張?jiān)姛?龔道程,王 好,宋 偉,張沈陽,王安侯,陳多宏,周 磊,王伯光,2*(.暨南大學(xué)環(huán)境與

南嶺國家大氣背景站異戊二烯的在線觀測研究

張?jiān)姛?,龔道程1,王 好1,宋 偉1,張沈陽1,王安侯1,陳多宏3,周 磊1,王伯光1,2*(1.暨南大學(xué)環(huán)境與

氣候研究院,廣東 廣州 511443；2.暨南大學(xué)廣州區(qū)域低碳經(jīng)濟(jì)研究基地,廣東 廣州 510632；3.廣東省環(huán)境監(jiān)測中心,廣東 廣州 510308)

在2015年7～11月,選取我國珠江三角洲北部的廣東南嶺國家大氣背景站為觀測點(diǎn),應(yīng)用預(yù)濃縮-氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用等儀器進(jìn)行連續(xù)在線監(jiān)測,研究了大氣中異戊二烯的濃度水平、干濕季變化、晝夜變化及其影響因素,并初步探討了高濃度O3污染天氣以及典型臺(tái)風(fēng)天氣過程對(duì)森林大氣異戊二烯含量變化的影響.結(jié)果表明,廣東南嶺森林大氣異戊二烯的平均濃度為(0.173±0.171)×10-9,低于國內(nèi)其它大氣背景站.濕季異戊二烯濃度高于干季,分別為(0.261±0.178)×10-9和(0.080±0.089)×10-9.白天(06:00～18:00)異戊二烯濃度[(0.247±0.332)×10-9]遠(yuǎn)高于夜晚[(0.071±0.129)×10-9],異戊二烯濃度于06:00開始穩(wěn)步升高,午后14:00達(dá)到峰值,之后逐漸降低.異戊二烯濃度水平與溫度呈正指數(shù)相關(guān)關(guān)系,且濕季溫度對(duì)異戊二烯濃度水平影響更加顯著(R2=0.308). O3污染日異戊二烯的日均濃度[(0.257±0.128)×10-9]水平普遍高于非 O3污染日[(0.158±0.173)×10-9],然而 O3污染日異戊二烯的光化學(xué)降解反應(yīng)相對(duì)更為活躍.對(duì)臺(tái)風(fēng)“杜鵑”的分析表明,臺(tái)風(fēng)天氣過程中外來污染氣團(tuán)的輸送會(huì)導(dǎo)致森林大氣異戊二烯含量顯著增加.

異戊二烯；在線觀測；森林排放；大氣背景

森林是生物源揮發(fā)性有機(jī)物(BVOC)的主要來源.全球約90%的VOC來源于植被排放,其排放總量約為 1000Tg/a,其中異戊二烯約占53%[1].異戊二烯是一種高反應(yīng)活性的烯烴,由于含有兩個(gè)雙鍵結(jié)構(gòu),其與OH自由基的反應(yīng)速率大于大多數(shù)的人為源揮發(fā)性有機(jī)物(AVOC)[2].因而異戊二烯能通過光化學(xué)途徑影響大氣中OH自由基的水平,進(jìn)而影響大氣氧化能力[3],區(qū)域空氣質(zhì)量[4],甚至人體健康[5].研究表明異戊二烯是對(duì)流層 O3形成的重要前體物[6],近年來大量觀測和模擬研究也證實(shí)了異戊二烯對(duì)區(qū)域大氣 O3水平具有重要貢獻(xiàn)[7].此外,異戊二烯的大氣化學(xué)過程還會(huì)生成氣態(tài)、液態(tài)或顆粒狀的氧化產(chǎn)物,例如二次氣溶膠(SOA)和過氧酰硝基鹽(PANs)[8-9],在灰霾以及光化學(xué)煙霧的形成過程中起重要作用,還可以通過影響太陽輻射以及形成云凝結(jié)核影響全球的氣候變化[10].因此,研究大氣中異戊二烯的變化特征和環(huán)境效應(yīng)具有重要意義.

