韓函，柳競先，章迅

（南京大學(xué) a.大氣科學(xué)學(xué)院，b.國際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所，南京 210023）

臭氧（O3）是一種危害人體健康與植被生長的大氣污染物。近地面臭氧主要是在光照條件下，由一氧化碳（CO）與揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）及氮氧化合物（NOx）通過光化學(xué)反應(yīng)生成[1]，少部分來自平流層向下傳輸[2]。伴隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展、工業(yè)化、城市化等過程，中國臭氧污染問題嚴(yán)重，誘發(fā)了一系列經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境問題，引起中國及世界的廣泛關(guān)注[3-4]。近20 年來，中國、日本、韓國等東亞地區(qū)的臭氧濃度呈現(xiàn)顯著上升趨勢[5-6]。

地表臭氧濃度主要受排放及氣象條件等因素的影響。這些因素均可以影響東亞地表臭氧濃度的逐日變化、季節(jié)變化、年際變化及趨勢[7-8]。從長期看，Sun[9]等指出，1949 年至2015 年間，中國人為源NOx、CO 及非甲烷揮發(fā)性有機(jī)物（NMVOCs）的排放平均每年分別增長了5.9%、3.8%、4.6%。人為源排放的增加是中國臭氧濃度呈上升趨勢的主要因素。從短期趨勢看，Zheng[10]等發(fā)現(xiàn)，2010 年至2017 年間，中國人為源NOx的排放減少了17%，CO 排放減少了27%，NMVOCs 排放增加了11%。中國臭氧濃度在這幾年仍在上升[11]，包括天氣、氣候等多尺度系統(tǒng)的氣象條件可通過化學(xué)反應(yīng)與物理傳輸兩種途徑影響地表臭氧濃度[12]。例如在反氣旋中心地區(qū)，陽光充足，風(fēng)速較低，利于臭氧生成與積聚；氣旋中心地區(qū)則情況相反[4，13]。臺(tái)風(fēng)來臨前，外圍的下沉氣流、高溫、晴朗天氣可使沿海地區(qū)地表臭氧濃度升高[14]。東亞夏季風(fēng)越強(qiáng)，中國南部臭氧地表濃度越高[15-17]。

通過大氣環(huán)流的傳輸作用，區(qū)域性臭氧濃度受本地與外來臭氧及其前體物的影響[18-23]。由于對流層臭氧具有1 周至1 月的壽命，中國境內(nèi)高臭氧濃度對下風(fēng)向地區(qū)有顯著影響，如韓國、日本[24-25]。許多研究表明，通過跨太平洋與跨大西洋傳輸，東亞的人為源排放會(huì)增加北美及歐洲的臭氧濃度[26-28]。然而，雖然有研究認(rèn)為北美人為源對東亞地表臭氧的貢獻(xiàn)與東亞對北美的貢獻(xiàn)相當(dāng)，但是境外排放源對東亞臭氧的影響卻沒有得到足夠的重視，相關(guān)研究較少[29-30]。

臭氧不能直接從生物質(zhì)燃燒中產(chǎn)生，但生物質(zhì)燃燒是臭氧前體物的重要來源[31]，生物質(zhì)燃燒對東亞地表臭氧有顯著影響[32-33]。例如，6 月份中國東部農(nóng)業(yè)秸稈燃燒使長三角地區(qū)臭氧濃度增加27%～39%[34]。Chan 等[35]發(fā)現(xiàn)，東南亞地區(qū)生物質(zhì)燃燒占全球總生物質(zhì)燃燒對香港地表CO 影響的50%，說明了境外生物質(zhì)燃燒排放對東亞空氣污染的重要影響。目前關(guān)于境外生物質(zhì)燃燒對東亞臭氧影響的研究十分欠缺，相關(guān)認(rèn)識(shí)不充分。

