氣候變化和污染源對中國華北地區(qū)臭氧的影響*

張?zhí)炱妫?高 陽

(中國海洋大學(xué)深海圈層與地球系統(tǒng)前沿科學(xué)中心，海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室， 山東 青島 266100)

中國華北地區(qū)近年來臭氧污染嚴(yán)重。對流層臭氧主要是揮發(fā)性有機物(VOCs)與NOx在一定氣象條件如溫度、濕度下反應(yīng)生成的。Ma等[1]基于2005年6月～2006年9月北京城區(qū)觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，北京城區(qū)臭氧小時值最高可達198.9 ppbv，在觀測時間內(nèi)近200 h超過中國臭氧濃度標(biāo)準(zhǔn)限值。陳希等[2]通過衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，1979—2013年華北地區(qū)夏季對流層臭氧以1.28 DU/10a的增長率迅速上升。Zhao等[3]基于2016年6～7月的觀測發(fā)現(xiàn)，由于高溫和東南風(fēng)的影響，石家莊臭氧小時平均最大值和8 h滑動平均最大值分別達到了(97.9±26.1)和(84.4±22.4)ppbv。2017年6月中旬，華北地區(qū)有55個城市的臭氧日8 h滑動平均最大值(MDA8)超過了160 μg/m3，有的甚至超過了200 μg/m3[4]。針對這一時段的高臭氧污染事件，Ma等[5]通過利用三維區(qū)域大氣模式Weather Research and Forecasting (WRF) Model和Community Multi-scale Air Quality (CMAQ)，對其機制進行了解析，發(fā)現(xiàn)高溫?zé)崂?、天然源尤其是城市排放天然源對高濃度臭氧污染事件起到關(guān)鍵作用。

氣候變化會對氣象包括近地面溫度和大氣環(huán)流等因素產(chǎn)生影響，這些氣象的變化可通過影響天然源排放、邊界層高度等影響臭氧污染[6-8]。全球模式是研究氣候變化常用的工具，例如針對氣象方面的研究包括Coupled Model Intercomparison Project (CMIP) Phase 3 (CMIP3)[9]和CMIP Phase 5 (CMIP5)[10]。隨著氣候變化對大氣污染影響重要性的增加，第一個世界多國聯(lián)合的全球氣候化學(xué)模式項目應(yīng)運而生，即Atmospheric Chemistry and Climate Model Intercomparison Project(ACCMIP)[11]。

對于CMIP3 Special Report Emission Scenarios (SRES)情景，中國未來人為源污染排放主要呈現(xiàn)增加的趨勢[12]，從而導(dǎo)致臭氧濃度增加[13-15]。新的CMIP5 Representative Concentration Pathways (RCPs)情景預(yù)計中國大部分地區(qū)人為污染源如Volatile Organic Compounds (VOCs)和NOx排放降低，從而在一定程度上降低臭氧污染的程度。但是與CMIP3 SRES情景顯著不同的是RCP情景下甲烷排放的設(shè)計。RCPs共有四個情景，包括RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0和RCP8.5。和2000年代相比，RCP2.6、RCP4.5和RCP6.0情景下甲烷排放量在本世紀(jì)末分別下降30%，10%和2.5%，但是RCP8.5下本世紀(jì)末甲烷排放則增加一倍多。過去的研究已經(jīng)顯示，甲烷的增加對流層臭氧有顯著的抬升作用[7]。另一方面，全球變暖下天然源排放的異戊二烯會增加，這一增加將促進臭氧的生成。因此，基于人為源排放降低、甲烷和天然源排放增加的綜合作用，中國華北地區(qū)未來臭氧如何變化是本研究主要的科學(xué)問題。

