基于激光雷達技術的海峽西岸城市典型臭氧污染過程研究

潘萬藝

（福建省廈門環(huán)境監(jiān)測中心站，福建 廈門 361022）

0 引言

2020年我國藍天保衛(wèi)戰(zhàn)勝利收官，環(huán)境空氣質量持續(xù)改善，細顆粒物（PM2.5）濃度持續(xù)降低，但是臭氧（O3）濃度卻逐年升高，并呈現出污染程度加重、影響范圍擴大的態(tài)勢，已經成為影響空氣質量的關鍵問題。有研究表明，不利的氣象條件、較高的O3背景濃度、氮氧化物（NOx）和揮發(fā)性有機物（VOCs）等前體物排放量增加以及區(qū)域性傳輸都是造成O3污染的重要原因[1-3]。

大氣臭氧探測激光雷達應用差分吸收光譜的方法能夠實時在線監(jiān)測臭氧空間立體分布，同時該雷達還能同時實時反演氣溶膠的消光系數，不僅能夠顯示臭氧和顆粒物的空間分布狀態(tài)，而且能夠準確說明臭氧和顆粒物的分布強度及隨時間演變規(guī)律，為臭氧的立體實時監(jiān)測、區(qū)域之間的污染傳輸和沉降監(jiān)測等提供了有力的數據支撐。

廈門市作為經濟發(fā)達的沿海城市，各類工業(yè)源、移動源排放量大且氣象條件復雜，臭氧污染防治壓力大。該文采用激光雷達觀測技術對廈門市2022年8月和9月兩次典型的O3污染過程進行研究，分析了兩次O3污染的傳輸來源，為廈門市的臭氧污染防治和預警預報工作提供參考。

1 材料與方法

1.1 區(qū)域概況

廈門市是中國東南部沿海城市，東與泉州晉江市相接，西與漳州長泰縣相連，南與金門列島隔海相望，北與泉州安溪、南安交界。廈門屬于亞熱帶海洋性季風氣候，溫和多雨，年平均氣溫在21℃左右。年平均降雨量在1200 m左右，每年5~8月雨量最多，風力一般3~4級，常年主導風向為東北風。

1.2 數據來源

廈門市近地面站點空氣質量常規(guī)六參數、氣象數據及臭氧激光雷達監(jiān)測數據均來自于廈門市大氣超級監(jiān)測站，該站點位于廈門市思明區(qū)，周邊以居民區(qū)，商住混合區(qū)為主，無明顯污染源，能夠客觀地反映區(qū)域的空氣質量狀況。

后向軌跡模型采取混合單顆粒拉格朗日函數綜合軌跡模型（又稱HYSPLIT后向軌跡模型），該模型是由美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）和澳大利亞氣象局聯合研發(fā)的，具有處理多種氣象要素輸入場、多種物理過程和不同類型污染物排放源功能的較為完整的輸送、擴散和沉降模式，是一種計算和分析大氣污染物輸送、擴散軌跡的專業(yè)模型，已經被廣泛地應用于多種污染物在各個地區(qū)的傳輸和擴散的研究中[4-6]。后向軌跡模擬采用的氣象數據來自美國國家環(huán)境預報中心的GDAS數據，氣流高度選取100 m、500 m和1000 m，模擬氣團24 h后向軌跡。

2 污染過程分析

2.1 天氣情況分析

廈門市8月和9月的臭氧污染過程分別出現在8月26—28日和9月12—13日，該時段內，廈門市主要以多云與晴天天氣為主，風力較小，日氣溫變化幅度不大，每日溫差保持在8℃~10℃，最高氣溫在33℃~35℃，氣溫較高，有利于臭氧光化學反應生成[7-10]。該時段內臭氧共超標3天，分別為8月27日、9月12日和9月13日，環(huán)境空氣質量指數（AQI）分別為149、118和110，首要污染物均為臭氧。

2.2 站點監(jiān)測數據分析

2.2.1 8月26—28日

從圖1可以看出，8月26—28日，PM2.5和PM10變化情況較為一致，在每日傍晚至夜間時段逐漸升高，與晚高峰污染排放較強及夜間邊界層下壓導致的擴散條件不利有關，臭氧變化則呈現典型的午后單峰變化規(guī)律，其中在27日16時達到最大值為313μg/m3，超過《環(huán)境空氣質量標準》（GB 3095—2012）中規(guī)定的臭氧8小時二級標準（160μg/m3）近一倍，從站點氣象條件來看，臭氧高峰時段主導風向為偏南風，因此可以推斷午后出現的臭氧峰值應可能與水平傳輸有關。

