石油天然气开采对对流层臭氧和区域空气质量的影响研究

Oil and natural gas are among the most important fossil fuels and play essential roles in energy use and economic development, but extraction of these resources could potentially bring about a series of ecological and environmental problems. In recent, significant progress has been made in the shale gas (and oil) prospection and extraction techniques, which largely lessened the situation of energy shortage but at the same time increased the environmental concerns by the expansion in oil and gas production. Extraction of oil and natural gas emits into the atmosphere large amounts of volatile organic compounds (VOCs) and nitrogen oxides (NOx). These primary pollutants not only pose a direct threat to human health, but also can undergo complex chemical reactions to form secondary pollutants like ozone (O3) and organic aerosols. Recent observational studies in North America have demonstrated the unique “winter ozone smog” – rapid formation of O3 at low temperatures – in the oil and gas producing region, which has not been fully understood to date. In this project, we propose to combine comprehensive field measurements and chemical modeling analyses, to understand the emission characteristics, chemical aging, and impacts on ozone and organic aerosol formation of the oil and natural gas extraction activities in China. The anticipated research outputs will enrich the current understandings of the formation of atmospheric environmental problems (i.e., rising tropospheric O3 and severe regional air pollution) in China, and are also much valuable for evaluating the potential impacts of the ongoing shale gas development on the regional and global atmospheric environments.

石油和天然气作为重要的化石燃料，在社会经济发展中发挥着重要作用，但其开采和利用却可能带来一系列生态环境问题。近年来，页岩气、油页岩等非常规油气资源的勘探和开采技术逐步取得突破，改善了人们对于能源紧张形势的预期，同时也加剧了关于油气开发引起环境问题的担忧。油气资源的开采向大气中排放了挥发性有机物和氮氧化物等大量污染物，它们不仅本身对人体健康有较大危害，还可以在空气中发生复杂的化学反应生成臭氧和有机气溶胶等二次污染物，因而对区域空气质量和气候变化都有重要影响。最近，美国的油气田科学实验发现了严重的冬季臭氧污染问题，引起了广泛关注，但其成因尚不明确。本项目拟在我国典型的油气田组织科学实验，结合大气化学模式，系统研究油气开采活动的污染物排放组成、化学老化机理及对臭氧和有机气溶胶的影响。项目研究成果可以丰富有关我国区域大气污染成因的科学认识，也有助于评估未来页岩气（油）开发对于区域大气环境的影响。

石油天然气的开采与利用是大气污染的重要排放源，对区域大气化学和空气污染具有重要贡献。长期以来，国内外相关研究主要侧重于评估油气等资源利用（如石油化工等）对大气污染的影响，却很少关注油气开采活动的污染物排放及其环境效应。为科学评估油气开采活动对我国区域大气环境的影响，本项目以黄河三角洲（典型油田地区）为主要研究区域，通过在油田开采源区和区域受体站点开展外场观测实验，结合化学盒子模型和区域空气质量模型，系统研究了油田挥发性有机物（VOCs）的排放特征、大气光化学过程及其对区域臭氧和颗粒物污染的影响。项目首次获得了我国典型油田排放的VOCs源成分谱，构建了黄河三角洲地区油田VOCs排放清单，在此基础上模拟评估了油田排放对区域大气VOCs和臭氧污染的重要影响。项目查清了黄河三角洲区域大气中臭氧、VOCs（包括非甲烷烃、卤代烃和醛酮类化合物等）、HONO和PM2.5的污染现状、变化特征和主要来源，揭示了大气氧化能力、自由基化学循环以及臭氧和二次气溶胶的生成机制，比较了MCM和RACM2两种常用大气化学反应机理对大气光化学的模拟效果，并发展了可以快速解析臭氧区域传输和化学生成机制的拉格朗日光化学轨迹模型。项目共发表学术论文12篇（包括SCI论文11篇），其中第一标注7篇，申请发明专利1项，参加国内外学术会议并作学术报告13人次，培养博士后（在站）1人和研究生7人（其中毕业5人，包括博士1人和硕士4人）。项目负责人获得国家自然科学基金优秀青年科学基金资助和中国环境科学学会青年科学家优秀奖。项目取得的研究成果和资料将有助于科学评估石油天然气开采对我国区域大气环境的影响，并为黄河三角洲和华北地区的区域大气复合污染防治提供科学和技术支撑。

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