夜间近地表臭氧观测

杨少波,曹念文*,范广强

夜间近地表臭氧观测

杨少波1,曹念文1*,范广强2

(1.南京信息工程大学中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室,江苏 南京 210044；2.中国科学院安徽光学精密机械研究所,安徽 合肥 230031)

2018年12月15~18日使用激光雷达在河北望都观测气溶胶与O3,利用气溶胶消光系数廓线判断边界层的变化,进而研究大气边界层对于近地表层(300m)O3浓度的影响.结果表明,边界层主要影响O3的干沉降以及高空O3的垂直输送,在受本地污染控制时,近地表O3浓度受干沉降控制明显,随着边界层高度的下降而减少;西北地区气团占主导时, O3浓度主要受水平传输以及高空垂直输送影响.

激光雷达；O3;近地面；边界层；干沉降

O3及气溶胶均会对人类健康产生影响.目前,对于气溶胶的研究较多,从地面站PM2.5及PM10的实时监测,到地基激光雷达以及星载激光雷达CALIPSO对对流层和平流层的气溶胶廓线的探测,利用激光雷达的距离校正信号以及消光系数计算边界层高度,使用识别算法对气溶胶进行分类,不同类型气溶胶在不同空间的分布及传播演化等过程研究较为充分.对于O3的研究主要集中在地表人类活动以及不同天气现象对O3浓度的影响,以及不同排放物质与O3的物理化学关系[1-3].研究证实了在有和没有人为气溶胶影响的情况下,中国的O3浓度分别增加了9%和33%[4].气溶胶影响O3主要通过:改变两者之间的非均相反应和影响辐射改变O3及其前体的光解速率[5-6].2013年夏季上海的O3与颗粒物监测数据表明当污染事件发生时,PM2.5与O3浓度呈正相关,且污染日的相关系数明显高于清洁日,气溶胶引起的强烈散射效应可以增强边界层内的太阳辐射强度,进而刺激了夏季的动态光化学反应和O3前体的形成[7].气溶胶表面通过非均相反应吸收NO3和NO2,同时增加OH自由基,导致O3浓度的变化[2].然而研究大多关注地表O3与气溶胶之间的关系.随着观测手段的日益丰富,对流层以及平流层O3浓度廓线的研究开始出现.对流层O3的两个主要来源分别是平流层、对流层高层空气的注入以及在受污染的边界层中通过光化学反应产生. 受对流层上层或平流层的O3源的影响,具有极低浓度气溶胶的自由大气含有高浓度O3[8];白天在城市混合层以上累积高浓度的O3,夜间由于边界层的变化向地表混合传输,也会影响对流层内O3的分布[9-10].

由以上可知,研究对流层,特别是低层O3浓度的变化是有意义且必要的,由于本文探测手段的限制,相关的污染气体NO及污染物VOC等资料缺少,对于白天影响O3浓度的最大因素的光化学反应并未能得到数据支持,因此本文的研究范围为夜间,此时段光化学反应影响停止.采用夜间消光系数指示大气边界层的变化,并研究夜间O3浓度的变化.

1 数据与方法

1.1 数据简介

使用中国科学院安徽光机所研制的激光雷达来同时监测臭氧和气溶胶.激光雷达的技术参数介绍见文献[11],由于大气臭氧激光雷达过渡区大约在300m左右,本文使用300m以上的数据进行研究.激光器发射波长为266nm,经拉曼管、扩束器等光学元件波长变为289和316nm,望远镜接收不同波长的激光与大气分子和臭氧作用产生的后向散射,回波波长为266,289和316nm.其中,反演消光系数所用的波长为316nm,本次观测地点位于河北省保定望都县(38.709° N,115.237°E),距观测地点大概3km处为京港澳高速公路,距离保定市区大约25km.同时参考保定地面站的空气质量数据和北京站点的探空数据.

数据的分辨率为7.5m,时间分辨率约为10min,在2018年12月16日13:00~ 15:00由于仪器故障数据缺失.

实验分析过程中温度、湿度等探空资料来自于美国怀俄明大学工程学院网站(http://weather.uwyo. edu/upperair/sounding.html),该网站提供每日两次全球各主要站点的探空资料,由于观测站点探空资料的缺失,本文使用距离较近的北京站点数据作为参考.保定站的地面空气质量数据来自中国环境监测总站.使用的地面站数据为观测期间保定站的PM2.5、PM10、NO2、O3和CO每小时的浓度数据,其中2018年12月17日02:00~07:00的数据缺失.CO数据可用来指示污染程度的强弱以及人类活动的影响.有研究表明在山谷中光化学反应停止时,夜间O3和NO在几分钟的时间尺度内迅速反应,这个过程中每个O3分子转化为一个NO2分子,定义一个参数,O,在O3与NO的滴定过程中保持恒定,可以用此参数评估O3是否由于除NO滴定以外的过程而减小[12].观测期间各成分的浓度如图1所示.

