基于激光雷达技术的海峡西岸城市典型臭氧污染过程研究

潘万艺

（福建省厦门环境监测中心站，福建 厦门 361022）

0 引言

2020年我国蓝天保卫战胜利收官，环境空气质量持续改善，细颗粒物（PM2.5）浓度持续降低，但是臭氧（O3）浓度却逐年升高，并呈现出污染程度加重、影响范围扩大的态势，已经成为影响空气质量的关键问题。有研究表明，不利的气象条件、较高的O3背景浓度、氮氧化物（NOx）和挥发性有机物（VOCs）等前体物排放量增加以及区域性传输都是造成O3污染的重要原因[1-3]。

大气臭氧探测激光雷达应用差分吸收光谱的方法能够实时在线监测臭氧空间立体分布，同时该雷达还能同时实时反演气溶胶的消光系数，不仅能够显示臭氧和颗粒物的空间分布状态，而且能够准确说明臭氧和颗粒物的分布强度及随时间演变规律，为臭氧的立体实时监测、区域之间的污染传输和沉降监测等提供了有力的数据支撑。

厦门市作为经济发达的沿海城市，各类工业源、移动源排放量大且气象条件复杂，臭氧污染防治压力大。该文采用激光雷达观测技术对厦门市2022年8月和9月两次典型的O3污染过程进行研究，分析了两次O3污染的传输来源，为厦门市的臭氧污染防治和预警预报工作提供参考。

1 材料与方法

1.1 区域概况

厦门市是中国东南部沿海城市，东与泉州晋江市相接，西与漳州长泰县相连，南与金门列岛隔海相望，北与泉州安溪、南安交界。厦门属于亚热带海洋性季风气候，温和多雨，年平均气温在21℃左右。年平均降雨量在1200 m左右，每年5~8月雨量最多，风力一般3~4级，常年主导风向为东北风。

1.2 数据来源

厦门市近地面站点空气质量常规六参数、气象数据及臭氧激光雷达监测数据均来自于厦门市大气超级监测站，该站点位于厦门市思明区，周边以居民区，商住混合区为主，无明显污染源，能够客观地反映区域的空气质量状况。

后向轨迹模型采取混合单颗粒拉格朗日函数综合轨迹模型（又称HYSPLIT后向轨迹模型），该模型是由美国国家海洋和大气管理局（NOAA）和澳大利亚气象局联合研发的，具有处理多种气象要素输入场、多种物理过程和不同类型污染物排放源功能的较为完整的输送、扩散和沉降模式，是一种计算和分析大气污染物输送、扩散轨迹的专业模型，已经被广泛地应用于多种污染物在各个地区的传输和扩散的研究中[4-6]。后向轨迹模拟采用的气象数据来自美国国家环境预报中心的GDAS数据，气流高度选取100 m、500 m和1000 m，模拟气团24 h后向轨迹。

2 污染过程分析

2.1 天气情况分析

厦门市8月和9月的臭氧污染过程分别出现在8月26—28日和9月12—13日，该时段内，厦门市主要以多云与晴天天气为主，风力较小，日气温变化幅度不大，每日温差保持在8℃~10℃，最高气温在33℃~35℃，气温较高，有利于臭氧光化学反应生成[7-10]。该时段内臭氧共超标3天，分别为8月27日、9月12日和9月13日，环境空气质量指数（AQI）分别为149、118和110，首要污染物均为臭氧。

2.2 站点监测数据分析

2.2.1 8月26—28日

从图1可以看出，8月26—28日，PM2.5和PM10变化情况较为一致，在每日傍晚至夜间时段逐渐升高，与晚高峰污染排放较强及夜间边界层下压导致的扩散条件不利有关，臭氧变化则呈现典型的午后单峰变化规律，其中在27日16时达到最大值为313μg/m3，超过《环境空气质量标准》（GB 3095—2012）中规定的臭氧8小时二级标准（160μg/m3）近一倍，从站点气象条件来看，臭氧高峰时段主导风向为偏南风，因此可以推断午后出现的臭氧峰值应可能与水平传输有关。

