黃 蕾,薛 迪,王 嬌,陳春強,張 潔,張宜升,劉曉環(huán),2,3*

海鹽非均相反應(yīng)對山東沿海大氣O3濃度的影響

黃 蕾1,薛 迪1,王 嬌1,陳春強1,張 潔1,張宜升4,劉曉環(huán)1,2,3*

(1.中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島 266100；2.中國海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室,山東 青島 266100；3.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)功能實驗室,山東 青島 266071；4.青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,山東 青島 266033)

通過改進(jìn)WRF-CMAQ模型中非均相反應(yīng)模塊,定量研究了2017年夏季和冬季海鹽與含氮氣體非均相反應(yīng)對我國山東沿海地區(qū)大氣O3濃度的影響.模擬結(jié)果表明,考慮海鹽氣溶膠非均相反應(yīng)后,山東沿海地區(qū)夏季O3小時濃度增加了0.2×10-9～6.6×10-9(0.5%～15.5%),冬季增加了0.8×10-9～15.3×10-9(1.7%～27.4%),ClNO2在夏季和冬季分別增加了100×10-12～250×10-12,300×10-12～650×10-12;夏季O3濃度增加主要集中在山東東部,而冬季O3的增加則覆蓋了山東大部分地區(qū),表明海鹽非均相反應(yīng)對冬季O3的影響強度及范圍均明顯高于夏季.海鹽非均相反應(yīng)引起的O3濃度增加主要發(fā)生在日間,特別是8:00～16:00.該反應(yīng)對渤海及南黃海大氣O3濃度也有影響,且在這些海域生成的O3可通過4條傳輸路徑影響山東沿海地區(qū),甚至可影響到濟(jì)南?菏澤等山東中西部地區(qū)(距離山東東部海岸線～350km);海洋大氣中O3的傳輸可造成山東東部沿海O3濃度升高0.2×10-9～15.3×10-9,山東中西部O3升高0.3×10-9～6.2×10-9.

海鹽；非均相反應(yīng)；CMAQ；海洋大氣傳輸

海鹽是大氣氣溶膠的重要組成部分,是對流層大氣中最主要的自然源氣溶膠,其全球年排放量約為300～30,000Tg[1].海鹽氣溶膠可通過與N2O5?HNO3、NO2等氣體發(fā)生非均相反應(yīng)而產(chǎn)生活性氯 (Cl·),進(jìn)而氧化大氣中的VOCs產(chǎn)生O3,且Cl·對VOCs的氧化速率比OH·高2個數(shù)量級[2-3].經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的沿海地區(qū)常有較高濃度的NO,同時還聚集著高濃度的海鹽氣溶膠,海鹽和含氮氣體的非均相反應(yīng)成為沿海地區(qū)大氣中O3不可忽視的來源[4-5].

國內(nèi)外在海鹽非均相反應(yīng)的機理及對O3影響方面已經(jīng)開展了一定的工作.早在20世紀(jì)50年代, Robbins等通過煙霧箱實驗證明了大氣中NO2可以與NaCl氣溶膠反應(yīng)[6].隨后大量的室內(nèi)實驗發(fā)現(xiàn)除NO2外,N2O5、HNO3等含氮氣體均可以與海鹽氣溶膠反應(yīng),反應(yīng)攝取系數(shù)為9.4×10-9～5×10-2,ClNO2產(chǎn)率(Y)高達(dá)0.6以上[7-12].葉春翔等發(fā)現(xiàn)在海鹽表面形成的液態(tài)水可增強NO2與海鹽的反應(yīng)持續(xù)能力[13]; Bertram等測定了N2O5在含有不同濃度液態(tài)水、硝酸鹽、氯離子的氣溶膠顆粒上的非均相反應(yīng)攝取系數(shù),建立了N2O5攝取系數(shù)的參數(shù)化方程并應(yīng)用于數(shù)值模擬[14].

