激光雷達垂直觀測技術在東北沿海城市臭氧污染分析上的應用

鄭 冬，閻守政

(遼寧省大連生態環境監測中心，遼寧 大連 116023)

1 引言

近地面大氣中的臭氧含量較少，但其達到一定的濃度時會直接影響人類、動植物和生態環境[1]。近年來，隨著我國經濟社會發展以及顆粒物治理初具成效，在許多城市臭氧污染天數已逐步超過顆粒物，成為污染環境的首要污染物[2，3]，因此針對臭氧污染的研究得到了廣泛關注。

激光雷達具有方向性強、抗干擾性高和體積小等特點，是大范圍快速監測大氣環境的新一代的高技術手段。利用激光雷達進行垂直監測，可開展城市污染演變、區域性污染物分布、污染物跨界輸送等的監測[4～6]。Kuang等人通過對比分析差分吸收激光雷達與臭氧探空儀的臭氧監測結果，表明差分吸收激光雷達能夠對臭氧濃度的垂直分布進行有效探測[7]。Xing等人利用差分吸收激光雷達探測了上海市臭氧的垂直分布特征，發現區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對廣州市對流層臭氧垂直結構進行長期連續觀測，給出了廣州市臭氧垂直結構的日變化特征[9]。

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

2 監測概況

大連市臭氧激光雷達監測點位布設在大連市沙河口區，毗鄰國控環境空氣自動監測站星海三站點位，周邊有多個居民小區、學校、幼兒園、菜市場，以及諸多餐飲店，臨近中山路、連山街等交通干線，是大連城區內典型的人口密集區，周圍居民區、機動車流量等各方面都具有很好的代表性，監測數據可以反映大連市區綜合環境質量狀況。

營口市臭氧激光雷達監測點位布設在營口市站前區，距離國控環境空氣自動監測站學府南路點位約870 m。臭氧激光雷達監測站點周邊1 km范圍內均為居住、商業、行政、學校和交通區，屬于營口市主城區中心位置，能夠較好地反應營口市環境空氣質量狀況，點位具有較好的代表性。

本次觀測選用北京怡孚和融科技有限公司O3Finder型大氣臭氧探測激光雷達。該大氣臭氧探測激光雷達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氣體的吸收特性測量氣體的濃度。系統向大氣中發射兩個波長非常近的激光束，兩束激光的波長分別位于待測氣體的吸收強位置和無吸收位置，可以根據兩個波長的回波信號確定激光共同路徑上的待測氣體分子的濃度。

3 結果與討論

3.1 觀測期間空氣質量

對大連市于2020年9月14日至10月11日進行了觀測，觀測期間星海三站點位空氣質量等級均為優良，臭氧8 h平均濃度范圍為55～158 μg/m3；對營口市于2020年9月22日至10月4日進行了觀測，觀測期間學府南路點位空氣質量均為優良，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觀測情況

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。當日臭氧日最大8 h濃度(以下簡稱“臭氧8 h”)為89 μg/m3，符合環境空氣質量一級標準(以下簡稱“一級標準”)。

圖1 大連市9月20日臭氧觀測結果

營口市10月4日為明顯無臭氧污染，由圖2可知，當日從地面至高空臭氧濃度均極低，當日臭氧8 h濃度為64 μg/m3，符合一級標準。

圖2 營口市10月4日臭氧觀測結果

3.3 高空污染未沉降時觀測情況

大連市9月30日高空出現輕微臭氧污染氣團，全天污染氣團一直處于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。當日臭氧8 h濃度為82 μg/m3，符合一級標準。

圖3 大連市9月30日臭氧觀測結果

營口市9月29日高空出現臭氧污染氣團，該氣團在早晨逐漸上升，9時下沉較為明顯，之后污染氣團一直處于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，高空污染氣團中臭氧與近地面臭氧之間有明顯斷層，表明該氣團一直未沉降至近地面。當日臭氧8 h濃度為56 μg/m3，符合一級標準。

圖4 營口市市9月29日臭氧觀測結果

3.4 高空污染沉降時觀測情況

大連市10月8日從12時起高空出現不連續臭氧污染氣團，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時和16時左右，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沉降至近地面。由于當日近地面臭氧濃度一直處于高位，疊加臭氧污染氣團沉降影響，短時出現臭氧污染時段。當日臭氧8 h濃度為158 μg/m3，符合二級標準。

圖5 大連市10月8日臭氧觀測結果

營口市9月26日從12時起，300～700 m高空位置出現不連續臭氧污染氣團，一直持續至次日凌晨。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時左右，近地面與高空之間臭氧濃度均為高值，表明污染氣團沉降過程明顯。由于沉降時段較短，且之前臭氧濃度較低，并未造成當日臭氧污染。當日臭氧8 h濃度為151 μg/m3，符合二級標準。

圖6 營口市9月26日臭氧觀測結果

4 結語

(1)激光雷達垂直觀測技術能夠全天候實時觀測同一位置不同高度上臭氧濃度，根據觀測結果可以明確高空是否存在臭氧污染氣團，以及是否發生污染沉降過程，這對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，發生臭氧污染情況較少。只有在二者共同作用下，才會發生臭氧污染較重情況。

(3)9月26日夜間，營口市的高空臭氧污染氣團呈現不連續特征，且高度較低，應為近距離傳輸，推斷為沿海城市的海陸風引起的臭氧污染傳輸。