南京及周邊黑碳?xì)馊苣z對臭氧影響的觀測分析和數(shù)值模擬

朱彬 智利蓉 盧文 高晉徽 侯雪偉

摘要 利用南京地面站點(diǎn)2016—2017年黑碳?xì)馊苣z（Black Carbon，BC）和臭氧（O3）逐小時(shí)觀測資料，對比分析了不同季節(jié)BC與近地面O3的關(guān)系。結(jié)果表明，高BC（高于平均值）影響下的O3質(zhì)量濃度值明顯比低BC（低于平均值）影響下的O3質(zhì)量濃度值低，這種抑制作用在秋冬季明顯高于春夏季，且BC與O3的負(fù)相關(guān)性在秋冬季顯著高于春夏季，而PM2.5與O3的負(fù)相關(guān)性不顯著。利用WRF-Chem模式，對2017年12月個(gè)例開展BC反饋效應(yīng)對O3影響的數(shù)值模擬，結(jié)果再次證實(shí)BC對O3存在負(fù)反饋影響。其影響機(jī)制是：BC可通過抑制邊界層發(fā)展，使近地面NOx積聚，從而減少臭氧的化學(xué)生成（VOCs控制區(qū)）;BC可通過抑制邊界層垂直湍流交換，減少邊界層上部高O3向下的湍流輸送，從而減少近地面O3;BC可通過減小近地面風(fēng)速，減少O3的平流輸入，從而減少地面O3。不同個(gè)例的主要控制因子不同。

關(guān)鍵詞 黑碳?xì)馊苣z; 光化學(xué)臭氧; 觀測分析; 數(shù)值模擬

近地面臭氧（O3）是控制低層大氣化學(xué)反應(yīng)與循環(huán)的重要因子（Inman et al.，1971），對人類健康及地表生態(tài)系統(tǒng)有直接的影響（Fiore et al.，2008）。O3具有強(qiáng)氧化性，它極易與其他具有氧化性的光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物混合，形成光化學(xué)煙霧。黑碳?xì)馊苣z（Black Carbon，BC）是大氣氣溶膠的重要組成成分，來源可分為自然源與人為源兩種（宿興濤和王漢杰，2009），主要由生物質(zhì)和化石燃料的不完全燃燒產(chǎn)生，是一種對太陽短波輻射有強(qiáng)烈吸收的含碳物質(zhì)（Kompalli et al.，2014），在大氣層頂產(chǎn)生正的輻射強(qiáng)迫（張靖和銀燕，2008）。BC不僅對氣候變化有重要影響，而且對人類健康造成較大危害（Highwood and Kinnersley，2006），因?yàn)锽C的粒徑通常在0.001～1 μm之間，能進(jìn)入人體的呼吸道和肺泡，并直接與血液接觸。有研究表明（Nenes et al.，2002），BC通過吸收和反射太陽輻射，改變地表和大氣之間的能量收支平衡，也可以通過動(dòng)力和云物理過程控制云凝結(jié)核的形成，加速云的蒸發(fā)，從而影響區(qū)域大尺度環(huán)流和水循環(huán)。

