城镇化发展对臭氧污染的影响及下游效应研究

本项目针对城市化发展带来的城市边界层内多尺度动力结构和热力结构以及复合大气污染问题，拟采用观测分析与数值模拟相结合的方法，开展在北京特殊地形和局地环流条件下，城镇化发展对城、郊近地层臭氧形成和输送的影响机制研究。主要包括三方面的研究内容：（1）北京城郊臭氧与气态前体物、气象要素的综合观测与分析，揭示北京中心城市、近郊、远郊区臭氧及其前体物的时空分布和演变规律，研究臭氧与其前体物的化学相关性、城郊臭氧生成效率及其差异；（2）城镇化发展对边界层内的热力、动力结构影响研究，利用稠密观测资料和包含城市冠层过程的精细化数值模式研究北京地区城市热岛、局地环流特征；（3）综合观测与三维大气化学模式，研究山谷风环流、热岛环流对城郊臭氧形成和输送的影响机制及其下游效应。为城郊臭氧污染控制和预报预警提供科学依据，对城乡一体化的可持续发展、宜居城市、生态城市的建设和城市规划具有重要意义。

项目组通过三年的研究，重点针对北京特大城市发展和特殊的地形、人类活动排放污染物对臭氧及其前体物的观测分析与模拟研究，取得的主要成果如下：.（1）系统分析了北京城市地区和下游郊区臭氧、NOx等气态污染物近年来的年、季和日变化特征，表明郊区臭氧浓度年均值要高于城市地区，臭氧日变化特征非常明显，且存在从北京城区到下游郊区输送的机制，使得距离城区约150km郊区上甸子站臭氧峰值浓度出现的时间比城区偏晚2-3小时、且郊区高浓度臭氧一般发生在下午偏南风比较明显的情况下。.（2）北京城区、城郊和远郊区臭氧前体物VOCs加密观测试验和模拟研究，研究城郊不同地区VOCs对臭氧的贡献。研究得出北京城区含氧有机物和烯烃是对臭氧生成贡献最大的物质; 而郊区区域背景站各类VOCs对臭氧生成的贡献结果略有不同，等效丙烯浓度表明烯烃是对臭氧生成贡献最大的物质；空气质量模式WRF-Chem对典型臭氧污染过程的敏感试验表明城市地区地面臭氧的生成主要受烯烃类VOCs排放的控制，消减烯烃类VOCs排放可降低城市地区地面臭氧含量，也可对下游地面臭氧的浓度水平产生影响。.（3）北京典型光化学污染一般发生在天气系统比较稳定，气温较高、以偏南气流为主的天气形势下，表明在北京特殊地形和城市发展布局的现状下，城市热岛和山谷风作用下，臭氧污染有从城区到城郊的输送特征明显。污染物和气象条件的观测与模拟均表明地面臭氧及边界层内的分布演变是受与边界层结构的变化以及动力热力作用、臭氧前体物的排放和化学生成机制等共同影响的，而且臭氧浓度在沿风向的垂直剖面上的变化直观反应了城市地区臭氧的生成及其对下游的显著输送影响机制。.(4) 城市化扩张对近地层气象要素和臭氧浓度分布的影响研究表明，城市化的扩张对城区地面温度的影响显著，夜间低温的影响增加明显，进一步增强城市热岛效应。对下游地区以及城乡结合部的温度影响，距离城市越远，程度越小。对单站点臭氧及其他污染物浓度的日变化分布特征影响不大，但对污染物浓度的峰值和空间分布特征产生一些影响。.（5）交通源排放对光化学污染臭氧和细粒子浓度的影响模拟试验表明，北京地区机动车尾气排放强度高对大气臭氧和细粒子浓度有重要影响。.（6）改进建立了区域空气质量数值预报模式系统，对臭氧污染以及区域输送和三维结构有比较好的模拟，同时也在空气质量预报业务中得到应用，取得了良好的应用效果。