基于GIS分析臭氧污染時(shí)空變化趨勢

四川大學(xué)博\碩士研究生課程報(bào)告考試課程名稱3S技術(shù)與應(yīng)用考試方式□筆試□口試口撰寫論文考試成績?nèi)握n教師考試時(shí)間四川大學(xué)研究生院制基于GIS分析臭氧污染時(shí)空變化趨勢（1新能源與低碳技術(shù)研究院；2建筑與環(huán)境學(xué)院）1研究背景臭氧是氧化劑中的最主要成份，在美國洛杉磯臭氧占總氧化劑的30-45%，是光化學(xué)煙霧最重要的二次污染物。自從光化學(xué)煙霧發(fā)生以來，人們對臭氧的研究越來越多，不僅因?yàn)樗鼘θ撕蛣又参锏膰?yán)重危害，而且由于：1.臭氧常常被用來研究平流層和對流層之間的傳輸擴(kuò)散過程；2.臭氧是第一個(gè)做為長距離遷移考慮的污染物，可傳輸250公里，常被用來研究對流層內(nèi)大氣的傳輸過程；3.由于臭氧長距離遷移的性質(zhì)，而且對整個(gè)大氣化學(xué)反應(yīng)都有影響，臭氧是對流層空氣帶內(nèi)控制化學(xué)流動的最重要物質(zhì)。機(jī)動車使用數(shù)量的大幅度增加以及其他化工污染源的增加，使得我國空氣污染也由傳統(tǒng)的煤煙型向復(fù)合型（煤煙型和機(jī)動車尾氣混合污染）轉(zhuǎn)變。氮氧化物（nitrogenoxide,NOx）和揮發(fā)性有機(jī)物（volatileorganiccompounds，VOCs）的排放量不斷增加，通過光化學(xué)反應(yīng)造成的大氣臭氧（ozone,O3）污染逐漸加重，已成為中國空氣污染的主要問題之一。O3是光化學(xué)氧化劑的主要成份，具有強(qiáng)氧化性，對眼睛和呼吸道有很強(qiáng)的刺激性，損害人體肺功能，甚至導(dǎo)致各種疾病的發(fā)生。1.1臭氧的形成及性質(zhì)1840年德國C.F.舍拜恩在電解稀硫酸時(shí)，發(fā)現(xiàn)有一種特殊臭味的氣體釋出，因此將它命名為臭氧。1785年，德國人在使用電機(jī)時(shí)，發(fā)現(xiàn)在電機(jī)放電時(shí)產(chǎn)生一種異味。1840年法國科學(xué)家克里斯蒂安?弗雷德日將它確定為臭氧。臭氧（O3）又稱為超氧，是大氣中一種微量氣體，具有強(qiáng)氧化性和化學(xué)活性的物質(zhì)。在常溫常壓下，較低濃度的O3無色；體積濃度達(dá)到15%時(shí)呈淡藍(lán)色，有刺激性腥臭氣味；濃度高時(shí)與氯氣氣味相像。大氣環(huán)境中的氧分子在太陽輻射光化的作用下，產(chǎn)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。大氣中的臭氧含量從距地面大約10km的地方開始逐漸升高，在距地面20?50km（即平流層）的時(shí)候，大氣中的臭氧含量達(dá)到了最大值，再往上臭氧含量又急劇減少。臭氧只占整個(gè)大氣層的極小一部分,但它卻對保護(hù)人類安全有著重要的作用。臭氧是大氣中非常稀薄的氣體，大氣中的臭氧可分為兩部分：一距離地面10?50km的高空平流層中的臭氧，是地球生物不可缺少的保護(hù)傘。二是距地面10km以下對流層中的地表臭氧，地表大氣中只包含微量的臭氧，通常濃度為10?100ppb。與高空平流層中的臭氧相反，這一地表臭氧污染，嚴(yán)重危害動植物的健康和生存?？諝馕廴局械腛3屬于二次污染物，在溫度適宜的情況下，空氣中的NOx（主要包括NO、NO2等）和VOCs（包括烴類、鹵代烴、芳香烴和多環(huán)芳香烴等）在紫外線（ultraviolet,UV）的照射下經(jīng)過一系列光化學(xué)反應(yīng)形成刺激性強(qiáng)的淡藍(lán)色煙霧，其主要成分為O3、醛類以及各種過氧?；跛狨ィ╬eroxyacetylnitrates,PANs）,其中O3占90%以上。O3的高度的化學(xué)活性，可以參與眾多的大氣光化學(xué)反應(yīng)，引起酸雨、光化學(xué)煙霧、大氣能見度降低等對流層污染現(xiàn)象，對人體健康造成直接或間接的損害。