在當(dāng)前我國區(qū)域性大氣復(fù)合污染的背景下，BC與O3在大氣中并存，它們之間可以通過BC影響光解率、O3在BC表面的非均相化學(xué)以及通過BC影響邊界層結(jié)構(gòu)進(jìn)而影響O3的方式發(fā)生相互作用。Dickerson（1997）通過研究發(fā)現(xiàn)BC對太陽短波輻射的吸收作用會(huì)進(jìn)一步抑制O3前體物的光解速率，使得光化學(xué)反應(yīng)的強(qiáng)度降低、減少了O3的生成。Ding et al.（2016）利用在線大氣化學(xué)模式證實(shí)BC在大氣中對短波輻射的吸收會(huì)對大氣起到加熱作用，當(dāng)邊界層以上的大氣被加熱后，這會(huì)增加大氣的穩(wěn)定度同時(shí)會(huì)抑制邊界層的發(fā)展。Gao et al.（2018）利用WRF-Chem模式模擬表明，白天南京地區(qū)BC濃度較高時(shí)，入射的太陽短波輻射被吸收并加熱了邊界層以上的大氣使得邊界層的發(fā)展受到抑制，進(jìn)而造成湍流強(qiáng)度變?nèi)跏沟酶呖障虻孛嫱牧鬏斔偷腛3明顯減少，結(jié)果導(dǎo)致地面O3濃度在正午前降低，其中在12時(shí)（北京時(shí)）體積分?jǐn)?shù)最大減少量達(dá)到16.4×10-6。葛茂發(fā)等（2009）研究表明，揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）和氮氧化物（NOx）等一次污染物在大氣中經(jīng)過復(fù)雜的光化學(xué)反應(yīng)可形成以O(shè)3為主的二次光化學(xué)氧化劑，并以大氣氣溶膠為介質(zhì)發(fā)生非均相反應(yīng)，使大氣污染更嚴(yán)重。

作為我國經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)之一，長江三角洲地區(qū)的環(huán)境問題一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)。近年來隨著城市化快速發(fā)展，長三角地區(qū)的空氣污染嚴(yán)重，主要體現(xiàn)為大氣氣溶膠污染和光化學(xué)污染，大氣氣溶膠中BC占據(jù)的質(zhì)量比較小，約為百分之幾至百分之十幾（秦世廣等，2001）。盡管BC的占比較小，但對于氣候變化、空氣質(zhì)量等起著重要作用。本研究通過對南京北郊2016—2017年兩年地面觀測數(shù)據(jù)分析，在Gao et al.（2018）的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步從長期觀測的角度探討B(tài)C與近地面O3的關(guān)系以及季節(jié)特征。再采用WRF-Chem模式模擬有無BC兩組個(gè)例試驗(yàn)，定量分析南京地區(qū)BC對近地面O3濃度影響的物理、化學(xué)機(jī)制。這對于深入了解該地區(qū)O3的特征具有理論和實(shí)際意義，同時(shí)也為本地區(qū)制定更有針對性的BC和O3聯(lián)合控制措施提供合理的科學(xué)依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 采樣時(shí)間地點(diǎn)

BC和近地面O3觀測時(shí)段為2016年1月1日—2017年12月31日?？紤]近地面光化學(xué)O3的生成主要在非降水日，因此去除了有降水時(shí)段的數(shù)據(jù)。O3、PM2.5數(shù)據(jù)來自中國環(huán)境監(jiān)測總站對外發(fā)布的逐小時(shí)濃度值。BC和NOx分別采用黑碳儀AE-33和賽默飛世爾科技公司生產(chǎn)的大氣污染環(huán)境監(jiān)測分析儀，采樣點(diǎn)設(shè)在南京信息工程大學(xué)氣象樓頂（118.42°E，32.12°N），海拔高度62 m。觀測站點(diǎn)東邊約500 m處為快速公路，其東北和東南方向上分布有揚(yáng)子石化、南京鋼鐵集團(tuán)等大型化工、能源企業(yè)，地區(qū)空氣質(zhì)量具有一定的污染區(qū)域特性。