目前對(duì)異戊二烯的研究主要集中在其來源分析、排放通量、特征分析及對(duì)區(qū)域大氣的復(fù)合影響作用[11].除了煙箱實(shí)驗(yàn)[12]和模型計(jì)算[13],在城市、郊區(qū)和大氣本底監(jiān)測站點(diǎn)等區(qū)域已經(jīng)開展了一系列異戊二烯的觀測研究.在北京、上海、廣州等城市開展的觀測研究探討了異戊二烯對(duì)區(qū)域空氣質(zhì)量和大氣光化學(xué)活性的影響[14-16].白建輝等[17]在廣東鼎湖山背景站開展觀測并分析了亞熱帶森林中異戊二烯的濃度水平、排放特征及影響因素.在長白山、貢嘎山等地區(qū)的大氣本底監(jiān)測站點(diǎn)的觀測研究則表明了在偏遠(yuǎn)地區(qū)異戊二烯對(duì)總揮發(fā)性有機(jī)物(TVOC)的含量占比和大氣反應(yīng)活性均有較大貢獻(xiàn)[18-19].但上述位于背景站點(diǎn)的研究均采用了非連續(xù)的蘇碼罐離線采樣結(jié)合實(shí)驗(yàn)室分析的辦法,存在采樣時(shí)間分辨率不高、樣品損失等問題,對(duì)異戊二烯的光化學(xué)反應(yīng)過程和特征的討論也很有限.

廣東南嶺國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)位于粵湘兩省交界的南嶺山脈的中心地帶,是廣東省面積最大的自然保護(hù)區(qū),森林覆蓋率達(dá)98%以上.在森林和偏遠(yuǎn)地區(qū),由于受人為排放的影響較小,植物排放是異戊二烯的主要來源.本研究采用在線連續(xù)采樣分析的方法,在2015年對(duì)廣東南嶺國家大氣背景站大氣中的異戊二烯進(jìn)行了為期 4個(gè)月的連續(xù)觀測(7-11月).旨在獲得我國典型亞熱帶高山森林大氣環(huán)境中異戊二烯的濃度水平、變化特征和影響因素,并分析污染日和清潔日、以及臺(tái)風(fēng)天氣下異戊二烯的變化情況.

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 采樣地點(diǎn)和時(shí)間

圖1 監(jiān)測點(diǎn)地理位置Fig.1 Schematic diagram of the sampling site

采樣點(diǎn)位于廣東省韶關(guān)市乳源縣南嶺天井山主峰上的國家背景空氣自動(dòng)監(jiān)測站.地點(diǎn)為東經(jīng)112°53′56″,北緯24°41′56″,海拔1690m(圖1).南嶺自然保護(hù)區(qū)位于粵湘兩省交界的南嶺山脈的中心地帶,是華中、華南地區(qū)之間的氣候屏障,可以為華南區(qū)域的環(huán)境與氣候變化提供依據(jù).觀測站點(diǎn)周邊人口密度較低,居民主要以農(nóng)林業(yè)和旅游業(yè)為主,北距坪石鎮(zhèn) 50km,東南距韶關(guān)市區(qū)70km,且觀測站點(diǎn)海拔較高,空氣質(zhì)量受城市外來源影響相對(duì)較小,為研究異戊二烯在相對(duì)清潔環(huán)境中的大氣光化學(xué)反應(yīng)過程提供了有利的條件.監(jiān)測點(diǎn)周圍的植被主要為山頂矮林和毛竹.采樣進(jìn)氣口安裝在二層樓房的樓頂,距地面約 8m,周圍空曠,無障礙物遮擋,下墊面植被非常密集.

本研究采樣時(shí)間選取了2015年7月20日至11月18日,包含濕季(7～9月)與干季(10～11月).在觀測期間內(nèi),大氣的溫度和濕度分別在2.9～24.1℃(均值15.7℃)和24%～100%(均值94%)的區(qū)間內(nèi)波動(dòng).監(jiān)測期間濕季和干季的主導(dǎo)風(fēng)向均為西南偏南方向.由于監(jiān)測點(diǎn)海拔較高,與近地面相比溫度較低,濕度較大.

