激光雷达垂直观测技术在东北沿海城市臭氧污染分析上的应用

郑 冬，阎守政

(辽宁省大连生态环境监测中心，辽宁 大连 116023)

1 引言

近地面大气中的臭氧含量较少，但其达到一定的浓度时会直接影响人类、动植物和生态环境[1]。近年来，随着我国经济社会发展以及颗粒物治理初具成效，在许多城市臭氧污染天数已逐步超过颗粒物，成为污染环境的首要污染物[2，3]，因此针对臭氧污染的研究得到了广泛关注。

激光雷达具有方向性强、抗干扰性高和体积小等特点，是大范围快速监测大气环境的新一代的高技术手段。利用激光雷达进行垂直监测，可开展城市污染演变、区域性污染物分布、污染物跨界输送等的监测[4～6]。Kuang等人通过对比分析差分吸收激光雷达与臭氧探空仪的臭氧监测结果，表明差分吸收激光雷达能够对臭氧浓度的垂直分布进行有效探测[7]。Xing等人利用差分吸收激光雷达探测了上海市臭氧的垂直分布特征，发现区域传输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达对广州市对流层臭氧垂直结构进行长期连续观测，给出了广州市臭氧垂直结构的日变化特征[9]。

本研究分别选取大连市和营口市作开展激光雷达垂直观测。大连市濒临黄海，地处辽宁省最南端；营口市濒临渤海，地处渤海湾靠北位置。两个城市可以作为东北沿海城市的典型代表。

2 监测概况

大连市臭氧激光雷达监测点位布设在大连市沙河口区，毗邻国控环境空气自动监测站星海三站点位，周边有多个居民小区、学校、幼儿园、菜市场，以及诸多餐饮店，临近中山路、连山街等交通干线，是大连城区内典型的人口密集区，周围居民区、机动车流量等各方面都具有很好的代表性，监测数据可以反映大连市区综合环境质量状况。

营口市臭氧激光雷达监测点位布设在营口市站前区，距离国控环境空气自动监测站学府南路点位约870 m。臭氧激光雷达监测站点周边1 km范围内均为居住、商业、行政、学校和交通区，属于营口市主城区中心位置，能够较好地反应营口市环境空气质量状况，点位具有较好的代表性。

本次观测选用北京怡孚和融科技有限公司O3Finder型大气臭氧探测激光雷达。该大气臭氧探测激光雷达采用差分吸收的方法来反演臭氧浓度。方法的基本原理是利用待测气体的吸收特性测量气体的浓度。系统向大气中发射两个波长非常近的激光束，两束激光的波长分别位于待测气体的吸收强位置和无吸收位置，可以根据两个波长的回波信号确定激光共同路径上的待测气体分子的浓度。

3 结果与讨论

3.1 观测期间空气质量

对大连市于2020年9月14日至10月11日进行了观测，观测期间星海三站点位空气质量等级均为优良，臭氧8 h平均浓度范围为55～158 μg/m3；对营口市于2020年9月22日至10月4日进行了观测，观测期间学府南路点位空气质量均为优良，臭氧8 h平均浓度范围为64～151 μg/m3。

3.2 高空和近地面无污染时观测情况

大连市9月20日为典型的高空和近地面无臭氧污染天气，由图1可知，当日从地面至高空臭氧浓度均较小，且无垂直方向的臭氧沉降。当日臭氧日最大8 h浓度(以下简称“臭氧8 h”)为89 μg/m3，符合环境空气质量一级标准(以下简称“一级标准”)。

图1 大连市9月20日臭氧观测结果

营口市10月4日为明显无臭氧污染，由图2可知，当日从地面至高空臭氧浓度均极低，当日臭氧8 h浓度为64 μg/m3，符合一级标准。

图2 营口市10月4日臭氧观测结果

3.3 高空污染未沉降时观测情况

大连市9月30日高空出现轻微臭氧污染气团，全天污染气团一直处于1.5～5 km高空位置，并未沉降至近地面。如图3所示，当日在0.5～1.5 km高空处有一段明显的隔离带，该位置臭氧浓度极低，表明高空臭氧污染并未沉降至近地面。当日臭氧8 h浓度为82 μg/m3，符合一级标准。

图3 大连市9月30日臭氧观测结果

营口市9月29日高空出现臭氧污染气团，该气团在早晨逐渐上升，9时下沉较为明显，之后污染气团一直处于400～600 m高空附近，由图4可知，全天200～400 m高空附近臭氧浓度极低，高空污染气团中臭氧与近地面臭氧之间有明显断层，表明该气团一直未沉降至近地面。当日臭氧8 h浓度为56 μg/m3，符合一级标准。

图4 营口市市9月29日臭氧观测结果

3.4 高空污染沉降时观测情况

大连市10月8日从12时起高空出现不连续臭氧污染气团，高空与近地面之间并无明显的臭氧浓度低值隔离带。由图5可知，在12时和16时左右，近地面与高空的臭氧高值浓度并无隔离带，表明高空臭氧污染气团沉降至近地面。由于当日近地面臭氧浓度一直处于高位，叠加臭氧污染气团沉降影响，短时出现臭氧污染时段。当日臭氧8 h浓度为158 μg/m3，符合二级标准。

图5 大连市10月8日臭氧观测结果

营口市9月26日从12时起，300～700 m高空位置出现不连续臭氧污染气团，一直持续至次日凌晨。由图6可知，近地面与高空臭氧浓度高值并无明显隔离带，尤其在14时左右，近地面与高空之间臭氧浓度均为高值，表明污染气团沉降过程明显。由于沉降时段较短，且之前臭氧浓度较低，并未造成当日臭氧污染。当日臭氧8 h浓度为151 μg/m3，符合二级标准。

图6 营口市9月26日臭氧观测结果

4 结语

(1)激光雷达垂直观测技术能够全天候实时观测同一位置不同高度上臭氧浓度，根据观测结果可以明确高空是否存在臭氧污染气团，以及是否发生污染沉降过程，这对臭氧污染来源判定以及臭氧污染治理具有重要意义。

(2)大连和营口作为典型东北沿海城市，在臭氧污染来源只有本地生成或者外部传输时，发生臭氧污染情况较少。只有在二者共同作用下，才会发生臭氧污染较重情况。

(3)9月26日夜间，营口市的高空臭氧污染气团呈现不连续特征，且高度较低，应为近距离传输，推断为沿海城市的海陆风引起的臭氧污染传输。