1.2 模式設(shè)置及參數(shù)化方案

選用的模式為WRF-Chem模式，雙重模擬區(qū)域，D1覆蓋我國中東部地區(qū)，分辨率為36 km，地表至模式頂層為38層，2 km以下加密為12層。D2中心點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)為（118.717°E，32.207°N），覆蓋我國東部地區(qū)和周邊的海洋，共包含99×99個(gè)網(wǎng)格，水平分辨率為12 km，模式層頂設(shè)為50 hPa。模擬時(shí)間為2017年12月10日00時(shí)到31日18時(shí)（北京時(shí)，下同），時(shí)間積分步長為180 s，模式計(jì)算結(jié)果為逐小時(shí)輸出，前48 h為spin-up時(shí)段。所用數(shù)據(jù)：1）NCEP頒布的再分析1°×1°氣象場資料，時(shí)間分辨率為6 h，通過前處理程序WPS為模擬區(qū)域提供氣象初始條件。2）使用全球化學(xué)模式MOZART-4為模擬區(qū)域提供化學(xué)初始條件以及化學(xué)邊界條件。3）人為排放源選用清華大學(xué)MEIC源清單，基準(zhǔn)年為2016年，分辨率為0.25°×0.25°，生物源選擇MEGAN計(jì)算得到的生物質(zhì)排放源數(shù)據(jù)。其他物理化學(xué)參數(shù)化方案如表1所示。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在本研究的模擬中，共進(jìn)行兩組試驗(yàn)來體現(xiàn)BC對地面O3的影響：試驗(yàn)1控制試驗(yàn)，將模式的氣溶膠反饋機(jī)制打開，使之包含模式中所有氣溶膠物種對輻射的直接效應(yīng)和間接效應(yīng)（All-aerosol），即所有氣溶膠的光學(xué)厚度都會(huì)被計(jì)算出來并傳遞到輻射傳輸模式（Iacono et al.，2008）參與短波和長波輻射的相關(guān)計(jì)算;試驗(yàn)2敏感性試驗(yàn)，同樣將氣溶膠反饋機(jī)制打開，但將其中BC的輻射效應(yīng)去除（All-aerosol-exBC），而其他氣溶膠則與控制試驗(yàn)中設(shè)置相同并依然有效（Wang et al.，2016）。控制試驗(yàn)與敏感性試驗(yàn)的差值作為BC影響O3的效應(yīng)。

2 觀測結(jié)果分析

2.1 不同質(zhì)量濃度BC影響下的O3質(zhì)量濃度日變化特征

圖1為四季高、低BC質(zhì)量濃度水平下近地面O3質(zhì)量濃度日變化曲線。2016—2017年BC的年平均質(zhì)量濃度為1.29 μg/m3，將質(zhì)量濃度值高于1.29 μg/m3的BC定義為高質(zhì)量濃度BC，質(zhì)量濃度值低于1.29 μg/m3的BC定義為低質(zhì)量濃度BC，即圖1中的高BC與低BC。根據(jù)O3的日變化規(guī)律（張遠(yuǎn)航等，1998），從08時(shí)開始，南京近地面O3質(zhì)量濃度逐漸升高。午后光化學(xué)反應(yīng)較強(qiáng)，O3質(zhì)量濃度達(dá)到一天中的最大值，即光化學(xué)作用產(chǎn)生大量O3。從上午開始，邊界層不斷向上發(fā)展、垂直湍流加強(qiáng)，邊界層上部的較高質(zhì)量濃度O3不斷被向下挾卷（Zhang and Rao，1999），即物理作用增加了近地面O3，在光化學(xué)和挾卷的共同作用下，15時(shí)左右O3達(dá)到日最大值。由圖1可見，除了夏季，高、低BC質(zhì)量濃度下的O3質(zhì)量濃度均存在明顯差異，高BC下O3質(zhì)量濃度始終小于低BC時(shí)，秋季差異最明顯，15時(shí)左右，O3質(zhì)量濃度差異最大可達(dá)35 μg/m3;而夏季高、低BC的O3濃度差異最小?？傮w而言，高BC影響下的O3質(zhì)量濃度小于低BC影響下的O3質(zhì)量濃度，在一年四季中均存在。