1.2 研究方法

消光系数的反演使用Fernald方法[13],表达式如下:

使用logistics拟合气溶胶消光系数廓线,曲线曲率最大处为边界层的高度,曲线曲率的表达式如下[25]:

激光雷达探测O3浓度是基于差分吸收原理,发射两束波长相近的激光,其中一束波长处在污染气体的吸收线上,另一束激光的波长位于污染气体吸收线的边翼或者吸收线之外,可根据两束激光的回波信号的差异反演对流层O3的浓度,研究表明在1.5km以下大部分高度处O3浓度的反演误差小于20%[26].

2 数据分析与讨论

观测期间保定站的空气质量数据可以看出,在15~16日夜间人类排放活动明显,PM2.5以及PM10浓度较高,同时CO的浓度也较高,表明人类活动影响较大, O3浓度始终维持在较低水平,这可能是由于排放的NO与O3发生反应消耗O3.16~17日夜间以及17~18夜间人类活动影响相对较弱.

从2018年12月15日夜间21:00左右~12月18日上午08:00左右,反演得到的气溶胶的消光系数与O3浓度时序变化如图2所示.可以看出,15~16日夜间以及17~18日夜间在近地面出现明显的气溶胶层, O3在15~16日夜间相应位置出现较低值,而在17~18日O3相应位置较大值与小值交替出现的现象.为更直观地看出对流层低层气溶胶消光系数与O3浓度的变化,选取300m的数据作为近地面层的指示,如图3所示.

与上文中提到的保定站数据一致,消光系数在15~16日夜间较大,说明人类活动影响明显,本研究另两个夜晚人类活动影响相对较弱,17~18日夜间有部分时段消光系数有增大现象,但较15~16日夜间相对较小.与地面站数据显著不同的是,地面站颗粒物(PM2.5及PM10)的浓度与O3浓度呈现明显的负相关,而在300m处的近地表层却并未如此,其中15~16日夜间气溶胶消光系数与O3浓度出现同时减小的现象.以下对观测过程中3个夜间的数据进行分析,3个夜间时段分别命名为时段一、二、三.

图1 保定地面站颗粒物以及污染物浓度

图2 2018年12月15~18日的消光系数和O3浓度

图3 300m高度处消光系数与O3浓度

2.1 时段一O3浓度分析

12月15日21:00~16日01:00左右为一个气溶胶逐渐消散的过程,气溶胶层逐渐变薄消失, 该时间段内气溶胶消光系数和O3浓度的廓线如图4所示,消光系数在对流层低层随高度逐渐下降,下降过程中有一明显的梯度变化,该突变高度处以下为明显的气溶胶层,气溶胶层的厚度从0.5km左右减小至不足0.2km,层内消光系数峰值随着时间逐渐减小.同一时段O3浓度在15日21:22在0.7km左右浓度达到最低值,小于10mg/m3,最低值所在的高度随时间逐渐下降,至16日0:36, O3浓度的最小值所在高度降至0.4km左右.

300m处后向轨迹显示气团来自津京冀地区,如图5所示,人为源污染气溶胶占主要地位.在1km高度处气溶胶来源从本地源变为西北地区气团,这与激光雷达1km处气溶胶消光系数较小的特征一致.说明西北气团带来的气溶胶消光系数较小,总体较为干净,而本地源受人类活动的影响较大,气溶胶消光系数较大.

图4 15~16日夜间消光系数与O3浓度廓线

北京站点15日20:00的探空数据可作为参考,其中相对湿度和温度的廓线如图6所示.0.5~1km左右出现逆温层,与激光雷达21:00左右探测到的气溶胶层顶出现高度范围一致,相对湿度均处在较低范围内,在接近3km时相对湿度增大至50%.由此可推断,15日21:00~16日01:00为受本地源污染影响边界层逐渐下降的一次污染逐渐消散的过程.15~16日夜间污染过程中,污染源来自京津冀地区,本地区产生的气溶胶与O3等污染气体输送至观测站点,气溶胶消光系数与O3浓度的变化趋势一致.夜间人类排放活动逐渐减弱,消光系数和O3浓度随之减弱,与NO的反应以及近地面的干沉降也使得臭氧浓度下降,这与新鲜排放气溶胶羽流中O3含量较少的测量一致.之前文献也报道的洛杉矶盆地中出现的气溶胶后向散射高值与O3浓度的高值同时出现,这种联系仅在受人类活动影响强烈的城市污染空气中表现较强[27].从16日凌晨04:00左右O3浓度开始出现小幅的增加,这可能与边界层高度的下降有关,边界层以上空气湍流将高层的O3卷带到近地面层,也与气团来源转变相关,气团主要来自为西北地区,经长距离运输老化气溶胶气团常常富含O3,使臭氧浓度逐步上升,白天湍流活动更加明显,夜间高层较高浓度的O3通过湍流卷带到近地面层的含量更多使O3浓度上升,而中午时分的太阳辐射强度较大,NO与VOC的光化学反应生成的O3使得O3浓度的上升梯度骤增,此段时间消光系数的增加说明二次气溶胶的生成增加,与O3的表现一致.

