2021年9月環(huán)境領(lǐng)域國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊Environmental Pollution在線發(fā)表了劉春瓊副教授與史凱教授關(guān)于近地層大氣臭氧生成對(duì)前體物敏感性的研究方法的綜述性論文。

近年來(lái)我國(guó)大氣近地層O₃污染日趨嚴(yán)重，已成為繼PM_2.5之后困擾城市大氣環(huán)境質(zhì)量改善的重要污染物。近地層O₃并不是由污染源直接排放的一次污染物，而是由污染源排入大氣中的一次污染物在高溫及光照條件下經(jīng)過(guò)一系列光化學(xué)反應(yīng)生成的二次污染物。人們發(fā)現(xiàn)，近地層O₃的生成對(duì)其重要前體物（NO_x和VOCs）的響應(yīng)關(guān)系是高度非線性的，再加上O₃前體物種類繁多，因此污染控制難度很大。在不同的地區(qū)和不同的時(shí)間，NO_x和VOCs這兩種前體物對(duì)O₃生成的影響程度差異很大，這也就是人們常說(shuō)的O₃生成對(duì)其前體物的敏感性(O₃-NO_x-VOCs敏感性)變化很大。相關(guān)研究根據(jù)城市O₃污染對(duì)其前體物的敏感性，將城市分為“NO_x敏感區(qū)”、“VOC敏感區(qū)”和“混合敏感區(qū)”。在“NO_x敏感區(qū)”，O₃的產(chǎn)生更依賴于NO_x，此時(shí)改變VOC排放濃度對(duì)O₃的生成影響不大，而控制O₃生成的有效途徑是控制NO_x的排放；在VOC控制區(qū)，O₃的產(chǎn)生更依賴于VOC，此時(shí)控制NO_x排放對(duì)O₃的生成影響不大，反而可能由于削弱了NO的滴定作用使得O₃累積更多，造成O₃污染更為嚴(yán)重，而控制VOC排放則能達(dá)到控制O₃污染的目的。因此，要控制某個(gè)區(qū)域的O₃污染，就必須弄清當(dāng)?shù)?/span>O₃對(duì)其前體物的響應(yīng)關(guān)系(即O₃生成對(duì)其前體物的敏感性)。這對(duì)于確定符合科學(xué)比例且因地制宜的O₃前體物減排目標(biāo)、制定有效的O₃污染控制策略、改善空氣質(zhì)量有著重要的指導(dǎo)性意義。

然而，光化學(xué)反應(yīng)體系是一個(gè)復(fù)雜的巨系統(tǒng)，其涉及的中間產(chǎn)物數(shù)量龐大，各個(gè)光化學(xué)反應(yīng)之間存在著強(qiáng)烈的反饋與調(diào)節(jié)作用。此外，大氣系統(tǒng)又是一個(gè)開放的系統(tǒng)，氣象條件（如光照、氣溫、風(fēng)速、混合層高度等）、下墊面和區(qū)域輸送也是O₃污染的制約因素。諸多因素的綜合影響促使O₃與其前體物（NO_x和VOC）之間的耦合關(guān)系表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性特征，并存在顯著的時(shí)間變異特征和區(qū)域分布特征。各種復(fù)雜因素導(dǎo)致O₃及其前體物的相互作用關(guān)系在時(shí)間和空間分布上具有很強(qiáng)的不確定性，難以準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)表征和模擬。復(fù)雜性對(duì)O₃及其前驅(qū)體之間的非線性關(guān)系的研究提出了巨大挑戰(zhàn)。

數(shù)值模擬是研究近地層O₃污染問(wèn)題的重要手段。為了描述O₃污染的發(fā)生及其演化動(dòng)態(tài)，學(xué)者們基于大氣化學(xué)、物理和氣象學(xué)的理論原理，從微觀化學(xué)反應(yīng)和物理傳輸?shù)慕嵌瘸霭l(fā)，盡可能詳細(xì)地建立大氣中各種污染物的相互作用細(xì)節(jié)模型，從而構(gòu)建O₃污染動(dòng)態(tài)的精確數(shù)學(xué)模型，最終利用計(jì)算機(jī)技術(shù)求解，解析O₃及其前驅(qū)體之間的非線性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)近地層O₃污染動(dòng)態(tài)模擬的目的。這些模型從微觀的角度中詳盡地包含了區(qū)域的主要?dú)庀笠蛩兀欧徘鍐魏凸饣瘜W(xué)反應(yīng)機(jī)制，其物理化學(xué)意義明確，取得了大量卓有成效的研究成果。