目前研究者在國內(nèi)外海洋和沿海地區(qū)大氣中觀測到ClNO2濃度可達(dá)2000×10-12～4700× 10-12[15-17]; Yan等[17]、McLaren等[18]在香港鶴咀、加拿大薩圖納島也發(fā)現(xiàn)高濃度ClNO2常導(dǎo)致O3濃度升高.這是海鹽非均相反應(yīng)產(chǎn)生含氯氣體并影響O3生成的直接證據(jù).除了觀測實驗,基于數(shù)值模擬的方法探討海鹽非均相反應(yīng)對O3的影響也有不少進(jìn)展. Knipping等[4]、Simon等[19-20]研究表明海鹽非均相反應(yīng)可導(dǎo)致美國沿海地區(qū)大氣O3濃度增加10×10-9～12×10-9; Sarwar等[21-22]發(fā)現(xiàn)N2O5與海鹽非均相反應(yīng)使北半球大氣中冬季O3濃度增加量顯著高于夏季1×10-9～6×10-9.Dai等[5]、Li等[23]則模擬了海鹽非均相反應(yīng)對我國珠三角地區(qū)O3的貢獻(xiàn).

山東省北鄰渤海,東部和南部分別與北黃海和南黃海相鄰,且南黃海是海鹽氣溶膠源排放高值區(qū),夏季海鹽對山東沿海地區(qū)顆粒物貢獻(xiàn)可達(dá)22%～ 70%[24-27];同時山東省還位于全球NO排放量最大的地區(qū)[28].含氮氣體和海鹽氣溶膠之間的反應(yīng)會在多大程度上影響山東沿海地區(qū)的O3濃度尚未有定量研究.本研究通過改進(jìn)區(qū)域多尺度空氣質(zhì)量模型CMAQ的非均相反應(yīng)模塊,模擬了海鹽與NO2?N2O5?HNO3氣體非均相反應(yīng)對2017年夏季(5月1日～6月30日)和冬季(2017年12月1日～2018年1月20日)我國山東沿海及近海海域O3濃度空間分布特征的影響,并分析了海洋大氣邊界層中的海鹽非均相反應(yīng)導(dǎo)致的O3增加對山東沿海地區(qū)O3濃度的影響.

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 模型參數(shù)設(shè)置

基于文獻(xiàn)中海鹽與含氮氣體(N2O5、HNO3、NO2)非均相反應(yīng)參數(shù)數(shù)據(jù),改進(jìn)了區(qū)域多尺度空氣質(zhì)量模型CMAQ v5.0.2的非均相反應(yīng)模塊,模擬了2017年5月1日～2017年6月30日(夏季)以及2017年12月1日～2018年1月20日(冬季)我國山東沿海地區(qū)大氣中O3等大氣組分的大氣化學(xué)過程.模擬采用雙層網(wǎng)格嵌套(圖1),外層區(qū)域(d01)水平分辨率為36km,格點數(shù)為164×97個,覆蓋中國大部分地區(qū)及中國近海渤海、黃海、東海及南海的北部;內(nèi)層區(qū)域(d02)水平分辨率為12km,格點數(shù)為175×214個,主要包含我國中東部地區(qū)及我國近海海域.外層區(qū)域的初始和邊界條件來自Geos-Chem的全球模擬結(jié)果,內(nèi)層區(qū)域的初始和邊界條件由外層區(qū)域提供.模型垂直方向上從地表到對流層頂共分為14層,第一層層頂距地面約30m,向上各層厚度逐漸增加.采用的氣相化學(xué)機制為CB05tucl,氣溶膠機制為AERO6.氣溶膠熱力學(xué)模型采用ISORROPIA v2.1,基于該原理計算無機氣溶膠的化學(xué)成分,主要考慮K+-Ca2+- Mg2+-NH4+-Na+-SO42--NO3--Cl--H2O體系,既包括海鹽離子Na+、Cl-,也包括地殼離子K+、Ca2+、Mg2+.模型運行時間提前7d以減小初始條件的影響.

