基于臭氧激光雷达数据分析石家庄夏初臭氧特征

王硕飞 朱庚华* 金龙 印佳楠 刘冬

（1.河北省气象技术装备中心 河北省石家庄市 050021 2.石家庄市鹿泉区气象局 河北省石家庄市 050200）

臭氧化学式为O，是氧气的一种同素异形体，常温下是无色鱼腥味的气体故得名臭氧，比重比氧气大，易分解。臭氧是大气化学反应中的强氧化剂。虽然在地球的大气中，臭氧的含量极少，其体积百分比大约为百万分之十，但是大气臭氧产生的作用或效应对地球有很大的影响。根据分布高度不同，大气臭氧一般对应着平流层臭氧和对流层臭氧。平流层臭氧吸收了太阳光中的绝大部分的紫外线，使地球生物免于紫外辐射的侵害，是地球生命的保护伞。对流层中高浓度臭氧则会导致空气污染，特别是近地面臭氧会对人体造成很大的伤害，主要表现在：损伤呼吸系统导致进而引起咳嗽、胸闷等，造成肺部慢性炎症并且使炎症持续发展；还会导致视力下降、神经中毒，引起一些神经系统方面的损伤；能破坏人体皮肤加速衰老。

随着我国经济快速发展，工业化以及城市化进程的加快，机动车数量都呈现明显的上升的趋势，大气污染物也随之急剧增加，京津冀地区大气复合污染也愈加严重，在实施了一系列大气污染防治措施后，颗粒物、氮氧化物等大气污染物浓度明显降低，空气质量得到改善。但我国对流层和近地面的臭氧浓度呈现出快速增长的趋势，在很多城市已经逐渐取代颗粒物成为首要空气污染物。GB 3095-2012《环境空气质量标准》二类区日最大8 小时平均二级标准限值160μg/m，超过该限值则认为臭氧污染空气。

张晓等在研究了石家庄主城区臭氧污染特征及气象成因分析，王帅分析了石家庄市挥发性有机物和臭氧的污染特征，任天翼等研究了石家庄市VOCs 管控与臭氧变化趋势，他们使用的臭氧数据都是地面观测数据，没有研究臭氧垂直廓线分布特征。郑冬利用激光雷达分析了大连市和东北沿海城市的臭氧污染过程，赵益睿利用激光雷达同步观测研究了臭氧和气溶胶之间的关系。本文利用臭氧激光雷达探测数据分析石家庄2022年5月28日-6月3日臭氧垂直分布特征以及臭氧浓度与颗粒物之间的关系。

1 观测地点和设备概况

臭氧激光雷达观测地点在石家庄国家基本气象站（38°N，114.4°E），该站位于石家庄西部鹿泉区，监测数据可以反映石家庄臭氧垂直分布。

观测用合肥中科环光技术有限公司生产的CASEO-O3-LIDAR 型臭氧激光雷达，该设备依据米散射和差分吸收原理，发射波长为580nm、590nm、295nm 和290nm 激光光源，通过激光与大气相互作用对大气中的臭氧与颗粒物进行同步探测。

该型号臭氧激光雷达基本原理如图1 所示，激光器发出580nm、590nm、295nm和290nm四个波长的脉冲光到大气中，大气会对激光产生散射和吸收两种效应。望远镜通过接收四个波长的后向散射回波信号，通过分析回波信号强度来反演大气中的气溶胶粒子和臭氧分布情况。大气产生的散射光中，较强的散射成分主要有两部分组成，其一为瑞利散射，是与粒径远小于光波长的气溶胶粒子散射产生的；其二为米散射，是与粒径接近或者大于光波长的气溶胶粒子散射产生的。紫外290nm 和295nm 两个波长，臭氧对它们的吸收截面不同，通过差分吸收原理反演出臭氧浓度廓线。

图1 ：臭氧激光雷达原理图

2 观测结果与分析

2.1 5月30日过程分析

5月30日，500 米风场为西北风。30日6 时-31日0 时，边界层内颗粒物消光系数较低，30日17 时左右，颗粒物消光系数有所增大。

如图2 所示，5月30日6 时-31日0 时，石家庄臭氧污染程度轻，达到GB 3095-2012《环境空气质量标准》二级标准，存在臭氧输送过程。30日6 时，随着太阳辐射增强，臭氧浓度逐渐升高，同时伴随着臭氧水平输送（从图3 后向轨迹可以看出，主要来自西北方向的臭氧水平输送）；10 时左右，受西北方向臭氧传输影响，1.5km 范围内臭氧浓度升高，臭氧逐渐积累，晚上达到最高，随后臭氧浓度缓慢降低，夜间存在大量臭氧残留。