6CDVOCsRH036NO+O(aP)Humifyc/epende/ifOHforniationformation町Qi韋E甲）Surface圖6CDVOCsRH036NO+O(aP)Humifyc/epende/ifOHforniationformation町Qi韋E甲）Surface圖1.1對流層臭氧主要來源和匯的示意圖1.2臭氧的來源貢獻(xiàn)StratosiiherephotolysisNO,femoval：……才啊photo-1NO；RO2-~pP沁y團(tuán)掠HQ,*Q?Lreacbons/DiydeftositionLowNQpathwayfurther全球化學(xué)物傳輸模型（GlobalChemicalTransportModel,GCTM）研究表明，每年對流層O3可達(dá)344Tg,平均48%來源于光化學(xué)反應(yīng)，29%來源于區(qū)域外遠(yuǎn)距離傳輸，23%來源于平流層；由此可知，地面O3主要來源于光化學(xué)反應(yīng)和風(fēng)力因素的區(qū)域外遠(yuǎn)距離輸送°O3的來源有天然和人為兩方面。天然來源的O3,包括平流層進(jìn)入對流層的部分以及自然產(chǎn)生的NOx（土壤和閃電）與生物排放的VOCs（甲烷、萜烯類化合物）反應(yīng)所生成的部分，最主要的天然源是平流層和對流層之間，以及對流層內(nèi)的擴(kuò)散所產(chǎn)生；而人為的地面O3是由燃煤、機(jī)動車尾氣及石油化工等排放的NOx和碳?xì)浠衔锓磻?yīng)所生成。在平流層中，存在著天然的低質(zhì)量濃度O3（2?8mg/L）,它可以保護(hù)地球表面生物免受有害紫外線的照射，被譽(yù)為“地球生命的保護(hù)傘”，大氣對流層出現(xiàn)的O3,大部分是人為污染物，通常被稱為有害O3，即O3污染。1.3臭氧產(chǎn)生的影響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體物。臭氧污染的形成與臭氧的前體物、相對濕度、風(fēng)速、溫度、區(qū)域傳輸及平流層向?qū)α鲗拥妮斔偷纫蛩赜嘘P(guān)。臭氧的前體物：大氣中NOx、VOCs等增加，也能導(dǎo)致O3生成量增加。NOx和VOCs是O3的兩個(gè)重要前體物，但兩者對O3生成或消耗的影響并非是簡單的線性關(guān)系。高濃度NOx下,VOCs濃度的增加有利于O3的產(chǎn)生，反之低濃度NOx時(shí)VOCs濃度的增加可能會抑制o3的生成。o3的生成量受到當(dāng)?shù)夭煌愋颓绑w污染物排放水平的影響。相對濕度：o3質(zhì)量濃度與濕度之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，空氣濕度增加時(shí)，o3質(zhì)量濃度降低，反之亦然。風(fēng)速：不穩(wěn)定的空氣可通過垂直擴(kuò)散方式將空氣上層高質(zhì)量濃度的o3,向地面輸送，風(fēng)速和湍流作用的增強(qiáng)，也有利于光化學(xué)反應(yīng)速率的提高。溫度：溫度與o3質(zhì)量濃度存在明顯的正相關(guān)關(guān)系，即隨著氣溫上升，o3的質(zhì)量濃度提高。因?yàn)閾]發(fā)性有機(jī)物VOCs以及汽車尾氣形成的氮氧化物，在高溫以及光照輻射的共同作用下，會催化臭氧的產(chǎn)生。陽光照射越強(qiáng)烈，越會刺激臭氧產(chǎn)生。區(qū)域傳輸：由于大氣的流動性，污染物容易發(fā)生跨境傳輸。氣象條件是影響跨境傳輸?shù)淖钪匾囊蛩亍Ｐ〕叨鹊目缇硞鬏?，傳輸距離短，影響較大，大尺度的跨境傳輸由于沿途的衰減或者加強(qiáng)，結(jié)果更為復(fù)雜。在全球范圍內(nèi)的季風(fēng)環(huán)流的影響，污染物還存在著全球尺度上的傳輸，比如中國的污染物可能會對美國西部地區(qū)的大氣污染造成影響。平流層向?qū)α鲗拥妮斔停浩搅鲗又写嬖谥罅康某粞?，吸收了大量的紫外線。當(dāng)大氣擾動劇烈時(shí)，平流層會向?qū)α鲗虞斔筒糠殖粞酢Ｒ彩窃斐筛吆０蔚貐^(qū)（如拉薩）臭氧濃度相對較高的原因。1.4臭氧的危害1.4.1臭氧對人體的危害臭氧幾乎能與任何生物組織反應(yīng)，對呼吸道的破壞性很強(qiáng)。毒理學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，臭氧能引起肺部炎癥，增強(qiáng)氣道反應(yīng)性以及血液流變學(xué)改變。