圖2a、b、c、d分別為春夏秋冬BC與O3質(zhì)量濃度關(guān)系的散點(diǎn)圖，其中，BC與O3的質(zhì)量濃度值均為08—18時(shí)的非夜間時(shí)段。結(jié)果表明，春夏秋冬四個(gè)季節(jié)，BC和O3的相關(guān)系數(shù)分別為-0.28、-0.13、-0.16、-0.38，且均通過95%置信度的顯著性檢驗(yàn)，負(fù)相關(guān)關(guān)系顯著;其中，冬季兩者的負(fù)相關(guān)系數(shù)較大，夏季負(fù)相關(guān)系數(shù)較小，這與圖1分析的結(jié)果吻合。冬季太陽輻射強(qiáng)度較弱、靜穩(wěn)天較多，BC積聚在邊界層以下，BC在邊界層上部吸收較多的短波輻射，而在下部使溫度降低、大氣層結(jié)更趨于穩(wěn)定，NO得到集聚;較弱的光化學(xué)反應(yīng)以及增強(qiáng)的NO對O3的消耗使得地面O3濃度降低，BC和O3的負(fù)相關(guān)更顯著。而在夏季，太陽輻射較強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間長、光化學(xué)反應(yīng)較強(qiáng)烈;此外，在夏季偏東南風(fēng)的影響下（漏嗣佳等，2010），潔凈的海洋氣團(tuán)和降水對BC有稀釋和清除作用。夏季大氣層結(jié)最不穩(wěn)定，光化學(xué)反應(yīng)最強(qiáng)、BC濃度最低，三者疊加，導(dǎo)致夏季BC與O3的相關(guān)性較不顯著。

圖2e、f、g、h分別為春夏秋冬四個(gè)季節(jié)PM2.5與O3的質(zhì)量濃度關(guān)系的散點(diǎn)圖，PM2.5和O3的相關(guān)系數(shù)分別為-0.21、0.19、0.04、-0.18，除秋季外其余三個(gè)季節(jié)均通過95%置信度的顯著性檢驗(yàn)?？梢钥闯觯煌竟?jié)PM2.5與O3的相關(guān)性和BC與O3的顯著負(fù)相關(guān)特征不同，在各季節(jié)BC相關(guān)系數(shù)的符號并不一致，冬春為負(fù)相關(guān)、夏秋為正相關(guān)，且相關(guān)系數(shù)都較小。這可能是由于PM2.5中的主要成分是硫酸鹽、硝酸鹽和有機(jī)物組成的散射性氣溶膠，其對邊界層結(jié)構(gòu)和光解率的影響與BC有顯著的區(qū)別，導(dǎo)致其對臭氧影響的不確定性很大。

2.2 近地面O3與BC、PM2.5及其他污染物的關(guān)系

影響光化學(xué)O3產(chǎn)生的因素較多，從光解率和非均相化學(xué)上看PM2.5中的非BC成分也可能會(huì)抑制O3的生成;從光化學(xué)反應(yīng)上看，O3前體物NOx等的濃度也會(huì)影響O3的形成，為此需進(jìn)一步討論O3與PM2.5、NOx、SO2、以及BC/PM2.5比值的變化關(guān)系，各數(shù)據(jù)仍采用08—18時(shí)的非夜間時(shí)段。將BC占PM2.5中的比值進(jìn)一步細(xì)分為五檔，分別為0～1%、1%～2%、2%～3%、3%～4%和4%以上，統(tǒng)計(jì)各占比下O3、SO2、NOx及PM2.5的質(zhì)量濃度（圖3）。由圖3a可以看出，當(dāng)BC/PM2.5逐漸增大時(shí)，O3質(zhì)量濃度隨BC/PM2.5比值的升高迅速下降;PM2.5和SO2的質(zhì)量濃度則變化不大。BC是一次污染物，而PM2.5的很大部分源自二次生成，因此PM2.5基本不隨BC變化;NOx隨BC/PM2.5比值的升高明顯上升，NOx濃度的來源之一為交通源（Liu et al.，2018），和BC有同源性（Wang et al.，2011），為NOx濃度升高的原因之一。考慮到BC是PM2.5的組分，就整體而言（圖3b），當(dāng)PM2.5質(zhì)量濃度為80～120 μg/m3時(shí)，O3質(zhì)量濃度減少不明顯，約為15 μg/m3，并沒有圖3a中BC/PM2.5與O3變化關(guān)系那么顯著。這進(jìn)一步說明了高濃度的BC對O3抑制作用明顯，而PM2.5中的非BC成分對O3的抑制作用較弱。

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 數(shù)值模擬結(jié)果和觀測數(shù)據(jù)的對比

