环珠江口近地面夜间臭氧上升...基于垂直观测的两个个例研究_何国文.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环珠江口近地面夜间臭氧上升现象：基于垂直观测的两个个例研究何 国 文1，2，何 成1，2，王 海 潮1，2，苗 圣 杰1，2，刘 晨 曦1，2，王 一 鸣1，2，刘 南 希1，2，曹天慧1，2，邓涛3，吴兑3，4，卢骁1，2，*，范绍佳1，2，*1.中山大学大气科学学院，珠海 5190822.广东省环珠江口气候环境与空气质量变化野外科学观测研究站，广州 5102753.中国气象局广州热带海洋气象研究所，广东省区域数值天气预报重点实验室，广州 5106404.暨南大学质谱仪器与大气环境研究所，粤港澳环境质量协同创新联合实验室，广东省大气污染在线源解析系统工程技术研究中心，广州 510632摘要：利用广州塔的O3观测资料、风廓线雷达和转动拉曼温廓线激光雷达探测的垂直环境气象等观测资料，结合ERA5的近地面风场，对2017年5月67日（Case I）和2019年10月12日（Case）两个典型个例从垂直混合与水平输送的角度进行特征与成因分析.O3的垂直观测结果表明，夜间残留层可储存日间混合层内的高浓度O3气团.从垂直混合与水平输送的分析结果表明，残留层O3的垂直混合及高浓度O3气团的水平输送是夜间地表O3的重要来源：夜间存在垂直风切变或边界层抬升，均可加强O3的垂直混合；珠三角地区背景风表现为在早上偏北风和晚上转换为偏南风，广州与佛山地表O3浓度上升最显著.此外，夜间O3浓度上升事件可造成夜间及凌晨O3 8 h滑动平均值持续高值，对空气质量和大气氧化性造成一定影响.关键词：环珠江口；夜间臭氧；垂直观测；近地面文章编号：0253-2468（2023）01-0087-10 中图分类号：X511，X16 文献标识码：ANocturnal ground-level ozone enhancement over the Pearl River Estuary：Two case studies based on vertical observationsHE Guowen1，2，HE Cheng1，2，WANG Haichao1，2，MIAO Shengjie1，2，LIU Chenxi1，2，WANG Yiming1，2，LIU Nanxi1，2，CAO Tianhui1，2，DENG Tao3，WU Dui3，4，LU Xiao1，2，*，FAN Shaojia1，2，*1.School of Atmospheric Sciences，Sun Yat-sen University，Zhuhai 5190822.Guangdong Provincial Observation and Research Station for Climate Environment and Air Quality Change in the Pearl River Estuary，Guangzhou 5102753.Guangdong Provincial Key Laboratory of Regional Numerical Weather Prediction，Institute of Tropical and Marine Meteorology，China Meteorological Administration，Guangzhou 5106404.Institute of Mass Spectrometer and Atmospheric Environment，Jinan University，Guangdong-Hongkong-Macau Joint Laboratory of Collaborative Innovation for Environmental Quality，Guangdong Engineering Research Center for Online Atmospheric Pollution Source Appointment Mass Spectrometry System，Guangzhou 510632Abstract：This study mainly used the ozone（O3）observational data of Canton Tower，the vertical environmental meteorological observational data of wind profile lidar and twirling Raman temperature profile lidar as well as combined the near-surface wind field of ERA5.The characteristics and causes of two typical cases on May 67，2017（Case I）and October 12，2019（Case）were analyzed from the perspectives of vertical mixing and horizontal transportation.The vertical observation of O3 showed that the residual layer at night can store high concentration O3 which in the mixed layer during daytime.The analysis results from vertical mixing and horizontal transport showed that the vertical mixing of O3 in the residual layer and the DOI：10.13671/j.hjkxxb.2022.0413何国文，何成，王海潮，等.2023.