1.2 分析方法

采用大氣揮發(fā)性有機(jī)物連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)[20-21](TH-PKU-300B)分析空氣樣品.該系統(tǒng)由TH-300預(yù)濃縮系統(tǒng)、安捷倫7820氣相色譜(GC)和5977質(zhì)譜(MS) 儀組成,每小時(shí)分析1個(gè)樣品.它采用去活石英毛細(xì)管低溫冷凍捕集大氣中的VOCs/OVOCs,大氣樣品通過進(jìn)樣系統(tǒng)進(jìn)入濃縮系統(tǒng),經(jīng)過-150℃的超低溫冷阱冷凍捕集,然后進(jìn)入熱解析系統(tǒng)迅速升溫并保持在 110℃,以保證樣品瞬間熱解析并隨載氣進(jìn)入 GC-MS/ FID系統(tǒng)進(jìn)行分析.目標(biāo)化合物由GC的保留時(shí)間和質(zhì)譜圖來鑒別,濃度通過內(nèi)標(biāo)法計(jì)算.連接MSD的色譜柱為 DB-624(60m×250μm×1.4μm, Agilent Technologies Inc, USA)GC條件:柱箱初始溫度為35℃,保持3min,隨后以6℃/min升溫至180℃,保持5min.

觀測期間依托南嶺國家大氣背景站采集了常規(guī)氣象參數(shù),以及O3、SO2、CO、NO2、PM2.5和PM10的小時(shí)濃度值.

2.3 質(zhì)量控制與保證

為了保證本研究數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,在監(jiān)測前使用美國環(huán)保署(USEPA)光化學(xué)評(píng)估監(jiān)測站(PAMS)標(biāo)準(zhǔn)氣體(含有57種混合氣體)對(duì)儀器進(jìn)行校正;將初始濃度為1×10-6(V/V)的VOCs混合標(biāo)準(zhǔn)氣體分別稀釋成 0.100×10-9、0.200×10-9、0.500×10-9、0.800×10-9、1.200×10-9、1.600×10-9、2.000×10-9梯度濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體,并在相同的實(shí)驗(yàn)條件下每種濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體平行進(jìn)樣 3次,并根據(jù)分析結(jié)果建立標(biāo)準(zhǔn)曲線.其中標(biāo)準(zhǔn)曲線的可決系數(shù)R2＞0.990,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD小于10%.通過計(jì)算得到本研究異戊二烯的檢出限為0.006×10-9.在檢測期間,定期對(duì)儀器進(jìn)行單點(diǎn)校準(zhǔn)和峰窗偏移校準(zhǔn),同時(shí)對(duì)標(biāo)定和異常的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除分析.

圖2 森林大氣異戊二烯在線分析與離線分析的結(jié)果比對(duì)Fig.2 Scatter plot of the online measurement and off-line measurement for isoprene

在觀測期間內(nèi)使用蘇碼罐同步采集了環(huán)境空氣樣品,并以此結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的 GC/MS 儀器分析與本研究在線分析的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析.蘇瑪罐在采樣前均由高純氮?dú)馇逑锤蓛舨⒊橹霖?fù)壓狀態(tài).共采集樣品 15個(gè),包括了干濕兩季的白天和夜晚時(shí)間段的代表性樣品.除去低于檢出限的值(n=5)和異常的值(n=1),共得到 9組比對(duì)數(shù)據(jù).由圖 2可以看到,異戊二烯的環(huán)境樣品的在線分析結(jié)果與離線分析結(jié)果擬合性較好(R2=0.975),且兩者之間的分析結(jié)果具較強(qiáng)的一致性(slope= 1.013).比對(duì)結(jié)果表明本研究在線連續(xù)分析的方法可以較好的應(yīng)用于采集和分析環(huán)境大氣樣品,且分析結(jié)果具有較好的穩(wěn)定性和可靠性.

