北京城市與西北遠(yuǎn)郊地表臭氧濃度梯度移動監(jiān)測研究

張紅星,韓立建,任玉芬,姚余輝,孫旭,王效科,周偉奇,鄭華

中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京城市生態(tài)系統(tǒng)研究站, 北京 100085

臭氧(O3)是空氣的重要微量成分,約90%的臭氧存在于平流層,吸收紫外線,保護(hù)地球生物與環(huán)境,對人類是有利的;約10%的臭氧存在于對流層,具有消菌殺毒的功效,但臭氧濃度持續(xù)增加可能會構(gòu)成大氣污染,對生態(tài)系統(tǒng)和生物健康造成不利影響。20世紀(jì)70年代以來,對流層中臭氧的背景濃度以每年0.5%—2%的速率增長[1]。以北京為例,2004年以來北京市臭氧濃度整體呈現(xiàn)上升趨勢[2-3],城市與區(qū)域臭氧濃度升高以及空氣氧化性增強(qiáng)引發(fā)的環(huán)境問題日益引起關(guān)注[2- 11]。

從空間分布看,點(diǎn)位監(jiān)測表明北京城區(qū)地表臭氧濃度相對較低,周邊區(qū)縣相對較高[12]。然而飛機(jī)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)北京及周邊區(qū)域1.5km以下受近地面人為活動影響較大,在水平方向上,0—2km范圍內(nèi)城區(qū)四環(huán)內(nèi)臭氧濃度高[13]。北京城市與區(qū)域空間臭氧格局需要進(jìn)一步監(jiān)測研究。

相比空中臭氧,地表臭氧濃度對人與各類生態(tài)系統(tǒng)影響更直接,但是人們尚不清楚在城市與區(qū)域空間上臭氧的濃度分布規(guī)律。此前關(guān)于地表臭氧的研究多集中于點(diǎn)位觀測或聯(lián)網(wǎng)觀測[2,4,10,12,14-15]。然而,因?yàn)辄c(diǎn)位監(jiān)測代表的空間范圍不確定,臭氧在地表的空間格局仍然不清晰。盡管有研究發(fā)現(xiàn)北京西部和北部臭氧平均濃度高,但是這些研究也是基于點(diǎn)位的監(jiān)測數(shù)據(jù),目前缺少臭氧在這些區(qū)域空間上連續(xù)變化規(guī)律的報道。此外有研究表明,植物排放的BVOC在臭氧生成過程中發(fā)揮作用[16],可以使白天的臭氧濃度升高[17],然而植被與臭氧的關(guān)系的觀測研究較少。

本研究采用北京城市生態(tài)系統(tǒng)研究站移動監(jiān)測的數(shù)據(jù)資料,選擇夏季典型臭氧污染天氣,沿道路多點(diǎn)位水平方向移動監(jiān)測北京城市到西北郊區(qū)、遠(yuǎn)郊臭氧濃度變化特征,用遙感技術(shù)獲取道路沿線植被歸一化指數(shù)NDVI,研究二者之間的關(guān)系,結(jié)合天氣形勢和氣團(tuán)軌跡分析,揭示北京城市與遠(yuǎn)郊地表臭氧遞變規(guī)律及植被機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 監(jiān)測儀器

采用臭氧濃度分析儀(49i,美國熱電公司)測定臭氧濃度, 檢測方法為紫外光度法,根據(jù)紫外光經(jīng)過樣品后被吸收的程度計(jì)算出臭氧的濃度,零點(diǎn)漂移<2.14μg/m3/24h,跨度漂移1個月小于1%,最低可檢測限μg/m3,最大量程4285.71μg/m3。每次監(jiān)測前都用Thermo 49i-PS校正49i,監(jiān)測頻率為60s。

1.2 監(jiān)測方法

把臭氧分析儀49i搭載在移動監(jiān)測車上,用氣泵通過采樣桿從車頂部室外抽入空氣,從車底部排出空氣,臭氧分析儀49i通過其內(nèi)置氣泵從采樣桿分流口采集氣體樣品,分析完畢通過廢氣通道從車底部排出,采樣管從車頂伸出車外40cm,離地面約3.3m。工控機(jī)實(shí)時記錄監(jiān)測數(shù)據(jù),每60s返回1次監(jiān)測數(shù)值;用開發(fā)的移動監(jiān)測車供電系統(tǒng)給儀器供電;用基于GPS的車輛定位跟蹤系統(tǒng)實(shí)時記錄車輛的經(jīng)度、緯度、速度。經(jīng)緯度的精度約10 m。