由觀測資料僅能得到BC與O3之間存在負(fù)相關(guān)，推測可能是BC抑制邊界層發(fā)展進(jìn)而通過物理的或化學(xué)的過程降低O3。本節(jié)通過數(shù)值模擬的方法，以一次個(gè)例模擬定量探討B(tài)C影響邊界層進(jìn)而改變近地面O3的物理化學(xué)機(jī)制。

模式對大氣污染要素的良好模擬是定量研究的前提。圖4和圖5分別為污染物和氣象要素與觀測值的對比。污染物的對比時(shí)段為12月21日00時(shí)—31日23時(shí)，氣象要素的對比時(shí)段為12月21日14時(shí)—31日17時(shí)。模式較好地體現(xiàn)了污染物質(zhì)量濃度時(shí)間變化趨勢，基本模擬出BC、O3、PM2.5質(zhì)量濃度日均變化、濃度增長、消減的變化趨勢，模式與觀測值的相關(guān)系數(shù)分別為0.48、0.57、0.5。但模式模擬的BC和PM2.5較觀測值偏高，O3模擬值相對偏低，其中PM2.5濃度峰值與實(shí)際觀測相差較大，造成這種差異的原因可能在于：1）排放源的空間和時(shí)間分辨率不夠高;2）模式初始場和邊界條件不準(zhǔn)確;3）模式中化學(xué)反應(yīng)過程的模擬不夠完善?？傮w而言，數(shù)值模式可滿足本研究需要。

在溫度、相對濕度和風(fēng)速（WS）的模擬中，相關(guān)系數(shù)分別為0.88、0.61和0.44。根據(jù)風(fēng)向（WD）的特性，直接計(jì)算其相關(guān)系數(shù)會(huì)出現(xiàn)一定的偏差，因此參考Kwok（2009）的方法引入了一致性指數(shù)IOAwdir用于判斷風(fēng)向模擬值和觀測值的相關(guān)性，本模擬風(fēng)向IOAwdir為0.8?？梢钥闯瞿M值與觀測值有較好的一致性，且通過95%置信度的顯著性檢驗(yàn)，地面溫度的相關(guān)性最高，風(fēng)速的相關(guān)性最低，也依然處于可接受的范圍。

3.2 地表BC和O3差值的水平濃度分布

圖6是模擬區(qū)域內(nèi)BC質(zhì)量濃度以及無BC（敏感試驗(yàn)）、有BC（控制試驗(yàn)）時(shí)O3質(zhì)量濃度差值的近地面水平分布，時(shí)間分別為2017年12月29日12時(shí)（圖6a）以及2017年12月30日12時(shí)（圖6b）。BC的水平分布具有較大的非均勻性，這主要與BC排放源的非均勻性有關(guān)，同時(shí)受到復(fù)雜風(fēng)場的影響。圖6中O3差值高值區(qū)分布在湖北、安徽、以及江蘇的東部地區(qū)，恰與BC的高值區(qū)基本吻合。12月30日O3差值高值區(qū)有增強(qiáng)的趨勢，且此高值區(qū)和BC都隨著北風(fēng)向南推進(jìn)，BC高值區(qū)和O3差值高值區(qū)仍然基本重合，即BC質(zhì)量濃度高，O3差值大，BC對近地面O3的抑制作用較明顯。3.3節(jié)將通過模式的物理、化學(xué)過程量分析考察BC對邊界層發(fā)展的影響，進(jìn)而再對南京及周邊O3的影響。

3.3 O3物理化學(xué)過程量分析

對流層O3生成過程中各項(xiàng)物理化學(xué)過程直接影響著O3濃度的變化（朱彬，2012;Li et al.，2015）。涉及的過程量包括：1）平流貢獻(xiàn)量（ADV：advection），反映平流輸送作用對O3濃度的貢獻(xiàn)，與風(fēng)場和O3濃度有關(guān);2）垂直混合量（VMIX：vertical mixing），體現(xiàn)垂直混合作用對O3濃度的貢獻(xiàn)，與湍流和O3垂直梯度有關(guān)（Zhu et al.，2015）;3）化學(xué)貢獻(xiàn)量（CHEM：chemistry），是光化學(xué)反應(yīng)對O3濃度的凈貢獻(xiàn)量，包括生成與消耗作用。此外，由于對流貢獻(xiàn)量（CONV：convection）在本次的模擬里貢獻(xiàn)很小，因此在本研究中不考慮對流貢獻(xiàn)量。

