基于广州塔多层观测的城市臭...污染垂直分布特征及成因分析_岳海燕.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基于广州塔多层观测的城市臭氧污染垂直分布特征及成因分析岳海燕1，蒋媛2，顾桃峰3，王春林4，*，吴昊21.广州市气象台，广州 5114302.成都信息工程大学电子工程学院，成都 6102253.广州市突发事件预警信息发布中心，广州 5114304.广州市气候与农业气象中心，广州 511430摘要：利用2019年11月1日2020年4月30日广州主城区和广州塔121 m、454 m O3浓度同步监测数据，分析了广州市O3垂直污染分布特征及成因.结果表明：近地面O3浓度变化主要取决于人类活动如工业排放和机动车尾气排放等，而高空O3浓度主要取决于天气过程，如辐射造成光学反应加剧和区域传输.地面的O3浓度高于垂直观测站点，其日变化均呈单峰型分布，表现为日出后太阳辐射增强O3浓度升高，在午后14：0015：00达到一日中的最高值.广州塔454 m的O3浓度日变化呈明显的双峰型特征，第1个峰值出现早上7：00后，O3浓度随着日出后边界层混合抬升而升高，第2个峰值持续出现在午后，因高温、辐射导致的光化学反应剧烈生成.相对广州其他站点的第2峰值滞后的现象，可能是由于近地面臭氧生成后垂直传输到塔顶出现的垂直混合的时间差，受到边界层抬升强度不同的影响.广州塔121 m站点，O3浓度与风速的关系非常明显，广州南部地区臭氧贡献度达到了45%.在广州的冬季和春季，其中尤以冬季121月，广州臭氧污染贡献源广州塔中可能 来自于南部，广州塔顶454 m来自于东南部.关键词：臭氧（O3）；垂直分布；塔基观测；广州文章编号：0253-2468（2023）01-0054-09 中图分类号：X511，X16 文献标识码：AVertical distribution characteristics and its cause analysis of urban ozone pollution based on multi-layer observation on Guangzhou towerYUE Haiyan1，JIANG Yuan2，GU Taofeng3，WANG Chunlin4，*，WU Hao21.Guangzhou Meteorological Observatory，Guangzhou 5114302.School of Electrical Engineering，Chengdu University of Information Technology，Chengdu 6102253.Guangzhou Emergency Warning Information Release Center，Guangzhou 5114304.Guangzhou Climate and Agrometeorology Center，Guangzhou 511430Abstract：Using synchronous observation data of ozone in Guangzhou Tower and the main urban area of Guangzhou city from November 1，2019 to April 30，2020，vertical ozone pollution distribution in cities and its causes were analyzed in this paper.The main conclusions are：The variation of O3 concentration near ground mainly depends on human activities，such as industrial emissions and vehicle emissions，while the upper level O3 concentration mainly depends on weather processes，such as increased photochemical reaction due to radiation and regional transmission.The concentration of O3 on the ground is higher than that of the vertical observation station，and its daily variation is unimodal distribution，which increases after sunrise and reaches the highest value of the day from 14：00 to 15：00 in the afternoon.The diurnal variation of O3 concentration at 454 m of Guangzhou Tower shows obvious bimodal characteristics.The first peak appears after 7：00 a.m.，and the O3 concentration increases with the rising mixed boundary layer after sunrise.The second peak occurs in the afternoon，due to violent photochemical reaction caused by high temperature and radiation.The lag of the second peak value relative to other stations in Guangzhou may be due to the time difference of vertical mixing between near ground ozone generation and tower top，which is affected by different lifting intensity of the boundary layer.The relationship between O3 DOI：10.13671/j.hjkxxb.2022.0418岳海燕，蒋媛，顾桃峰，等.2023.