激光雷達(dá)垂直觀測(cè)技術(shù)在東北沿海城市臭氧污染分析上的應(yīng)用

鄭 冬，閻守政

(遼寧省大連生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，遼寧 大連 116023)

1 引言

近地面大氣中的臭氧含量較少，但其達(dá)到一定的濃度時(shí)會(huì)直接影響人類、動(dòng)植物和生態(tài)環(huán)境[1]。近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展以及顆粒物治理初具成效，在許多城市臭氧污染天數(shù)已逐步超過顆粒物，成為污染環(huán)境的首要污染物[2，3]，因此針對(duì)臭氧污染的研究得到了廣泛關(guān)注。

激光雷達(dá)具有方向性強(qiáng)、抗干擾性高和體積小等特點(diǎn)，是大范圍快速監(jiān)測(cè)大氣環(huán)境的新一代的高技術(shù)手段。利用激光雷達(dá)進(jìn)行垂直監(jiān)測(cè)，可開展城市污染演變、區(qū)域性污染物分布、污染物跨界輸送等的監(jiān)測(cè)[4～6]。Kuang等人通過對(duì)比分析差分吸收激光雷達(dá)與臭氧探空儀的臭氧監(jiān)測(cè)結(jié)果，表明差分吸收激光雷達(dá)能夠?qū)Τ粞鯘舛鹊拇怪狈植歼M(jìn)行有效探測(cè)[7]。Xing等人利用差分吸收激光雷達(dá)探測(cè)了上海市臭氧的垂直分布特征，發(fā)現(xiàn)區(qū)域傳輸不是造成臭氧污染的主要原因[8]。王馨琦等人利用差分吸收臭氧激光雷達(dá)對(duì)廣州市對(duì)流層臭氧垂直結(jié)構(gòu)進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)，給出了廣州市臭氧垂直結(jié)構(gòu)的日變化特征[9]。

本研究分別選取大連市和營(yíng)口市作開展激光雷達(dá)垂直觀測(cè)。大連市瀕臨黃海，地處遼寧省最南端；營(yíng)口市瀕臨渤海，地處渤海灣靠北位置。兩個(gè)城市可以作為東北沿海城市的典型代表。

2 監(jiān)測(cè)概況

大連市臭氧激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)在大連市沙河口區(qū)，毗鄰國(guó)控環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)站星海三站點(diǎn)位，周邊有多個(gè)居民小區(qū)、學(xué)校、幼兒園、菜市場(chǎng)，以及諸多餐飲店，臨近中山路、連山街等交通干線，是大連城區(qū)內(nèi)典型的人口密集區(qū)，周圍居民區(qū)、機(jī)動(dòng)車流量等各方面都具有很好的代表性，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以反映大連市區(qū)綜合環(huán)境質(zhì)量狀況。

營(yíng)口市臭氧激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)在營(yíng)口市站前區(qū)，距離國(guó)控環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)站學(xué)府南路點(diǎn)位約870 m。臭氧激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)周邊1 km范圍內(nèi)均為居住、商業(yè)、行政、學(xué)校和交通區(qū)，屬于營(yíng)口市主城區(qū)中心位置，能夠較好地反應(yīng)營(yíng)口市環(huán)境空氣質(zhì)量狀況，點(diǎn)位具有較好的代表性。

本次觀測(cè)選用北京怡孚和融科技有限公司O3Finder型大氣臭氧探測(cè)激光雷達(dá)。該大氣臭氧探測(cè)激光雷達(dá)采用差分吸收的方法來反演臭氧濃度。方法的基本原理是利用待測(cè)氣體的吸收特性測(cè)量氣體的濃度。系統(tǒng)向大氣中發(fā)射兩個(gè)波長(zhǎng)非常近的激光束，兩束激光的波長(zhǎng)分別位于待測(cè)氣體的吸收強(qiáng)位置和無吸收位置，可以根據(jù)兩個(gè)波長(zhǎng)的回波信號(hào)確定激光共同路徑上的待測(cè)氣體分子的濃度。

3 結(jié)果與討論

3.1 觀測(cè)期間空氣質(zhì)量

對(duì)大連市于2020年9月14日至10月11日進(jìn)行了觀測(cè)，觀測(cè)期間星海三站點(diǎn)位空氣質(zhì)量等級(jí)均為優(yōu)良，臭氧8 h平均濃度范圍為55～158 μg/m3；對(duì)營(yíng)口市于2020年9月22日至10月4日進(jìn)行了觀測(cè)，觀測(cè)期間學(xué)府南路點(diǎn)位空氣質(zhì)量均為優(yōu)良，臭氧8 h平均濃度范圍為64～151 μg/m3。