選擇夏季典型無風(fēng)晴天,沿固定線路從北京城內(nèi)到西北遠(yuǎn)郊,行進(jìn)的同時監(jiān)測。從林業(yè)大學(xué)北路出發(fā),經(jīng)由城市支路,三環(huán)路、然后通過京藏高速(G6)出城,往北京西北遠(yuǎn)郊行駛,經(jīng)由昌赤城路到延慶大莊科鄉(xiāng)(圖1)然后返程,經(jīng)由昌赤路、京藏高速、林萃路等,回到出發(fā)地點(diǎn)林業(yè)大學(xué)北路。移動測定的時間是2012年5月10日14:16到19:21;7月24日13:25到18:30;8月24日12:08到18:05。這3天是典型的臭氧污染天氣。表1中詳細(xì)介紹了移動監(jiān)測車具體運(yùn)行時間、道路類型、名稱及代表區(qū)域。為了便于控制時間變化對臭氧濃度變化的影響,把移動監(jiān)測過程依據(jù)監(jiān)測車運(yùn)行的地段和相應(yīng)時間分段(表1)。

在監(jiān)測車移動監(jiān)測臭氧濃度的同時,對照點(diǎn)北京城市生態(tài)系統(tǒng)研究站的教學(xué)植物園監(jiān)測平臺(116°25′39.36″,39°52′22.48″)同步監(jiān)測臭氧濃度和氣象要素,測定頻率60s。每次監(jiān)測前,都將移動監(jiān)測車的臭氧分析儀、GPS、對照點(diǎn)臭氧分析儀時間同步。

表1 監(jiān)測線路及測定時間

圖1 生態(tài)監(jiān)測車運(yùn)行路線圖Fig.1 Monitoring route of mobile vehicle

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Origin Pro8繪制觀測期間的溫度、濕度、風(fēng)矢量變化圖;用SPSS13.0軟件,運(yùn)行ANOVA程序,分析不同路段間臭氧濃度的差異顯著性,運(yùn)行Independent samples T-test分析對照點(diǎn)和同時間范圍內(nèi)移動監(jiān)測數(shù)據(jù)之間差異顯著性;用ArcGIS10.0軟件把監(jiān)測車軌跡和臭氧濃度相對高低標(biāo)示在地圖上;用HYSPLIT模型做氣團(tuán)質(zhì)點(diǎn)后向軌跡分析,以沙塘溝(116°10′11.35″,40°24′12.78″)、大莊科(116°14′59.23″,40°23′3.23″)、十三陵(116°12′26.82″,40°14′0.10″)為氣團(tuán)后向軌跡的終點(diǎn),氣團(tuán)運(yùn)行時間為6 h,設(shè)置氣團(tuán)高度為700.00m;用GrADS 2.1分析典型臭氧污染情況下的天氣形勢,氣象數(shù)據(jù)選取NOAA數(shù)據(jù)庫2012年5月10日、7月24日、8月24日北京時間下午16時的數(shù)據(jù)。

利用移動監(jiān)測獲取的點(diǎn)位經(jīng)緯度數(shù)據(jù),在ArcGIS支持下生成50m緩沖區(qū),基于LandSAT7衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),計(jì)算緩沖區(qū)內(nèi)NDVI的平均值,7月份衛(wèi)星數(shù)據(jù)不可用,鑒于植被在生長盛期變化不明顯,故用8月份的數(shù)據(jù)替代進(jìn)行NDVI計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 監(jiān)測期間的環(huán)境因子變化

2.1.1溫度日變化

本研究中,對照點(diǎn)北京教學(xué)植物園的最高溫度都出現(xiàn)在14:00到15:00之間,且都大于30℃,在監(jiān)測車運(yùn)行時段的平均溫度都大于28.5℃。2012年5月10日12:00—20:00,對照點(diǎn)的平均氣溫是29.05℃,最高氣溫30.35℃,出現(xiàn)在14:50;7月24日的平均氣溫是31.09℃,最高氣溫32.47℃,出現(xiàn)在14:20;8月24日平均氣溫是28.52℃,最高氣溫30.66℃,出現(xiàn)在14:40(圖2)。

圖2 監(jiān)測期間環(huán)境因子變化Fig.2 The environmental factors in monitoring days20120510：2012年5月10日,May 10, 2012;20120724：2012年7月24日,July 24, 2012;20120824：2012年8月24日,August 24, 2012