文中基于一個(gè)在大氣化學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的全球大氣化學(xué)傳輸模式GEOS-Chem，使用敏感性分析法與線性加權(quán)法，量化春季全球各個(gè)地區(qū)生物質(zhì)燃燒對東亞地表臭氧濃度的貢獻(xiàn)，為東亞臭氧污染控制提供科學(xué)依據(jù)。春季是東亞臭氧濃度比較易于受境外影響的季節(jié)[19，22-23]，文獻(xiàn)中報(bào)道過春季時(shí)境外生物質(zhì)燃燒中產(chǎn)生的空氣污染物對東亞的影響[36]，因此本研究選取春季（3—5 月）作為研究季節(jié)。春季全球生物質(zhì)燃燒的空間分布特征如圖1 所示?；瘘c(diǎn)數(shù)據(jù)來源于MODIS Collection 6 產(chǎn)品（https：//earthdata.nasa.gov/earth-observation-data/near-real-time/firms）。春季時(shí)，東南亞地區(qū)、非洲西部、非洲南部、北美南部、澳大利亞北部生物質(zhì)燃燒較為顯著。文中，東亞內(nèi)部生物質(zhì)燃燒對東亞臭氧的貢獻(xiàn)稱為本地貢獻(xiàn)，東亞外部生物質(zhì)燃燒對東亞臭氧的貢獻(xiàn)稱為境外貢獻(xiàn)。

1 模式介紹與方法

GEOS-Chem[37]（http：//geos-chem.org）是由哈佛大學(xué)開發(fā)并管理的三維全球化學(xué)傳輸模式，包含較為全面的對流層化學(xué)機(jī)制。它由美國航空航天局（NASA）的全球建模與同化辦公室（Global Modeling and Assimilation Office， GMAO）研發(fā)的同化氣象場數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。前人的很多研究已經(jīng)驗(yàn)證了GEOS-Chem 模擬的對流層臭氧濃度在全球不同地區(qū)具有很強(qiáng)的可靠性，如北美[38，40]及東亞[23，38-40]。在之前關(guān)于臭氧遠(yuǎn)距離傳輸?shù)难芯恐?，筆者采用了與本研究基本相同的排放源及氣象場，并利用Ozonesonde 探空及TES 衛(wèi)星觀測對模擬進(jìn)行了詳細(xì)驗(yàn)證，結(jié)果較為理想[22-23]。

本研究使用 MERRA 氣象場數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng) GEOS- Chem（v9-02），空間水平分辨率是2.5°經(jīng)度×2°緯度，垂直方向共47 層。傳輸與化學(xué)時(shí)間步長分別是10、20 min。使用的人為源排放清單包括基于2000 年的EDGAR3.2 全球源，并在部分地區(qū)使用區(qū)域源替換，如2006 年INTEX-B 亞洲排放源[41]、2005 年美國NEI05 排放源、2005 年歐洲EMEP 排放源等。生物質(zhì)燃燒與植被排放源分別使用 GFED3[42]與 MEGAN2.1[43]。閃電NOx排放的計(jì)算基于Allen[44]及Ott[45]等提出的方案。

根據(jù)全球不同地區(qū)的生物質(zhì)燃燒排放特征及其對東亞影響的可能性大小，將全球分為8 個(gè)地區(qū)，分別是東亞（95°E-150°E， 20°N-60°N）、北美（170°W- 65°W， 15°N-70°N）、歐洲（15°E-50°E， 35°N-70°N）、非 洲（ 20°W-30°E， 15-35°N 以 及 20°W-55°E， 35°S-15°N）、中亞（50°E-95°E， 35°N-60°N）、南亞（60°E-95°E， 5°N-35°N）、東 南 亞（95°E-140°E， 10°S-20°N）及其他地區(qū)（見圖1）。然后使用敏感性分析（開關(guān)源）的方法，定量不同地區(qū)生物質(zhì)燃燒的貢獻(xiàn)。本研究共進(jìn)行1 次控制實(shí)驗(yàn)（CE）及9 次敏感性實(shí)驗(yàn)（SE1-SE9）（見表1）。每個(gè)實(shí)驗(yàn)的模擬時(shí)間是2004 年3 月—2005 年5 月（2004 年3 月—2005 年2月用作模式“熱啟動(dòng)”）。在其中一次敏感性實(shí)驗(yàn)中，關(guān)閉臭氧前體物的全球所有生物質(zhì)燃燒排放（SE1）。然后將控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果與此敏感性實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果作差，即可得到全球生物質(zhì)燃燒對臭氧的貢獻(xiàn)。在另外8 次敏感性實(shí)驗(yàn)（SE2—SE9）中，分別關(guān)閉8 個(gè)地區(qū)的生物質(zhì)燃燒排放源。因?yàn)槌粞醯纳删哂谢瘜W(xué)非線性特征，所以本研究使用式（1）的線性加權(quán)法處理后8 種敏感性實(shí)驗(yàn)的結(jié)果[30，46]。對于每一個(gè)格點(diǎn)，針對不同地區(qū)敏感性實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的比例關(guān)系，然后將全球生物質(zhì)燃燒排放的貢獻(xiàn)線性分配到這8 個(gè)地區(qū)。