1 研究方法與模式介紹

根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095—2012)制定的標(biāo)準(zhǔn)，臭氧污染的小時濃度為200 μg/m3，MDA8濃度為160 μg/m3。ACCMIP大部分模式只輸出臭氧月均值，鑒于本研究需要臭氧小時濃度值，共有4種模式滿足研究需求，具體信息如表1所示。為便于表達，本研究中對表1中各模式名稱方面利用括號中標(biāo)注：GFDL-AM3(GFDL)，GISS-E2-R(GISS)，MOCAGE(MOCAGE)和UM-CAM(UMCAM)。根據(jù)表1，為探究未來氣候變化和人類排放對臭氧的影響，本研究采用5種實驗：歷史時段在2000年代，代表當(dāng)前的排放和氣象條件(Hist)。未來時段是2030和2090兩個年代，情景包括氣象和污染源同時改變的RCP4.5和RCP8.5情景，以及保持污染源不變(2000年代)，只改變氣象的情景(這個氣象情景是RCP 8.5)：2030年代(Em2000Cl2030)和2100年代(Em2000Cl2100)。所有模式插值成2°×2°，與作者過去用ACCMIP進行的研究空間分辨率一致[16]。其中，未來情景下氣候變化既包括溫室氣體排放的影響，同時也包含污染氣體排放所帶來的改變。例如RCP 4.5和RCP 8.5兩種情景下輻射強迫在2100年達到4.5和8.5 W/m2。RCP8.5情景下，CH4和CO2等溫室氣體排放強度在21世紀(jì)增加相對較快，本世紀(jì)末大約增加2倍以上；RCP4.5中CH4和CO2等溫室氣體則呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢，因此本世紀(jì)末其排放低于本世紀(jì)初[17]。RCP情景下大氣污染物排放變化與溫室氣體不盡相同，就全球角度而言，黑碳(BC)、一氧化碳(CO)、有機碳(OC)、二氧化硫(SO2)、非甲烷揮發(fā)性有機物(NMVOC)和氮氧化物(NOX)在RCP 4.5和RCP 8.5情景中整體呈現(xiàn)下降的趨勢，而氨氣(NH3)在未來有所增加[11]。

表1 各模式模擬時間段Table 1 Time slices in each model

2 ACCMIP臭氧模擬評估

本文利用觀測數(shù)據(jù)對ACCMIP模式歷史時段(見表1中Hist)2001—2010進行驗證。這一時段臭氧小時濃度觀測值比較少，本研究主要利用Acid Deposition Monitoring Network in East Asia (EANET; https://www.eanet.asia/)月均臭氧濃度數(shù)據(jù)，對日本以下站點進行評估，包括：Happo(36°42′N, 137°48′E)、Oki(36°17′N, 133°11′E)、Rishiri(45°07′N, 141°12′E)、Sado-sek(38°14′N, 138°24′E)和Tappi(41°15′N, 140°21′E)。模式對比的統(tǒng)計分析主要包括平均分?jǐn)?shù)偏差(MFB)、平均分?jǐn)?shù)誤差(MFE)、標(biāo)準(zhǔn)平均偏差(NMB)、標(biāo)準(zhǔn)平均誤差(NME)和相關(guān)系數(shù)(R)。具體公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