圖1 CMAQ模擬區(qū)域設(shè)置

CMAQ所需氣象場采用中尺度氣象模式WRF v3.7模擬.美國環(huán)境預(yù)報中心和國家大氣研究中心聯(lián)合發(fā)布的1°×1°的6h全球再分析資料作為氣象模擬輸入數(shù)據(jù),并通過氣象-化學(xué)接口模塊MCIP v4.3將WRF輸出結(jié)果轉(zhuǎn)化為CMAQ適用的數(shù)據(jù). WRF模擬同樣為雙層網(wǎng)格嵌套,垂直方向為23層,分辨率在近地層最高,且隨高度增加逐漸降低.表1給出了本研究選擇的WRF模式的主要物理過程參數(shù)化方案.

表1 WRF 模型參數(shù)方案設(shè)置

模擬所需的源排放清單包括人為源與生物源:其中人為源排放數(shù)據(jù)來自2016年MEIC源排放清單(http://meicmodel.org/);生物源揮發(fā)性有機物排放量來自于MEGAN v2.0.4(http://lar.wsu.edu/megan/)模型的模擬結(jié)果.海鹽氣溶膠排放量由CMAQ海鹽排放模塊進(jìn)行在線計算,包括粗、細(xì)模態(tài)Cl-、SO42-和細(xì)模態(tài)Na+、Mg2+、K+、Ca2+等組分[29].

1.2 模型改進(jìn)及情景設(shè)置

默認(rèn)CMAQ v5.0.2非均相模塊中僅考慮了NO2和N2O5的水解反應(yīng),本研究根據(jù)NO2?N2O5和HNO3的反應(yīng)攝取系數(shù)和反應(yīng)條件,在非均相反應(yīng)模塊中添加了NO2?N2O5?HNO3與海鹽的非均相反應(yīng).同時,在氣相機制中增加了海鹽非均相產(chǎn)物ClNO?ClNO2的光解和生成反應(yīng).各反應(yīng)的相關(guān)參數(shù)見表2.在其他模型參數(shù)不變的條件下,利用改進(jìn)前(CMAQ_base)和改進(jìn)后(CMAQ_Cl)的CMAQ模型分別模擬我國中東部大氣中O3的化學(xué)過程,對比模型改進(jìn)前后的O3濃度,探討海鹽與NO2?N2O5和HNO3的非均相反應(yīng)對山東沿海地區(qū)大氣O3的影響.

表2 添加的化學(xué)反應(yīng)及相關(guān)參數(shù)

1.3 模擬結(jié)果驗證數(shù)據(jù)及方法

本研究選取山東典型沿海城市青島,對模擬時段內(nèi)青島市主要的氣象參數(shù)(2m溫度T2、相對濕度RH?10m風(fēng)向WD10?風(fēng)速WS10)和大氣污染物O3?NO2、PM2.5以及PM2.5組分的濃度模擬結(jié)果進(jìn)行了驗證.T2?WD10?WS10以及RH的數(shù)據(jù)來自美國國家氣候數(shù)據(jù)中心(NOAA's National Climatic Data Center, http://www.ncdc. noaa.gov/). O3?NO2、PM2.5等污染物濃度來自中國環(huán)境監(jiān)測總站發(fā)布的全國城市空氣質(zhì)量實時數(shù)據(jù)(http://106.37.208.233: 20035/).PM2.5組分(Cl-)濃度為2017年12月14日～2018年1月6日的URG9000在線離子色譜(ICS1100)數(shù)據(jù),采樣點位于中國海洋大學(xué)環(huán)境大氣觀測站(36.15°N, 120.50°E).

采用3個統(tǒng)計參數(shù)指標(biāo)對模式模擬效果進(jìn)行評估,包括:相關(guān)系數(shù)R?標(biāo)準(zhǔn)平均偏差NMB?標(biāo)準(zhǔn)平均誤差NME.NMB?NME的計算式如下:

式中:C為模擬值; O為觀測值.根據(jù)美國環(huán)保局2017年公布的建議評價標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)NMB￡±30%時可接受模擬的O3、NO2、PM2.5濃度[31].

