由海陆风循环驱动的沿海城市环境中挥发性有机化合物（VOCs）的空间变化来源贡献

《Journal of Hazardous Materials》：Spatially varying source contributions to ambient consumed VOCs driven by sea-land breeze recirculation in a coastal city

本研究在青岛进行夏季每小时VOCs浓度监测，通过源解析发现海陆风显著影响VOCs消耗：海风携带清洁空气但促进陆源污染物循环，使石油化工（40.5%）和生物源（30.6%）VOCs消耗增强，陆风下交通源、烹饪源及溶剂使用呈现昼夜峰值。研究揭示了海陆风动态与源特异性反应性对VOCs消耗和O3形成的调控机制，为沿海城市精准治污提供依据。

　　

严涵|罗中伟|刘宝双|刁柳丽|何萌|史来远|张玉芬|冯银昌|陈阳|Philip K. Hopke

中国科学院重庆绿色智能技术研究院大气环境研究中心，中国重庆 400714

摘要

缓解沿海城市的臭氧（O₃）和二次有机气溶胶污染需要了解海陆风如何调节挥发性有机化合物（VOCs）的转化。2024年夏季，在中国北部沿海城市青岛进行了每小时一次的VOC测量。系统研究了在不同海陆风条件下VOCs的来源分配情况。结果表明，海风带来了相对清洁的空气，但也促进了陆地污染物的循环，导致不同的来源特定损失模式。消耗的VOCs主要来源于石化工业（40.5%）和生物源排放（30.6%），在海风作用下这些来源的贡献显著增加。在陆风条件下，车辆排放、汽油蒸发、液化石油气使用和天然气使用显示出与交通和居民烹饪等陆地活动相关的明显日变化峰值，而溶剂使用则更直接受到陆地排放的影响。然而，海风使得与车辆相关的来源贡献相对稳定，溶剂使用受到直接排放和循环排放的混合影响，燃烧贡献偶尔也会升高，这可能与海上航运有关。这些发现强调了海陆风动态和来源特定反应性在塑造VOCs消耗和O₃形成中的关键作用，为沿海城市的VOCs和O₃控制策略提供了重要启示。

引言

近年来，全球对流层臭氧（O₃）和二次有机气溶胶（SOA）污染的恶化已成为一个令人担忧的问题[1]、[2]、[3]，对公共健康[4]、[5]、气候变化[6]、[7]和空气质量[6]、[8]构成了严重威胁。为了有效缓解这些二次污染物，明确其主要前体——挥发性有机化合物（VOCs）的来源至关重要。因此，关于参与O₃和SOA形成的环境消耗VOCs来源分配的研究受到了越来越多的关注[9]、[10]、[11]、[12]。

目前，关于消耗VOCs来源分析的研究主要集中在分析方法[9]、[13]、[14]；VOCs反应性损失对来源分配的影响[11]、[15]；高O₃污染期间消耗VOCs的特性及其来源[10]、[14]、[16]；以及高温对排放VOCs的影响[10]、[17]。大多数研究是在内陆地区进行的，如北京[18]、天津[13]、石家庄[9]和郑州[19]等。相比之下，具有复杂海陆相互作用的沿海城市的研究仍然有限。尽管在中国北部的沿海城市青岛已经进行了环境消耗VOCs的来源分析[3]、[13]，但这些研究主要集中在方法论方面和高温的影响上。此外，一些研究调查了青岛中化学反应初始VOCs的来源（即在任何VOC物种发生化学反应之前的新鲜排放浓度）（例如Wu等人的研究[20]和Kong等人的研究[21]），但没有探讨不同海陆风条件下VOCs消耗的变化。

海陆风对沿海城市空气污染物的排放、传输和化学转化具有复杂而显著的影响[22]、[23]、[24]、[25]。全球范围内，关于不同海陆风条件对大气污染物影响的研究主要集中在细颗粒物（PM_2.5）和O₃[26]、[27]、[28]，以及在一定程度上对SOA[23]、[29]的影响上。然而，它们对不同来源的消耗VOCs的影响尚未得到充分探索。因此，研究不同海陆风条件和/或环流对来源解析的消耗VOCs的影响对于制定有效的沿海城市大气VOCs和O₃控制策略至关重要。

作为中国北部的一个大型沿海城市，青岛近年来经历了日益严重的O₃污染[30]、[31]，其O₃污染发生在对VOCs敏感的条件下[32]。海陆风循环通过扩散和循环作用显著影响青岛近地表O₃和/或VOCs的传输和积累。之前的研究已经描述了青岛的海陆风系统，揭示了与污染传输相关的关键动态。研究表明，海风在接近城市区域时会增强[33]，在亚热带高压边缘附近表现出更强、更早且更偏向东南方向的流动[34]，并在夏季午后达到频率和强度的峰值[35]。关键的是，白天的海风可以将前一晚从陆地带到海洋的污染物重新带回陆地，进一步促进沿海地区的污染物循环和积累[36]。因此，本研究以青岛为研究区域，利用2024年6月至8月的每小时VOCs数据，研究了不同海陆风条件对多种排放源产生的消耗VOCs的影响。这些发现为沿海城市的VOCs和O₃管理提供了信息支持。

站点和监测仪器

地点和监测仪器

2024年6月1日至8月31日期间，在青岛市崂山区（36.11°N, 120.47°E）测量了环境VOCs的每小时体积浓度数据（图1）。研究地点周围有主要道路：西北方向有两个车辆立交桥，南方向约20米处有一条交通道路。住宅区位于研究地点的西北和东南方向。该地点还靠近黄海（东南方向约1.9公里）。

日光条件下的VOCs光化学损失

在研究期间，白天环境TVOCs的平均初始浓度为41.9 ppbv，化学损失为25.8 ppbv，损失百分比（定义为损失与初始浓度的比例）为61.5%（图2）。这一损失百分比与石家庄报告的数值（58.9%）[9]相当，但明显高于纽约市（50.2%）[47]、武汉市（49.8%）[48]、北京市（28.2%）[49]、郑州市（29.9%）[19]、台北市（12.5%）[50]的数值。

结论

本研究调查了在不同海陆风条件下，来自多种排放源的消耗VOCs的特性。结果表明，VOCs发生了显著的光化学损失（TVOCs为61.5%），其中烯烃，特别是异戊二烯的贡献最大。海风带来了相对清洁的空气，但也促进了陆地污染物的循环，导致不同的来源特定损失模式。C-PMF分析显示...

环境意义

本研究揭示了海陆风显著增强了来自石化工业和生物源的VOCs的光化学消耗，加剧了青岛沿海地区的O₃形成潜力。这些发现突显了气象驱动的污染物循环在沿海空气质量恶化中的关键作用，强调了制定动态的、针对来源的VOC控制策略的必要性。

CRediT作者贡献声明

罗中伟：撰写——初稿，监督。Philip K. Hopke：撰写——审阅与编辑，监督。陈阳：监督。严涵：撰写——初稿，数据管理。史来远：调查。何萌：调查。冯银昌：监督。张玉芬：监督。刁柳丽：数据管理。刘宝双：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，监督，方法论。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号42477101）和天津市自然科学基金项目（项目编号25JCYBJC01390）的财政支持。