环境科学  2023, Vol. 44 Issue (4): 1954-1961   PDF    
北京市城区夏季大气VOCs变化特征及臭氧生成潜势
张蕊1, 孙雪松1, 王裕1, 王飞2, 罗志云1     
1. 北京市生态环境保护科学研究院, 国家城市环境污染工程技术研究中心, 城市大气挥发性有机物污染防治技术与应用北京市重点实验室, 北京 100037;
2. 北京市人工影响天气中心, 中国气象局华北云降水野外科学试验基地, 云降水物理研究和云水资源开发北京市重点实验室, 北京 100089
摘要: 为深入了解臭氧(O3)污染高发季节大气挥发性有机物(VOCs)对O3生成的影响,基于北京市2019年夏季VOCs和O3高时间分辨率在线监测数据,开展VOCs变化规律、组成特征和臭氧生成潜势(OFP)研究.结果表明,大气φ(VOCs)平均值为(25.12±10.11)×10-9,其中,烷烃是体积分数最大的组分,占总VOCs的40.41%,其次是含氧有机物(OVOCs)和烯/炔烃,分别占总VOCs的25.28%和12.90%.VOCs体积分数日变化呈双峰型,早高峰出现在06:00~08:00,烯/炔烃占比明显增加,表明机动车排放对VOCs贡献显著,而午后VOCs体积分数降低,期间OVOCs占比呈现上升趋势,下午的光化学反应和气象要素对VOCs体积分数和组成影响较大.北京市城区夏季OFP为154.64 μg ·m-3,贡献率较高的组分是芳香烃、OVOCs和烯/炔烃,正己醛、乙烯和间/对-二甲苯等是关键活性物种,削减机动车、溶剂使用和餐饮源排放是北京市城区夏季控制O3污染的关键.乙烷/乙炔(E/E)和间-对二甲苯/乙苯(X/E)分析发现北京市城区气团老化明显,受光化学反应和区域传输的共同影响.反向轨迹研究表明,东南和西南部气团传输对烷烃和OVOCs浓度影响较大,烯烃和芳香烃则以本地源贡献为主.
关键词: 挥发性有机物(VOCs)      臭氧(O3)      日变化      臭氧生成潜势(OFP)      城区     
Variation Characteristics and Ozone Formation Potential of Ambient VOCs in Urban Beijing in Summer
ZHANG Rui1 , SUN Xue-song1 , WANG Yu1 , WANG Fei2 , LUO Zhi-yun1     
1. Beijing Key Laboratory of Urban Atmospheric Volatile Organic Compounds Pollution Control and Application, National Engineering Research Center of Urban Environmental Pollution Control, Beijing Municipal Research Institute of Eco-Environmental Protection, Beijing 100037, China;
2. Beijing Key Laboratory of Cloud, Precipitation and Atmospheric Water Resources, Field Experiment Base of Cloud and Precipitation Research in North China, China Meteorological Administration, Beijing Weather Modification Center, Beijing 100089, China
Abstract: To further understand the effect of volatile organic compounds (VOCs) on ozone (O3) formation in seasons when ozone (O3) pollution occurs frequently, the variation in VOCs, chemical composition characteristics, and ozone formation potential (OFP) were studied, using high-resolution online monitoring data obtained in an urban site of Beijing in the summer of 2019. The results showed that the averaged total mixing ratio of VOCs was (25.12±10.11)×10-9, with alkanes as the most abundant group (40.41%), followed by oxygenated volatile organic compounds (OVOCs) (25.28%) and alkenes/alkynes (12.90%). The diurnal variation in VOCs concentration showed a bimodal pattern with the morning peak appearing from 06:00 to 08:00, when the proportion of alkenes/alkynes increased significantly, indicating that the vehicle exhaust contributed more to VOCs. The VOCs concentration decreased in the afternoon when the proportion of OVOCs showed an upward trend, and the photochemical reaction and meteorological factors had great influences on VOCs concentration and composition.The OFP in urban Beijing in summer was 154.64 μg·m-3; aromatics, OVOCs, and alkenes/alkynes played dominant roles in OFP; and hexanal, ethylene, and m/p-xylene were the key species. The results suggested the need for the control of vehicle and solvent use and restaurants emissions to reduce the high level of O3in urban Beijing in summer. The diurnal variations in ethane/acetylene (E/E) and m/p-xylene/ethylbenzene (X/E) showed that the photochemical-aging of the air masses was obvious, which was jointly affected by photochemical reactions and regional transport. The back-trajectory results indicated a high contribution of southeastern and southwestern air masses to atmospheric alkanes and OVOCs concentration; moreover, aromatics and alkenes were mainly from local sources.
Key words: volatile organic compounds(VOCs)      ozone (O3)      diurnal variation      ozone formation potential(OFP)      urban     

