大气边界层动力学对哥伦比亚中高密度城市地区空气质量的影响

《Remote Sensing Applications: Society and Environment》：Influence of Atmospheric Boundary-Layer Dynamics on Air Quality of the middle- and high-density Urban Areas of Colombia

本研究分析2020-2024年哥伦比亚主要城市大气边界层动态对PM2.5、PM10和O3浓度的影响，结合ERA5和COSMIC-2数据，发现地形和通风条件显著影响颗粒物累积，而臭氧主要受光化学反应和前体物排放调控，提出需气象-aware的AQ管理策略。

　　

路易斯·M·埃尔南德斯·贝莱尼奥（Luis M. Hernández Bele?o）| 格雷戈里·德·阿鲁达·莫雷拉（Gregori de Arruda Moreira）| 埃莉安娜·韦加拉-巴斯克斯（Eliana Vergara-Vásquez）| 伊尼瓦·卡马戈·卡伊塞多（Yiniva Camargo Caicedo）| 大卫·J·奥康纳（David J. O’Connor）| 安德烈斯·M·贝莱斯-佩雷拉（Andrés M. Vélez-Pereira）

哥伦比亚圣玛尔塔市玛格达莱纳大学工程学院硕士课程

摘要

在哥伦比亚复杂的地形条件下，排放物与大气边界层动力学之间的相互作用决定了城市空气质量（AQ）。本研究评估了大气边界层对不同地貌区域空气质量的影响。研究使用了ERA5再分析数据集来获取2020-2024年期间的边界层高度（ABLH）和垂直混合比（VC）的每小时估计值，同时利用COSMIC-2温度剖面数据推导出温度高度剖面（TEP）相关参数，包括逆温层底部高度和温度梯度。空气质量数据来自78个监测站，重点关注PM₁₀、PM_2.5和O₃的浓度。分析结合了超标率（第98百分位阈值）、昼夜和季节性变化、非参数相关性以及根据稳定/不稳定边界层条件和干湿季节分层的高斯线性模型。结果显示，安蒂奥基亚和波哥大的PM_2.5超标频率较高，其中安蒂奥基亚的日均超标率为1.11%，波哥大为0.87%。北桑坦德尔的PM_2.5超标率最高（7.18%），而塞萨尔和玛格达莱纳等地区的超标率较低。O₃浓度受温度结构的强烈影响，尤其是高海拔地区的逆温层高度、逆温强度与O₃峰值之间存在直接关联。地貌和环流模式解释了区域间的差异，停滞气流易积聚污染物的区域污染更为严重。研究表明，通风条件对颗粒物污染有显著影响，而O₃峰值主要受前体物质排放和温度驱动的光化学过程控制。这些发现强调了制定基于气象数据的空气质量管理策略的必要性，尤其是在人口密集的安第斯山区。

引言

大气边界层（ABL）是地表与自由对流层（FT）之间通过湍流交换质量、能量和动量的关键界面（Jia和Zhang，2020；Lazaridis，2011）；特别是在地表附近，它直接受到太阳辐射、地表强迫、平流-对流、降雨以及云层、气溶胶和微量气体的辐射强迫的影响（Lazaridis，2011）。研究ABL对于理解城市空气污染事件至关重要，因为大多数污染物都排放在这个层中（Li等人，2024；Ma等人，2024；Moreira等人，2024；Zhang等人，2024）。ABL还控制着初级污染物的传输、积累和扩散，从而影响次级污染物的形成和转化（Yang等人，2025）。ABL及其强迫因素的任何变化都会影响地表气象，进而导致地表污染的变化（Gogoi等人，2025）。

ABL高度（ABLH）受地表特征及温度和压力高度剖面的影响（Garnés-Morales等人，2024），并常被用作表征空气污染事件的关键指标（Arias-Arana等人，2025）。较低的ABLH会导致地面附近气溶胶的积累，而较高的ABLH则有助于气溶胶的传输和垂直混合（Meng等人，2025）。在雅典，Foskinis等人（2024）的研究表明，边界层高度增加25%会导致地表气溶胶浓度降低约15%；相反，边界层高度降低15%则可能使浓度增加约10%。在蒙古高原，低ABLH和风速以及高相对湿度和温度逆温是引发空气污染事件的关键因素（Yang等人，2025）。研究人员还发现，异常高的臭氧（O₃）、一氧化碳（CO）、气溶胶、黑碳、甲醛（HCHO）和氮氧化物（NOx）水平与特定的低ABLH和海陆风条件有关（Wu等人，2024）。此外，颗粒物（PM）和挥发性有机化合物（VOCs）等污染物也受到低ABLH的影响（Marley等人，2021）。