图1 2022年8月26—28日空气站点六参数/气象要素时间序列图

2.2.2 9月12-14日

从图2可以看出，9月12—14日，PM2.5和PM10变化波动较大，在午后14—16时容易出现高值，可能与该站点附近的扬尘污染源规律性排放有关，臭氧变化则呈现典型的午后单峰变化规律，分别在9月12日11—21时、9月13日11—23时、9月14日12—19时超过臭氧8小时二级标准（160μg/m3），其中13日臭氧夜间持续保持高值，可能与夜间臭氧残留有关，因此初步推断本轮臭氧污染的主要原因是臭氧跨区域输送和夜间积累混合生成。

图2 2022年9月12—14日空气站点六参数/气象要素时间序列图

2.3 臭氧污染过程分析

2.3.1 8月26—28日典型臭氧污染过程

图3为8月26—28日臭氧激光雷达监测结果，图中上半部分为大气消光系数反演结果，说明了大气颗粒物污染情况，下半部分为大气臭氧浓度反演结果，从图中可以看出，26日白天12时后，太阳辐射加剧，光化学反应较为强烈，近地面臭氧浓度逐渐升高，但未造成臭氧污染，呈现典型的臭氧日单峰变化规律。27日12时后，光化学反应剧烈，近地面至低空1 km出现高浓度臭氧污染团，该污染团与近地面光化学反应生成的臭氧混合，造成地面站点臭氧数据持续超标，然后一部分臭氧向高空扩散，一部分臭氧残留至夜间。结合图4的100 m、500 m和1000 m高度的气流后向轨迹分析发现，该污染团主要来自西南部沿海城市经低空海上气流抬升后传输至厦门。28日3时后，监测到持续降雨过程，降雨带来的降温及湿清除作用使该日臭氧未超标，空气质量为良，这次臭氧污染过程结束。

图3 厦门市8月26—28日臭氧激光雷达观测结果

图4 厦门市8月27日16时气流后向轨迹分析

2.3.2 9月12—14日典型臭氧污染过程

图5为厦门市9月12—14日臭氧激光雷达观测结果，从监测结果可以看出，12日傍晚至夜间时段，低空500 m持续监测到臭氧残留，浓度在200μg/m3左右。13日白天12时以后，受局地传输影响，臭氧污染垂直幅度扩大，一直向上延伸至低空1.5 km，臭氧的夜间残留和日间高空传输共同造成13日臭氧污染超标，并同样出现夜间臭氧残留。14日凌晨，受到地面NO向上输送及辐射减弱共同影响，消光系数升高，臭氧消耗增多，臭氧浓度逐渐降低，但仍维持在较高水平。14日12时后同样监测到臭氧高空传输现象，但污染强度较12日、13日弱，未造成当日臭氧超标。结合图6和图7的500 m和1000 m高度的气流后向轨迹分析发现，12日臭氧污染团主要由省内北部区域和浙江省南部区域自北向南传输沉降至厦门；13日臭氧污染团主要来自江西省上饶、鹰潭一带沿西北方向传输沉降至厦门。

图5 厦门市9月12—14日臭氧激光雷达观测结果

图6 厦门市9月12日14时气流后向轨迹

图7 厦门市9月13日14时气流后向轨迹

3 结语

结合天气形势、气象条件、站点监测数据、激光雷达监测数据及气流后向轨迹等数据，对厦门市2022年8月和9月两次典型的臭氧污染过程进行分析：1） 8月26—28日、9月12—14日共计6天的监测时段，空气质量达到轻度污染级别的天数有3天，首要污染物均为O3，说明监测时段内，厦门市受到O3污染的影响较明显。2）臭氧浓度呈现较明显的午后单峰的日变化 ；臭氧污染主要由前日的夜间残留及当日的本地生成原因造成，同时受污染传输的影响。且在颗粒物浓度较低时，由于氮氧化物滴定作用相对较轻，易形成持续性的臭氧浓度高值。3）两次臭氧污染超标过程的输送来源不同，其中8月27日臭氧污染主要源自西南方向输送，9月12—14日臭氧污染主要来源于北部及西北方向输送。