城市大气边界层内臭氧及其前体物垂直演变特征

The particle concentrations in China decreased recently, while ozone (O3) concentrations increased and the exceedance caused by O3 in urban agglomerations in summer enhanced significantly. The existed photochemical pollution control strategies were mostly concluded based on the near-ground measurements, and ignored the impact of the vertical exchange for air pollutants in the boundary layer. This will influence the accuracy and effectiveness of the strategies for controlling photochemical pollution. This study aimed at investigating the photochemical pollution episodes in the urban agglomerations of North China Plain, measuring the vertical profiles of ozone and its precursors (NOx and VOCs) in the boundary layer using small wireless sounding devices carried on the tethered balloon. We attempt to reveal the vertical evolution of VOCs reactivity, NO2/NO and VOCs/NOx, explore the effect of pollutants restored in the nocturnal residual layer on the daytime O3 pollution level, quantify the column concentrations of ozone and its precursors in the urban boundary layer. Meanwhile, the EKMA curve which is suitable to evaluate the O3 formation can be established using the column concentrations and can be used to compare with the traditional EKMA curves. Our study results will provide more accurate scientific basis for the urban agglomeration photochemical pollution control policies.

近年来，我国大气颗粒物浓度下降，臭氧（O3）浓度升高，城市群区域夏季O3超标天数显著增加。现行光化学污染防治策略大多依据近地面观测结果制定，忽视了大气边界层内垂直交换对O3及其前体物污染水平的影响，这极有可能影响到防治措施制定的准确性和有效性。本研究以华北城市群区域光化学污染过程为研究对象，利用系留艇搭载小型化无线探测设备，对边界层内O3及其前体物（NOx和VOCs）的垂直廓线进行观测研究，旨在揭示VOCs活性、NO2/NO与VOCs/NOx的垂直结构及变化规律，探索夜间残留层中储存的污染物对白天O3污染水平的影响，量化边界层内O3及其前体物的柱总量，构建大气边界层内O3生成的EKMA曲线，并与传统的EKMA曲线进行比对研究，研究成果将为城市群区域大气光化学污染控制提供更加准确的科学依据。

近年来，我国大气颗粒物浓度下降，臭氧（O3）浓度升高，城市群区域夏季O3超标天数显著增加。现行光化学污染防治策略大多依据近地面观测结果制定，忽视了大气边界层内垂直交换对O3及其前体物污染水平的影响，这极有可能影响到防治措施制定的准确性和有效性。本研究利用系留艇搭载小型化无线探测设备，对边界层内O3及其前体物的垂直廓线进行观测研究，旨在揭示VOCs活性、NO2/NO与VOCs/NOx的垂直结构及变化规律，探索夜间残留层中储存的污染物对白天O3污染水平的影响，量化边界层内O3及其前体物的柱总量，构建大气边界层内O3生成的EKMA曲线，并与传统的EKMA曲线进行比对研究。.项目执行期间，围绕研究目标发表SCI论文18篇；培养博士研究生2名、硕士研究生2名；获得2018年度北京市科学技术一等奖和2020年度中国科学院大气物理研究所创新贡献奖两项奖励。项目的重要结果及其科学意义如下：.（1）获取了大量大气边界层O3及其前体物垂直廓线数据，支撑了“打赢蓝天保卫战三年行动计划”。项目执行期间，总计开展4次系留气艇观测实验，获取分别获取O3、VOCs和NOx垂直梯度观测数据150、103和25条。观测数据提交到生态环境部，为评估“打赢蓝天保卫战三年行动计划”提供了数据支撑。.（2）残留层中存储的O3对第二天有显著贡献，平均可达30%。前一天生成的O3会存储在残留层中，难以降解，且会在第二天边界层打开时对流到近地面影响近地面O3浓度，其平均贡献可达30%。.（3）随高度升高，大气边界层内O3生成敏感性由VOCs控制转变为NOx控制。VOCs/NOx比值随高度升高而升高表明，O3生成敏感性从近地面的VOCs控制转变成大气边界层上部的NOx控制。由于城市区域O3大部分在边界层上部生成，因此NOx的减排是区域光化学污染控制的关键。.（4）大幅减排NOx可有效遏制O3污染。基于长期探空观测发现，北京边界层上部O3浓度逐渐下降。这一现象表明了NOx下降对控制边界层上部O3浓度的决定性作用，从而论证了大幅减排NOx控制O3的可行性，为我国后续O3和颗粒物协同防控提供了先行经验。