然而，這些大氣數(shù)值模式所涉及的計(jì)算參數(shù)眾多、方程繁雜、參數(shù)估計(jì)工作巨大。實(shí)際大氣中與O₃生成密切相關(guān)的各種大氣非均相反應(yīng)極其復(fù)雜，不同時(shí)段中污染物來(lái)源的差異以及大氣顆粒物表面性質(zhì)的不同，都會(huì)導(dǎo)致大氣化學(xué)模型中的諸多重要參數(shù)產(chǎn)生較大的不確定性，有的甚至達(dá)到3個(gè)數(shù)量級(jí)，這勢(shì)必對(duì)大氣數(shù)值模式模擬的精確性帶來(lái)嚴(yán)重影響。由于大氣環(huán)境和氣象條件的復(fù)雜性，導(dǎo)致許多物理化學(xué)過(guò)程并不明晰，比如大氣光化學(xué)中化學(xué)成分組成、反應(yīng)速率、反應(yīng)條件、非均相反應(yīng)物化機(jī)制等也存在較多不確定性因素。特別是在COVID-19疫情管控常態(tài)化背景下，由于疫情的特殊性和未知性，個(gè)別地區(qū)仍可能隨時(shí)出現(xiàn)疫情，地方政府將不得不繼續(xù)采取嚴(yán)格管控措施，部分生產(chǎn)活動(dòng)可能隨時(shí)中斷，導(dǎo)致實(shí)時(shí)大氣排放清單存在極大的變化和不確定性。這些重要因素的不確定性勢(shì)必導(dǎo)致許多大氣數(shù)值模擬方法不確定性大、重復(fù)性弱，高濃度O₃生成的預(yù)測(cè)值和真實(shí)值之間仍然存在很大的不一致性。

縱觀當(dāng)前眾多大氣污染數(shù)值模型，盡管各模型基于的理論和功能有較大差異，主要都建立在“還原論”思維的基礎(chǔ)之上。這種確定性還原論思維的大氣光化學(xué)模式實(shí)際上均暗含了這樣一種基本假設(shè)：只要精確的知道了所有影響因子及其相互作用機(jī)制，就可以對(duì)大氣O₃的時(shí)空演化做出確定性的預(yù)測(cè)。然而，實(shí)際上，大氣環(huán)境系統(tǒng)是典型的復(fù)雜巨系統(tǒng)，其組成單元數(shù)目龐大，單元之間存在強(qiáng)烈的反饋與調(diào)節(jié)的非線性相互作用。要窮盡涉及大氣復(fù)合污染的所有影響因素及其作用機(jī)制顯然是不可能的，這樣也就影響了大氣污染過(guò)程預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。即使所有影響因子都非常確定，由于大氣系統(tǒng)本質(zhì)上是混沌系統(tǒng)，受到大氣系統(tǒng)內(nèi)部強(qiáng)烈的反饋與調(diào)節(jié)的非線性相互作用，大氣系統(tǒng)的長(zhǎng)期演化狀態(tài)會(huì)受到初始狀態(tài)的稍微改變而不可預(yù)測(cè)，從而也會(huì)給預(yù)測(cè)結(jié)果帶來(lái)不確定性。

復(fù)雜性系統(tǒng)科學(xué)是建立在“整體論”思維的基礎(chǔ)之上的研究途徑。這種整體論思維的研究方式，忽略了組成單元之間相互作用的微觀細(xì)節(jié)，而直接從宏觀整體的尺度上研究系統(tǒng)演化的非線性動(dòng)態(tài)特征。這樣就可減少微觀機(jī)制不確定性帶來(lái)的影響。大氣污染物濃度演化的時(shí)間序列，既包含著污染排放輸送等相對(duì)確定的信息，又包含著污染物和諸多影響因素之間的復(fù)雜非線性相互作用信息，如大氣化學(xué)、大氣湍流、氣象作用等非確定性的信息，整體上表現(xiàn)出復(fù)雜的非線性、非平穩(wěn)性特征。因而，引入復(fù)雜性系統(tǒng)科學(xué)理論和非線性方法，從“整體論”入手分析大氣污染多尺度演化內(nèi)在的非線性關(guān)聯(lián)特征，這對(duì)當(dāng)前大氣環(huán)境研究來(lái)說(shuō)是十分合理的一種研究途徑和重要補(bǔ)充。