2 結(jié)果與討論

2.1 異戊二烯的濃度水平和變化特征

在本研究觀測期間的異戊二烯濃度水平與全球有代表性的站點(diǎn)的對(duì)比情況見表 1.韶關(guān)南嶺異戊二烯的日均濃度為(0.173±0.171)×10-9,遠(yuǎn)低于位于熱帶的亞馬遜森林,且比同處于亞熱帶地區(qū)的鼎湖山較低.與位于溫帶的背景點(diǎn)比較,除Hyytiala(芬蘭針葉林)與貢嘎山外,普遍低于其他站點(diǎn).

表1 不同地區(qū)異戊二烯的大氣濃度水平Table 1 Concentration of isoprene in different regions

韶關(guān)南嶺站異戊二烯總體濃度水平偏低的原因或許與當(dāng)?shù)氐闹脖环N類無關(guān).因?yàn)橛^測站點(diǎn)下墊面主要是亞熱帶常綠闊葉林,其優(yōu)勢(shì)樹種包括,站點(diǎn)周邊植被類型也以南嶺箭竹為單優(yōu)勢(shì)種,這些植物的異戊二烯排放潛力都不低[22].該地區(qū)大氣環(huán)境中異戊二烯的光化學(xué)活性可能更為活躍,從而消耗了更多的異戊二烯.原因主要有以下幾點(diǎn):(1)背景站代表的是一個(gè)區(qū)域尺度的空氣質(zhì)量.本站點(diǎn)位于光化學(xué)反應(yīng)活躍區(qū)珠江三角洲[23]的北部,區(qū)域空氣成分可能受城市傳輸影響,導(dǎo)致光化學(xué)活性增強(qiáng);(2)觀測站點(diǎn)位于南嶺天井山主峰,海拔 1690m,接近邊界層高度,紫外光輻射較強(qiáng),這可能會(huì)導(dǎo)致異戊二烯的光化學(xué)反應(yīng)較其他近地面站點(diǎn)更強(qiáng);(3)甲基乙烯酮(MVK)和甲基丙烯醛(MACR)是異戊二烯與羥基自由基和臭氧發(fā)生光化學(xué)降解的關(guān)鍵產(chǎn)物[24],本研究 MVK和MACR的濃度水平高于UMBS(美國密歇根)[25],而與香港大帽山[26]的濃度水平相當(dāng).二次產(chǎn)物MVK和MACR的濃度水平較高說明了異戊二烯的光化學(xué)損耗較大.

此外,南嶺背景站的濃度水平與亞熱帶城市廣州、香港和臺(tái)北相比較低.其原因除了海拔和溫度因素的影響之外,相對(duì)于森林地區(qū),城市中異戊二烯的來源更為廣泛.在城市中,異戊二烯的來源既有來自植物排放的天然源,也有來自化石燃料燃燒、溶劑使用、生物質(zhì)燃燒等人為源[27],因此排放來源也是造成此差異的重要原因之一.

圖3和圖4分別展示了南嶺背景站2015年觀測期間異戊二烯日均濃度水平的月際變化和日變化趨勢(shì).從圖中可以發(fā)現(xiàn),異戊二烯的排放具有明顯的季節(jié)變化.本研究將監(jiān)測階段分為濕季和干季[36],結(jié)果表明濕季濃度大于干季,濕季異戊二烯的日均濃度為(0.262±0.178)×10-9,而干季的日均濃度為(0.081±0.089)×10-9.

異戊二烯是植物在生長階段或應(yīng)激反應(yīng)作用下產(chǎn)生的,其排放速率與光化合輻射息息相關(guān).濕季南嶺呈現(xiàn)高溫高濕的氣候特點(diǎn),且 7-9月一般為植物生長季節(jié),這兩個(gè)因素促進(jìn)植物排放更多異戊二烯.因此濕季植物排放異戊二烯的量較多,造成了環(huán)境中異戊二烯濃度水平的季節(jié)差異.