同樣，臭氧也會刺激眼睛，使視覺敏感度和視力降低。此外，臭氧會阻礙血液輸氧功能，造成組織缺氧；使甲狀腺功能受損、骨骼鈣化。1.4.2臭氧對植物的危害植物受損害的程度主要取決于臭氧濃度及作用時(shí)間。適量的臭氧可以作為消毒劑，可以殺滅細(xì)菌病毒，能有效防止植物蟲害和病害。當(dāng)大氣中臭氧濃度P.lppm時(shí)，使植物生長受到抑制和早期衰老，如綠色消褪、葉色變紅、葉表面灰白、出現(xiàn)白色的養(yǎng)麥皮狀的小斑點(diǎn)、暗褐色的點(diǎn)狀斑、不規(guī)則的大范圍壞死。臭氧對植物的危害還有一些是不可視的，比如生理機(jī)能降低、生長發(fā)育受到抑制，形成早期老化。1.4.3臭氧對環(huán)境及工業(yè)生產(chǎn)的危害臭氧很不穩(wěn)定，在常溫常態(tài)常壓下即可分解為氧氣，由于分解時(shí)放出大量熱量，故當(dāng)其含量在25%以上時(shí)，很容易爆炸。不過現(xiàn)實(shí)生活中很難達(dá)到25%。工業(yè)中就不一樣了，臭氧具有很強(qiáng)的氧化性，除了金和鉑外，臭氧化空氣幾乎對所有的金屬都有腐蝕作用，鋁、鋅、鉛與臭氧接觸會被強(qiáng)烈氧化，臭氧對非金屬材料也有強(qiáng)烈的腐蝕作用。1.5用于評價(jià)臭氧的指標(biāo)我國現(xiàn)行的GB3095-20l2《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（自20l6年l月l日起在全國實(shí)施）中分別規(guī)定了風(fēng)景名勝等自然保護(hù)區(qū)（一類區(qū)）和城鄉(xiāng)居民生活工作區(qū)（二類區(qū)）的限值標(biāo)準(zhǔn)，并且采用lh平均值（O3-1h）和日最大8h平均值?罰）兩個(gè)限制指標(biāo)。O3-1h、O3-8h和日均值3者間的轉(zhuǎn)換率為20：15：8,O3-8h能更好地反映日均暴露值和人體吸人值，因此WHO推薦指標(biāo)為03-8；美國、歐盟等國家和地區(qū)參考WHO準(zhǔn)則制定了。珈，標(biāo)準(zhǔn)（100?120卩g/m3）。我國二類區(qū)O3-8h標(biāo)準(zhǔn)與美國相同，高于歐盟、WHO限值，一類區(qū)O3-8h標(biāo)準(zhǔn)與WHO相同。表1中國、美國和歐盟環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中03的限值（Rg/m3中國美國歐盟WHO一類區(qū)二類區(qū)日最大8h平均1001601601201001h平均160200臭氧評價(jià)的一些指標(biāo)：1）M24:日均值的周平均值的年均值2）M7:從9:00到16:0的周平均值的年均值3）N100:一年中小時(shí)濃度＞100ppb的小時(shí)數(shù)

SUM60:—年中小時(shí)濃度值超過60ppb的濃度和W126：從早上八點(diǎn)到晚上八點(diǎn)的臭氧小時(shí)濃度和AOT40f:每年4月到九月從早上六點(diǎn)到晚上八點(diǎn)臭氧小時(shí)濃度值超過40ppb的臭氧濃度總和(PaolettiEetal.,2007)2數(shù)據(jù)來源與分析工具我們從國家環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)獲取了2013-2017年共60個(gè)城市的臭氧小時(shí)數(shù)據(jù)，前期根據(jù)評價(jià)臭氧的指標(biāo)進(jìn)行簡單的計(jì)算。為了科學(xué)地評價(jià)臭氧的時(shí)空變化趨勢，我們計(jì)算了MDA8、M24、M7、N100、SUM60、W126和AOT40f等臭氧暴露指數(shù)，這些臭氧指數(shù)已經(jīng)被廣泛地用來評價(jià)臭氧污染的生態(tài)效應(yīng)。工具：ArcGIS和HYSPLITE32013年國家臭氧監(jiān)測點(diǎn)位圖我國O3超標(biāo)現(xiàn)象較為普遍，近年來很多環(huán)境監(jiān)測研究發(fā)現(xiàn)O3質(zhì)量濃度有上升的趨勢。