式中：3Okc 指地區(qū)k 生物質(zhì)燃燒排放引起的臭氧濃度；SEkc 指地區(qū)k 對應(yīng)的敏感性實(shí)驗(yàn)結(jié)果；SEic 指地區(qū)i 對應(yīng)的敏感性實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表1 敏感性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2 結(jié)果分析

2.1 境外與本地生物質(zhì)燃燒的貢獻(xiàn)

GEOS-Chem 模擬的春季全球地表臭氧濃度及全球生物質(zhì)燃燒對此臭氧的貢獻(xiàn)如圖2 所示。春季中國西部青藏高原地區(qū)臭氧濃度較高（見圖2a），可能是因?yàn)榇说睾０屋^高，春季平流層臭氧向下傳輸?shù)呢暙I(xiàn)較大[8，47]。從絕對值來看（見圖2b），春季時(shí)全球生物質(zhì)燃燒對東亞不同區(qū)域地表臭氧濃度的貢獻(xiàn)約為1×10-9～5×10-9，對中國南部的西南區(qū)域影響最大。從相對值來看（見圖3a），春季時(shí)因全球生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的臭氧占東亞地區(qū)地表臭氧的2%～5%。生物質(zhì)燃燒對中國南部和東北部貢獻(xiàn)較大，對中國北部與朝韓及日本地區(qū)貢獻(xiàn)較小。從區(qū)域平均看，春季全球生物質(zhì)燃燒對東亞地表的貢獻(xiàn)為2%～3%（見圖3b）。有研究指出，春季全球人為源排放對東亞地表貢獻(xiàn)約在4×10-9～20 ×10-9[19，30]。

圖2 GEOS-Chem 模擬的2005 年春季地表總臭氧 及因全球生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生臭氧的水平分布

春季本地與境外生物質(zhì)燃燒對東亞地表臭氧濃度貢獻(xiàn)的水平分布如圖4 所示，本地與境外占全球總生物質(zhì)燃燒排放對東亞地表臭氧濃度貢獻(xiàn)的比例如圖5 所示。從圖4 和圖5 可以看出，基本在東亞所有地區(qū)，境外生物質(zhì)燃燒的貢獻(xiàn)大于境內(nèi)。相較于其他子區(qū)域，本地生物質(zhì)燃燒的貢獻(xiàn)在中國東北部與中國南部更大，可達(dá)總生物質(zhì)燃燒貢獻(xiàn)的40%～50%。在東亞各個(gè)地區(qū)，境外生物質(zhì)燃燒的貢獻(xiàn)基本可占總生物質(zhì)燃燒貢獻(xiàn)的60%以上。境外生物質(zhì)燃燒對中國南部的貢獻(xiàn)最大，可達(dá)3×10-9。

2.2 全球各個(gè)地區(qū)生物質(zhì)燃燒的貢獻(xiàn)

在春季全球生物質(zhì)燃燒排放對東亞地表臭氧的貢獻(xiàn)中，各個(gè)地區(qū)所占的比例如圖6 所示。從東亞平均看，本地生物質(zhì)燃燒的貢獻(xiàn)占比為25%。在外部源區(qū)中，非洲與東南亞的生物質(zhì)燃燒最重要，分別占總 生物質(zhì)燃燒對東亞貢獻(xiàn)的23%與21%。北美、歐洲、中亞與南亞的生物質(zhì)燃燒均分別占全球生物質(zhì)燃燒貢獻(xiàn)的10%以下。