圖3 韶關(guān)南嶺站異戊二烯濃度變化Fig.3 Monthly variation of dailyaverage concentration of isoprene in Shaoguan,Nanling

圖4 韶關(guān)南嶺異戊二烯干濕季節(jié)日變化及溫度曲線Fig.4 Comparison of daily variation of isopreneconcentrations in wet season and dry season

此外,異戊二烯的濃度的晝夜變化表現(xiàn)為:白天(6:00～18:00)濃度[(0.247±0.332)×10-9]大于夜晚濃度[(0.071±0.129)×10-9].無論濕季或干季濃度水平變化的峰值均出現(xiàn)在 14:00,濕季和干季峰值濃度分別為(0.577±0.407)×10-9和(0.199±0.241)×10-9.在日出時(shí)分異戊二烯濃度水平開始上升,在14:00達(dá)到峰值后開始逐漸下降,而夜晚則保持在較低的濃度水平.此曲線與溫度變化曲線相一致,與文獻(xiàn)

[37]報(bào)道相吻合,即異戊二烯的排放量主要由光照與溫度決定,并受光合作用的影響.在白天雖然光照強(qiáng)度和溫度均保持較高水平,有利于異戊二烯的光化學(xué)損耗,但植物排放的速度要遠(yuǎn)高于其消耗速度,從而引起異戊二烯總量的累積.

2.2 環(huán)境溫度對(duì)異戊二烯排放的影響分析

對(duì)觀測期間內(nèi)環(huán)境溫度進(jìn)行統(tǒng)計(jì),日均溫度變化呈現(xiàn)白天高夜間低的變化趨勢(shì),最高平均溫度出現(xiàn)在15:00;此外,濕季平均溫度[(17.0±2.2)℃]高于干季平均溫度[(13.8±2.6)℃].Guenther[37]的研究表明,在葉面溫度不高于 35℃時(shí),異戊二烯的釋放與其葉面溫度呈指數(shù)正相關(guān).分別對(duì)濕季和干季異戊二烯與溫度之間的關(guān)系進(jìn)行相關(guān)性分析(圖 5),選用的函數(shù)為指數(shù)相關(guān) y=aexp(bx);得到其可決系數(shù)R2分別為0.308和0.044.

圖5 韶關(guān)南嶺異戊二烯濃度與溫度之間的相關(guān)性分析Fig.5 Relationship between isoprene and ambient temperature

在貢嘎山以及長沙市監(jiān)測得到異戊二烯與溫度之間的R2分別為0.4839和0.65[19,38].本研究相關(guān)性偏低可能是由于觀測期間相對(duì)低溫造成.當(dāng)溫度高于20℃時(shí),大氣中異戊二烯含量隨溫度升高變化明顯;而溫度低于 20℃時(shí),其相關(guān)性則較弱[38].分析表明在濕季由于溫度相對(duì)較高,大氣中異戊二烯含量隨溫度升高變化明顯;而干季溫度對(duì)異戊二烯濃度的影響較弱.南嶺監(jiān)測站海拔相對(duì)較高,且監(jiān)測期間處于廣東氣候的夏秋季,溫度大部分處在 20℃以下,在此低溫下,植物的光合作用相對(duì)微弱.此外在干季溫度與異戊二烯濃度并無明顯的相關(guān)性,也與植物在干季(10月,11月)少排放或不排放異戊二烯有關(guān).

2.3 污染天氣條件對(duì)異戊二烯的影響分析

異戊二烯是臭氧的前體物之一,其光化學(xué)反應(yīng)是偏遠(yuǎn)郊區(qū)臭氧的重要來源,甚至?xí)绊懼苓叧鞘械某粞鯘舛人絒39].根據(jù)中國環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),將本研究觀測期按照最高小時(shí)O3濃度超過160μg/m3的天數(shù)定義為O3污染日(國家O3一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[40]),而將其他天數(shù)定義為非O3污染日.統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),在O3污染日SO2、CO、NO2、PM2.5和PM10也同步上升.以下分別對(duì)污染日(即O3污染日)和清潔日(即非O3污染日)的O3、異戊二烯及其關(guān)鍵產(chǎn)物的濃度水平進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.