3.2 高空和近地面無污染時(shí)觀測(cè)情況

大連市9月20日為典型的高空和近地面無臭氧污染天氣，由圖1可知，當(dāng)日從地面至高空臭氧濃度均較小，且無垂直方向的臭氧沉降。當(dāng)日臭氧日最大8 h濃度(以下簡(jiǎn)稱“臭氧8 h”)為89 μg/m3，符合環(huán)境空氣質(zhì)量一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(以下簡(jiǎn)稱“一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)”)。

圖1 大連市9月20日臭氧觀測(cè)結(jié)果

營(yíng)口市10月4日為明顯無臭氧污染，由圖2可知，當(dāng)日從地面至高空臭氧濃度均極低，當(dāng)日臭氧8 h濃度為64 μg/m3，符合一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 營(yíng)口市10月4日臭氧觀測(cè)結(jié)果

3.3 高空污染未沉降時(shí)觀測(cè)情況

大連市9月30日高空出現(xiàn)輕微臭氧污染氣團(tuán)，全天污染氣團(tuán)一直處于1.5～5 km高空位置，并未沉降至近地面。如圖3所示，當(dāng)日在0.5～1.5 km高空處有一段明顯的隔離帶，該位置臭氧濃度極低，表明高空臭氧污染并未沉降至近地面。當(dāng)日臭氧8 h濃度為82 μg/m3，符合一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 大連市9月30日臭氧觀測(cè)結(jié)果

營(yíng)口市9月29日高空出現(xiàn)臭氧污染氣團(tuán)，該氣團(tuán)在早晨逐漸上升，9時(shí)下沉較為明顯，之后污染氣團(tuán)一直處于400～600 m高空附近，由圖4可知，全天200～400 m高空附近臭氧濃度極低，高空污染氣團(tuán)中臭氧與近地面臭氧之間有明顯斷層，表明該氣團(tuán)一直未沉降至近地面。當(dāng)日臭氧8 h濃度為56 μg/m3，符合一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 營(yíng)口市市9月29日臭氧觀測(cè)結(jié)果

3.4 高空污染沉降時(shí)觀測(cè)情況

大連市10月8日從12時(shí)起高空出現(xiàn)不連續(xù)臭氧污染氣團(tuán)，高空與近地面之間并無明顯的臭氧濃度低值隔離帶。由圖5可知，在12時(shí)和16時(shí)左右，近地面與高空的臭氧高值濃度并無隔離帶，表明高空臭氧污染氣團(tuán)沉降至近地面。由于當(dāng)日近地面臭氧濃度一直處于高位，疊加臭氧污染氣團(tuán)沉降影響，短時(shí)出現(xiàn)臭氧污染時(shí)段。當(dāng)日臭氧8 h濃度為158 μg/m3，符合二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 大連市10月8日臭氧觀測(cè)結(jié)果

營(yíng)口市9月26日從12時(shí)起，300～700 m高空位置出現(xiàn)不連續(xù)臭氧污染氣團(tuán)，一直持續(xù)至次日凌晨。由圖6可知，近地面與高空臭氧濃度高值并無明顯隔離帶，尤其在14時(shí)左右，近地面與高空之間臭氧濃度均為高值，表明污染氣團(tuán)沉降過程明顯。由于沉降時(shí)段較短，且之前臭氧濃度較低，并未造成當(dāng)日臭氧污染。當(dāng)日臭氧8 h濃度為151 μg/m3，符合二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 營(yíng)口市9月26日臭氧觀測(cè)結(jié)果

4 結(jié)語

(1)激光雷達(dá)垂直觀測(cè)技術(shù)能夠全天候?qū)崟r(shí)觀測(cè)同一位置不同高度上臭氧濃度，根據(jù)觀測(cè)結(jié)果可以明確高空是否存在臭氧污染氣團(tuán)，以及是否發(fā)生污染沉降過程，這對(duì)臭氧污染來源判定以及臭氧污染治理具有重要意義。

(2)大連和營(yíng)口作為典型東北沿海城市，在臭氧污染來源只有本地生成或者外部傳輸時(shí)，發(fā)生臭氧污染情況較少。只有在二者共同作用下，才會(huì)發(fā)生臭氧污染較重情況。

(3)9月26日夜間，營(yíng)口市的高空臭氧污染氣團(tuán)呈現(xiàn)不連續(xù)特征，且高度較低，應(yīng)為近距離傳輸，推斷為沿海城市的海陸風(fēng)引起的臭氧污染傳輸。