2.1.2相對濕度日變化

3次臭氧典型污染天氣監(jiān)測期間的平均濕度都低于50%,最低濕度都出現(xiàn)在14:00—14:30之間,和最高氣溫的出現(xiàn)時間段基本重合。2012年5月10日12:00—20:00對照點(diǎn)的平均濕度是36.42%,最低是32.11%,出現(xiàn)在14:00;7月24日的平均濕度是49.91%,最低是43.22%,出現(xiàn)在14:10;8月24日的平均濕度是33.32%,最低是27.08%,出現(xiàn)在14:20。

2.1.3風(fēng)矢量日變化

5月10日的平均風(fēng)速是0.52m/s,7月24日是0.52m/s,8月24日是0.69m/s。這3次典型臭氧污染天氣時,晚上幾乎是靜風(fēng)狀態(tài),10:00后整體風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)。12:00后平均風(fēng)速都小于1.2 m/s(圖2)。2012年5月10日12:00—20:00對照點(diǎn)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng),平均風(fēng)速為0.97m/s,最大風(fēng)速1.72 m/s,出現(xiàn)在15:10,最小風(fēng)速0.42 m/s,出現(xiàn)在16:50;7月24日12:00—20:00的風(fēng)向?yàn)槲髂虾湍巷L(fēng),平均風(fēng)速為0.93 m/s,最大1.70 m/s,出現(xiàn)在14:50,最小0.39 m/s,出現(xiàn)在12:20;8月24日風(fēng)向?yàn)槟虾臀髂?12:00—20:00的平均風(fēng)速為1.19 m/s,最大為2.05 m/s,出現(xiàn)在16:30,最小為0.38 m/s,出現(xiàn)在20:00。

2.1.4光強(qiáng)日變化

圖3 典型臭氧污染天氣臭氧濃度日變化過程 Fig.3 The diurnal change of ozone concentrations in typical pollution days

5月10日、7月24日、8月24日都是晴天,光強(qiáng)呈現(xiàn)典型的單峰日變化特征,地表接受的光合有效輻射分別是30.93mol/m2.d、31.95mol/m2.d、40.35mol/m2.d。

2.1.5臭氧濃度日變化

臭氧濃度的日變化特征整體表現(xiàn)為“S”型,從零時起濃度保持低水平或者平緩下降,甚至在夜間可以回到0.00μg/m3。但是,從 7:00開始臭氧濃度開始快速上升。在5月10日,于16:00達(dá)到一天中的最高峰280.18μg/m3,然后開始下降;7月14日,13:00到達(dá)了較高水平,高峰從13:00持續(xù)到17:00,約200.00—210.00μg/m3;8月24日,12:00達(dá)到較高水平,高峰從12:00持續(xù)到17:00然后開始下降,約190.00—205.00μg/m3。高濃度的臭氧甚至可以持續(xù)到晚上21:00以后。

2.2 臭氧濃度和氣象因子的關(guān)系

本研究中,相關(guān)分析(Pearson Correlation)表明,臭氧濃度在典型污染天氣和空氣溫度成顯著正相關(guān),和空氣濕度成顯著負(fù)相關(guān),和光強(qiáng)成顯著正相關(guān)。

表2 臭氧濃度和氣象因子的關(guān)系

** 極顯著(P<0.0001)

2.3 典型污染期間地表臭氧濃度城市郊區(qū)梯度特征

整體平均而言,北京西北山區(qū)植被覆蓋良好區(qū)域的臭氧濃度高于北京城區(qū)和北京西北部山前的平原區(qū)域。在選擇的固定監(jiān)測線路上,從十三陵往西北山區(qū)方向,沿昌赤路,到延慶大莊科鄉(xiāng),山區(qū)道路上監(jiān)測到的臭氧濃度明顯高于在京藏高速和北京城區(qū)三環(huán)主路的監(jiān)測值(圖4)。在3次監(jiān)測過程中有一個共同現(xiàn)象,十三陵是地表臭氧濃度的分界點(diǎn)。從十三陵開始,往植被茂密的山區(qū)方向臭氧濃度陡然升高,黃色變成紅色(圖4),并保持在高水平。返程時往城區(qū)方向,車輛駛出十三陵區(qū)域后臭氧濃度顯著降低(圖4),紅色變成黃色。西北山區(qū)(Ⅳ、Ⅴ)臭氧濃度約是高速公路上(Ⅲ、Ⅵ)的2.28到3.33倍,是平原城市區(qū)域平均水平約2.00倍。

圖4 北京城市和郊區(qū)地表臭氧濃度連續(xù)變化特征Fig.4 Surface ozone concentrations gradient between urban and rural region of Beijing