圖6 韶關(guān)南嶺O3污染日和O3清潔日異戊二烯、O3、MVK和MACR之間對(duì)比分析Fig.6 Comparison of diurnal variations of isoprene, ozone, MVK and MACR in O3episode days and non-O3episode days

污染日的O3濃度水平高于清潔日,且O3日變化均呈現(xiàn)白天低而夜晚高的趨勢(shì)(圖6),與典型城市的 O3日變化特征[41]不同,而與武夷山等背景站點(diǎn)的變化特征一致[42],說明了光化學(xué)反應(yīng)并不是南嶺背景站點(diǎn)O3濃度增加的主要因素,且在夜間可能有平流層O3的輸入.

污染日異戊二烯的日均濃度(0.257±0.128)× 10-9水平高于清潔日(0.158±0.173)×10-9.白天(7:00～18:00)污染日異戊二烯的濃度水平高于清潔日,且均在14:00達(dá)到峰值;而在夜晚兩者的濃度水平則沒有明顯差異.污染日平均溫度[(16.6± 2.5)℃]高于清潔日[(15.4±2.8)℃];而污染日平均風(fēng)速[(2.5±1.7)m/s]低于清潔日[(4.0±2.0)m/s].因此污染日的氣象總體呈現(xiàn)相對(duì)高溫靜風(fēng)的特點(diǎn),有利于異戊二烯的排放和積累.另外,煙箱實(shí)驗(yàn)表明增加O3濃度會(huì)導(dǎo)致異戊二烯釋放量增加[43-44],因此污染日的高濃度的O3可能對(duì)植物排放異戊二烯產(chǎn)生生態(tài)脅迫效應(yīng).

二次產(chǎn)物MVK和MACR呈現(xiàn)出與異戊二烯相似的變化特征,污染日的晝間濃度明顯高于清潔日,而在夜晚則無明顯差異(圖 6).可見,異戊二烯主要來自本地排放,且在污染日較清潔日具有更活躍的光化學(xué)反應(yīng)特征,生成了更多的MVK和MACR.

此外,異戊二烯高排放的夏季盛行西南風(fēng),從珠江三角洲城市輸送來的高濃度污染物會(huì)影響區(qū)域的空氣質(zhì)量和森林排放.本研究觀測期間主導(dǎo)風(fēng)向南風(fēng)的頻率為 59%,平均風(fēng)速為(3.9±2.0)m/s.在主導(dǎo)風(fēng)向南風(fēng)時(shí)異戊二烯的平均濃度為(0.181± 0.285)×10-9.然而,在主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)時(shí)異戊二烯的平均濃度為(0.113±0.158)×10-9,顯著低于南風(fēng)時(shí)的濃度.從風(fēng)速分析來看,當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)出現(xiàn)靜風(fēng)或小風(fēng)時(shí)(風(fēng)速范圍為 1～3m/s),異戊二烯的濃度顯著高于風(fēng)速較大時(shí)(風(fēng)速≥3m/s)的濃度水平.這是由于在風(fēng)速較大時(shí),氣流對(duì)森林大氣的影響主要以物理擴(kuò)散及稀釋作用為主;而在靜風(fēng)或小風(fēng)條件下,珠江三角洲地區(qū)傳輸來的外來污染物容易在森林大氣中得以積累,從而影響異戊二烯的植物排放強(qiáng)度及其光化學(xué)作用途徑.由此可見在主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)時(shí)珠江三角洲輸送的高污染氣團(tuán)是導(dǎo)致南嶺大氣異戊二烯的含量水平顯著增加的重要原因.

綜上所述,在污染天氣條件下森林大氣中異戊二烯的含量水平普遍較高.盡管在污染過程中異戊二烯的大氣光化學(xué)降解反應(yīng)更為活躍,其光化學(xué)損耗量增加,然而由于氣象因素和生態(tài)脅迫效應(yīng)所促進(jìn)排放增加量大于其光化學(xué)損耗量,因此導(dǎo)致了森林大氣中異戊二烯含量顯著增加. 3.4 臺(tái)風(fēng)天氣過程對(duì)異戊二烯的影響分析

觀測期間內(nèi)受到2015年9月29日登陸的臺(tái)風(fēng)“杜鵑”的影響.以臺(tái)風(fēng)“杜鵑”為例分析臺(tái)風(fēng)天氣對(duì)本地異戊二烯的影響.