圖3 2005 年春季全球總生物質(zhì)燃燒對東亞地區(qū)地表臭氧相對貢獻(xiàn)的水平分布及其區(qū)域平均值

從圖4 和圖5 可以看出，境外生物質(zhì)燃燒對東亞臭氧的影響存在一定的空間差異性，因此更細(xì)致地分析全球不同地區(qū)對東亞不同子區(qū)域的貢獻(xiàn)，如圖7 所示。東亞子區(qū)域包括中國東北部（Northeast China， NECH）、中國北部（North China， NCH）、中國南部（South China， SCH）與朝韓及日本（Korean Peninsula and Japan， KJP）。由于西伯利亞地區(qū)的野火，東亞對中國東北部的貢獻(xiàn)占全球生物質(zhì)燃燒貢獻(xiàn)的38%，比對東亞其他子區(qū)域的影響更大（見圖7a）。春季是東南亞地區(qū)生物質(zhì)燃燒頻發(fā)的季節(jié)，東南亞生物質(zhì)燃燒對中國南部臭氧影響顯著，占全球總生物質(zhì)燃燒對中國南部臭氧貢獻(xiàn)的37%（見圖7c）。春季非洲也存在。大面積生物質(zhì)燃燒，其產(chǎn)生的臭氧前體物及臭氧可通過哈德萊環(huán)流及西風(fēng)帶傳輸至東亞[22]。非洲生物質(zhì)燃燒對中國東北部、中國北部、中國南部與朝韓及日本 臭氧貢獻(xiàn)分別占全球總生物質(zhì)燃燒對中國貢獻(xiàn)的22%、29%、16%、29%

圖4 2005 年春季本地與境外生物質(zhì)燃燒對 東亞地表臭氧的貢獻(xiàn)

為了比較各個(gè)地區(qū)生物質(zhì)燃燒排放輸出之間的差異及各個(gè)地區(qū)生物質(zhì)燃燒對東亞的相對重要性，根據(jù)Fiore[19]等的研究定義了兩個(gè)指數(shù)：輸出效率與輸入效率。輸出效率定義為某個(gè)境外地區(qū)生物質(zhì)燃燒對東亞地表臭氧貢獻(xiàn)與該境外地區(qū)生物質(zhì)燃燒對自身貢獻(xiàn)的比值。輸出效率越高，說明該境外地區(qū)生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的臭氧越易于輸出至東亞。輸入效率定義為某個(gè)境外地區(qū)生物質(zhì)燃燒對東亞地表臭氧的貢獻(xiàn)與東亞生物質(zhì)燃燒對自身貢獻(xiàn)的比值。輸入效率越高，表示該境外地區(qū)生物質(zhì)燃燒對東亞地表臭氧的相對重要性越高。各源區(qū)春季輸出效率與輸入效率如圖8 所示，可以看出，春季東南亞和非洲的輸入效率遠(yuǎn)大于其他地區(qū)，而歐洲輸入效率最小。這說明春季東南亞和非洲因生物質(zhì)燃燒所生產(chǎn)的臭氧對東亞影響最大。輸出效率卻是非洲最低，這是 由于非洲與東亞距離較遠(yuǎn)，因非洲生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的臭氧僅有相對少部分傳輸?shù)綎|亞。歐洲因其到東亞的距離較短，輸出效率最高。在6 個(gè)源區(qū)中，南亞的輸出效率排名靠后，可能是因?yàn)榍嗖馗咴吆?拔地形的阻隔作用[30]。

圖5 2005 年春季本地與境外生物質(zhì)燃燒占全球生物質(zhì)燃燒對東亞地表臭氧總貢獻(xiàn)的比例

圖6 2005 年春季各個(gè)地區(qū)生物質(zhì)燃燒占全球總生物質(zhì)燃燒對東亞地表臭氧總貢獻(xiàn)的比例

圖7 2005 年春季各個(gè)地區(qū)生物質(zhì)燃燒占全球總生物質(zhì)燃燒對中國東北部、中國北部、中國南部、朝韓及日本地表臭氧貢獻(xiàn)的比例

圖8 2005 年春季全球各個(gè)地區(qū)生物質(zhì)燃燒對東亞地表臭氧貢獻(xiàn)的輸出及輸入效率

3 結(jié)論

基于全球化學(xué)傳輸模式GEOS-Chem 數(shù)值模擬，使用敏感性分析法與線性加權(quán)法，定量描述了東亞境外及本地生物質(zhì)燃燒排放對東亞地表臭氧的貢獻(xiàn)，比較分析了全球不同地區(qū)生物質(zhì)燃燒對東亞不同子區(qū)域影響之間的差異。主要結(jié)論包括以下幾點(diǎn)。