大气边界层（ABL）定义了调节近地表污染物浓度的有效垂直混合体积，其深度和稳定性对城市空气质量动态至关重要。最新研究表明，颗粒物浓度与边界层高度呈负相关：较浅且稳定的边界层抑制湍流混合，促进污染物积累；而较深的对流层则促进稀释和扩散（Kotthaus等人，2023；Li等人，2023a）。相比之下，臭氧对ABL动态的响应更为复杂，因为它依赖于光化学过程。边界层高度的变化不仅通过前体物质的稀释作用影响地表O₃浓度，还通过边界层内及上层空气的垂直输送影响O₃浓度，导致不同地区和不同条件下的不同响应（He等人，2023；Liu等人，2022）。

城市空气质量监测网络需要确定ABL高度以研究空气污染（Saboohi等人，2025）。准确估计ABL高度有助于改善空气污染管理（Molero等人，2024）。然而，这具有挑战性，因为ABL高度在一天内变化较大（Canché-Cab等人，2024）。此外，生成空间分布的ABL高度数据集也很困难（Lamer等人，2024）。这种困难因大陆、沿海和海洋地区的气象条件差异而加剧（Prasad等人，2024），并且在从一分钟到数月甚至数年的时间尺度上也存在高变异性（Puccioni等人，2024）。

尽管已有大量研究探讨了ABL高度的各个方面，但以往的研究主要集中在理论层面，且多数使用模型进行估算（Jiang等人，2022）。当前的研究利用遥感技术，如风廓线仪、微波辐射计、激光雷达和云高计，提供高质量的实时数据（Basha等人，2025）。研究不仅关注ABL高度的确定，还探讨其对污染物行为和浓度的影响（Sun等人，2021，2024）。此外，一些研究发现污染事件发生在边界层稳定的条件下（Huertas等人，2021；Yuval等人，2020）。

根据2023年的全国空气质量报告，安蒂奥基亚、玻利瓦尔、博亚卡、卡尔达斯、塞萨尔、昆迪纳马卡、北桑坦德尔和桑坦德尔等省份以及首都波哥大经常出现至少一种污染物超标的情况（Garzón Herrera和Buitrago Mesa，2024）。交通排放、生物质燃烧、工业过程和自然排放源都是空气污染的来源（Bola?o-Truyol等人，2022；Londo?o Pineda和Cano，2021；Zárate，2007）。因此，改善空气质量管理和加深对污染过程的理解对于缓解哥伦比亚日益严重的污染问题至关重要（Rojas等人，2023；Vergara-Vásquez等人，2024）。

在哥伦比亚，关于大气边界层的研究主要集中在理论或局部尺度分析，而非空间综合评估。以往的研究考察了非静态条件下的湍流通量（Arias-Arana等人，2024）、边界层风洞中的风行为（Delgado Osorio等人，2024）以及城市特定区域的ABL高度与PM浓度关系（Parra等人，2024）。然而，这些研究仅限于个别地点，未对全国范围内的多种污染物、大气环流指标和温度逆温结构进行综合分析。

因此，目前尚缺乏将多源遥感产品（如ERA5的ABL高度数据、COSMIC-2温度剖面）与地面空气质量观测相结合的综合性多城市评估，以探讨边界层动力学和地貌异质性如何影响哥伦比亚主要城市的污染物浓度。本研究引入了几项方法论创新，这些创新很少在单一框架内综合运用，包括多年地面观测数据、再分析得到的边界层参数、基于卫星的温度剖面以及地貌聚类分析。