環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的歷年《中國環(huán)境狀況公報(bào)》顯示：自2013年起，京津冀、長三角、珠三角等重點(diǎn)區(qū)域及直轄市、省會城市和計(jì)劃單列市共74個(gè)城市按照新標(biāo)準(zhǔn)開展監(jiān)測。NaBOSHIliMUswh圖NaBOSHIliMUswh圖3.12013年國家環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)位分布示意圖4研究結(jié)果4.1普通克里金插值及顏色分級2013年2014#2015#2016#2017#囪$1M申％h:a.atII'.2013年2014#2015#2016#2017#囪$1M申％h:a.atII'.I*Hl?-Mi制0I1lip圖4.1普通克里金插值及顏色分級結(jié)果77我們計(jì)算了2013年至2017年臭氧六項(xiàng)指標(biāo)（M24,M7,N100,SUM60,W126andAOT40f）的平均值，對于2013年后新增的城市，計(jì)算了從起始年份到2017年的平均值，并用Arcgis10.2繪制餅形圖（圖4.1）。從圖中我們可以看到臭氧污染比較嚴(yán)重的地區(qū)有京津冀（北京-天津-河北）、長江三角洲和珠江三角洲這三個(gè)傳統(tǒng)上的大氣污染熱點(diǎn)地區(qū)。近些年來,臭氧污染的區(qū)域分布呈現(xiàn)出由沿海向內(nèi)陸擴(kuò)散的趨勢,從圖4.1可以看出川渝地區(qū)（四川-重慶）,尤其是西北地區(qū)（甘肅-青海）已經(jīng)成為臭氧污染較為嚴(yán)重的地區(qū)。對比三大重點(diǎn)區(qū)域O3濃度統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn),三大重點(diǎn)區(qū)域O3濃度變化特征不盡相同，京津冀區(qū)域O3污染最為嚴(yán)重。2013年至2017年，SUM60，W126，AOT40f這三個(gè)臭氧暴露指數(shù)累積值得整體變化趨勢大體一致,2013年值2015年,呈現(xiàn)出降低的趨勢由于縣級城市數(shù)量的大幅度增加，2015年后，城市數(shù)量基本穩(wěn)定后，這三個(gè)指數(shù)的的平均值呈現(xiàn)出逐年增加的趨勢，與2015年相比，增幅分別為40%，42%和43%。且2017年最大值達(dá)到最大。4.2省會城市臭氧各項(xiàng)指標(biāo)的年際變化II113(1tl114II113(1tl114■圖4.2省會城市臭氧各項(xiàng)指標(biāo)的年際變化中國省會城市率先與2013年1月1日開展對臭氧的監(jiān)測，圖4.2顯示了中國31個(gè)省級行政區(qū)的2013年至2017年臭氧六項(xiàng)指標(biāo)五年變化的柱形圖。省會城市都是人口聚集、工業(yè)集中的區(qū)域，大氣污染狀況也比較嚴(yán)重，在臭氧的時(shí)空分布方面具有很好的代表性。從圖4.2中得到，很多省會城市臭氧濃度一直呈上升的趨勢，尤其是東部的表現(xiàn)最為明顯。4.3AOT40f統(tǒng)計(jì)分析

4J120r6sc<39%4J120r6sc<39%圖4.3臭氧AOT40f的年際變化對于森林，CLRTAP(2015)提出了5ppm-h的臨界負(fù)荷，Bull(1996)和Bytnerowiczetal.(2008)提出(2008)AOT40f的臨界值為10ppm。圖4.3表明，從2013-2017年，超過AOT40f臨界值的城市越來越多，表明我國的森林正遭受著越來越重的臭氧污染的影響。其中，西南林區(qū)包括青藏高原南緣的森林受臭氧的威脅最大，其次是東南林區(qū)，受臭氧污染威脅最小的是東北林區(qū)。4.4熱點(diǎn)城市臭氧污染的跨境傳輸對流層O3的來源包括天然源和人為源，天然源主要涉及平流層的輸入和光化學(xué)反應(yīng)生成，o3的人為源包括交通運(yùn)輸、石油化工行業(yè)、燃煤電廠等，這些污染源排放的o3前體物。