近年來(lái)，直接基于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的時(shí)間序列數(shù)據(jù)，一些非線性方法（如分形、混沌、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)等）的應(yīng)用，成功揭示了O₃與其前體物在不同時(shí)空尺度上長(zhǎng)期耦合動(dòng)力學(xué)相關(guān)的自相似性質(zhì)，更準(zhǔn)確的描述了O₃與其前體物的非線性作用關(guān)系。這些不同時(shí)空尺度涌現(xiàn)的非線性特性緊密聯(lián)系著大氣光化學(xué)本征動(dòng)力學(xué)。不同于大氣污染數(shù)值模型，非線性方法完全基于直接基于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的時(shí)間序列數(shù)據(jù)開展分析，重點(diǎn)在于通過(guò)不同時(shí)間尺度上污染數(shù)據(jù)的非線性相關(guān)性質(zhì)的測(cè)定來(lái)評(píng)估大氣污染系統(tǒng)的本征動(dòng)力學(xué)。因此非線性方法從整體論的角度入手，忽略許多參數(shù)的估計(jì)工作，這也就導(dǎo)致了不確定因素帶來(lái)的影響相對(duì)較小，簡(jiǎn)化了模擬的仿真過(guò)程。最新研究已經(jīng)表明，將非線性特征參量融入O₃預(yù)測(cè)模型，有助于減少模型中的不確定性，提高模擬預(yù)測(cè)的精確性。

如今，復(fù)雜科學(xué)理論的非線性方法仍處于高速發(fā)展階段，許多全新的研究方法仍在不斷的改進(jìn)和提出中。相關(guān)環(huán)境學(xué)者對(duì)此數(shù)學(xué)方法并不熟悉，也就不了解其應(yīng)用價(jià)值，限制了相關(guān)研究工作的推進(jìn)。因此本文的研究動(dòng)機(jī)也在于全面理清相關(guān)研究方法的發(fā)展脈絡(luò)。本文全面綜述了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外在O₃生成對(duì)其前體物敏感性方面的研究方法，并強(qiáng)調(diào)各種“整體論”和”還原論”方法組合應(yīng)用的前景和價(jià)值，指出未來(lái)可能獲得突破的研究方法。

本文的主要結(jié)構(gòu)如下。第1節(jié)是引言；第2節(jié)描述了O₃-NO_x-VOC光化學(xué)機(jī)理、氣象效應(yīng)以及影響O₃化學(xué)的其他因素；第3節(jié)評(píng)述了各種當(dāng)前流行的研究O₃-NO_x-VOC敏感性方法的優(yōu)劣性，包括基于模型的方法和基于觀察的方法。在第4節(jié)中，全面綜述了近年來(lái)基于復(fù)雜性科學(xué)非線性方法研究O₃-NO_x-VOC光化學(xué)非線性動(dòng)力學(xué)的研究工作。這一部分中，首次提出O₃-NO_x-VOC敏感性研究方法的整體觀，旨在提倡O₃-NO_x-VOC敏感性研究方法中“還原論”與“整體論”思維的緊密結(jié)合以改進(jìn)現(xiàn)有計(jì)算方法，以期更全面理解近地層O₃生成對(duì)其前體物的非線性響應(yīng)關(guān)系。這篇綜述強(qiáng)調(diào)將非線性方法獲得的O₃演化過(guò)程中的涌現(xiàn)特性納入現(xiàn)代大氣光化學(xué)數(shù)值模型的必要性。此外，在O₃及其前體的實(shí)際觀測(cè)中檢測(cè)到的多時(shí)間尺度非線性耦合相關(guān)特性可用于測(cè)試并提高現(xiàn)代數(shù)值模型的仿真性能。

相關(guān)工作獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金（52160024）和湖南省自然科學(xué)基金（2020JJ4504）的資助。

劉春瓊，博士/副教授，主要從事大氣污染的非線性研究。

聯(lián)系郵箱：[email protected]

史凱，博士/教授，主要從事大氣污染的非線性研究。

聯(lián)系郵箱：[email protected]