2.4 不同時間段,城市和郊區(qū)不同地點(diǎn)臭氧濃度的差別

在三次移動監(jiān)測中(表3,圖5),西北山區(qū)相鄰約兩個小時內(nèi)監(jiān)測到的兩組數(shù)值(Ⅳ、Ⅴ)差別不顯著(P<0.001),平均為254.68μg/m3,但顯著高于北京城區(qū)監(jiān)測到的臭氧濃度127.08μg/m3(P<0.001)。西北山區(qū)移動監(jiān)測到的平均值是城區(qū)平均值的2.00倍,最大值是城區(qū)監(jiān)測到的最小值的11.14倍。西北山區(qū)的臭氧濃度平均是城區(qū)支路(Ⅰ)的1.41—1.76倍,是城區(qū)交通主干道(Ⅱ)的2.09倍,是高速路(Ⅲ)的2.29—3.32倍。

在移動監(jiān)測中,除了西北山區(qū)(Ⅳ、Ⅴ)的臭氧濃度外,對照點(diǎn)在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅵ、Ⅶ等各地段測得的臭氧濃度均值都顯著高于(P<0.001)各時段在不同路段監(jiān)測的臭氧濃度(表3)。西北山區(qū)臭氧和對照點(diǎn)濃度差別最小,是城區(qū)對照點(diǎn)的1.11倍。考慮到對照點(diǎn),臭氧濃度從高到低的排序是：西北山區(qū)(Ⅳ、Ⅴ)>對照點(diǎn)(教學(xué)植物園)>城市支路(Ⅰ、Ⅶ)>城市快速路和高速路(Ⅱ、Ⅲ、Ⅵ)。盡管如此,值得注意的是監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn),監(jiān)測車靠近道旁樹時監(jiān)測到臭氧高值,沒有道旁樹的路段臭氧明顯降低。此外發(fā)現(xiàn),城市支路上臭氧濃度也有高于對照點(diǎn)的情況,對照點(diǎn)濃度也有高于山區(qū)臭氧的情況(圖5)。

同一類型監(jiān)測地段,臭氧濃度隨時間變化。城市支路(Ⅰ)12:08—13:55時間段監(jiān)測到的臭氧濃度平均為181.06μg/m3,顯著高于(Ⅶ)17:47—19:21時間段監(jiān)測到的臭氧濃度144.60μg/m3。高速公路上(Ⅲ)14:48—16:36時間段監(jiān)測到的臭氧濃度111.13μg/m3,顯著高于(Ⅵ)17:20—19:05時間段監(jiān)測到的值。這種現(xiàn)象符合臭氧從日間到黑夜?jié)舛戎饾u降低的日變化規(guī)律。

相近時間段內(nèi),城市快速路和高速路臭氧濃度差別不顯著。13:14—16:08時間段在城市快速路三環(huán)上(Ⅱ)測得的城市平均臭氧濃度121.99μg/m3,和14:48—16:36時間段在京藏高速公路出京方向(Ⅲ)測得的平均臭氧濃度111.13μg/m3差異不顯著(P<0.001)。

表3 北京城市和郊區(qū)不同地段監(jiān)測到的地表臭氧濃度/(μg/m3)

圖5 移動監(jiān)測和對照點(diǎn)臭氧濃度值Fig.5 The ozone concentrations monitored using mobile vehicle contrast to control pointM-O3：移動監(jiān)測車測得臭氧濃度;C-O3：對照點(diǎn)北京教學(xué)植物園同時間測得臭氧濃度

2.5 臭氧濃度和植被的關(guān)系

研究發(fā)現(xiàn),臭氧濃度和監(jiān)測點(diǎn)周圍50米范圍內(nèi)的NDVI呈顯著正相關(guān)關(guān)系,隨著NDVI的增大,監(jiān)測到的臭氧濃度呈現(xiàn)出Logistic增長(圖6)。當(dāng)監(jiān)測車途經(jīng)區(qū)域的植被NDVI指數(shù)較大,植物茂密時,監(jiān)測到高濃度臭氧概率較大。對照點(diǎn)教學(xué)植物園的臭氧濃度和NDVI的關(guān)系同樣能夠通過Logistic方程得到較好擬合(圖6)。

圖6 監(jiān)測到的臭氧濃度和采樣點(diǎn)周圍植被歸一化指數(shù)(NDVI)的關(guān)系Fig.6 The relationship between ozone concentrations and NDVI around monitoring sites

