楊 帆 耿志鑫 鄒 忠

(1.上海市浦東新區(qū)環(huán)境監(jiān)測站，上海 200135；2.上海第二工業(yè)大學資源與環(huán)境工程學院，上海 201209；3.上海市浦東新區(qū)生態(tài)環(huán)境局，上海 200125)

近年來，隨著大氣污染防治的不斷深入，我國大部分地區(qū)的SO2、氮氧化物(NOx)、可吸入顆粒物(PM10)和細顆粒物(PM2.5)濃度已呈現(xiàn)逐年下降趨勢[1-2]，然而O3污染狀況卻日益嚴峻起來。在珠三角、長三角等地，O3已取代PM2.5而成為了影響當?shù)丨h(huán)境空氣質(zhì)量的最主要因素。近地面高濃度O3不僅會造成農(nóng)作物減產(chǎn)、橡膠等材料老化，還會損害人體呼吸道和心肺功能，導致咳嗽、哮喘甚至心血管疾病等[3-4]。2016年我國有超過30%的人口暴露于O3日最大8 h平均質(zhì)量濃度超過《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB 3095—2012)二級標準(160 μg/m3)的環(huán)境下，約67.2%的城市人口生活在O3日最大8 h平均質(zhì)量濃度高于世界衛(wèi)生組織建議的暴露質(zhì)量濃度水平(100 μg/m3)以上[5]。在京津冀[6-8]、長三角[9-11]和珠三角[12-14]等大城市群地區(qū)，O3的濃度近些年都呈現(xiàn)出逐年上升趨勢，并且夏秋季頻繁出現(xiàn)O3超標現(xiàn)象。

近地面的大氣邊界層內(nèi)是大氣污染的主要發(fā)生地，但僅靠地面觀測數(shù)據(jù)不能完全反映出污染物在大氣中的垂直分布規(guī)律及垂直交換作用對近地面污染的影響[15-17]。上海中心大廈塔冠層高達623 m，夜間或凌晨?？砷L時間超過大氣邊界層高度[18-19]，為上海的大氣垂直觀測提供了一個理想的監(jiān)測平臺。在上海中心大廈開展連續(xù)在線垂直監(jiān)測，可揭示上海的大氣污染物垂直分布、垂直擴散等規(guī)律特征，從而為建模、環(huán)評和預測等提供數(shù)據(jù)支撐，為空氣污染預警和防控提供依據(jù)。本研究利用上海中心大廈(121.512°E，31.239°N)開展PM2.5和O3的同時在線垂直監(jiān)測，結合風廓線雷達對一次典型的近地面O3污染過程進行分析，研究大氣垂直交換作用對O3污染過程的影響。

1 材料與方法

1.1 儀器設備

使用AER2型大氣微站監(jiān)測PM2.5和O3；使用WINDCUBE 100S型風廓線雷達監(jiān)測風速和風向；使用Vaisala CL31型激光云高儀監(jiān)測大氣邊界層高度；使用Vaisala WXT520型氣象六參數(shù)儀監(jiān)測溫度和相對濕度。

1.2 監(jiān)測方案設計

上海中心大廈位于浦東新區(qū)陸家嘴商圈，分別在距離地面高度為25、105、180、255、335、415、500、585、623 m處設置垂直觀測平臺。針對2019年6月15—16日連續(xù)兩天O3日最大8 h平均質(zhì)量濃度超過GB 3095—2012二級標準(160 μg/m3)的一次污染事件，利用大氣微站對O3的垂直分布特征進行24 h連續(xù)在線采樣觀測。氣象數(shù)據(jù)在與上海中心大廈水平距離小于3 km的上海市浦東新區(qū)環(huán)境監(jiān)測站樓頂(高度約25 m，121.545°E、31.233°N)測得。

2 結果與討論

此次污染過程中PM2.5和O3質(zhì)量濃度及主要氣象要素變化見圖1。2019年6月15—16日是一次典型的近地面O3污染過程。6月15日，O3質(zhì)量濃度14:00達到最高值(260 μg/m3)，持續(xù)保持高值至19:00后開始下降；6月16日，O3質(zhì)量濃度13:00達到最高值(258 μg/m3)，持續(xù)保持高值至17:00后開

圖1 污染過程中PM2.5和O3質(zhì)量濃度及主要氣象要素變化Fig.1 PM2.5 and O3 mass concentrations and main meteorological elements variationduring the pollution episode

始逐漸下降。從兩天的O3污染持續(xù)時間來看，6月15日12:00開始O3質(zhì)量濃度超過了160 μg/m3，一直持續(xù)到16日1:00才降到160 μg/m3以下；16日10:00 O3質(zhì)量濃度又超過了160 μg/m3，一直到22:00才降到160 μg/m3以下。PM2.5和O3的變化總體呈相反趨勢，O3濃度一般在中午達到最高，夜間降到最低，而PM2.5濃度則在夜間達到最高，中午最低。分析氣象要素可以發(fā)現(xiàn)，O3濃度的變化主要受氣溫的影響，而PM2.5濃度的變化主要受相對濕度的影響。O3污染主要發(fā)生在高溫低濕氣象條件下[20]。

由圖2可見，夜間的大氣邊界層高度基本上都在500 m以下，9:00后大氣邊界層高度才開始抬高。6月15日大氣邊界層高度最高達到了2 452 m，12:00—18:00大氣邊界層高度發(fā)生劇烈變化。通過分析風廓線雷達數(shù)據(jù)獲知，600 m高度上下垂直方向上存在多處強烈的風切變現(xiàn)象。相對而言，6月16日的大氣邊界層高度變化較為平緩，這是因為風切變現(xiàn)象較15日減緩。

0:00—8:00、8:00—16:00、16:00—24:00(次日0:00)3個時段的O3質(zhì)量濃度垂直變化見圖3。6月15日0:00—8:00從近地面25～623 m O3質(zhì)量濃度均未超過100 μg/m3。6月15日8:00—16:00，O3濃度整體較0:00—8:00明顯升高，主要是因為白天近地面O3即時生成增加了近地面O3的累積。6月15日16:00—24:00，由于白天的累積，O3濃度依然很高，但由于大氣邊界層高度發(fā)生變化，在大氣邊界層高度(500 m)以上O3繼續(xù)累積，而200 m以下的近地面因處于靜穩(wěn)狀態(tài)而無明顯垂直變化。與6月15日相比，16日3個時段的O3質(zhì)量濃度垂直變化差異較小。8:00—16:00近地面25 m處出現(xiàn)O3濃度高值，主要是受到高空O3累積后的向下傳輸和白天本地生成雙重作用的影響。進一步結合近地面PM2.5的濃度變化趨勢分析，由于受6月15日夜間至16日凌晨的PM2.5濃度升高導致太陽輻射在16日早上較弱，因此16日O3生成不如15日強烈。

3 結 論

上海中心大廈為大氣污染垂直監(jiān)測提供了一個理想的平臺。2019年6月15—16日上海一次典型的近地面O3污染過程中，O3污染主要發(fā)生在高溫低濕氣象條件下。8:00—16:00近地面25 m處因受到高空O3累積后的向下傳輸和白天本地生成雙重作用的影響出現(xiàn)O3濃度高值。PM2.5和O3的變化總體呈相反趨勢，PM2.5濃度升高會導致太陽輻射減弱，從而影響O3生成。大氣垂直交換作用風切變和大氣邊界層高度變化對于O3污染的影響不容忽視。

圖2 大氣邊界層高度變化Fig.2 Height of the atmospheric boundary layer variation

圖3 O3質(zhì)量濃度垂直變化特征Fig.3 Vertical profile of O3 concentration