大气垂直交换作用对近地面O3污染过程的影响*

2022-08-01耿志鑫

环境污染与防治 2022年7期

杨帆耿志鑫邹忠

(1.上海市浦东新区环境监测站，上海 200135；2.上海第二工业大学资源与环境工程学院，上海 201209；3.上海市浦东新区生态环境局，上海 200125)

近年来，随着大气污染防治的不断深入，我国大部分地区的SO2、氮氧化物(NOx)、可吸入颗粒物(PM10)和细颗粒物(PM2.5)浓度已呈现逐年下降趋势[1-2]，然而O3污染状况却日益严峻起来。在珠三角、长三角等地，O3已取代PM2.5而成为了影响当地环境空气质量的最主要因素。近地面高浓度O3不仅会造成农作物减产、橡胶等材料老化，还会损害人体呼吸道和心肺功能，导致咳嗽、哮喘甚至心血管疾病等[3-4]。2016年我国有超过30%的人口暴露于O3日最大8 h平均质量浓度超过《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)二级标准(160 μg/m3)的环境下，约67.2%的城市人口生活在O3日最大8 h平均质量浓度高于世界卫生组织建议的暴露质量浓度水平(100 μg/m3)以上[5]。在京津冀[6-8]、长三角[9-11]和珠三角[12-14]等大城市群地区，O3的浓度近些年都呈现出逐年上升趋势，并且夏秋季频繁出现O3超标现象。

近地面的大气边界层内是大气污染的主要发生地，但仅靠地面观测数据不能完全反映出污染物在大气中的垂直分布规律及垂直交换作用对近地面污染的影响[15-17]。上海中心大厦塔冠层高达623 m，夜间或凌晨常可长时间超过大气边界层高度[18-19]，为上海的大气垂直观测提供了一个理想的监测平台。在上海中心大厦开展连续在线垂直监测，可揭示上海的大气污染物垂直分布、垂直扩散等规律特征，从而为建模、环评和预测等提供数据支撑，为空气污染预警和防控提供依据。本研究利用上海中心大厦(121.512°E，31.239°N)开展PM2.5和O3的同时在线垂直监测，结合风廓线雷达对一次典型的近地面O3污染过程进行分析，研究大气垂直交换作用对O3污染过程的影响。

1 材料与方法

1.1 仪器设备

使用AER2型大气微站监测PM2.5和O3；使用WINDCUBE 100S型风廓线雷达监测风速和风向；使用Vaisala CL31型激光云高仪监测大气边界层高度；使用Vaisala WXT520型气象六参数仪监测温度和相对湿度。

1.2 监测方案设计

上海中心大厦位于浦东新区陆家嘴商圈，分别在距离地面高度为25、105、180、255、335、415、500、585、623 m处设置垂直观测平台。针对2019年6月15—16日连续两天O3日最大8 h平均质量浓度超过GB 3095—2012二级标准(160 μg/m3)的一次污染事件，利用大气微站对O3的垂直分布特征进行24 h连续在线采样观测。气象数据在与上海中心大厦水平距离小于3 km的上海市浦东新区环境监测站楼顶(高度约25 m，121.545°E、31.233°N)测得。

2 结果与讨论

此次污染过程中PM2.5和O3质量浓度及主要气象要素变化见图1。2019年6月15—16日是一次典型的近地面O3污染过程。6月15日，O3质量浓度14:00达到最高值(260 μg/m3)，持续保持高值至19:00后开始下降；6月16日，O3质量浓度13:00达到最高值(258 μg/m3)，持续保持高值至17:00后开

图1 污染过程中PM2.5和O3质量浓度及主要气象要素变化Fig.1 PM2.5 and O3 mass concentrations and main meteorological elements variationduring the pollution episode

始逐渐下降。从两天的O3污染持续时间来看，6月15日12:00开始O3质量浓度超过了160 μg/m3，一直持续到16日1:00才降到160 μg/m3以下；16日10:00 O3质量浓度又超过了160 μg/m3，一直到22:00才降到160 μg/m3以下。PM2.5和O3的变化总体呈相反趋势，O3浓度一般在中午达到最高，夜间降到最低，而PM2.5浓度则在夜间达到最高，中午最低。分析气象要素可以发现，O3浓度的变化主要受气温的影响，而PM2.5浓度的变化主要受相对湿度的影响。O3污染主要发生在高温低湿气象条件下[20]。

由图2可见，夜间的大气边界层高度基本上都在500 m以下，9:00后大气边界层高度才开始抬高。6月15日大气边界层高度最高达到了2 452 m，12:00—18:00大气边界层高度发生剧烈变化。通过分析风廓线雷达数据获知，600 m高度上下垂直方向上存在多处强烈的风切变现象。相对而言，6月16日的大气边界层高度变化较为平缓，这是因为风切变现象较15日减缓。

0:00—8:00、8:00—16:00、16:00—24:00(次日0:00)3个时段的O3质量浓度垂直变化见图3。6月15日0:00—8:00从近地面25～623 m O3质量浓度均未超过100 μg/m3。6月15日8:00—16:00，O3浓度整体较0:00—8:00明显升高，主要是因为白天近地面O3即时生成增加了近地面O3的累积。6月15日16:00—24:00，由于白天的累积，O3浓度依然很高，但由于大气边界层高度发生变化，在大气边界层高度(500 m)以上O3继续累积，而200 m以下的近地面因处于静稳状态而无明显垂直变化。与6月15日相比，16日3个时段的O3质量浓度垂直变化差异较小。8:00—16:00近地面25 m处出现O3浓度高值，主要是受到高空O3累积后的向下传输和白天本地生成双重作用的影响。进一步结合近地面PM2.5的浓度变化趋势分析，由于受6月15日夜间至16日凌晨的PM2.5浓度升高导致太阳辐射在16日早上较弱，因此16日O3生成不如15日强烈。

3 结论

上海中心大厦为大气污染垂直监测提供了一个理想的平台。2019年6月15—16日上海一次典型的近地面O3污染过程中，O3污染主要发生在高温低湿气象条件下。8:00—16:00近地面25 m处因受到高空O3累积后的向下传输和白天本地生成双重作用的影响出现O3浓度高值。PM2.5和O3的变化总体呈相反趋势，PM2.5浓度升高会导致太阳辐射减弱，从而影响O3生成。大气垂直交换作用风切变和大气边界层高度变化对于O3污染的影响不容忽视。