2.6 城鄉(xiāng)臭氧濃度空間變異及對照點(diǎn)時間變異

從北京城區(qū)到西北遠(yuǎn)郊,山區(qū)地表臭氧濃度的空間變異系數(shù)最小,高速公路、城市快速路、支路空間變異較大(表4)。不同時段對應(yīng)路段監(jiān)測的臭氧濃度的空間變異系數(shù)都明顯大于同時間段對照點(diǎn)的時間變異系數(shù)(表4)。在3次監(jiān)測中,城市與區(qū)域監(jiān)測的所有臭氧濃度的空間變異系數(shù)平均為0.41,監(jiān)測期間對照點(diǎn)臭氧濃度時間變異系數(shù)為0.06,說明監(jiān)測到的臭氧濃度地點(diǎn)間的差異主要是由于空間不同造成,時間變化不是引起地點(diǎn)間差異的主要原因。

表4 移動監(jiān)測臭氧濃度空間變異系數(shù)和同時間范圍對照點(diǎn)臭氧濃度時間變異系數(shù)

Table 4 The coefficients of spatial variation of ozone monitored using mobile vehicle and the coefficients of variation in control point at the same time

區(qū)域Region地段Sites時間Time5-107-248-24平均MeanCK5-107-248-24平均Mean 城區(qū) Urban regionⅠ0.320.290.120.24 0.030.060.020.04城區(qū)Urban regionⅡ0.330.210.230.26 0.040.050.010.03高速路Free wayⅢ0.390.280.270.31 0.020.040.010.02西北山區(qū)North-west mountain regionⅣ0.140.120.070.11 0.030.090.020.05西北山區(qū) North-west mountain regionⅤ0.100.110.110.11 0.030.050.030.04高速路 Free wayⅥ0.400.400.430.41 0.020.050.020.03城區(qū)Urban regionⅦ0.340.260.370.32 0.010.040.020.02全部0.440.370.430.410.060.080.040.06

西北山區(qū)的空間變異最小,約為0.11;城市支路的空間變異系數(shù)為0.24—0.32;高速路為0.31—0.41;城市快速路為0.26。

2.7 典型污染期間郊區(qū)臭氧后向軌跡分析及天氣形勢

在5月10日,7月24日,8月24日的3次典型污染天氣時,從16時開始,700m海拔高度上6 h氣團(tuán)后向軌跡結(jié)果表明,西北部山區(qū)的氣團(tuán)來至北京城區(qū)方向(圖7)。5月10日和7月24日的氣團(tuán)主要來至北京城區(qū),8月24日的氣團(tuán)來至城區(qū)西部,沿太行山東麓向北遷移。

在2012年5月10典型臭氧污染天氣發(fā)生時,天氣形勢為大范圍均壓場(圖7),北京大部分位于均壓場內(nèi);7月24日和8月24日典型臭氧污染發(fā)生時,北京城市與區(qū)域位于高壓后部,低壓前部,由弱高壓控制(圖7)。

圖7 典型臭氧污染天氣時的氣團(tuán)后向軌跡和天氣形勢圖Fig.7 The synoptic types and backward trajectories in typical ozone pollution weather圖中每條軌跡上的點(diǎn)是后向3 h氣團(tuán)質(zhì)點(diǎn)所在位置

3 討論

3.1 臭氧污染的氣象原因

溫度、濕度、光照共同影響臭氧的生成和轉(zhuǎn)化。我們研究發(fā)現(xiàn),臭氧濃度和溫度正相關(guān),相關(guān)系數(shù)0.75。嚴(yán)茹莎等[10]研究發(fā)現(xiàn),臭氧濃度和溫度顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.74。研究結(jié)論基本一致。同時,我們發(fā)現(xiàn)臭氧濃度和空氣濕度顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)0.80,這和程念亮等[7]的發(fā)現(xiàn)相似。本研究中臭氧濃度和光強(qiáng)呈現(xiàn)顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.40。

盡管有研究認(rèn)為臭氧濃度和風(fēng)速正相關(guān)[7],但更多證據(jù)支持適宜的風(fēng)速(≤3.00m/s)是造成近地層臭氧濃度高的必要條件。在風(fēng)速較低的情況下,大氣層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,上下混合均勻,臭氧濃度垂直廓線較平穩(wěn)[18]。本研究中,3次典型污染天氣當(dāng)天12時到20時,地表監(jiān)測到的都為平均風(fēng)速低于1.20m/s的南風(fēng)(圖2)。5月10日的氣流方向?yàn)闁|南向,7月24日的為南向氣流,8月24日的為西南向氣流(圖7)。低于1.2m/s的弱南風(fēng)是三次典型臭氧污染天氣的共同氣象條件。