2 結(jié)果與討論

2.1 模擬結(jié)果驗證

2.1.1 氣象參數(shù)驗證 圖2為模擬期間青島市T2、RH、WD10以及WS10的模擬和觀測值的時間序列圖.表3為模擬和觀測值對比的統(tǒng)計結(jié)果.從圖2中看出,青島市各氣象要素模擬值與觀測值在變化趨勢上吻合較好.除風(fēng)速外(=0.71),相關(guān)系數(shù)均在0.80以上.WRF對風(fēng)向風(fēng)速的模擬與觀測值之間的標(biāo)準(zhǔn)偏差NMB在±1%以內(nèi),溫度的模擬與觀測值之間的NMB為-6.78%,主要在2017年6月8日21:00～6月9日06:00模擬值存在一定的低估, RH模擬值存在一定程度高估(NMB=6.53%),主要出現(xiàn)于夏季.整體而言WRF能夠較好的重現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)資料,可反映模擬期間氣象要素隨時間的變化特征.

圖2 青島市主要氣象要素觀測和模擬值對比

表3 青島市主要氣象要素觀測與模擬值差異統(tǒng)計結(jié)果

2.1.2 常規(guī)污染物O3、NO2、PM2.5濃度驗證 如圖3和表4所示,O3、NO2、PM2.5的模擬與觀測值間有較好的一致性,相關(guān)系數(shù)為0.70～0.81;除NO2模擬結(jié)果表現(xiàn)為低估外(NMB=-29.0%), O3和PM2.5存在一定程度的高估,其中PM2.5高估主要出現(xiàn)在2017年5月31日～6月1日,可能與該時段風(fēng)向及源排放偏差等因素有關(guān)[32-33].O3在冬季有一定高估,但O(NO2+O3)在冬季的模擬結(jié)果較好,表明O3的高估可能與NO排放偏低,導(dǎo)致NO的滴定作用不足有關(guān).總之,改進(jìn)后的CMAQ模式模擬結(jié)果與觀測間相關(guān)性較好,能夠反映O3、NO2、PM2.5的濃度水平和變化趨勢.

2.1.3 Cl-離子濃度驗證 圖4給出了 2017年12月14日～2018年1月6日青島市中國海洋大學(xué)環(huán)境大氣觀測站Cl-濃度觀測值與模擬值的對比結(jié)果(僅考慮了發(fā)生海鹽非均相反應(yīng)的時段,Cl-濃度變化量大小超過0.1mg/m3).在分析時段內(nèi),Cl-平均濃度的觀測值為1.84mg/m3, CMAQ_base模擬值為2.27mg/m3,CMAQ_Cl模擬值為1.95mg/m3.改進(jìn)后標(biāo)準(zhǔn)偏差NMB由23.3%降至6.0%,模擬結(jié)果較好.特別是在某些時段如2017年12月14～15日、23～24日,CMAQ_Cl模擬的Cl-濃度與CMAQ_base結(jié)果相比明顯降低(>20%),與觀測值更為接近.Dai等對香港、廣東陽江的模擬結(jié)果也顯示海鹽非均相反應(yīng)使得Cl-濃度降低了23%～25%0.