1）春季全球總生物質(zhì)燃燒排放源對東亞地表臭氧貢獻(xiàn)在1×10-9～5×10-9之間，最大影響區(qū)域是中國南部。

2）從絕對貢獻(xiàn)上看，在東亞各子區(qū)域中，境外生物質(zhì)燃燒對中國南部地表臭氧貢獻(xiàn)最大，可達(dá)3×10-9。

3）從相對貢獻(xiàn)上看，在全球總生物質(zhì)燃燒對東亞地表臭氧影響之中，境外生物質(zhì)燃燒占比為75%，遠(yuǎn)大于本地生物質(zhì)燃燒的影響。更詳細(xì)地說，境外生物質(zhì)燃燒占全球總生物質(zhì)燃燒貢獻(xiàn)的比例在中國北部最大，達(dá)到82%，在東北最小，僅為62%。換言之，本地生物質(zhì)燃燒的相對貢獻(xiàn)在中國東北部最大，在中國北部最小。

4）在所有境外源區(qū)中，境外生物質(zhì)燃對東亞地表臭氧影響最大的源區(qū)是非洲和東南亞。

更詳細(xì)地說，對中國南部影響最大的境外源區(qū)是東南亞，對中國東北部、中國北部、朝韓及日本影響最大的境外源區(qū)是非洲。

本研究揭示了春季境外生物質(zhì)燃燒排放源對東亞地表臭氧的影響。選擇2005 年春季，是因?yàn)?005年春季生物質(zhì)燃燒沒有明顯的極端事件[48-49]，可以大致代表平均狀況。使用MODIS 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)了近15 年來春季全球火點(diǎn)數(shù)量，其在2005 年的值與多年平均值很接近（見表2）。由于全球生物質(zhì)燃燒具有一定的年際變化，未來工作需研究生物質(zhì)燃燒的年際變化及趨勢的影響，尤其是對東亞影響較大的地區(qū)，如非洲與東南亞。近20 年來，全球平均生物質(zhì)燃燒呈現(xiàn)顯著下降趨勢，非洲春季火點(diǎn)也在減少，但是東南亞的火點(diǎn)在顯著上升[48-49]。因此，與文中結(jié)果相比，在近兩年，非洲生物質(zhì)燃燒對東亞的影響可能更小，但是東南亞生物質(zhì)燃燒的影響更大，本研究的結(jié)果具有一定的不確定性。臭氧的生產(chǎn)與消亡過程具有較強(qiáng)的非線性[19]，比如表現(xiàn)在生物質(zhì)燃燒排放與人為源臭氧前體物之間的化學(xué)反應(yīng)。雖然本研究使用了開關(guān)源及線性加權(quán)的方法較好地定量了全球各個(gè)源區(qū)的貢獻(xiàn)，但是對非線性問題的線性化處理仍具有一定的誤差。另外，本研究的目的是定量描述境外生物質(zhì)燃燒對東亞臭氧的貢獻(xiàn)，因此沒有著重研究傳輸機(jī)制。在分析中，應(yīng)用遠(yuǎn)距離污染物傳輸?shù)南嚓P(guān)知識(shí)對模式結(jié)果進(jìn)行了簡要解釋，還根據(jù)輸出效率與輸入效率指數(shù)，研究了全球不同源區(qū)對東亞的相對貢獻(xiàn)及傳輸機(jī)制在不同源區(qū)之間的差異。更詳細(xì)的境外污染物傳輸至東亞的機(jī)制分析可參見筆者之前關(guān)于臭氧的研究[22-23]，也是未來繼續(xù)探索的方向。

表2 MODIS Collection 6 春季全球、非洲及 東南亞火點(diǎn)數(shù)量（萬個(gè)）

在21 世紀(jì)過去的近20 年里，中國政府及公眾關(guān)于治理大氣污染的工作主要放在酸雨及顆粒物污染方面，并取得了很好的成就。2010—2017 年間，中國人為源NOx、CO 排放有所下降[9-10]，NMVOCs 的排放仍在增長[9-10]。減少中國人為源NMVOCs 的排放，對于控制東亞臭氧污染也必不可少[4，50]。中國臭氧污染治理不僅需要減少人為源排放，也需要加深對自然源的理解。控制生物質(zhì)燃燒，如減少森林大火，禁止秸稈燃燒，對降低中國臭氧污染具有重要作用。東亞臭氧污染的治理需要東亞各國的努力，也需要與東亞之外其他國家或地區(qū)的良好合作。

致謝：文中所用GEOS-Chem 模式由哈佛大學(xué)開發(fā)并管理。