本研究中,5月10日天氣形勢為均壓場控制,7月24日和8月24日為高壓后部,低壓前部。研究認(rèn)為,北京處于低壓前部控制時,邊界層穩(wěn)定[10]本地排放的污染物不容易擴(kuò)散,高溫低濕的氣象條件有利于本地臭氧的生成[7,9]。程念亮等[7]研究發(fā)現(xiàn)臭氧超標(biāo)日地面氣壓形勢場高壓類、 低壓類、 均壓類等各占16%,36%,48%,以均壓、低壓前部、弱高壓為主。本研究選擇的天氣型和前人研究比較一致,都是典型污染天氣形勢。不同的是,本研究發(fā)現(xiàn)在均壓場控制情況下,北京城市與區(qū)域的整體臭氧污染水平相對更高(圖5、圖7)。原因可能是在均壓控制下,大氣層結(jié)更穩(wěn)定,風(fēng)速較低,不利于各種污染物的擴(kuò)散,空氣濕度小,溫度高,光化學(xué)反應(yīng)劇烈,造成城市與區(qū)域整體臭氧濃度偏高。

3.2 北京城市與區(qū)域臭氧空間分布特征

研究表明位于北京周邊平谷、密云、昌平、延慶、房山南部、通州東南部周邊區(qū)縣的臭氧濃度高于城區(qū)的臭氧濃度,北京周邊對照點(diǎn)臭氧濃度高于郊區(qū),郊區(qū)高于城區(qū),城區(qū)高于交通污染監(jiān)測點(diǎn)[12]。本研究發(fā)現(xiàn),在西北遠(yuǎn)郊山區(qū)森林區(qū)域的臭氧濃度從十三陵開始臭氧濃度陡然升高,從高到低的順序依次是西北山區(qū)(Ⅳ、Ⅴ)>對照點(diǎn)教學(xué)植物園>城市支路(Ⅰ、Ⅶ)>城市快速路和高速路(Ⅱ、Ⅲ、Ⅵ)。從平均水平而言,山區(qū)大于城區(qū),城區(qū)大于交通沿線,這和前人研究比較一致。不同的是,我們發(fā)現(xiàn)城市與區(qū)域臭氧空間變化比較復(fù)雜,在不同地點(diǎn)間存在較大變異。在城市支路上臭氧濃度也有高于對照點(diǎn)的情況,對照點(diǎn)濃度也有高于山區(qū)臭氧的情況(圖5)。

以前的研究發(fā)現(xiàn)北京西部和北部山區(qū)的臭氧平均濃度高于平原地區(qū);在平原地區(qū),公園中的臭氧濃度高于道旁綠化帶[15],十三陵的定陵處臭氧濃度高于北京城區(qū)的平均臭氧濃度,是北京城區(qū)的1.01到1.56倍[2]。但點(diǎn)位監(jiān)測的方法不能發(fā)現(xiàn)大范圍內(nèi)臭氧空間變化的特征。我們用移動監(jiān)測的辦法發(fā)現(xiàn)西北山區(qū)的平均值是城區(qū)平均值的2.00倍,是城區(qū)對照點(diǎn)北京教學(xué)植物園的1.10倍,山區(qū)最大值是城區(qū)監(jiān)測到的最小值的11.14倍。此外,發(fā)現(xiàn)進(jìn)入西北植被茂密區(qū)后臭氧濃度陡然升高到平原區(qū)域約2.00倍并在山區(qū)保持在高位的現(xiàn)象,這是前人用傳統(tǒng)固定點(diǎn)位監(jiān)測無法發(fā)現(xiàn)的科學(xué)現(xiàn)象,其機(jī)制值得深入研究。

