化学传输模型与观测推导的臭氧-氮氧化物(NOx)-挥发性有机化合物(VOC)等值线图在南加州南海岸空气盆地中的比较

《ACS ES&T Air》：Comparison of Chemical Transport Model and Observation Derived Ozone-NOx-VOC Isopleths for the South Coast Air Basin of California

　　

研究人员开发、应用、评估并比较了基于化学传输模型（chemical transport model，CTM）与基于观测的方法，用于构建臭氧等值线图（ozone isopleths），以理解臭氧与排放之间的关系，研究区域为加利福尼亚州南海岸空气盆地（South Coast Air Basin，SoCAB）。嵌入社区多尺度空气质量（Community Multiscale Air Quality，CMAQ）模型中的高阶解耦直接法（High-order Decoupled Direct Method，HDDM）在不同排放水平下被应用，以刻画臭氧浓度对人为氮氧化物（NOx）和挥发性有机化合物（VOC）排放的敏感性。CMAQ-HDDM模拟的臭氧浓度及其排放敏感性被用于为SoCAB多个监测点位构建臭氧等值线图，并与观测推导的等值线图比较。CMAQ-HDDM与观测推导的等值线图均能再现观测臭氧浓度（R2=0.70与0.96），在内陆点位一致性更好，而内陆点位通常比中部或沿海站点臭氧更高。基于历史VOC与NOx排放水平，研究人员比较了臭氧对NOx与VOC排放响应的时间变化；NOx排放敏感性的两种方法相关性更强（R2=0.75），VOC排放敏感性相关性较弱（R2=0.18）。对SoCAB多数区域，两类等值线图均表明臭氧控制机制在2000年代后期由VOC受限转向NOx受限。因此，在同等绝对排放量变化下，进一步削减NOx排放比类似规模的VOC控制更能有效降低未来臭氧，对SoCAB内陆城市结论更可靠。

研究背景方面，南加州南海岸空气盆地（SoCAB）尽管过去几十年采取严格污染控制，仍存在美国最高的峰值臭氧水平；臭氧设计值（ozone design value，ODV）近期出现走平甚至回升，说明需要进一步理解臭氧对前体物人为氮氧化物（NO_x）与挥发性有机化合物（VOC）排放的响应。臭氧生成由NO_x-VOC相互作用下的非线性光化学过程控制，减排可能增臭也可能降臭，取决于大气处于NO_x受限还是VOC受限机制。已有方法包括地面观测、烟雾箱、箱式模型、航测、统计或机器学习模型以及化学传输模型（CTM）；观测类方法空间覆盖有限，CTM类方法可大范围评估政策情景但受排放、气象、化学机制不确定性影响。论文发表于《ACS ES&T Air》。

关键技术方法上，研究人员使用CMAQ 5.0.2耦合高阶解耦直接法（HDDM），以2016年臭氧季气象驱动，设置1985、2001、2011、2016、2028等历史与预估排放情景，并在2016基准上做NO_x、VOC小扰动及低排放扩展情景，共15组模拟；利用最大日8小时平均（MDA8）臭氧及一阶、二阶敏感性，按二次或对数二次响应函数最小二乘拟合构建CMAQ-HDDM臭氧等值线图。观测推导方法则利用1980—2019年监测点ODV与人为排放估计，主要采用对数二次函数拟合。样本来自SoCAB 24个监测站点。

研究结果中，3.1 CMAQ性能评估显示，2016年MDA8臭氧模拟总体满足评估标准；HDDM一阶NO_x敏感性与观测推导结果在近年一致性较好，1985年偏差较大，主要与早期排放估算不确定有关；用2016气象驱动其他年份时，1985和2001峰值臭氧低估约20%，调整VOC与NO_x排放后可改善，说明排放估算偏差是主因之一。3.2 CMAQ-HDDM推导等值线图表明，二次模型对臭氧浓度和臭氧对NO_x敏感性重现优于对数二次模型，二者对VOC敏感性重现相近；沿海站点受气象影响大，重现性较差；最小二乘拟合因臭氧量纲大于导数，天然更偏向再现浓度而非敏感性。3.3 观测推导与CMAQ-HDDM等值线图比较表明，NO_x敏感性两种方法相关性高于VOC敏感性；多数点位历史轨迹显示臭氧机制在2000年代后期由VOC受限转为NO_x受限；未来同等减排下NO_x削减更有效，内陆区域置信度更高。

讨论与结论部分翻译为：对SoCAB多数区域，CMAQ-HDDM与观测推导等值线图均表明臭氧机制已在2000年代后期由VOC受限过渡到NO_x受限。因此，对于相等的绝对排放量变化，进一步削减NO_x排放在实现未来臭氧下降方面比可比较的VOC控制更有效，对SoCAB内陆城市具有更高可信度。研究意义在于，研究人员用同一函数形式但不同数据源构建臭氧等值线图，证明CTM敏感性与长期观测诊断可互为校验；CMAQ-HDDM方法可用较少模拟扩展至电气化、变暖等历史范围外情景，为SoCAB及类似区域未来臭氧前体物控制策略提供机制依据。