以臺(tái)風(fēng)影響期間(9月26～29日)繪制后向軌跡圖,后推時(shí)間為72h,每天北京時(shí)間0:00繪制一條(圖 7).由圖 7可知,在臺(tái)風(fēng)登陸前(9月 26～28日)受到西南方向以及北邊的氣團(tuán)輸入的影響.而在臺(tái)風(fēng)登陸當(dāng)天(7月29日)則主要受南海方向輸送的臺(tái)風(fēng)氣團(tuán)影響.

圖7 臺(tái)風(fēng)“杜鵑”過境時(shí)的后向軌跡Fig.7 Backward air-mass trajectory of typhoon Dujuan

圖8 臺(tái)風(fēng)“杜鵑”天氣過程異戊二烯的濃度及風(fēng)向和風(fēng)速的變化情況Fig.8 Variation plot of isoprene concentration, wind direction and wind speed during typhoon Dujuan

圖8展示了臺(tái)風(fēng)“杜鵑”天氣過程異戊二烯 的濃度及風(fēng)速風(fēng)向的變化情況.其中2015年10月1～2日期間由于儀器維護(hù)原因未采集異戊二烯的觀測數(shù)據(jù).9月22～25日,本觀測站點(diǎn)未受到臺(tái)風(fēng)天氣影響,此時(shí)大氣環(huán)境中異戊二烯的濃度水平為本底值(0.324±0.330)×10-9.臺(tái)風(fēng)登陸前3d(9月26～28日)以靜小風(fēng)居多,此時(shí)臺(tái)風(fēng)雖然未登陸,但由于熱帶低壓的影響,將周邊區(qū)域氣團(tuán)進(jìn)行擠壓并輸送至韶關(guān)南嶺.臺(tái)風(fēng)系統(tǒng)外層區(qū)大氣環(huán)境背景場有利于污染物的積累[45].此時(shí)本地處于污染過程(0.465± 0.454)×10-9;臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)(9月29日)風(fēng)速增大,臺(tái)風(fēng)環(huán)流上升運(yùn)動(dòng)伴隨著大風(fēng)能夠迅速清除大氣污染物[46],此過程主要為物理稀釋過程,大氣環(huán)境異戊二烯濃度(0.135±0.127)×10-9明顯降低.臺(tái)風(fēng)后風(fēng)速逐漸降低,風(fēng)向也以東面為主,此過程為清潔過程,異戊二烯的大氣含量[(0.121±0.081)×10-9]較低.上述分析表明,臺(tái)風(fēng)天氣可能會(huì)伴隨著污染過程的發(fā)生,且污染過程中異戊二烯的濃度高于環(huán)境本底值.分析其原因是由于外來氣團(tuán)輸送,將其他地區(qū)的污染物搬運(yùn)至韶關(guān)南嶺并無法繼續(xù)擴(kuò)散,導(dǎo)致本地空氣質(zhì)量發(fā)生變化,使異戊二烯的釋放量增加,導(dǎo)致異戊二烯濃度上升.而臺(tái)風(fēng)過境時(shí)發(fā)生稀釋作用,使得異戊二烯濃度遠(yuǎn)低于污染過程.

另外,對(duì)臺(tái)風(fēng)影響期間MVK和MACR的統(tǒng)計(jì)分析表明,在污染過程MVK和MACR濃度水平均有上升趨勢(shì).除了外來源輸入的影響以外,MVK和MACR含量的增加還可能是由于異戊二烯更為活躍的光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生.說明盡管異戊二烯光化學(xué)損耗增大,但污染條件對(duì)異戊二烯排放量的影響更大.

對(duì)臺(tái)風(fēng)“杜鵑”的分析表明,臺(tái)風(fēng)天氣過程中外來污染氣團(tuán)的輸送會(huì)明顯導(dǎo)致本地大氣環(huán)境中異戊二烯含量增加.