大气挥发性有机物(volatile organic compounds, VOCs)具有分子量小、易挥发和光化学反应活性强等特点, 可与羟基(·OH)等氧化剂、氮氧化物(NOx)发生复杂化学反应, 是光化学反应的主要参与者, 臭氧(O3)、过氧乙酰硝酸酯和二次有机气溶胶等二次污染物生成的重要前体物[1~3], 也是制约空气质量改善的关键因素之一[4].此外, 多种VOCs具有毒性和致癌性, 对人体健康构成危害[5, 6].

近年来, 我国空气质量改善明显, 大气细颗粒物浓度显著下降[7], 但O3污染问题仍然突出[8, 9], 夏季是我国特大城市群O3浓度超标频发的典型季节[10].北京市作为中国首都, VOCs作为O3重要前体物之一, 备受关注.已有较多学者开展了北京市VOCs浓度水平[11, 12]、时空变化规律[13, 14]、臭氧生成潜势[15, 16]和来源[17~19]等相关研究.王琴等[20]系统开展了北京市VOCs时空分布规律研究, 发现中心城区和东南区域为VOCs浓度高值区, 中心城区烯烃对O3贡献大, 而城市背景点芳香烃对O3贡献大, 东南区域传输点则烯烃和芳香烃均有重要贡献.Han等[21]基于空气质量模型对华北地区夏季O3生成影响因素的分析表明, 北京城区O3污染的形成对大气VOCs的变化更为敏感, 是明显的VOCs控制区, O3污染防控应以VOCs控制为主.因此, 开展北京市城区夏季大气VOCs变化特征研究, 准确识别对O3生成贡献较大的高活性VOCs种类, 有利于二次污染防控政策的制定, 降低O3污染水平.

本研究基于2019年6月20日至7月30日北京市城区大气VOCs、O3、NOx和气象观测数据, 分析O3前体物VOCs的变化规律和组成特征, 识别OFP关键活性物种, 并分析其主要来源, 利用后向轨迹和特征物种比值探讨传输对VOCs体积分数和组成的影响, 以期为北京市夏季大气污染防控提供科学支撑.

1 材料与方法 1.1 监测地点

采样点位于北京市生态环境保护科学研究院办公楼楼顶(39°55′53″N, 116°21′20″E), 采样高度距地面约20 m, 监测时间为2019年6月20至7月30日.该采样点位于北京市城市核心区, 距离西二环路直线距离650 m, 受城市交通和居民生活来源影响明显, 周边无明显工业大气污染源, 具有典型城市点位特征, 能够较好反映北京城区空气质量状况.

