强烈的季风吹拂，带来的气团主要来自于海上，同时把本地区的污染物吹走。根据相关的文献资料得知，珠三角区域臭氧污染最为严重的月份为10月。夏季臭氧浓度较低。从图4.7中也可以看出，7月29号这天影响广州的气团主要来自海上，气团较为干净。图4.7广州臭氧高浓度事件下的气团后向轨迹NQAAHYSPlirMODELForwardLrajedoriessia/Lingal15D0LF