圖3 青島市O3、NO2、PM2.5小時濃度觀測和模擬對比

表4 青島市O3?NO2、PM2.5觀測與模擬值差異統(tǒng)計結(jié)果

表5 非均相反應(yīng)模塊改進(jìn)前后青島市Cl-觀測與模擬值對比統(tǒng)計結(jié)果

圖4 2017年12月14日～2018年1月6日青島市Cl-濃度觀測和模擬對比

2.2 海鹽非均相反應(yīng)對山東沿海地區(qū)大氣中ClNO2濃度的影響

由于ClNO2在日間極易光解,本研究主要分析了海鹽非均相反應(yīng)對夜間ClNO2濃度的影響(圖5).從圖5中看出,海鹽氣溶膠和含氮氣體反應(yīng)對ClNO2的影響有明顯的季節(jié)差異.冬季,非均相反應(yīng)對整個山東省大氣ClNO2濃度都有貢獻(xiàn),平均濃度增加了 300×10-12～650×10-12,高值區(qū)在山東東部;從小時濃度變化看,冬季山東沿海地區(qū)ClNO2峰值濃度約為2403×10-12.夏季,對ClNO2的影響主要在山東東部沿海地區(qū),濃度升高了100×10-12～250×10-12,小時濃度的峰值為2225×10-12.可見,山東沿海地區(qū)大氣中ClNO2平均濃度在夏季和冬季夜間均升高了2～3個數(shù)量級,但冬季的影響范圍和影響強度都高于夏季.這可能與冬季溫度較低、N2O5等含氮氣體更易積累有關(guān)[22,34-35].山東沿海地區(qū)ClNO2濃度的增加量與長三角和珠三角地區(qū)較為接近,但影響區(qū)域要明顯大于長三角和珠三角.表6給出了本研究的模擬結(jié)果與國內(nèi)外沿海地區(qū)ClNO2的觀測和模擬結(jié)果的對比.從表6中看出,本研究模擬的ClNO2濃度在量級上與他人的研究結(jié)果較為一致,但與Wang等[16]、Yun等[42]在珠三角地區(qū)的觀測值相比,冬季峰值略有偏低,可能與模型中采用的N2O5非均相反應(yīng)攝取系數(shù)計算方案有關(guān)[5].

選取典型沿海城市青島市為代表,分析了青島市大氣中ClNO2濃度的日變化特征(圖6).從圖6中看出,青島市大氣中ClNO2濃度在夏季和冬季均呈現(xiàn)單峰分布,峰值出現(xiàn)在凌晨,日間由于光解反應(yīng)導(dǎo)致濃度較低.5～6月份,青島日出時間在05:00左右,因此夏季青島的ClNO2濃度一般05:00達(dá)到最高(185×10-12～929×10-12),日出后隨著光解反應(yīng)的進(jìn)行, ClNO2濃度開始逐漸下降.上午10:00至夜晚19:00, ClNO2濃度維持在5×10-12左右.19:00之后, ClNO2開始緩慢累積,凌晨日出前其濃度達(dá)到峰值.由于日出時間的差異,冬季ClNO2濃度峰值出現(xiàn)的時間比夏季晚2h(約7:00,319×10-12～1652×10-12),午后平均濃度維持在20×10-12以下,19:00后ClNO2濃度逐漸升高.Sommariva等[38]、Jeong等[39]、Tham等[41]在英國普利茅斯?韓國首爾?中國香港等地的觀測中得到了與本研究一致的ClNO2日變化特征,但他們的ClNO2濃度略高于本研究的模擬結(jié)果;Sarwar等基于模式的模擬結(jié)果也表明美國西部沿海城市洛杉磯ClNO2濃度具有相同的日變化特征,且冬季ClNO2峰值濃度出現(xiàn)時刻相比夏季晚約2h[21].

表6 國內(nèi)外沿海地區(qū)ClNO2濃度觀測值

2.3 海鹽非均相反應(yīng)對山東沿海地區(qū)大氣中O3濃度的影響

圖7 海鹽非均相反應(yīng)影響下青島O3濃度變化時間序列

從圖7中看出,模擬期間(110d),海鹽與含氮氣體的非均相反應(yīng)對青島O3產(chǎn)生影響的共42d,其中夏季18d,冬季24d.由于非均相反應(yīng)產(chǎn)生的HCl?ClNO2等氣體光解產(chǎn)生Cl·會促進(jìn)O3生成,因此O3的增加主要發(fā)生在日間,特別是08:00～16:00[21].由于日出時間差異等因素的影響,夏季O3濃度增加集中在8～12時,冬季主要為10:00～16:00;夏季日間O3小時濃度增加0.2×10-9～3.0×10-9(0.5%～6.4%),冬季增加約0.8×10-9～12.1×10-9(1.7%～23.0%).青島O3濃度增加最高時出現(xiàn)在2018年1月15日(6.4×10-9～12.1×10-9),同時由海鹽非均相反應(yīng)生成的ClNO2濃度達(dá)到了1000×10-12～2400×10-12,這與Dai等[5]在珠三角地區(qū)和Sarwar等[22]在美國洛杉磯的研究結(jié)果非常接近.煙臺、威海、日照市等山東東部沿海城市O3濃度增加主要發(fā)生在日間的特征與青島市一致,但O3濃度增加峰值相比青島市較高,夏季O3小時濃度增加高達(dá)6.6×10-9(15.5%),冬季為15.3×10-9(27.4%).