其中：Model和Obs分別代表模式和觀測臭氧月平均濃度值；N為樣本數(shù)量。

ACCMIP模式對于全球范圍內(nèi)對流層臭氧的模擬能力在Young 等[18]的研究中做了詳細評估。例如，ACCMIP對流層臭氧柱空間分布與Ozone Monitoring Instrument (OMI) and Microwave Limb Sounder (MLS)具有較高的相關(guān)性(見文獻[18]中圖 6(a),(b))。首先，針對EANET站點數(shù)據(jù)對ACCMIP四個模式進行評估，其散點圖分布及統(tǒng)計分析如圖1所示?？紤]到不同模式Hist模擬的時間不盡相同(見表1)，圖1顯示的是基于模式Hist所有年1～12月的平均值與EANET數(shù)據(jù)各觀測點2001—2010年各月平均值進行相關(guān)性分析，根據(jù)美國環(huán)保局的標(biāo)準(zhǔn)[19]，MFB和MFE分別在15%和35%。從圖1可以看出，GFDL和UM-CAM這兩個模式模擬效果符合這一標(biāo)準(zhǔn)，MOCAGE和GISS模式的平均偏差超過標(biāo)準(zhǔn)，尤其是GISS模式的平均偏差較大。為了進一步驗證模式對華北地區(qū)臭氧的模擬能力，通過已發(fā)表文獻資料獲得華北區(qū)域不同站點臭氧濃度的觀測數(shù)據(jù)，具體觀測信息見表2。由于觀測時間大部分在2004年后，基于表1，模擬時段與之相符的模式主要包括GFDL和GISS，因此，對這兩個模式進行評估(見圖2)，從中可以看出，GFDL的偏差(如MFB和MFE)明顯小于GISS，并且接近標(biāo)準(zhǔn)值，這與評估模式和EANET站點對比結(jié)果具有較好的一致性。

圖1 各模式結(jié)果與觀測的臭氧月平均值對比Fig.1 Comparison of the simulated and observed monthly mean ozone concentration

圖2 華北區(qū)域模式結(jié)果與觀測的臭氧濃度對比Fig. 2 Comparison of the simulated and observed ozone concentration in North China

表2 臭氧觀測數(shù)據(jù)來源Table 2 Source of the ozone observation data

為進一步比較ACCMIP各模式與觀測的分布，將4種模式與EANET對應(yīng)網(wǎng)格Hist所有月均臭氧濃度數(shù)據(jù)進行提取，與EANET觀測對比做成箱型圖(見圖3)。EANET在2001—2010年月平均臭氧濃度為46.7 ppbv，與圖1顯示的散點圖類似，GFDL和UMCAM模式與EANET一致性高，月平均濃度分別為50.0和44.1 ppbv，偏差分別為7%和6%，而GISS和MOCAGE的月平均分別為60.7和56.6 ppbv，偏差分別為29%和21%。從箱式圖各百分位的分布來看，GISS和MOCAGE整體偏高較多，因此，后面的分析除特殊說明外，其結(jié)果為GFDL和UCAM模式兩個模式的平均。

3 結(jié)果與討論

3.1 2000年代中國臭氧時空分布特征

考慮到我國的臭氧污染主要在東部地區(qū)，因此利用GFDL和UMCAM的平均值，給出了我國東部Hist情景下MDA8臭氧季節(jié)平均的空間分布(見圖4)。從圖中可以看出，從區(qū)域角度看，北方污染程度明顯大于南方地區(qū)。對于北方地區(qū)，夏季MDA8平均值比其它三個季節(jié)高，最高值主要集中在華北區(qū)域(見圖中黑色方框范圍)，平均值為76.1 ppbv，春季達到64.7 ppbv，秋冬兩季的濃度最低，分別為50.6和40.1 ppbv。值得一提的是，對于南方地區(qū)，如珠三角地區(qū)，如比較圖4(c)和(b)，其臭氧污染在秋季高于夏季。利用ACCMIP四個模式的平均值進行檢測，其結(jié)果與GFDL和UMCAM模式的結(jié)論保持一致。

(盒子上下線分別代表25和75百分位，中間的線為50百分位，紅色點代表平均值。最小和最大值分別為虛線的下限和上限。The box-and-whisker plots displaying the 25th percentile, 75th percentile (boxes), medians (middleline inside the box), average (red point), minimum (bottom line) and maximum (top line).)圖3 各模式與EANET觀測臭氧月均值的箱式圖Fig.3 The box-and-whisker plots displaying the monthly mean ozone concentration from models and EANET

