基于垂直观测数据融合的广州市臭氧污染过程分析_张金谱.pdf

第 43 卷第 1 期2023 年 1 月Vol.43，No.1Jan.，2023环境科学学报Acta Scientiae Circumstantiae基于垂直观测数据融合的广州市臭氧污染过程分析张金谱1，2，3，裴成磊1，2，3，陈彦宁3，雷蕾3，王新明1，2，*，黄俊41.中国科学院广州地球化学研究所，有机地球化学国家重点实验室，广东省环境资源利用与保护重点实验室，广州 5106402.中国科学院大学，北京 1000493.广东省广州生态环境监测中心站，广州 5100064.广州市气象台，广州 511430摘要：了解O3污染的垂直分布对于充分理解O3在大气中的扩散和输送具有重要意义.本研究利用最优插值法实现了高塔与激光雷达O3观测数据的融合，并基于垂直观测融合数据对2021年10月广州市一次O3污染过程进行分析，结果表明：不同时刻的O3浓度均大致呈现出随高度上升先升后降的变化趋势，平均相对高值主要分布在300500 m，最高值出现在400 m附近.结合边界层高度分析可知，白天的O3生成和扩散基本均在边界层以内进行，夜间普遍存在O3残留问题，而在污染日尤其显著，表明白天光化学反应生成的高浓度O3是夜间残留层中O3的来源.污染期间，不同大气污染物形成了不同的垂直分层，具体表现为较高浓度的PM2.5和NO2在中、低层积累，而高层（约200600 m）则维持高浓度O3的污染垂直分布结构.推测原因在于南北气流对峙及夜间稳定边界层共同导致低层污染物累积于中心城区，而高层O3因得不到有效消耗而一直维持较高浓度的夜间残留.O3浓度的空间分布受水平风场、边界层高度和前体物浓度等多种因素的共同影响，对不同来源的数据进行融合利用，有助于进一步揭示O3的空间分布特征，为O3的科学防治提供依据.关键词：臭氧污染过程；数据融合；垂直分布文章编号：0253-2468（2023）01-0171-10 中图分类号：X51 文献标识码：AAnalysis of an ozone episode in Guangzhou based on vertical observation data fusionZHANG Jinpu1，2，3，PEI Chenglei1，2，3，CHEN Yanning3，LEI Lei3，WANG Xinming1，2，*，HUANG Jun41.State Key Laboratory of Organic Geochemistry，Guangdong Key Laboratory of Environmental Protection and Resources Utilization，Guangzhou Institute of Geochemistry，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 5106402.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 1000493.Guangzhou Sub-branch of Guangdong Ecological and Environmental Monitoring Center，Guangzhou 5100064.Guangzhou Meteorological Observatory，Guangzhou 511430Abstract：Gaining insight into the vertical distribution of ozone（O3）pollution is of great importance to comprehend the dispersion and transport of O3 in the atmosphere.In this study，the optimal interpolation（OI）approach was employed to fuse high-tower and lidar O3 observation data，and the resultant data were used to analyze an O3 episode in Guangzhou in October 2021.The results reveal that：Ozone concentration was observed to increase initially and then decrease with increasing altitude.The highest average value was observed between 300500 meters，with the peak value occurring at approximately 400 meters.By examining the boundary layer height，it can be seen that the generation and dispersion of O3 during the day were mainly occurring within the boundary layer，while O3 residues were commonly observed at night especially on polluted days，suggesting that the high concentration of O3 generated by photochemical reactions during the day was a source of O3 in the nighttime residual layer.The episode in Guangzhou urban area showed a distinct stratification of air