因此，本研究旨在量化2020至2024年间大气边界层动力学和温度逆温结构对哥伦比亚中高密度城市地区污染物时空行为的影响。

具体而言，我们：

• (i)
  分析九个省份的PM₁₀、PM_2.5和O₃的表面浓度、ABL高度（ABLH）、通风系数（VC）以及温度高度剖面（TEP）相关变量的空间和时间分布；
• (ii)
  评估昼夜边界层状态和季节性条件（干湿）对污染物超标和极端事件的影响；
• (iii)
  通过将省份划分为不同地形-通风类型，并分析大气环流和TEP相关变量如何调节各类型区域内的污染物浓度，来评估地貌和通风模式的作用。

为实现这些目标，我们结合了ERA5再分析数据中的ABL高度和近地面风速信息、COSMIC-2无线电掩星温度剖面以及全国空气质量监测网络（SISAIRE）的每小时记录。

研究区域

哥伦比亚面积为1.1 x 10⁶平方公里，位于赤道地区的12°N至-2°S之间，分为安第斯、加勒比、太平洋、亚马逊和奥里诺科五个地理区域。该地区海拔范围为5800米，地形复杂，1991-2020年的年均降水量为2086.8毫米，但年降水量变化较大（241.4至12168.9毫米）。宏观和中等尺度的气象现象，如赤道辐合带（ITCZ），对该地区的气候有显著影响。

表面浓度、超标情况与空间分布

研究期间，安蒂奥基亚和北桑坦德尔的PM浓度较高（见表S2），其浓度均值较高、方差较大，且存在偶发的浓度峰值，月度观测频率超过年98百分位（见图4）。波哥大的平均浓度适中，但变化较大（变异系数高，见表S3），尤其是PM₁₀，表明污染水平有波动。

讨论

分析显示，研究区域内污染物浓度存在明显差异。玻利瓦尔和北桑坦德尔的PM₁₀中位数最高，而安蒂奥基亚和波哥大的浓度百分位数较高，表明这些地区经常发生高浓度污染事件。这些模式可能是多种排放源和气象因素共同作用的结果。

研究的局限性

本研究存在一些局限性，解读结果时应予以考虑。首先，尽管采用了多年多源数据，但空气质量监测站分布不均，导致某些地区的观测样本量较少。这可能限制了某些估计结果的空间代表性。其次，使用再分析和卫星数据集会引入固有的不确定性。

结论

我们的研究结果表明，ABL动力学、温度逆温剖面和地貌异质性对哥伦比亚的空气污染行为有决定性影响。颗粒物浓度主要受ABL高度和通风条件控制，而O₃浓度则受到前体物质排放、温度和大气环流的共同影响，不同地貌条件下的各因素贡献程度不同。

CRediT作者贡献声明

格雷戈里·德·阿鲁达·莫雷拉（Gregori de Arruda Moreira）：负责撰写、审稿与编辑、软件使用、资源准备、方法论设计、数据调查、数据分析及概念构建。路易斯·M·埃尔南德斯·贝莱尼奥（Luis M. Hernández Bele?o）：负责撰写初稿、数据可视化、验证、软件使用、资源准备、方法论设计、数据调查及概念构建。伊尼瓦·卡马戈·卡伊塞多（Yiniva Camargo Caicedo）：负责撰写、审稿与编辑、项目监督、资源协调及资金筹集。

未引用参考文献

Foskinis等人，2024；Maechler，2025；MINCIT工业与旅游部，2025；环境与可持续发展部（MinAmbiente），2010。

伦理声明

作者声明本研究遵循科学出版的伦理标准，仅使用公开可获取的环境和卫星数据集（ERA5、CAMS、COSMIC-2和SISAIRE），未涉及人类参与者、动物或私人数据。所有数据来源均正确引用，分析过程符合机构和国际研究诚信准则。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本研究结果的财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢使用多个公开可获取的环境和卫星数据集。ERA5再分析数据来自Copernicus气候变化服务（C3S）的Climate Data Store（CDS），网址为http://dx.doi.org/10.24381/cds.adbb2d47。研究结果包含经过修改的Copernicus气候变化服务信息；欧盟委员会和欧洲中期天气预报中心（ECMWF）不对数据的任何使用负责。此外，本研究还受益于全球