圖1 2022年8月26—28日空氣站點六參數/氣象要素時間序列圖

2.2.2 9月12-14日

從圖2可以看出，9月12—14日，PM2.5和PM10變化波動較大，在午后14—16時容易出現高值，可能與該站點附近的揚塵污染源規(guī)律性排放有關，臭氧變化則呈現典型的午后單峰變化規(guī)律，分別在9月12日11—21時、9月13日11—23時、9月14日12—19時超過臭氧8小時二級標準（160μg/m3），其中13日臭氧夜間持續(xù)保持高值，可能與夜間臭氧殘留有關，因此初步推斷本輪臭氧污染的主要原因是臭氧跨區(qū)域輸送和夜間積累混合生成。

圖2 2022年9月12—14日空氣站點六參數/氣象要素時間序列圖

2.3 臭氧污染過程分析

2.3.1 8月26—28日典型臭氧污染過程

圖3為8月26—28日臭氧激光雷達監(jiān)測結果，圖中上半部分為大氣消光系數反演結果，說明了大氣顆粒物污染情況，下半部分為大氣臭氧濃度反演結果，從圖中可以看出，26日白天12時后，太陽輻射加劇，光化學反應較為強烈，近地面臭氧濃度逐漸升高，但未造成臭氧污染，呈現典型的臭氧日單峰變化規(guī)律。27日12時后，光化學反應劇烈，近地面至低空1 km出現高濃度臭氧污染團，該污染團與近地面光化學反應生成的臭氧混合，造成地面站點臭氧數據持續(xù)超標，然后一部分臭氧向高空擴散，一部分臭氧殘留至夜間。結合圖4的100 m、500 m和1000 m高度的氣流后向軌跡分析發(fā)現，該污染團主要來自西南部沿海城市經低空海上氣流抬升后傳輸至廈門。28日3時后，監(jiān)測到持續(xù)降雨過程，降雨帶來的降溫及濕清除作用使該日臭氧未超標，空氣質量為良，這次臭氧污染過程結束。

圖3 廈門市8月26—28日臭氧激光雷達觀測結果

圖4 廈門市8月27日16時氣流后向軌跡分析

2.3.2 9月12—14日典型臭氧污染過程

圖5為廈門市9月12—14日臭氧激光雷達觀測結果，從監(jiān)測結果可以看出，12日傍晚至夜間時段，低空500 m持續(xù)監(jiān)測到臭氧殘留，濃度在200μg/m3左右。13日白天12時以后，受局地傳輸影響，臭氧污染垂直幅度擴大，一直向上延伸至低空1.5 km，臭氧的夜間殘留和日間高空傳輸共同造成13日臭氧污染超標，并同樣出現夜間臭氧殘留。14日凌晨，受到地面NO向上輸送及輻射減弱共同影響，消光系數升高，臭氧消耗增多，臭氧濃度逐漸降低，但仍維持在較高水平。14日12時后同樣監(jiān)測到臭氧高空傳輸現象，但污染強度較12日、13日弱，未造成當日臭氧超標。結合圖6和圖7的500 m和1000 m高度的氣流后向軌跡分析發(fā)現，12日臭氧污染團主要由省內北部區(qū)域和浙江省南部區(qū)域自北向南傳輸沉降至廈門；13日臭氧污染團主要來自江西省上饒、鷹潭一帶沿西北方向傳輸沉降至廈門。

圖5 廈門市9月12—14日臭氧激光雷達觀測結果

圖6 廈門市9月12日14時氣流后向軌跡

圖7 廈門市9月13日14時氣流后向軌跡

3 結語

結合天氣形勢、氣象條件、站點監(jiān)測數據、激光雷達監(jiān)測數據及氣流后向軌跡等數據，對廈門市2022年8月和9月兩次典型的臭氧污染過程進行分析：1） 8月26—28日、9月12—14日共計6天的監(jiān)測時段，空氣質量達到輕度污染級別的天數有3天，首要污染物均為O3，說明監(jiān)測時段內，廈門市受到O3污染的影響較明顯。2）臭氧濃度呈現較明顯的午后單峰的日變化 ；臭氧污染主要由前日的夜間殘留及當日的本地生成原因造成，同時受污染傳輸的影響。且在顆粒物濃度較低時，由于氮氧化物滴定作用相對較輕，易形成持續(xù)性的臭氧濃度高值。3）兩次臭氧污染超標過程的輸送來源不同，其中8月27日臭氧污染主要源自西南方向輸送，9月12—14日臭氧污染主要來源于北部及西北方向輸送。