圖8 非均相反應(yīng)對我國東部地區(qū)夏、冬季日間O3濃度影響的空間分布

Δ=CMAQ_Cl-CMAQ_base

如圖8所示,受海鹽非均相反應(yīng)影響,夏季山東沿海地區(qū)O3濃度升高了0.3×10-9～1.2×10-9,冬季O3濃度升高了2.4×10-9～4.4×10-9,冬季O3濃度增加量顯著高于夏季.從O3濃度變化的空間分布來看,冬季和夏季也有明顯的差異.夏季O3的增加集中在山東東部(青島?威海?煙臺?日照等地)以及山東以北的渤海海域(0.2×10-9～0.6×10-9),高值區(qū)在青島及其近岸海域;而冬季,整個山東省?渤海南部以及黃海海域的O3都有所增加(0.6×10-9～4.4×10-9),特別是山東東部沿海及南黃海的西北部海域.Sarwar等[22]模擬了2006年N2O5與海鹽的非均相反應(yīng)對北半球大氣中O3的影響,發(fā)現(xiàn)山東沿海地區(qū)夏季O3增加了0.8×10-9～1.2×10-9,冬季增加了6×10-9～7×10-9,其夏季的結(jié)果與本文較為接近,冬季結(jié)果高于本研究,這些差異可能與研究時間不同有關(guān).

2.4 渤海及黃海O3的輸送對山東沿海城市O3濃度的影響

模擬期間,海鹽非均相反應(yīng)影響下山東沿海及周邊海域大氣中O3濃度增加事件共發(fā)生76次,其中山東沿海地區(qū)35次(46.1%)?渤海16次(21.1%)?南黃海25次(32.8%).渤海和南黃海O3的增加不僅影響海洋大氣,還可通過氣團(tuán)傳輸影響山東.O3傳輸路徑分析結(jié)果顯示,2017年夏季和冬季期間,渤海和南黃海大氣中非均相反應(yīng)產(chǎn)生的O3主要經(jīng)4條路徑傳輸至山東:路徑1,O3在渤海南部海域生成,通過北風(fēng)或西北風(fēng)影響山東北部及東部沿海區(qū)域;路徑2,O3在渤海海域生成,通過東北風(fēng)影響山東中西部;路徑3,O3在南黃海海域生成,東南風(fēng)控制下影響山東東部沿海;路徑4,O3在南黃海生成,經(jīng)江蘇等地傳輸至山東中西部.

O3在海洋大氣中生成,經(jīng)傳輸影響山東的事件共41次,其中通過路徑1傳輸?shù)氖录?0次(24.4%).沿路徑1發(fā)生O3輸送時,渤海及山東主要受北風(fēng)控制,渤海產(chǎn)生的O3約0.2×10-9～16.2×10-9,可使山東北部沿海城市O3濃度升高0.4×10-9～15.3×10-9,少數(shù)時刻可影響到青島北部(距離山東最北部海岸線190km).O3經(jīng)路徑3影響山東東南沿海地區(qū),可導(dǎo)致山東東南沿海O3濃度增加0.2×10-9～8.4×10-9,該路徑發(fā)生頻率最高(46.4%).O3經(jīng)路徑2和4的傳輸主要對濟(jì)南、菏澤等山東中西部產(chǎn)生影響(距離山東東部海岸線～350km),可導(dǎo)致該區(qū)域O3濃度升高0.4×10-9～6.2×10-9,相比其他路徑,路徑2和4均只發(fā)生6次,發(fā)生頻率較低(14.6%).

3 結(jié)論

3.1 海鹽與含氮氣體的非均相反應(yīng)影響下,夏季和冬季我國山東沿海地區(qū)夜間ClNO2平均濃度升高2～3個數(shù)量級,夏季ClNO2濃度增加了100×10-12～ 250×10-12,冬季增加300×10-12～650×10-12,冬季是夏季的2～4倍.ClNO2濃度日變化呈單峰分布,日間ClNO2濃度受光解反應(yīng)影響濃度較低(<20×10-12),夜間濃度逐漸累積,在凌晨日出前達(dá)到峰值,峰值出現(xiàn)時間與日出時間有關(guān).