1.2 监测仪器

采用预浓缩气相色谱-质谱/氢火焰检测器(GC-MS/FID)大气挥发性有机物在线监测系统(TH-300B)对VOCs进行实时监测, 时间分辨率为1 h.该系统分为超低温预浓缩采样系统和GC-MS/FID分析系统.采样系统为武汉市天虹仪表有限公司生产, 可对大气样品进行过滤、除水和除CO2, 在-150℃环境下对样品进行冷冻捕集, 然后在100℃环境下将样品热解析, 并送入分析系统; GC-MS/FID分析系统由安捷伦科技有限公司生产, FID用于分析C2~C5的碳氢化合物, MS用于分析C6~C12的碳氢化合物、芳香烃、卤代烃和含氧化合物(oxygenated volatile organic compounds, OVOCs).该仪器可分析VOCs 102种, 包括29种烷烃、16种芳香烃、12种OVOCs、13种烯/炔烃、31种卤代烃和乙腈.采用美国热电公司Thermo O3分析仪(49i)、NOx分析仪(42i)对O3、NOx进行分钟级体积分数观测.气象观测数据如温度(T)、相对湿度(RH)、风向(WD)和风速(WS)来自于北京市气象台自动观测站(官园站)相关资料, 官园站与采样点的直线距离1.5 km.

1.3 质保质控

使用美国林德(Linde)标准气体在观测前后对TH-300B进行5点校准, 校准体积分数梯度为0.8×10-9、1.6×10-9、2.4×10-9、4×10-9和8×10-9, 目标化合物的标准曲线相关系数均在0.98以上.每日00:00进行外标单点(2.4×10-9)校准, 每小时进行内标物(溴氯甲烷、1, 4-二氟苯、氘代氯苯和1-溴-4-氟苯)单点(2.4×10-9)校准.目标物浓度与标准浓度相对标准偏差小于15%, 以跟踪评估仪器的稳定性.

利用国家标准物质中心生产的NO一级钢瓶气和气体动态校准仪(Thermo, 146i)对NOx分析仪进行定期校准, 每3 d进行一次零跨检查, 每9 d进行一次5点校准, NO校准体积分数梯度为0、10×10-9、20×10-9、50×10-9和80×10-9.观测前, 利用O3溯源到美国国家标准与技术研究院的气体动态校准仪对O3进行线性检查.

1.4 研究方法 1.4.1 臭氧生成潜势

为充分了解大气环境中VOCs特性, 并确定它们在光化学反应过程中对O3生成的贡献, VOCs反应活性一直备受关注.采用最大增量反应活性(maximum incremental reactivity, MIR)方法, 对VOCs各组分臭氧生成潜势(ozone formation potential, OFP)进行估算.选取06:00~08:00时段VOCs组分浓度参与计算[22, 23], 避免活性较强的VOCs物种发生光化学反应而导致OFP低估[24], 以评估北京城区夏季大气VOCs对O3生成的贡献情况.OFP计算公式为:

式中, OFPi为物种i的最大臭氧生成潜势量(μg·m-3); ρ(VOCs)i为物种i在06:00~08:00时段大气环境浓度(μg·m-3); MIRi为物种i的最大增量反应活性系数, MIR值来自Carter[25]的报道.

1.4.2 区域传输

为了解观测期间气团传输对VOCs的影响, 利用美国国家海洋和大气局(NOAA)研发的HYSPLIT-4模型进行反向轨迹分析, 计算观测期间每日00:00、06:00、12:00和18:00(UTC)的反向轨迹, 反演时间为72 h, 高度为100 m, 轨迹模式所采用的气象数据源于NOAA网站(http://ready.arl.noaa.gov/archives.php).

2 结果与讨论 2.1 VOCs浓度水平及组成特征

观测期间, 北京市城区大气φ(VOCs)变化范围在(6.45~81.02)×10-9之间, 平均值为25.12×10-9, 体积分数排名前10的VOCs物种依次为: 丙酮、乙烷、丙烷、乙炔、乙烯、正丁烷、二氯甲烷、异戊烷、正己醛和异丁烷, 分别为3.51×10-9、2.94×10-9、2.35×10-9、1.48×10-9、1.28×10-9、1.19×10-9、0.98×10-9、0.91×10-9、0.84×10-9和0.73×10-9, 占总VOCs的64.53%.各组分占比为烷烃(40.41%)>OVOCs (25.28%)>烯/炔烃(12.90%)>卤代烃(12.10%)>芳香烃(7.36%)>乙腈(1.95%).表 1显示了北京市城区各VOCs组分体积分数和国内其他城市同期夏季的比较, 本研究VOCs体积分数与其他城市相比相对较低.从各组分体积分数占比情况来看, 烷烃是占比最大的VOCs组分, 与南京(38.61%)[26]和武汉(38.80%)[27]等夏季城区观测结果一致, 而上海[28]OVOCs组分占比最高, 烷烃组分占比偏低, 可能与不同城市采样时段和点位、能源和产业结构不同有关.