研究表明，污染物的跨境傳輸也是導(dǎo)致臭氧高濃度事件的一個(gè)重要因素。我們利用HYSPLITE和ARCGIS結(jié)合，分析四個(gè)具有代表性城市的高臭氧濃度小的后向軌跡團(tuán)，根據(jù)后向軌跡圖，我們可以大致判斷出，污染物的來源和傳輸路徑。4.4.1北京北京夏季大氣臭氧污染十分嚴(yán)重，是光化學(xué)污染的典型季節(jié)，污染狀況可能已經(jīng)超過歐美特大城市。北京及周邊地區(qū)O3存在2條污染帶，一條污染帶主要集中在北京-保定-山西北部地區(qū)，另一條主要集中在北京、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^輛甘圖4.4北京臭氧高濃度事件下的氣團(tuán)后向軌跡通過HYSPLITE和GIS的結(jié)合，我們可以判斷氣團(tuán)的來源。從圖中可以看出，2017年月26號這天影響北京大氣質(zhì)量的氣團(tuán)主要來自于南面的河北、天津和河南。

4.4.2上海隨著城市發(fā)展、能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變、城市汽車保有量的迅速增加，高濃度臭氧污染將成為上海大氣污染中的突出問題。目前長三角工業(yè)區(qū)夏季大氣污染呈現(xiàn)明顯的復(fù)合型污染的特征，即高濃度臭氧和高濃度細(xì)顆粒物疊加并存。盡管國際上已經(jīng)發(fā)展了一系列機(jī)理性強(qiáng)的大氣化學(xué)輸送模式來進(jìn)行臭氧預(yù)報(bào)，但由于污染源的不確定性使模式難以得出正確的結(jié)果業(yè)務(wù)應(yīng)用往往比較困難。從圖4.5可以看出，7月15號這天影響上海的臭氧濃度的氣團(tuán)來自于東北方向的海面上，受江蘇和山東的影響。圖4.5上海臭氧高濃度事件下的氣團(tuán)后向軌跡懐耳-空圖4.5上海臭氧高濃度事件下的氣團(tuán)后向軌跡懐耳-空N鬲總rtSOJn口缶1500；1WXJ1BH13JS豐冒24.4.3成都成都獨(dú)特的盆地氣候條件——常年風(fēng)速小、靜風(fēng)頻率高，日照時(shí)間短、冬季逆溫現(xiàn)象多，夏季熱島效應(yīng)明顯等對臭氧濃度的變化有很大的影響。對溫度、相對濕度、風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)的分析可得，氣溫高、濕度小、風(fēng)速大、日照時(shí)間長等氣象條件對高濃度臭氧的綜合作用較大。且冬天由于前體污染物量大并不因逆溫現(xiàn)象的出現(xiàn)而臭氧濃度升高；成都市城區(qū)夏季城市熱島效應(yīng)明顯，光化學(xué)反應(yīng)的速度加快，且形成的熱島環(huán)流有利于污染物在城區(qū)積聚形成塵蓋，使得近地面大氣中的臭氧濃度在全年最高。因此一天中下午臭氧濃度最高，一年中夏季最高。7月11號，成都臭氧濃度超標(biāo)嚴(yán)重。影響成都的臭氧的氣團(tuán)主要來自于北面的甘肅、山西和寧夏。由于跨境傳輸路徑較遠(yuǎn)，較遠(yuǎn)地區(qū)的貢獻(xiàn)就很小。從傳輸方向上看，成都受德陽、綿陽的影響最大。圖4.6成都臭氧高濃度事件下的氣團(tuán)后向軌跡巴第u圖4.6成都臭氧高濃度事件下的氣團(tuán)后向軌跡巴第u4.4.4廣州廣州受東南季風(fēng)的影響強(qiáng)烈，廣州臭氧濃度與東南季風(fēng)有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，季風(fēng)強(qiáng)度越強(qiáng)，臭氧濃度越低，因?yàn)閺?qiáng)烈的季風(fēng)吹拂，帶來的氣團(tuán)主要來自于海上，同時(shí)把本地區(qū)的污染物吹走。根據(jù)相關(guān)的文獻(xiàn)資料得知，珠三角區(qū)域臭氧污染最為嚴(yán)重的月份為10月。夏季臭氧濃度較低。從圖4.7中也可以看出，7月29號這天影響廣州的氣團(tuán)主要來自海上，氣團(tuán)較為干凈。圖4.7廣州臭氧高濃度事件下的氣團(tuán)后向軌跡NQAAHYSPlirMODELForwardLrajedoriessia/Lingal15D0LF