pollutants，with PM2.5 and NO2 accumulating in the lower and middle layers，and O3 accumulating in the upper layers（about 200600 m）.A probable explanation is that the north-south airmass confrontation and the stable boundary layer at night contributed to the buildup of lower layer pollutants in the urban area，while the upper layer O3 concentration remained high since it could not be consumed effectively.The spatial distribution of the O3 concentration is affected by many factors，such as the horizontal wind field，boundary DOI：10.13671/j.hjkxxb.2022.0455张金谱，裴成磊，陈彦宁，等.2023.基于垂直观测数据融合的广州市臭氧污染过程分析 J.环境科学学报，43（1）：171-180ZHANG Jinpu，PEI Chenglei，CHEN Yanning，et al.2023.Analysis of an ozone episode in Guangzhou based on vertical observation data fusion J.Acta Scientiae Circumstantiae，43（1）：171-180收稿日期：2022-09-05 修回日期：2022-12-06 录用日期：2022-12-06基金项目：广东省科技计划项目（科技创新平台类）（No.2019B121201002）；广州市科技计划项目（No.202002020065）；广州市科技计划项目（No.202102080679）作者简介：张金谱（1988），男，E-mail：；*责任作者，E-mail：环境科学学报43 卷layer height，and precursor concentration.The fusion of data from multiple sources will allow us to gain a more comprehensive understanding of the spatial pattern of O3 and assist with the implementation measures for the prevention and control of O3 pollution.Keywords：ozone episode；data fusion；vertical distribution1引言（Introduction）臭氧（O3）是大气中的重要污染物，具有强氧化性，对人类健康和农作物生长造成一定危害，可以远距离传输，是区域性大气污染的重要标志物（陈漾等，2022）.随着近年来我国各地O3地面监测站点数量的迅速增长，已有大量关于O3的研究在我国不同区域持续开展（林燕芬等，2017；汪宇等，2019；陈菁等，2021），为摸清我国不同区域地面O3浓度分布规律提供了丰富的观测资料.然而，O3在实际大气中扩散和输送是三维的，如白天高浓度的O3可向上传输形成夜间残留，而残留层的O3又可在次日下混至近地面（Neu et al.，1994），这些过程仅依赖地面观测往往难以捕捉.此外，由于O3及其前体物在大气边界层内的复杂分布特征，导致不同高度的O3生成机制存在差异（Tang et al.，2017），对O3防治策略的科学制定提出了更大的挑战.虽然基于模拟手段对O3的生消规律已获得一定的认知，但仍存在不可忽略的误差（Zhu et al.，2020），故要想深入认识O3污染的全貌，开展O3垂直观测尤为重要.与丰富的地面观测资料相比，受制于严苛的观测条件和成本，O3的垂直观测资料相对缺乏.对O3的垂直观测可以分为固定位置平台和空载平台两种方式，前者包括专用高塔和激光雷达，其中高塔观测高度一般在500 m以下，如北京气象塔（马志强等，2007）、天津气象塔（高文康等，2012）、石家庄电视塔（窦红，2015）、广州电视塔（王宇骏等，2016）、深圳气象塔（孙天乐等，2019）等；激光雷达的观测高度可突破大气边界层 （谷雨等，2018；Luo et al.，2020），但在300 m以下普遍存在探测盲区.后者则包括以气球、飞机、系留气艇或无人机等方式携带仪器进行的O3浓度廓线探空观测（Li et al.，2017；Zhao et al.，2019；Tang et al.，2021），通常在特定时间内基于观测实验开展.在华南地区，一些研究者已开展了基于高塔或激光雷达的 O3浓度垂直分布特征研究.如王宇骏等（2016）、陈漾等（2017）、张金谱等（2018）研究了广州塔4个高度（地面、118 m、168 m和488 m）的O3质量浓度垂直分布特征，揭示了广州城区近地面层500 m以下O3质量浓度随高度增加而显著上升的趋势.孙天乐等（2019）基于深圳气象塔也观测到类似现象，其指出夜间高空O3有较高的背景值主要是由于夜间边界层限制了地面排放的NO向上传输与高层O3的滴定反应所致.黄祖照等（2018）利用5个O3激光雷达在广州地区进行的组网加强观测发现，高浓度O3主要分布在2.0 km范围内，夜间时段高空均存在明显的O3残留现象，夜间残留会导致次日O3浓度持续累积升高.王馨琦等（2019）基于O3激光雷达的长期连续观测给出了广州市O3垂直结构的日变化特征，指出在局地污染过程中高浓度的O3主要集中在近地面，并且随