基于广州塔多层观测的城市臭氧污染垂直分布特征及成因分析 J.环境科学学报，43（1）：54-62YUE Haiyan，JIANG Yuan，GU Taofeng，et al.2023.Vertical distribution characteristics and its cause analysis of urban ozone pollution based on multi-layer observation on Guangzhou tower J.Acta Scientiae Circumstantiae，43（1）：54-62收稿日期：2022-09-04 修回日期：2022-11-13 录用日期：2022-11-15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.202206010016）；大城市智慧观测与数据应用创新团队项目；广州市气象局科研项目（No.M202212）作者简介：岳海燕（1981），高级工程师，E-mail：；*责任作者，E-mail：1 期岳海燕等：基于广州塔多层观测的城市臭氧污染垂直分布特征及成因分析concentration and wind speed at the 121 meters of Guangzhou Tower is very obvious，and the contribution of ozone in the southern part of Guangzhou has reached 45%.In winter and spring in Guangzhou，especially from December to January in winter，the contribution source of ozone pollution at 121 meters of Guangzhou Tower may come from the south，while the ozone pollution at 454 meters of Guangzhou Tower may come from the southeast.Keywords：ozone（O3）；vertical distribution；tower observation；Guangzhou1引言（Introduction）随着工业技术的快速发展，大气环境问题变成了全球性的公共环境健康问题，中国作为全世界人口 最多的国家，对大气环境的保护有着更高的要求.臭氧（O3）是大气中的一种重要的微量气体，在高空2025 km处浓度最高，形成了“臭氧层”，它可以吸收太阳光紫外辐射，对大气有增温、杀菌的作用，可保护地球生物 免受紫外辐射的伤害，但臭氧一旦到达近地面（垂直高度1 km），会受到强光照、高温低湿、逆温等条件的 影响，与氮氧化物和挥发性有机物发生光化学反应，造成大气能见度降低、大气细粒子浓度增加等结果，从而引起一系列的健康问题，变成“健康杀手”（Fann et al.，2015）.近年来，臭氧污染在京津冀、长三角、珠三角、成渝等经济发达地区均呈快速上升和蔓延态势，20132017年这 4个地区日最大 8 h臭氧均值（MDA8-O3）分别以 6.6、4.9、1.2和 3.4 g m-3的速率快速上升（Ke et al.2017）.在华南地区，珠三角是O3污染最集中的区域（裴成磊等，2021）.由于珠三角地区地处我国南部，属于亚热带季风气候，气温较高，气温年较差和日较差都较小，O3月均浓度变化较小（易睿等，2015）.同时，珠三角是中国开展区域性O3污染研究较早的地区，自2006年以来，粤港网监测的多项空气污染物均呈波动下降趋势，但O3浓度均值却在波动上升（Li et al.，2014）.珠三角中部地区臭氧年均浓度增加趋势显著，且 随着前体物浓度变化，VOCs控制区面积不断减少，协同控制区面积和NOx控制区面积则逐渐增加（赵伟等，2021）.近地面O3主要是天然和人为排放的氮氧化合物（NOx）和挥发性有机物（VOCs）在紫外线照射作用下，经一系列光化学反应生成的二次污染物（Oltmans et al.，1998）.影响近地面O3浓度的因素很多，包括前体物的浓度与相对组成及诸多气象因素（Tonse et al.，2008）.科研人员通过NOx比值和臭氧产生效率等手段研究发现，城市地区的臭氧光化学产生一般属于 VOC控制，而远郊区的臭氧光化学产生则一般属于 NOx控制 （陆克定等，2010）.降水增加，臭氧前体物受湿沉降作用明显（黎煜满等，2022）.当大气中机动车及其他各类污染源排放的NOx和VOCs充足时，易发生光化学反应生成高浓度O3，在不利于扩散条件下极易出现O3污染（严仁娥，2018）.近地面O3主要来源于局地光化学反应，直接排放的O3很少（王开燕等，2012），但夜间残留层积聚的O3可通过次日的下传作用使近地面O3浓度增加（Deng et al.，2018）.孙思思等（2018）研究发现，南京 地区典型臭氧重污染的原因是夏季高温静稳天气下近地面臭氧的循环生成和夜间高空残留的臭氧在湍流作用下的混合和积累.近地面观测方法由于点位设置数量较少，空间代表性有限，且较多的关注某次污染事件或个别污染日（Sun et al.，2011）.在O3超标的情