图2 ：5月30日6 时-31日0 时臭氧雷达观测结果

图3 ：5月30日18 时后向轨迹

2.2 5月31日过程分析

5月31日，500 米风场为西南风转西北风转东北风。如图4 所示，5月31日0 时-6月1日0 时，边界层内颗粒物消光系数较低，31日18 时左右，颗粒物消光系数增大，污染在近地面积累，随后消光系数减小，污染逐渐消向上扩散。5月31日0时，受昨日残留影响，1.9km范围内存在臭氧分布，随后逐渐降低，3 时左右，受西南方向臭氧传输影响，臭氧浓度逐渐升高（从图5 后向轨迹看出，来自西北方向的臭氧水平输送，并持续至16 时左右），8 时左右，太阳辐射增强，臭氧浓度逐渐升高，14-15 时左右，到达峰值，主要受本地生成及西南方向臭氧传输影响（浓度310μg/m），随后臭氧浓度小幅度降低，18 时左右达到第二个峰值（浓度275μg/m），主要受传输影响（结合图5 后向轨迹），随后臭氧浓度缓慢降低，22 时左右污染沉降，臭氧浓度升高，夜间存在大量臭氧残留。

图4 ：5月31日0 时-6月1日0 时臭氧雷达观测结果

图5 ：6月1日8 时后向轨迹

2.3 6月2-3日过程分析（局地生成+传输）

500 米风场为6月2日西北风转东南风，3日西南风转东南风。如图6 所示，2日0 时-4日0 时，边界层内颗粒物消光系数较高，2日10 时左右，1.1km 范围颗粒物消光系数逐渐增大，污染在近地面积累，随后颗粒物逐渐抬升；3日凌晨开始，高空污染沉降，颗粒物污染逐渐在近地面积累，近地面消光系数逐渐增大，3日午后颗粒物有所抬升，18 时左右，消光系数减小，污染逐渐消散。

图6 ：6月2日0 时-6月4日0 时臭氧雷达观测结果

2日0 时，受昨日残留影响，1.9km 范围内存在臭氧分布，随后逐渐降低，3 时左右，臭氧浓度逐渐升高，主要受臭氧传输影响（从图7 第一个后向轨迹看出，来自西南方向的臭氧水平输送），7 时左右，太阳辐射增强，臭氧浓度逐渐升高，午后臭氧浓度长时间维持在较高水平，16 时达到峰值，主要由本地生成叠加臭氧传输导致（从图7 第二个后向轨迹看出，来自东南方向的臭氧传输），随后臭氧浓度平缓降低，19 时左右，臭氧浓度逐渐降低，夜间存在大量臭氧残留；3日0 时，受昨日残留影响，1.9km 范围内存在臭氧分布，随后逐渐降低，3 时左右，臭氧浓度逐渐升高，主要受臭氧传输影响（从图7 第三个后向轨迹看出，来自东南方向的臭氧传输），7 时左右，太阳辐射增强，臭氧浓度逐渐升高，14时左右，受东南方向臭氧传输影响，臭氧浓度进一步升高，16 时达到峰值，主要由本地生成叠加臭氧传输导致，随后臭氧浓度逐渐降低，19 时左右，受臭氧传输沉降影响（从图7 第四个后向轨迹看出，高空臭氧沉降），臭氧浓度开始缓慢降低，夜间存在大量臭氧残留。

图7 ：石家庄后向轨迹图（分别为6月2日12 时、20 时、6月3日16 时、6月4日0 时）

3 结论

（1）石家庄市鹿泉臭氧激光雷达观测期间（5月28日0 时-6月4日0 时），其中5月28日、5月31日-6月3日，石家庄午后臭氧浓度较高，污染程度较重，地面臭氧浓度最高为305μg/m；臭氧污染主要受臭氧局地生成和臭氧传输影响，且夜间存在大量臭氧残留；5月30日，臭氧浓度较低。

（2）2日0 时-4日0 时，边界层内颗粒物消光系数较高，2日10 时左右，1.1km 范围颗粒物消光系数逐渐增大，污染在近地面积累，随后颗粒物浓度逐渐抬升；3日凌晨开始，高空污染沉降，颗粒物污染逐渐在近地面积累，近地面消光系数逐渐增大，3日午后颗粒物浓度有所抬升，18 时左右，消光系数减小，污染逐渐消散。

（3）颗粒物浓度升高可能会对臭氧浓度的增加产生抑制作用。在颗粒物浓度升高时，臭氧浓度呈下降趋势。本文中观测样本较少，待臭氧激光雷达长时间运行后，再详细研究二者之间的关系。