表 1 北京与国内其他城市城区夏季VOCs组分对比1)×10-9 Table 1 Comparison of VOCs components between urban sites in Beijing and other cities in China×10-9

北京大气VOCs季节变化特征研究结果表明, VOCs浓度水平呈现冬季高夏季低的特点, 烷烃、烯烃和芳香烃同样冬高夏低, 而OVOCs则冬夏较高, 春秋稍低[29].从本研究与近年来北京市城区夏季VOCs体积分数来看(表 1), 总VOCs和各组分浓度水平呈现明显的下降趋势, 但占比变化较小, 烷烃均是占比最高的组分, 浓度的降低与近年来北京市重点挥发性有机物综合治理等措施有效落实相契合.

2.2 观测期间VOCs和O3浓度变化

图 1为VOCs、O3和NOx体积分数和气象要素的时间序列, φ(VOCs)、φ(O3)和φ(NOx)平均值±标准差分别为(25.12±10.11)×10-9、(61.11±18.45)×10-9和(21.11±5.93)×10-9.依据《环境空气质量标准》(GB 3095-2012), 观测期间, O3体积分数平均值的1-h和日最大8-h超标天数分别为28 d和32 d. O3是光化学反应生成的二次污染物, 其浓度和太阳辐射强度、温度和前体物(VOCs和NOx等)变化相关[34, 35].O3与温度呈现显著正相关(r=0.77, P < 0.01), 与RH呈现显著负相关(r=-0.62, P < 0.05), 安俊琳等[36]研究表明, 北京6月O3T和RH显著相关(r=0.80和r=-0.58), 与本研究的结果一致, 表明高温和低湿的气象条件有利于O3前体物的光化学反应, 生成O3并累积, 从而发生O3污染.从整个观测期间来看, O3与前体物VOCs和NOx变化趋势不同, 当O3体积分数较高时, VOCs和NOx体积分数处于较低水平.VOCs与NOx变化基本一致, 其变化趋势与WS相反, 当WS≤1m·s-1时, φ(VOCs)平均值为27.22×10-9, 是高风速(WS>1 m·s-1) φ(VOCs)平均值(21.36×10-9)的1.3倍, 表明WS对VOCs的扩散具有重要作用.

图 1 2019年观测期间北京市城区气象要素和VOCs、O3等污染物变化趋势 Fig. 1 Time series of meteorological parameters and mixing ratios of pollutants such as O3 and VOCs during the observation in urban Beijing in 2019

观测期间VOCs、O3、NOx和气象要素(T、RH)的平均日变化如图 2所示, O3日变化呈现典型的单峰型, 峰值出现在13:00~17:00, 与T日变化的峰值时间较为一致, 而VOCs与NOx在此时间段内出现最低值.大气中污染物浓度受源排放强度、光化学反应和气象条件(边界层高度)等因素的影响.从污染物日变化趋势来看, VOCs呈现双峰, 第一个峰值出现在早晨08:00, φ(VOCs)最高值为26.75×10-9.烯/炔烃体积分数在06:00开始显著上升, 与机动车排放相关的乙烯和乙炔分别增长20.77%和19.37%, 此时, NOx也呈现高峰, 表明机动车排放对VOCs的贡献明显增加.随着大气辐射增强, 温度快速升高, 大量VOCs参与光化学反应, 同时受到大气边界层抬升的影响, VOCs体积分数开始下降, 尤其伴随午后温度较高, 大气光化学反应增强, VOCs和NOx发生光化学反应快速消耗进而促进O3生成.从各VOCs组分占比情况来看, 下午芳香烃和烯烃占比下降, 而OVOCs显著增加, 从12:00的26.35%增加至16:00的32.74%, 夏季午后较强的光化学反应促进了OVOCs的二次生成[29].傍晚随着光化学反应减弱, 前体物消耗减少, 同时交通源排放增加和大气边界层高度降低, VOCs不易消耗和扩散而逐渐累积, 导致VOCs体积分数开始上升且维持较高水平.