3 結(jié)論

3.1 與國內(nèi)外其它背景站相比,廣東南嶺國家大氣背景站的異戊二烯濃度水平相對(duì)較低.2015年雨季和旱季的連續(xù)在線觀測發(fā)現(xiàn),觀測期間內(nèi)異戊二烯日均濃度為(0.173±0.171)×10-9,其可能的原因是由于受觀測點(diǎn)周邊大氣光化學(xué)活性區(qū)的影響,異戊二烯的光降解損耗較大,生成了較高濃度的MVK、MACR等二次產(chǎn)物.

3.2 植物排放異戊二烯主要受溫度差異、光照和植物生長季節(jié)因素的影響,森林大氣異戊二烯含量呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化和日變化特征.濕季高于干季;晝間(06:00～18:00)高于夜間,且濃度峰值出現(xiàn)在午后.

3.3 異戊二烯濃度與溫度呈正指數(shù)相關(guān)關(guān)系,濕季相對(duì)高溫的環(huán)境對(duì)植物異戊二烯排放的影響更大,而在干季兩者的相互作用關(guān)系相對(duì)較弱.

3.4 高濃度 O3污染對(duì)森林植物存在生物脅迫效應(yīng),促使植物異戊二烯排放的顯著增加,因此導(dǎo)致森林大氣中的異戊二烯日均濃度水平在O3污染日明顯高于非O3污染日.

3.5 由于受臺(tái)風(fēng)天氣過程的影響,從城市輸送來的高濃度大氣污染物影響森林大氣中異戊二烯排放,導(dǎo)致其森林大氣含量明顯增加.

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致謝：本研究的外場觀測工作得到廣東省韶關(guān)市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測站的協(xié)助,在此表示感謝.

Online measurement of isoprene at a national air background monitoring station in the Nanling Mountains, South China.

China. ZHANG Shi-yang1, GONG Dao-cheng1, WANG Hao1, SONG Wei1, ZHANG Shen-yang1, WANG An-hou1, CHEN Duo-hong3, ZHOU Lei1, WANG Bo-guang1,2*(1.Institute of Environment and Climate, Jinan University, Guangzhou 511443, China；2.Research Center on Low-carbon Economy for Guangzhou Region, Jinan University, Guangzhou 510632, China；3.Guangdong Environmental Monitoring Center, Guangzhou 510308, China). China Environmental Science, 2017,37(7)：2504～2512

Isoprene emissions from forest are important precursors of tropospheric ozone and secondary organic aerosols. To study the background concentration and variation characteristics of isoprene at a subtropical forest (Shaoguan, Nanling) in southern China, 4-month online measurements of isoprene emissions and meteorological parameters were conducted in July-November 2015. The results show that the overall daily average concentration of isoprene at the forest was (0.173±0.171)×10-9, with (0.261±0.178)×10-9in the wet season and (0.080±0.089)×10-9ppbv in the dry season. Isoprene concentration is much higher during daytime (6:00-18:00) than nighttime, with an average of 0.247±0.332ppbv and (0.071±0.129)×10-9, respectively. It began to rise steadily from 6:00, and gradually decreased after the peak at 14:00. Isoprene concentrations were positively exponential functional related to temperature, and in the wet season,the temperature had greater influence on isoprene emission. Isoprene concentrationsduring the O3episode days [(0.257±0.128)×10-9] were much higher than during the non-O3episode days [(0.158±0.173)×10-9], suggesting that the photochemical degradation was more active during the O3episode days.In addition, it was found that typhoon (e.g. Dujuan) would lead to increase in isoprene emissions due to the transportation of air pollutants to the forest.

isoprene；online measurement；forest emission；atmospheric background

X511

A

1000-6923(2017)07-2504-09

張?jiān)姛?1991-),男,廣東湛江人,暨南大學(xué)碩士研究生,主要從事森林揮發(fā)性有機(jī)物光化學(xué)反應(yīng)過程方面的研究.

2017-04-14

國家自然科學(xué)基金重大計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(91544215);國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41373116)

* 責(zé)任作者, 教授, tbongue@jnu.edu.cn