3.2 華北地區(qū)臭氧污染受未來氣候變化和污染源的影響

為探究未來氣候變化和人類排放對臭氧的影響，以2001—2010(Hist)為基準(zhǔn)，本研究對比分析了華北地區(qū)臭氧在RCP 4.5和RCP 8.5情景下分別在2030年代和2100年代的變化，以及保持污染源不變的情況下，在這兩個年代的變化，具體見表1。華北地區(qū)小時臭氧和MDA8臭氧的季節(jié)平均變化見圖4，數(shù)據(jù)列于表3。結(jié)合圖5和表3，MDA8的季節(jié)平均值高于臭氧小時濃度季節(jié)平均值。

圖4 MDA8臭氧季節(jié)平均值的的空間分布Fig.4 Spatial distribution of seasonal mean of MDA8 ozone

華北地區(qū)臭氧濃度在未來的變化具有以下幾個特點。首先，相對于Hist，RCP 4.5和RCP 8.5情景下本世紀(jì)末(2100)的華北地區(qū)臭氧顯著降低，主要原因在于人為源揮發(fā)性有機物和氮氧化物的降低所致。同時，RCP4.5和RCP8.5兩個情景中華北地區(qū)2100年代臭氧濃度在夏季降低后，導(dǎo)致其平均濃度低于春季，意味著夏季濃度的降低幅度更大，主要原因在于臭氧前體物的減少對于光化學(xué)活躍的夏季的影響大于其它季節(jié)。其次，華北地區(qū)RCP 8.5在2100年代冬季(52.9 ppbv)平均MDA8臭氧濃度高于Hist冬季(40.1 ppbv)，同時也高于Em2000Cl2100(未來污染源不變的情景; 41.9 ppbv)。RCP8.5在2100年代冬季MDA8臭氧濃度升高的現(xiàn)象在RCP 4.5中并未出現(xiàn)(40.4 ppbv)，其主要控制因素在于RCP 8.5中甲烷的增加，這與過去針對其它地區(qū)如美國的研究一致(見Young等[18]中圖5)。在2030年代，RCP 4.5和RCP 8.5情景中人為源排放呈現(xiàn)一定的增長趨勢，因此臭氧濃度相對Hist增加，尤其是這兩個情景夏季MDA8臭氧和小時臭氧相比，Hist顯著增加。綜合對于夏季臭氧顯著升高的情景(RCP45_2030，RCP85_2030)與顯著降低的情景(RCP45_2100，RCP85_2100)，進一步強調(diào)了全球變暖下，人為源污染物的減排控制對于臭氧濃度的降低具有重要意義。如果污染源維持不變(Em2000Cl2030和Em2000Cl2100)，相對于Hist，華北地區(qū)夏季MDA8平均增加不到1.0 ppbv，但是區(qū)域最大增加可達3.2 ppbv。

(三角形代表臭氧區(qū)域MDA8平均的季節(jié)平均；空心圓代表臭氧區(qū)域小時平均值的季節(jié)平均。The triangles indicate the seasonal average value of regional mean MDA8 ozone. The circles indicate the seasonal average value of regional mean hourly ozone.)

表3 不同情景下華北地區(qū)區(qū)域平均臭氧濃度的變化Table 3 The future changes of regional mean ozone in North China /ppbv