3.2 海鹽氣溶膠與含氮氣體反應(yīng)對山東沿海O3的影響有顯著的季節(jié)變化.夏季O3濃度增加發(fā)生在8:00～12:00,冬季主要為10:00～16:00;夏季日間O3小時濃度增加0.2×10-9～6.6×10-9(0.5%～15.5%),冬季增加約0.8×10-9～15.3×10-9(1.7%～27.4%).夏季O3的增加集中在山東東部(青島?威海?煙臺?日照等地)以及山東以北的渤海海域(0.2×10-9～0.6×10-9),高值區(qū)在青島及其近岸海域;而冬季,整個山東省?渤海南部以及黃海海域的O3都有所增加(0.6×10-9～4.4× 10-9),特別是山東東部沿海及南黃海的西北部海域.

3.3 模擬期間,海鹽非均相反應(yīng)使O3濃度增加的事件共發(fā)生76次,山東沿海地區(qū)、渤海及南黃海分別為35、16、25次.O3在海洋大氣中生成,經(jīng)4條路徑傳輸影響山東的事件共41次,其中70.8%的事件影響山東東部, 29.2%的事件影響山東中西部.海上生成O3對山東東部沿海O3濃度的影響(0.2×10-9～ 15.3×10-9)高于中西部地區(qū)(0.3×10-9～6.2×10-9).

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致謝：感謝清華大學(xué)張強教授為本次研究提供東亞地區(qū)MEIC排放清單.

Impacts of heterogeneous reactions of sea salt and nitrogen-containing gases on ozone in Shandong coastal area.

HUANG Lei1, XUE Di1, WANG Jiao1, CHEN Chun-qiang1, ZHANG Jie1, ZHANG Yi-sheng4, LIU Xiao-huan1,2,3*

(1.College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China；2.Key Laboratory of Marine Environment and Ecology, Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266100, China；3.Laboratory for Marine Ecology and Environmental Science, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266071, China；4.School of Environment and Municipal Engineering, Qingdao University of Technology Qingdao, Qingdao 266033, China)., 2021,41(11)：5036～5045

The heterogeneous reactions of nitrogen-containing gases with sea salt and the subsequent production of highly reactive chlorine radicals (Cl·) could contribute to the formation of ozone (O3). The heterogeneous reactions of NO2, HNO3and N2O5with sea salt in the Community Multiscale Air Quality (CMAQ) model wao incorporated to simulate their impact on O3concentration over coastal areas of Shandong in summer and winter of 2017. The simulation results indicated that the heterogeneous reactions substantially enhanced O3concentrations up to 0.2×10-9～6.6×10-9(0.5%～15.5%) in summer and 0.8×10-9～15.3×10-9(1.7%～27.4%) in winter, with the nighttime ClNO2concentrations increased by 100×10-12～250×10-12in summer and 300×10-12～650×10-12in winter. The enhancement of O3in summer was mainly concentrated in eastern Shandong, while in winter it covered most areas of Shandong, implicative of stronger and wider impact of heterogeneous reactions on O3in winter in comparison to summer. The ozone enhancement triggered by the heterogeneous reactions was mainly taken effect during daytime, especially during 8:00～16:00. The influence also covered areas including Bohai Sea and South Yellow Sea, and the enhanced ozone concentration could be transported inland through four pathways, resulting in an increase of 0.2×10-9～15.3×10-9of O3concentration in the eastern coastal areas of Shandong, and 0.3×10-9～6.2×10-9in the central and western areas like Jinan and Heze city, about 350km away from the eastern coastline of Shandong.

sea salt；heterogeneous reaction；CMAQ；marine atmosphere transport

X513

A

1000-6923(2021)11-5036-10

黃 蕾(1996-),女,河南濮陽人,中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生,主要從事大氣化學(xué)研究.發(fā)表論文4篇.

2021-02-09

國家自然科學(xué)基金資助項目(U1906215,41305087)

* 責(zé)任作者, 副教授, liuxh1983@ouc.edu.cn