环珠江口近地面夜间臭氧上升现象：基于垂直观测的两个个例研究 J.环境科学学报，43（1）：87-96HE Guowen，HE Cheng，WANG Haichao，et al.2023.Nocturnal ground-level ozone enhancement over the Pearl River Estuary：Two case studies based on vertical observations J.Acta Scientiae Circumstantiae，43（1）：87-96收稿日期：2022-08-31 修回日期：2022-10-19 录用日期：2022-11-15基金项目：广东省重点领域研发计划项目（No.2020B1111360003）；广东省基础与应用基础研究重大项目（No.2020B0301030004）；广东省科技计划项目（科技创新平台类）（No.2019B121201002）作者简介：何国文（1995），男，E-mail：；*责任作者，E-mail：；环境科学学报43 卷horizontal transport of high O3 air mass were the important sources of O3 on the surface at night.Vertical wind shear or boundary layer uplift can enhance the vertical mixing of O3 at night.The background wind in the Pearl River Delta region showed northerly wind in the morning and southerly wind in the evening，the surface O3 concentration in Guangzhou and Foshan increased most significantly.In addition，the nocturnal O3 enhancement event can cause the continuous high value of O3_8h at night and in the early morning，which had a certain impact on air quality and atmospheric oxidation.Keywords：Pearl River Estuary；nocturnal ozone；vertical observation；near-surface1引言（Introduction）近年来，我国在积极实施“大气十条（20132017）”及打赢蓝天保卫战等排放控制措施后，细颗粒物 污染得到明显改善（Wang et al.，2019；Zhang et al.，2019），但臭氧（O3）污染形势却愈发严峻（Lu et al.，2018；Lu et al.，2020）.20062019年，粤港澳大湾区（香港特别行政区、澳门特别行政区及珠江三角洲地区）O3年平均增长速率为0.80 g m-3 a-1（赵伟等，2021）.根据 2021广东省生态环境状况公报，2021年珠三角9市首要污染物主要为O3，占首要污染物比例达71.4%（http：/）.一般情况下，O3浓度表现为晚上到上午谷值、午后峰值的明显单峰型日变化特征（刘建等，2017；黄俊等，2018）；但对个例的研究表明，受风场的输送影响时臭氧日变化会存在双峰型结构（陈辰等，2022）.在已有研究普遍关注日间O3浓度增加及极端O3污染事件的同时（Yin et al.，2019；Li et al.，2021；Wang et al.，2021；Li et al.，2022），有部分研究报道出现夜间O3在短时间内快速增加的现象.夜 间 O3浓 度 上 升（Nocturnal Ozone Enhancement，NOE）对 人 体 及 动 植 物 生 长 发 育 有 负 面 作 用（Musselman et al.，2000；Lloyd et al.，2020；Zhu et al.，2020），同时也会影响夜间化学反应（Ghosh et al.，2013；Gerken et al.，2016），并影响硝酸盐等气溶胶的转化（Tang et al.，2021）.目前空气质量模型对夜间O3的模拟，尤其是对夜间O3增加现象的模拟有较为普遍的偏差（Ouyang et al.，2022），十分有必要加强对夜间O3浓度变化趋势特征的观测与研究.近年来，NOE事件的发生已经成为一种普遍的现象（Ghosh et al.，2013；Kulkarni et al.，2016；Caputi et al.，2019；Yusoff et al.，2019；He et al.，2022a）.但目前对NOE事件形成原因的相关研究较少，且在不同地区的成因有很大差异.已有研究表明，低空急流（Zhu et al.，2020）、山谷风环流（Salmond et al.，2002；He et al.，2021）、海陆风环流（Ding et al.，2004；Liu et al.，2022）和长距离水平输送（Klein et al.，2014）是重要的夜间O3浓度上升的影响机制.另外，夜间对流天气过程（贾诗卉等，2015）、云顶长波辐射冷凝和蒸发冷凝引起的湍流（Hu et al.，2021）、夜间降雨伴随着强烈的下沉气流（Gerken et al.，2016）等可影响夜间边界层结构，增加O3等污染物的垂直输送通量.Kulkarni等（2016）指出大尺度流场导致夜间边界层内气团的垂直混合加强，NOE可能与一个或多个不同的边界层过程相结合有关.由于夜间不存在光化学