3.3 遠(yuǎn)程輸送對臭氧污染的影響

很多科學(xué)家都發(fā)現(xiàn)了遠(yuǎn)程輸送對臭氧污染的影響。蘇福慶等[19]將影響北京外來污染物輸入的風(fēng)帶分為3 種類型,即東風(fēng)帶、西南風(fēng)帶及東南風(fēng)帶輸送通道。認(rèn)為3 個輸送風(fēng)帶的輸入, 山前輸送匯系統(tǒng)對大范圍污染物的匯聚,是造成北京外來污染物輸入的主要原因。唐貴謙等認(rèn)為復(fù)合氣流易將河北、天津乃至山東、山西等地的污染物傳輸?shù)奖本?加之西部和北部山體的阻擋極易造成污染物的積累[14]。王占山等觀測到了一次西南風(fēng)作用下的明顯的臭氧輸送過程,榆垡、豐臺花園、奧體中心、懷柔監(jiān)測站臭氧峰值出現(xiàn)的時間從南到北滯后[12]。徐敬等[11]研究發(fā)現(xiàn)北京地區(qū)受西南氣流影響時,會導(dǎo)致下風(fēng)向的北部山區(qū)出現(xiàn)極高的臭氧濃度。安俊琳等[9]研究表明北京盛行東南、 偏南和偏西氣流時,容易造成高臭氧濃度。本研究中,5月10日典型臭氧污染天氣時,發(fā)生了均壓場控制下的東南向弱氣流,氣團(tuán)從東南向西北輸送(圖7);7月24日和8月24日天氣形勢是高壓后部,低壓前部控制下的南向弱氣流。輸送通道和前人的研究基本相一致,即發(fā)生典型臭氧污染時,均伴隨著南向弱氣流,氣流沿西山前從南向北輸送(圖7),但沒有發(fā)現(xiàn)東風(fēng)帶輸入氣流。然而,即便存在西南風(fēng)和東南風(fēng)輸送,本研究中后向軌跡分析表明,監(jiān)測到的高濃度臭氧可能不是當(dāng)天遠(yuǎn)程輸送而來。按照后向運(yùn)動軌跡,16:00時到19：00時西部山區(qū)的氣團(tuán)質(zhì)點(diǎn)來源于城區(qū)上空10：00時到13：00時(圖7)。以城區(qū)臭氧相對較高的對照點(diǎn)為例,該時間段內(nèi)城市臭氧濃度還沒有達(dá)到一天中最高的程度(圖3),且低于西北山區(qū)監(jiān)測到的平均值。即便城市中臭氧濃度達(dá)到了一天中的最高值,其仍然比郊區(qū)監(jiān)測到的平均值低(圖5)。所以,本研究中監(jiān)測到的高濃度臭氧可能不是從城區(qū)輸送來的。

但是,北京對西北遠(yuǎn)郊森林區(qū)域確實(shí)有物質(zhì)輸送(圖7)。城市地區(qū)的氣團(tuán)在向下風(fēng)向傳輸?shù)倪^程中經(jīng)過“老化”可導(dǎo)致下風(fēng)向的臭氧濃度水平高于市區(qū)[20]。城市道路和生產(chǎn)生活排放的臭氧前體物NOx和VOCs遠(yuǎn)程運(yùn)動到北京北部山區(qū),在溫度較高,濕度較小的氣象條件下,可能因?yàn)樯种参锱欧诺腣OCs的參與[21],光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生臭氧并大量富集在該區(qū)域。此外,由于遠(yuǎn)郊相對缺乏NO污染物,臭氧消耗較少,加上地形的影響可能存在累及效應(yīng)。

3.4 高濃度臭氧和植被的可能關(guān)系

通過移動中多點(diǎn)連續(xù)觀測發(fā)現(xiàn)北京西北山區(qū)地表臭氧濃度平均值高且空間變異小,而城區(qū)臭氧濃度平均值相比西北山區(qū)小且空間變異比較大。盡管西北山區(qū)平均臭氧水平高于北京城區(qū),但也觀測到了城區(qū)教學(xué)植物園臭氧濃度高于西北山區(qū)的情況,特別是在城市支路上距離道旁樹比較近的地方也觀測到了臭氧濃度高值(圖5)。前人的觀測多基于單位時間平均值,這種統(tǒng)計(jì)方法的好處是便于宏觀展現(xiàn)格局和過程,弊端是對發(fā)生在植物空氣界面附近的生理生化以及光化學(xué)過程監(jiān)測不到。比如,盡管從平均情況看道旁綠化帶的臭氧濃度低于公園[15],但是,在距離道旁綠化帶近的地方,確實(shí)觀測到了多組高于公園的值(圖5)。