3.3 華北地區(qū)僅由氣候變化對臭氧污染影響的統(tǒng)計分析

根據(jù)前一節(jié)討論的臭氧季節(jié)平均變化特點，結(jié)合我們過去研究極端天氣與臭氧污染的定量方法[27-28]，本研究主要關(guān)注在污染源不變的情況下，氣候變化對未來臭氧污染超標(biāo)天數(shù)的影響分析。根據(jù)我國環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3095—2012)規(guī)定的臭氧二級小時平均濃度限值為200 μg/m3(約100 ppbv)，若一天當(dāng)中臭氧小時濃度最高值超過了100 ppbv，則認(rèn)定為臭氧濃度超標(biāo)?；贕FDL和UMCAM模式的平均，Hist，Em2000Cl2030和Em2000Cl2100三個情景下華北地區(qū)每年臭氧污染年平均超標(biāo)天數(shù)、發(fā)生污染次數(shù)和每個污染事件平均持續(xù)事件展示在圖6。從圖中可以看出，華北地區(qū)臭氧年超標(biāo)天數(shù)和范圍都有所增加，尤其是2100年代(對比圖6(c)和圖6(a))。就華北地區(qū)平均而言，2000年代臭氧平均年超標(biāo)天數(shù)為4.1 d，氣候變化的影響下，2030年代超標(biāo)天數(shù)基本保持不變，然而2100年代增加到6.8 d。未來超標(biāo)天數(shù)的增加主要由于污染事件持續(xù)時間的增長所致，由2000年代的1.1 d增加到2100年的2.0 d，而發(fā)生頻率基本保持不變。另一方面，圖6顯示氣候變化對華北地區(qū)影響的空間差異性較大，例如臭氧污染天數(shù)增加最大發(fā)生在山東西部，為解析其可能的原因，本文展示了GFDL和UMCAM兩個模式近地面氣溫的分布和變化(見圖7)。

在歷史情景Hist和未來RCP 8.5(Em2000Cl2030和Em2000Cl2100)情景下，我國華北地區(qū)年均近地面氣溫分別為281.7，283.2和287.5 K。一方面，可以明顯看出在全球變暖的大背景下，RCP 8.5情況中，我國華北地區(qū)氣溫在2030年代和2100年代明顯升高，從而利于臭氧的生成和累積；另一方面，氣溫升高最顯著的地區(qū)位于山東西部，這在一定程度上可以解釋臭氧濃度變化的空間差異性?？紤]到ACCMIP模式空間分辨率較粗，這種空間差異的普適性有待于結(jié)合區(qū)域模式進行進一步解析。

圖6 中國華北地區(qū)臭氧污染年平均超標(biāo)天數(shù)(第一行)，發(fā)生污染次數(shù)(第二行)和每個污染事件平均天數(shù)(第三行)Fig. 6 The number of days per year (first row), events (second row) and mean length of each event (third row) with ozone exceeding thestandardin North China based on GFDL

圖7 我國華北地區(qū)近地面氣溫空間分布及未來變化Fig. 7 Spatial distribution of surfaceairtemperature in North China

4 結(jié)語

通過對ACCMIP中GFDL和UMCAM模式的分析，并結(jié)合GISS和MOCAGE結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)我國臭氧存在明顯的時空差異，臭氧濃度的高值主要集中在華北區(qū)域，夏季臭氧濃度高于其它季節(jié)，而南方地區(qū)如珠三角秋季臭氧濃度高于夏季。

結(jié)合目前華北地區(qū)夏季臭氧污染嚴(yán)重的特點，在RCP4.5和RCP 8.5情景下，華北地區(qū)臭氧污染呈現(xiàn)出2030年代顯著增加，2100年代顯著降低的特點，這充分表明全球變暖的大背景下，人為源揮發(fā)性有機物和氮氧化物減排對于臭氧污染控制的重要性。值得注意的是RCP 8.5情景下在2100年代冬季臭氧增加，這主要與甲烷增加密切相關(guān)。

從華北地區(qū)臭氧超標(biāo)天數(shù)的角度進行分析可知，在只考慮氣候變化的前提下，2030年代臭氧污染變化較小，但2100年代臭氧年超標(biāo)天數(shù)從范圍和數(shù)量上都有所增加，污染天數(shù)由2000年代的4.1 d增加到2100年代的6.8 d。模式同時揭示了臭氧污染空間變化的差異性，然而由于在全球模式本研究中，ACCMIP模式的空間分辨率較粗，對于研究區(qū)域臭氧污染具有一定的局限性。因此，未來研究中結(jié)合區(qū)域模式高分辨模擬，進一步探究氣候變化如何影響我國華北地區(qū)臭氧污染，對于其臭氧污染的控制具有重要意義。