12月29日08—10時(shí)，南京地區(qū)的近地面O3（圖7a）濃度升高緩慢，質(zhì)量濃度保持在20 μg·m-3附近。從11時(shí)開始，無BC實(shí)驗(yàn)的O3質(zhì)量濃度升高較快，相比有BC試驗(yàn)下的O3質(zhì)量濃度高很多，說明BC對O3的抑制作用較明顯，并在15時(shí)質(zhì)量濃度差值達(dá)到最大值，為38 μg·m-3;15時(shí)以后兩個(gè)試驗(yàn)下的O3質(zhì)量濃度差值略減小。從無BC反饋實(shí)驗(yàn)的過程量變化（圖7b）看，垂直混合過程（VMIX）始終對地面O3變化起最大正貢獻(xiàn)（15.0～36.2? μg·m-3·h-1），而化學(xué)反應(yīng)過程（CHEM）則始終為負(fù)貢獻(xiàn)（-2.4～-29.0 μg·m-3·h-1），平流過程（ADV）除了在11時(shí)為負(fù)外，其他時(shí)間都為正貢獻(xiàn)（-4.0～-6.0 μg·m-3·h-1）。CHEM為負(fù)是因?yàn)樵诙据^弱的輻射和較低的溫度下，形成O3的光化學(xué)反應(yīng)條件處于NOx過量的VOCs控制區(qū)（Sillman，1995），過高的NO可將地表附近的O3快速消耗，依據(jù)是判斷光化學(xué)條件處于VOCs控制區(qū)的指標(biāo)HCHO/NOy（NOy=NOx+PAN+HNO3+NO3+2×N2O5+HONO+HNO4）一直小于0.28。圖7c為BC對O3各過程貢獻(xiàn)量和凈貢獻(xiàn)量（有BC試驗(yàn)減去無BC試驗(yàn)），可見，由于有BC的反饋，CHEM負(fù)貢獻(xiàn)進(jìn)一步加大，這主要是由于BC抑制了邊界層的發(fā)展，導(dǎo)致中午前后NOx在地表增高，在NOx過量的VOCs控制區(qū)會(huì)使O3進(jìn)一步降低。有BC時(shí)，ADV的貢獻(xiàn)大部分時(shí)間為進(jìn)一步降低，這主要是因?yàn)榈孛骘L(fēng)速受到抑制（減少了1.2 m/s），上風(fēng)輸送的O3減少。VMIX的變化在不同時(shí)刻不一致、有增有減，這可能不是BC效應(yīng)主導(dǎo)的?？傊?，在29日的個(gè)例中，BC的反饋?zhàn)饔弥饕峭ㄟ^減少化學(xué)生成和減少平流輸入從而減少地面O3，與Gao et al.（2018）的結(jié)果有些差異。

12月30日，BC效應(yīng)與29日有所不同。30日10—13時(shí)，BC的影響使地面O3下降（圖8a），無BC反饋的試驗(yàn)過程分析（圖8b）顯示，VMIX（約20.0? μg·m-3·h-1）和ADV（5.0～15.0 μg·m-3·h-1）是白天O3增加的主要機(jī)制，而CHEM（-14.6～-24.6 μg·m-3·h-1）仍然是O3減少的主要機(jī)制。從有無BC效應(yīng)的差值（圖8c）看，30日11—12時(shí)ADV和VMIX使近地面O3降低，CHEM使O3增加;12時(shí)之后，ADV和CHEM使O3增加而VMIX仍然使O3減少。12時(shí)前后ADV的反轉(zhuǎn)主要是由于此時(shí)風(fēng)速明顯增大（如圖5d所示;風(fēng)速從8時(shí)的3.6 m/s，增加到14時(shí)的8.4 m/s），上風(fēng)O3平流輸入增強(qiáng)所致。而BC效應(yīng)導(dǎo)致的CHEM增加是由于30日風(fēng)速較大，地面NOx下降，對地面O3的滴定作用減輕?？傊?，在30日的個(gè)例中，午前BC的反饋?zhàn)饔弥饕峭ㄟ^抑制垂直湍流和減少上風(fēng)向O3平流使南京O3減少;午后主要是通過增加上風(fēng)平流和減少化學(xué)損耗使O3增加。