图5 15日21:00~16日01:00的后向轨迹

边界层高度与300m处O3浓度呈显著的正相关,如图7所示.这可能与边界层内湍流活动有关.文献研究表明除去光化学反应,地表的干沉降以及气溶胶的交换是气体浓度变化的重要因素,气体浓度的变化速率表达为[28].

式中:Cg是气体的浓度;E为排放速率;Vd为气体的沉降速率;Z为边界层的高度;式中最后一项为气溶胶影响项.由此式可以看出边界层高度与气体浓度的关系,边界层高度越低,气体损失速率也越大,近地表O3浓度随之减小.

图7 15日21:00~16日01:00边界层高度与300m处O3浓度

尽管以上提到的地表及其附近的去除机制占主导地位,许多研究表明在不同环境中环境中夜间O3浓度会有显著的增加,即相对于白天出现的O3的峰值,当气象条件有利于夜间边界层的发展时,夜间有时会出‘次峰值’[29].在夜间边界层内没有任何已知的O3来源时,O3浓度的增加可能是由于运输过程造成的.地表与近地表O3存在明显的垂直梯度,地表低O3浓度现象始终存在,表明了近地表层与残留层的耦合和垂直混合过程可能导致O3浓度的增加[30].尽管夜间边界层的湍流通常较弱,风速随高度变化可使得O3穿透残留层到达边界层内,许多研究也证实了低空急流可以产生足够的湍流,可以将O3从残留层混合到近地表[30-32].

2.2 时段二O3分析

12月16~17日夜间不同时刻气溶胶消光系数与O3浓度的廓线如图8所示.

图8 16~17日夜间消光系数与O3浓度廓线

可从消光系数廓线看出,气溶胶变化较小,边界层高度低于300m,在未有明确O3产生源的情况下,该高度处的O3很可能是由其他地区的水平输送或者对流层较高处O3的湍流夹带.同时,该高度处于边界层之上,地表的干沉降作用也随之减弱,文献在研究夜间边界层内O3的干沉降速率时构造了O3干沉降的剖面,在边界层内,由于干沉降作用随高度逐渐减弱[33],O3浓度随高度逐渐增大,而在边界层之上,未考虑水平输送和高空夹带作用时, O3浓度保持不变.因此近地面处O3浓度主要受水平输送和高空夹带的影响.

2.3 时段三O3分析

如图9所示,此次夜间出现一次污染过程,根据消光系数廓线可以看出,边界层高度抬升至300m以上,根据后向轨迹可以看出,此次夜间的污染过程为西北地区传输,如图10(a)所示.

从保定站地面的CO浓度可以看出,本地排放相对较弱,污染多为外来输送.此时段边界层高度位于300m以上,则在外来污染影响情况下边界层高度与近地表处O3浓度的关系如图10(b)所示.与15~16日夜间明显不同的是,两者并未呈正相关,这可能是由于外来输送的老化气团中O3浓度的影响较大, O3的干沉降作用并非是近地表处O3浓度变化的决定性因子.

图9 17~18日夜间消光系数与O3浓度廓线

3 结语

近地表处(300m)O3浓度受到干沉降、气团输送等因素的影响.

在受本地污染影响情况下, O3的损失,即边界层内的干沉降作用和NO的滴定作用是决定O3浓度的主要因素,此时近地表处的O3随边界层高度的降低而逐渐减小;而在边界层高度以上,干沉降作用可以被忽略, O3浓度主要受水平输送以及高层湍流夹带的影响.

当污染主要受西北地区输送的污染控制时,由于气团常常为富含O3的老化气团,来自西北地区的水平输送则成为影响近地表O3浓度的关键因素.

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Near-surface ozone observation at night.

YANG Shao-bo1, CAO Nian-wen1*, FAN Guang-qiang2

(1.Key Laboratory of Aerosol-Cloud Precipitation of China Meterological Administration, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China；2.Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031,China)., 2019,39(11)：4494~4501

During December 15th~18th, 2018, the characteristics of aerosols and ozone observed by lidar located in Wangdu, Hebei Province was analysed. The changes of the boundary layer were judged by the profile of the aerosol extinction coefficient, and then the influence of the atmospheric boundary layer on the ozone concentration in the near surface layer (300m) was studied. The results show that the boundary layer mainly affected the dry deposition of ozone and the vertical transport of high-altitude ozone. When controlled by local pollution, the near-surface ozone concentration was controlled by dry deposition, and decreased with the decrease of the height of the boundary layer. When the airflow from the northwest dominated, the ozone concentration is mainly affected by horizontal transport and high-altitude vertical transport.

lidar；O3；near-surface；boundary layer；dry deposition

X515

A

1000-6923(2019)11-4494-08

杨少波(1990-),男,河南洛阳人,南京信息工程大学博士研究生,主要从事激光大气遥感探测方面研究.发表论文2篇.

2019-04-20

国家重点研发计划(2017YFC0209600,2018YFC0213100);国家自然科学基金资助项目(41375044);江苏省研究生创新项目(KYCX17_ 0879)

* 责任作者,教授, nwcao@nuist.edu.cn