本研究中,除了西北森林區(qū)域外,在對照點(diǎn)教學(xué)植物園和城市道路支線等植物茂密區(qū)域也監(jiān)測到了臭氧高值,在一定時間范圍內(nèi),臭氧濃度和植被NDVI指數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān),臭氧濃度隨NDVI指數(shù)Logistic增長。這一結(jié)果證明了在植被覆蓋良好的區(qū)域臭氧濃度高[12]。植物排放的BVOCs在大氣光化學(xué)反應(yīng)中發(fā)揮重要作用可能是植被良好地區(qū)臭氧濃度高的原因[22]。Trainer 等[21]認(rèn)為大氣污染 80%來自植物釋放的碳?xì)浠衔?。事?shí)上,在美國 亞特蘭大地區(qū),政府用10年的時間控制了人為污染物排放后,大氣環(huán)境質(zhì)量并沒有明顯改善,原因是大量松樹(主要釋放單萜烯)和橡樹(主要釋放異戊二烯)是BVOCs的主要來源,在合適的光照和濕度下,它們與人為排放的 NOx 共同作用產(chǎn)生了臭氧,從而大大增加城市發(fā)生光化學(xué)煙霧,最終導(dǎo)致控制臭氧水平失敗[22]。本研究中,西北山區(qū)植被覆蓋率達(dá)到95%以上,遠(yuǎn)郊森林區(qū)域有473種植物,他們放出大量的BVOCs[23];對照點(diǎn)北京教學(xué)植物園,景觀以植被為主,距離南部二環(huán)主路約200 m,在南風(fēng)的作用下(圖2),道路上機(jī)動車排放的NOx和VOCs進(jìn)入教學(xué)植物園。NO2光解導(dǎo)致 O3的生成,植物排放的BVOCs氧化生成活性自由基,尤其是HO2·、RO2·等,HO2·、RO2·引起NO向NO2轉(zhuǎn)化,一方面提供了生成O3的NO2源,更重要的是破壞NO2-NO-O3的光解循環(huán),使臭氧累積[24],這可能是對照點(diǎn)臭氧濃度高的原因之一。在北京城市道路的支路上有長勢良好的樹木白蠟和國槐,可能參與了臭氧生成的光化學(xué)反應(yīng)過程,造成植物附近臭氧濃度高。植物源VOCs、化石源VOCs、NOx等在植物參與下,在植物空氣界面進(jìn)行的生理學(xué)和光化學(xué)反應(yīng)和臭氧生成過程的關(guān)系,需要加強(qiáng)模擬和觀測研究。

3.5 臭氧濃度空間變異的可能原因

本研究中地表臭氧在城鄉(xiāng)地表的平均變異系數(shù)約為0.41,在山區(qū)平均為0.11,在高速路上為0.36,在城市支路上平均為0.27。道路交通狀況和道旁植被多寡可能會影響臭氧生成和消耗過程而影響空間變異。車輛排放出NO和VOCs,道路等級越高,車流量越大,還原性氣體越多,越容易造成臭氧消耗,城市中臭氧晚上甚至可以消耗完(圖3);另一方面,道路等級越低,監(jiān)測車離行道樹越近,緩沖范圍內(nèi)植被NDVI越高,越容易監(jiān)測到高濃度臭氧?？赡苁且?yàn)橹参锱欧诺漠愇於┗蜉葡╊怴OCs在光作用下參與了臭氧生成,促使更多的NO2釋放出帶電氧原子,帶電氧原子和氧分子生成臭氧[24]。

地表景觀均勻度和過程差異可能會影響臭氧的空間格局。山區(qū)植被茂密,地表特征相對均勻,車輛稀少,臭氧的生成和消耗空間差別不大。但是,高速路、城市道路經(jīng)過的區(qū)域,車流變化大,建筑高度和分布各異,擴(kuò)散條件差別大,道旁植被格局及距離車道遠(yuǎn)近不同,這些都可能對臭氧的生成和遷移轉(zhuǎn)化產(chǎn)生影響。城市不同景觀和干擾對臭氧的積累耗散,遷移轉(zhuǎn)化需要更多研究加以證明。

4 結(jié)論

(1)臭氧濃度和監(jiān)測路線周邊植被NDVI指數(shù)正相關(guān),隨其Logistic增長。地表臭氧濃度在山區(qū)植被茂密地區(qū)陡然升高到平原城市區(qū)域的約2.00倍且在山區(qū)保持此高水平,界限明顯。但在城區(qū)道旁樹或公園綠地也監(jiān)測到了高濃度臭氧,其比遠(yuǎn)郊植被茂密地區(qū)的臭氧略低?？臻g上,北京臭氧濃度從高到低的順序是西北山區(qū)(Ⅳ、Ⅴ)>對照點(diǎn)教學(xué)植物園(城區(qū))>城市支路(Ⅰ、Ⅶ)>城市快速路和高速路(Ⅱ、Ⅲ、Ⅵ)。

(2)山區(qū)地表臭氧濃度的空間變異系數(shù)最小,為0.11;高速公路最大,為0.31—0.41;、城市快速路約為0.26,城市支路空間變異較大0.24—0.32。

(3)夏季大范圍均壓場、高壓后部、低壓前部等穩(wěn)定天氣型易造成及南向弱氣流,能夠把空氣污染物輸送到西北遠(yuǎn)郊,但本研究中監(jiān)測到的西北山區(qū)高濃度臭氧并非當(dāng)天從城區(qū)輸送而來。城市與區(qū)域產(chǎn)生的臭氧前體物輸送到西北山區(qū)與植被共同作用可能是北京西北部山區(qū)夏季典型天氣臭氧濃度高的原因之一。