4 結(jié)論

本研究利用南京地面站點(diǎn)2016—2017年近地面黑碳?xì)馊苣z（BC）和臭氧（O3）小時(shí)觀測資料，對比分析了不同季節(jié)BC與O3的關(guān)系，并利用WRF-Chem模式開展了BC對O3影響冬季個(gè)例的數(shù)值模擬，得到以下結(jié)論：

1）觀測資料分析表明，高質(zhì)量濃度BC日（高于平均值）的O3質(zhì)量濃度值明顯比低質(zhì)量濃度BC（低于平均值）的O3質(zhì)量濃度值低，秋冬季高質(zhì)量濃度BC對O3的抑制作用明顯強(qiáng)于春夏季，且秋冬季BC與O3反相關(guān)關(guān)系比春夏季更明顯。而PM2.5與O3相關(guān)關(guān)系較不顯著。

2）數(shù)值實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，有無BC實(shí)驗(yàn)的近地面O3質(zhì)量濃度差值高值區(qū)和BC質(zhì)量濃度高值區(qū)吻合，說明BC對O3質(zhì)量濃度起到了抑制作用，印證了觀測發(fā)現(xiàn)。

3）2個(gè)個(gè)例的數(shù)值模式過程分析進(jìn)一步證明：BC可以通過抑制邊界層發(fā)展，使近地面NOx積聚從而減少O3的化學(xué)生成（VOCs控制區(qū)）;以及通過抑制邊界層垂直湍流交換，減少邊界層上部O3向下的湍流輸送從而減少O3;也可以通過減少近地面風(fēng)速從而減少O3的平流輸入從而減少地面O3。不同個(gè)例的主要控制因子不同，需要詳細(xì)分析。

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Observation alanalysis and numerical simulation of effect of black carbon on ozone in Nanjing and its surrounding areas

ZHU Bin1，2，ZHI Lirong1，LU Wen1，GAO Jinhui3，HOU Xuewei1，2

1Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters（CIC-FEMD）/Key Laboratory of Meteorological Disaster，Ministry of Education （KLME），Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China;

2Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China;

3Sichuan Provincial Key Laboratory of Plateau Atmosphere and Environment，School of Atmospheric Science，Chengdu University of Information Engineering，Chengdu 610225，China

Based on the hourly observation data of black carbon （BC） and ozone （O3） at Nanjing ground station from 2016 to 2017，the relationship between BC and near surface O3 in different seasons was analyzed.Results shows that the O3 value under the influence of high BC （higher than average） is significantly lower than that under the influence of low BC （lower than average）.The inhibition effect is obviously stronger in autumn and winter than in spring and summer，and the negative correlation between BC and O3 is significantly higher in autumn and winter than in spring and summer，while the negative correlation between PM2.5 and O3 is not significant.Based on the WRF-Chem model，the numerical simulations of BC feedback effect on O3 are carried out for the cases in December 2017，and the results confirm that BC has negative feedback effect on O3.The influencing mechanisms are as follows：BC can reduce the photochemical production of ozone （VOCs control area） by inhibiting the development of boundary layer and accumulating NOx near the ground;BC can reduce the downward turbulent transport of high O3 in the upper part of the boundary layer by suppressing the vertical turbulent exchange in the boundary layer，so as to reduce O3 near the ground;BC can reduce the advection input of O3 from upwind region by reducing the near ground wind speed，so as to reduce the ground O3.The main control factors of the cases are different and should be analyzed in detail.

black carbon;photochemical ozone;observational analysis;numerical simulation

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20190415002

（責(zé)任編輯：張福穎）