图 2 气象要素、VOCs等污染物和各类VOCs组分占比日变化 Fig. 2 Diurnal variations in meteorological parameters, and mixing ratios of pollutants such as VOCs and proportions of VOCs compositions

2.3 VOCs臭氧生成潜势及关键组分识别

VOCs组成复杂, 各种类化学结构及性质差异较大, 对O3生成贡献也有所不同.OFP可用来综合衡量不同VOCs组分对O3生成的影响.观测期间, 北京市城区夏季06:00~08:00时段大气OFP均值为154.64 μg·m-3, 芳香烃、OVOCs、烯/炔烃、烷烃和卤代烃的OFP均值分别为51.65、41.16、33.33、26.67和1.84 μg·m-3(图 3).芳香烃对OFP贡献率达到33.40%, 体积分数仅占总VOCs的7.96%; OVOCs和烯/炔烃对OFP贡献率分别为26.62%和21.55%, 体积分数分别占总VOCs的21.68%和15.37%; 相比之下, 低光化学活性的烷烃和卤代烃, 尽管其体积分数占总VOCs的41.77%和11.32%, 其对OFP的贡献率相对较低, 分别为17.24%和1.19%.可见, 影响监测时段O3生成的主要VOCs组分是芳香烃、OVOCs和烯/炔烃.

图 3 观测期间06:00~08:00 VOCs各组分占比和其OFP贡献率 Fig. 3 Percentage of VOCs composition concentration and their contributions to OFP during the observation from 06:00 to 08:00

从对OFP贡献率较大的VOCs物种来看, 前10名依次为正己醛、乙烯、间/对-二甲苯、甲苯、邻-二甲苯、丙烯、异戊烷、丁烯酮、正丁烷和丙醛, 图 4呈现了观测期间06:00~08:00时段10种优势物种OFP及体积分数, 其OFP总和为95.33 μg·m-3, 贡献率为61.65%, 体积分数占总VOCs的25.54%.从优势物种来源方面来看, 乙烯和丙烯等低碳链烯烃主要来源于机动车尾气排放, 异戊烷是油气挥发的典型污染物[37, 38], 北京城区间/对-二甲苯、甲苯和邻-二甲苯等苯系物除受机动车尾气影响外, 还来源于溶剂挥发[39, 40], 以二次生成为主要来源的OVOCs[41], 正己醛是非烧烤菜系餐饮源排放的主要物种[42, 43].因此, 削减机动车、溶剂使用和餐饮源排放是北京城区夏季控制O3污染的关键.

图 4 观测期间06:00~08:00 OFP优势物种体积分数及OFP Fig. 4 Concentration and OFP of dominant OFP species during the observation from 06:00 to 08:00

2.4 气团传输对VOCs的影响

观测期间共得到168条反向轨迹曲线, 对轨迹曲线进行聚类分析, 得到4类反向轨迹(见图 5).在4类气团中, 传输距离较短的来自东南部的气团1和西南部的气团3占比相对较高, 分别为55%和21%, 其对应的φ(VOCs)分别为27.30×10-9和25.29×10-9, 而来自东北部和西北部的气团2和气团4占比较低, 分别为14%和9%, 其对应的VOCs体积分数相对较低.可见, 南部的气团传输对监测点VOCs体积分数的影响较大.

图 5 观测期间72 h后向轨迹分析及各气团相应的VOCs体积分数 Fig. 5 The 72 h backward trajectories during the sampling period and VOCs concentration among the clusters

通常采用乙烷/乙炔(E/E)和间/对-二甲苯/乙苯(X/E)来评价气团老化程度和区域传输.乙烷、乙炔、间/对-二甲苯和乙苯的·OH消耗速率常数分别为0.254×10-12、0.756×10-12、18.7×10-12和7×10-12 cm3·(molecule·s)-1, MIR(以O3/VOCs计)分别为0.28、0.95、7.80和3.04 g·g-1[25].当E/E大于0.47, 或者X/E明显小于3时表示气团的光化学年龄较长, 存在老化现象[44, 45].E/E越大, X/E越小, 老化现象越严重, 传输距离越远.观测期间, E/E和X/E平均值分别为1.99和2.79, 表明北京市城区气团存在远距离传输.张博韬等[29]对北京市背景点、东南郊区点和城区点E/E的研究结果表明, 城区点E/E年平均值为1.84, 这与本研究的结果相一致, 受到河北等外界远距离传输影响.从E/E和X/E小时平均值的日变化情况来看(图 6), 观测期间E/E小时平均值自05:00开始迅速降低, 到08:00下降到最低值1.60, 早晨机动车等人为源排放的增加, 加大了大气中新鲜气体, 使得气团光化学年龄较短, E/E小时平均值降低.盛久江等[46]研究结果发现北京夏季10:00左右大气边界层开始升高, 大气扩散能力增强, E/E小时平均值在11:00开始明显升高, 16:00~17:00达到最大值2.62, 期间, X/E小时平均值显著降低, 并于13:00达到最小值2.07, 且11:00~17:00 X/E小时平均值在2.07~2.50, 与此同时, φ(OVOCs)达到最大值(7.02×10-9), 表明光化学反应和远距离传输导致气团光化学年龄增长.

阴影表示E/E和X/E小时平均值的标准偏差 图 6 VOCs特征物种E/E和X/E日变化 Fig. 6 Diurnal variations in E/E and X/E

从各VOCs组分体积分数与风向和风速的关系可以看出(图 7), 烷烃和OVOCs在东南风和西南风的影响下体积分数较高, 表明活性较低的烷烃和以二次转化生成为主的OVOCs受区域传输的影响较大, 烯烃和芳香烃则在低风速(WS≤1 m·s-1)时体积分数较高, 显示活性较高的烯烃和芳香烃主要来自于本地源.

图 7 VOCs组分与风速风向关系 Fig. 7 Relationshipamongthemixing ratio of VOCs compositions, wind speed, and wind direction

3 结论

(1) 北京市城区夏季φ(VOCs)小时值变化范围为(6.45~81.02)×10-9, 平均值为(25.12±10.11)×10-9; VOCs组分以烷烃、OVOCs和烯/炔烃为主, 分别占总VOCs的40.41%、25.28%和12.90%, 丙酮、乙烷、丙烷和乙炔等10种主要物种占总VOCs的64.53%.

(2) VOCs与O3变化趋势相反, O3体积分数较高时, VOCs较低.日变化特征表明, VOCs呈现双峰型, 烷烃、芳香烃和卤代烃占比日变化不大, 烯/炔烃呈现明显早高峰特征, 受机动车排放影响较大, 午后OVOCs占比明显增加, 表明夏季高温强光照促进OVOCs二次生成.

(3) 活性分析结果表明, 观测期间06:00~08:00时段OFP平均值为154.64 μg·m-3, 芳香烃、OVOCs、烯/炔烃对OFP贡献较大, 贡献率分别为33.40%、26.62%和21.55%.OFP贡献前10物种依次为正己醛、乙烯、间/对-二甲苯、甲苯、邻-二甲苯、丙烯、异戊烷、丁烯酮、正丁烷和丙醛, 削减机动车、溶剂使用和餐饮源的排放是北京城区夏季控制O3污染的关键.

(4) 后向轨迹研究发现, 来自东南部和西南部的短距离传输气团对北京市城区VOCs体积分数影响较大, 尤其对活性较低的烷烃和二次转化生成的OVOCs体积分数影响较大, 活性较高的烯烃和芳香烃则以本地源贡献为主.

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